title: An Eye on Numbers: The Processing of Numerical Information in the Context of Visual Perception
title: Zahlen im Blick: Verarbeitung numerischer Information im Kontext visueller Wahrnehmung
Creators: name: Hesse, Philipp Nikolaus
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: SNARC
Brain
Physics
Physik
SNARC , Sehen
Gehirn
prä-attentiv
Number, Perception
Vision
Zahlenwahrnehmung, MMN
Zahl

description: Numerische Information zu
      verstehen und zu verarbeiten ist eine wichtige Fähigkeit, die
      es dem Menschen erlaubt, Zahlen und Mengen zu vergleichen, zu
      berechnen, zu beurteilen und zu erinnern. Ohne diese
      Fähigkeit wären unzählige Abläufe des Alltags nur sehr schwer
      möglich. Diese reichen von einfachen Tätigkeiten wie
      Würfelspielen bis hin zur Weiterentwicklung moderner
      Techniken wie Computer oder satellitenbasierte Navigation.
      Daher ist es wichtig, die neuronalen Prozesse, die der
      menschlichen Zahlenwahrnehmung zugrunde liegen, besser zu
      verstehen. Als einen Beitrag zu diesem sehr komplexen
      Forschungsgebiet habe ich mit Hilfe von psychophysikalischen
      Methoden und Elektroenzephalographie (EEG) drei Studien
      durchgeführt mit dem Ziel, die menschliche Zahlenwahrnehmung
      und die Verarbeitung numerischer Information besser zu
      verstehen. In den ersten beiden Studien untersuchte ich den
      Effekt der räumlich-numerischen Assoziation von Antworten
      (englisch: spatial numerical association of response codes,
      abgekürzt: SNARC). Dieser Effekt wird gemeinhin als Beleg für
      das Konzept des Mentalen Zahlenstrahls (englisch: mental
      number line, abgekürzt: MNL) gesehen, der wiederum eine
      Metapher für die Tatsache darstellt, dass Zahlen im
      menschlichen Gehirn auf einem mental vorgestellten Strahl
      organisiert sind, mit kleinen Zahlen auf der linken und
      großen Zahlen auf der rechten Seite. In meiner ersten Studie
      habe ich die Effektorabhängigkeit des SNARC-Effektes
      nachgewiesen, indem ich den SNARC-Effekt für drei
      unterschiedliche Antwortarten (Effektoren) gemessen habe:
      Zweihändige Finger-Antworten, Arm-Zeige-Antworten und
      sakkadische Antworten. In meiner zweiten Studie habe ich
      gezeigt, dass das Konzept des Mentalen Zahlenstrahls zu einer
      frontoparallelen Mentalen Zahlenebene erweitert werden kann,
      auf der kleine Zahlen links und unten und große Zahlen rechts
      und oben repräsentiert sind. Dazu habe ich den SNARC-Effekt
      auf den beiden kardinalen Achsen (horizontal und vertikal),
      sowie auf den beiden diagonalen Achsen jeweils an denselben
      Probanden untersucht. Diese Untersuchungsmethode erlaubte es
      mir zu folgern, dass die Stärke des SNARC-Effektes entlang
      der diagonalen Achsen als Linearkombination der Stärke des
      SNARC-Effektes entlang der kardinalen Achsen beschrieben
      werden kann. In dieser zweiten Studie habe ich darüber hinaus
      den SNARC-Effekt auch in zwei verschiedenen sensorischen
      Modalitäten (visuell präsentierte arabische Ziffern und
      gesprochene Zahlenwörter) gemessen. Der Vergleich des durch
      diese beiden Modalitäten erzeugten SNARC-Effektes hat
      gezeigt, dass die Stärke des SNARC-Effektes auch von der
      Präsentationsart der Zahlen abhängt. Basierend auf den
      Ergebnissen meiner ersten beiden Studien habe ich die
      Existenz eines verteilten „SNARC-Netzwerkes“ im menschlichen
      Gehirn postuliert. Demzufolge würde der SNARC-Effekt in einem
      zentralen Zahlen-Abschnitt (englisch: central number stage,
      abgekürzt: CNS) als Konsequenz der Verknüpfung von Zahlen und
      Raum im menschlichen Gehirn (wie z.B. durch den Mentalen
      Zahlenstrahl beschrieben) erzeugt. Allerdings würde der
      SNARC-Effekt zusätzlich durch andere, frühe,
      modalitätsabhängige oder späte, effektorabhängige
      Verarbeitungsabschnitte moduliert. Ich stelle die Hypothese
      auf, dass diese Abschnitte zwar den SNARC-Effekt, nicht aber
      die Verbindung zwischen Zahlen und Raum an sich modulieren.
      Meine ersten beiden Studien, die den SNARC-Effekt untersucht
      haben, basierten auf abstrakten Zahlen, die im sogenannten
      Ungefähren Zahlen System (englisch: approximate number
      system, abgekürzt: ANS) repräsentiert sind. Es ist bekannt,
      dass zusätzlich zur Zahlenverarbeitung im ANS das menschliche
      Gehirn fähig ist, sehr kleine Anzahlen (bis zu vier) nahezu
      instantan wahrzunehmen. Dieses Phänomen wird Subitizing
      genannt. Frühere Studien haben gezeigt, dass, obwohl diese
      Wahrnehmung sehr schnell ist, sie dennoch durch zusätzliche
      Aufmerksamkeitsaufgaben beeinflusst werden kann (Railo et
      al., 2008; Olivers &amp; Watson, 2008; Anobile et al., 2012).
