Neuronal and cognitive correlates of attentional and automatic semantic number processing

Number magnitude is assumed to be encoded in an analog visuo-spatial frame, which resembles a left-to-right oriented and logarithmically compressed mental number line. Some authors have suggested that also the semantic representation of multidigit numbers can be described by their location on the mental number line. However, more recent behavioural studies suggest that units and decades may be represented complementarily in separate cognitive bins of information. In this dissertation the semantic number representation of oneand two-digit Arabic numbers is examined. The empirical investigations are divided in two parts. The first part concerns activation of semantic number magnitude and its association with spatial processing. In three behavioural studies the spatial nature of the mental number line is examined. In Study 1 the congruity between the mental number line and response location is tested. In Study 2 the congruity between the mental number line and stimulus location is investigated, and in Study 3 the abstractness of number magnitude. The second part of the dissertation is dedicated to cognitive and neurophysiologic correlates of twodigit semantic number processing. In two behavioural Studies 4 and 5 and a combined behavioural/functional magnetic resonance tomography (fMRI) Study 6 the semantic representation of units and decades is explored by means of the unit decade compatibility effect. In Study 4 the influence of different semantic relations on behavioural responses of normal participants is investigated. In Study 5 the influence of reading and segmentation abilities on the semantic representation of units and decades is examined in adult semi-illiterates, and in the fMRI Study 6 the neural correlates of unit and decade representations. Two main conclusions may be drawn from our investigations. First, Semantic number processing seems to be represented in a visuo-spatial code, which shares cognitive resources and interacts with other spatial representations. Second, the mental number line does not provide a comprehensive model for all features of multi-digit semantic number processing. Two-digit semantic number processing activates separate unit and decade representations besides the analog representation of number magnitude. Kurzfassung der Dissertation Die semantische Verarbeitung einund zweistelliger Zahlen wird hier untersucht. Die Zahlengrosereprasentation einstelliger Zahlen wird als ein von links nach rechts orientierter und logarithmisch komprimierter mentaler Zahlenstrahl beschrieben. Die semantische Reprasentation zweistelliger Zahlen ist etwas komplexer und schliest holistische sowie separierte Reprasentationen von Einer und Zehnerzahlen mit ein. Fur zweistellige Zahlen existieren bereits kognitive Modelle, die in dieser Dissertation uberpruft werden. Hier wird ein neues kognitives Modell, das “Konzeptuelle Modell des SNARC Effekts“, fur die raumlich-semantische Verarbeitung einstelliger Zahlen prasentiert, das empirisch uberpruft wird. Das Konzeptuelle Modell geht davon aus, dass die semantische Zahlenreprasentation von allgemeinen kognitiven Schemata organisiert wird. Die semantischen Zahlenreprasentationen nicht ausschlieslich mit den Antworten verknupft sind sondern auch mit generellen raumlichen Schemata, die fur die Wahrnehmung sowie fur die Planung motorischer Antworten verfugbar sind. Wenn unterschiedliche Reprasentationen auf die gleichen Schemata zugreifen, kann dies zu Interferenz oder Fazilitation fuhren. Die raumlichen Schemata sind nach dem Konzeptuellen Modell abstrakt und sollten modalitatsunabhangig wirken. Diese Annahmen wurden mittels des SNARC Effekts uberpruft. Der SNARC Effekt besagt, dass kleinere Zahlen schneller mit der linken Hand beantwortet werden und grosere Zahlen schneller mit der rechten Hand. In Studie 1 wurde gezeigt, dass die Orientierung des mentalen Zahlenstrahls nicht nur raumlich von links nach rechts geht, sondern den durch unterschiedliche raumliche Bezugsrahmen aufgebauten kognitiven raumlichen Schemata folgt. Studie 2 belegt, dass der SNARC Effekt nicht nur antwortsondern auch wahrnehmungsbasiert. Ferner kann er mit anderen raumlichen Kongruenzeffekten wie dem Simon-Effekt interagieren. Schlieslich zeigen die Daten aus Studie 3, dass der SNARC Effekt modalitatsunabhangig ist, also auf abstrakte raumliche Schemata zugreift. Insofern werden die Annahmen des Konzeptuellen Modells bestatigt. In der Diskussion werden weitere Vorhersagen des Modells abgeleitet. Der Untersuchung zweistelliger Zahlen wurde das Hybride Modell zugrunde gelegt. Das Modell geht davon aus, dass die Grose zweistelliger Zahlen auf drei Arten reprasentiert ist. Die Grose der gesamten Zahl ist holistisch reprasentiert. Daruber hinaus sind die Grosen der Zehner und Einer jeweils separat reprasentiert. Wichtigster Beleg fur die separaten Reprasentationen von Zehnern und Einern ist der Kompatibilitatseffekt. Er besagt, dass kompatible Grosenvergleiche zweistelliger Zahlen, in denen Zehnervergleich und Einervergleich zur gleichen Antwort fuhren (42_57, 4 2). Studie 4 zeigt, dass der Einfluss der separaten Reprasentationen von Einern und Zehnern durch visuelle Maskierungsverfahren abgeschwacht und verstarkt werden konnen. In Studie 5 wurde gezeigt, dass die separaten Reprasentationen von Zehnern und Einern nicht auf Beschulung und Lesefertigkeit zuruckgefuhrt werden konnen, denn der Kompatibilitatseffekt wurde auch bei brasilianischen Semi-Illiteraten beobachtet. Studie 6 belegt, dass die kognitiven Reprasentationen auch ihre neuronale Entsprechung haben. Neben gemeinsam aktivierten Arealen finden sich auch neurofunktionelle Korrelate von Zehnerund Einerreprasentation. Insgesamt wurde also das Hybride Modell bestatigt und sein Geltungsbereich durch die vorliegenden Daten erweitert. Es wird gefolgert, dass die Grosen einund zweistelliger Zahlen unterschiedlich verarbeitet werden, da bei zweistelligen Zahlen zusatzliche Reprasentationen aufgebaut und verarbeitet werden. Die raumlichen Schemata, die bei der Grosenverarbeitung einstelliger Zahlen eine Rolle spielen, sind abstrakt und universell und werden auch von anderen kognitiven Reprasentationen genutzt.