      In meiner dritten Studie habe ich die neuronale Grundlage der
      numerischen Informationsverarbeitung nichtinvasiv mittels EEG
      und einem Effekt, der als visuelle Mismatch Negativity
      bezeichnet wird, untersucht, um herauszufinden, ob die
      Verarbeitung numerischer Information in diesem
      Subitizing-Bereich prä-attentiv erfolgt. In meinem Experiment
      präsentierte ich in schneller Abfolge Stimuli, bestehend aus
      ein, zwei oder drei Kreisen. Um sicher zu gehen, dass
      wirklich die Anzahl als relevante Größe verarbeitet wurde,
      habe ich die Stimuli für niedrigschwellige visuelle
      Eigenschaften (wie Luminanz und individuelle Kreisgröße)
      variiert. Während die Probanden mit einer schwierigen
      visuellen Detektions-Aufgabe beschäftigt waren, wurden
      Veränderungen in der Anzahl der gezeigten Kreise (Standard
      oder Abweichung) prä-attentiv verarbeitet. Das Ergebnis
      meiner Studie bietet einen weiteren Hinweis für die Idee,
      dass Anzahlen im kleinen (Subitizing-) Bereich tatsächlich
      prä-attentiv verarbeitet werden. Zusammengefasst habe ich in
      meiner Dissertation gezeigt, dass der Mentale Zahlenstrahl zu
      einer frontoparallelen Zahlenebene erweitert werden kann,
      möglicherweise sogar zu einem dreidimensionalen
      Mentalen-Zahlen-Raum. Des Weiteren belegte ich die
      Abhängigkeit des SNARC-Effektes sowohl von der sensorischen
      Modalität als auch von der Antwortart, was die Existenz eines
      verteilten SNARC-Netzwerks im Gehirn nahelegt. Schlussendlich
      fand ich Hinweise dafür, dass die Verarbeitung von kleinen
      Anzahlen im Subitizing-Bereich prä-attentiv sein
      könnte.
description: The capability of understanding and
      processing numerical information is a critical skill that
      allows humans to compare, calculate, judge and remember
      numbers and numerosities. Without this capability, countless
      processes in everyday life would be very hard to accomplish.
      This ranges from simple actions like playing dice to the
      invention of modern techniques, such as personal computers
      and satellite-based navigation. Hence, it is important to
      understand the neural processes underlying the (human)
      perception of numbers and numerosities. As a contribution to
      this very complex research field I performed three studies
      using psychophysical methods and electroencephalography (EEG)
      with the aim to draw general conclusions on human number
      perception and the processing of numerical information. In
      the first two studies, I investigated the effect of spatial
      numerical association of response codes (SNARC). This effect
      is commonly seen as evidence for the concept of a mental
      number line (MNL), which is a metaphor for the fact, that the
      human brain organizes numbers on a mentally conceived line
      with small numbers on the left and large numbers on the
      right. In my first study I showed the effector dependence of
      the SNARC effect, by measuring the SNARC effect for three
      different effectors: bimanual finger responses, arm pointing
      responses and saccadic responses. In my second study, I
      showed that the concept of the mental number line can be
      extended to a frontoparallel mental number plane, where small
      numbers are represented left and down and large numbers are
      represented right and up. I achieved this result by
      investigating the SNARC effect for cardinal axes (horizontal
      and vertical) and for diagonal axes in one and the same
      subject. This approach allowed me to conclude that the
      strength of the SNARC effect on the diagonal axes can be
      expressed as a linear combination of the strength of the
      SNARC effect along the two cardinal axes. In this second
      study I measured the SNARC effect also regarding two sensory
      modalities (visual presented Arabic digits and spoken number
      words). The comparison of the SNARC effect elicited by these
      two modalities revealed that the strength of the SNARC effect
      depended on the modality of number presentation. Together
      with the results of the effector dependency of the SNARC
      effect from my first study this led me to propose the
      existence of a distributed “SNARC network” in the human
      brain. Within the framework of this proposal the SNARC effect
      is elicited in a central number stage (CNS) as a consequence
      of the interaction between numbers and space in the human
      brain (e.g. as explicated by the MNL). But in addition, the
      SNARC effect is further modulated by early, modality
      dependent processing stages and late, effector dependent
      processing stages. I hypothesize that these stages modulate
      the SNARC effect, but not the relationship between numbers
      and space per se. My first two studies, explored the SNARC
      effect, based on abstract numbers represented in the,
      so-called, approximate number system (ANS). In addition to
      the number processing in the ANS, it is known that the human
      brain is capable of perceiving very small magnitudes (up to
      four) immediately, a phenomenon called subitizing. Previous
      studies showed that this perception, although very fast,
      might be influenced by attentional load (Railo et al., 2008;
      Olivers &amp; Watson, 2008; Anobile et al., 2012). In my
      third study, I measured the neural basis of the processing of
      numerical information non-invasively by means of EEG and used
      the effect of visual mismatch negativity to demonstrate the
      pre-attentive processing of quantities in the subitizing
      range. In this experiment, I rapidly pre-sented stimuli,
      consisting of one, two or three circular patches. To ensure
      that numerosity was the relevant factor, patches were varied
      for low-level visual features (luminance vs. individual patch
      size). While participants were engaged in a difficult visual
      detection task, changes of the number of patches (standard
      vs. deviant) were processed pre-attentively. The results of
      my study provide evidence for the idea that numerosity in
      this small (subitizing) range is processed pre-attentively.
      Taken together, I showed that the mental number line could be
      extended to a frontoparallel mental number plane and
      eventually even to a three-dimensional mental number space. I
      found evidence for the dependence of the SNARC effect on
      sensory modalities as well as on response effectors,
      suggesting the existence of a distributed
      SNARC-brain-network. Finally, I revealed some evidence that
      number processing of small magnitudes in the subitizing range
      might be pre-attentive.