Cognitive Control in Number Processing

Abstract

In letzter Zeit häufen sich die Hinweise darauf, dass die Zahlenverarbeitung unter kognitiver Kontrolle steht. Kognitive Kontrolle bezeichnet die Fähigkeit, sich flexibel an veränderte Aufgabenanforderungen anzupassen, indem die Aufmerksamkeit auf relevante Aufgabenmerkmale gerichtet wird. Die meisten Belege dafür, dass die Verarbeitung von Zahlen durch kognitive Kontrolle beeinflusst wird, stammen jedoch aus experimentellen Paradigmen, bei denen sich die Studienteilnehmer*innen an veränderte Stimulusmerkmale anpassen mussten (z. B. die Häufigkeit kongruenter und inkongruenter Versuche) anpassen mussten. In Erweiterung der bisherigen Forschung konzentriert sich diese Dissertation auf die Frage, wie die kognitive Kontrolle die Zahlenverarbeitung in Fällen beeinflusst, in denen die Teilnehmer aktiv kognitive Kontrolle ausüben müssen, um sich an veränderte Aufgabenanforderungen anzupassen. Aufbauend auf früheren Erkenntnissen habe ich eine Kombination aus computergestützter Modellierung und drei empirischen Studien eingesetzt, um die Mechanismen zu verallgemeinern und zu spezifizieren, die der Interaktion zwischen Zahlenverarbeitung und kognitiver Kontrolle zugrunde liegen. Der erste Schritt zur Untersuchung der Einflüsse einer aktiven Ausübung der kognitiven Kontrolle auf die Zahlenverarbeitung bestand darin, frühere Erkenntnisse über die Einflüsse der kognitiven Kontrolle auf die Verarbeitung von Zahlengrößen auf die Paritätsverarbeitung zu verallgemeinern. Aufbauend auf dieser Verallgemeinerung untersuchte ich den Aufgabenwechsel zwischen Größenvergleichen und Paritätsurteilen als eine Instanz der aktiven Ausübung kognitiver Kontrolle. Studie 1 lieferte Evidenz dafür, dass kognitive Kontrollprozesse Paritätsurteile in einer Weise beeinflussen, die strukturell mit der Verarbeitung von Größen identisch ist. Dies wurde durch die erfolgreiche Verallgemeinerung eines zuvor für die Verarbeitung von Größen verwendeten Modells gezeigt. Insbesondere sagte das Modell der Paritäts-verarbeitung Auswirkungen von kognitiver Kontrolle auf die Paritäts-verarbeitung voraus (wie zuvor bei der Größenverarbeitung beobachtet). Um die Auswirkungen der aktiven Ausübung der kognitiven Kontrolle auf die Verarbeitung von Zahlengrößen und Paritäten zu untersuchen, habe ich eine Reihe empirischer Studien durchgeführt. In allen Studien habe ich den Aufgabenwechsel als Operationalisierung verwendet, wobei die Teilnehmer aktiv kognitive Kontrolle ausüben mussten, um sich beim Wechsel zwischen den Aufgaben auf bestimmte Stimuli zu konzentrieren. Aufbauend auf Studie 1 untersuchte Studie 2 den Wechsel zwischen zweistelligen Größenvergleichen und Paritätsbeurteilungen. Die Ergebnisse von Studie 2 deuten darauf hin, dass aufgabenirrelevante Informationen in Situationen, die aktive Anpassungen durch kognitive Kontrolle erfordern, gehemmt werden, was sich in reduzierten numerischen Kongruenzeffekten bei Aufgabenwechseln widerspiegelte. Zusätzlich zu Studie 2 wurde in den Studien 3 und 4 näher untersucht, wie spezifische Aufgabenanforderungen den Einfluss der aktiven Ausübung kognitiver Kontrolle auf die Zahlenverarbeitung beeinflussen. Insbesondere untersuchte ich den numerischen Distanz- und den SNARC-Effekt. Studie 3 deutete auf eine effizientere Verarbeitung von Zahlengrößen hin (was sich in einem kleineren numerischen Distanzeffekt widerspiegelte), wenn zwischen einstelligen Größenvergleichen und Paritäts-beurteilungen gewechselt wurde. In Studie 4 verwendete ich ein Paradigma zum Wechsel der Modalitätskompatibilität, bei dem die Teilnehmer zwischen Eingabe- und Ausgabemodalitäten wechselten, während sie einstellige Zahlenvergleiche durchführten. Im Gegensatz zu Studie 3 wies Studie 4 auf eine weniger effiziente Verarbeitung von Zahlenwerten hin (was sich in einem größeren numerischen Distanzeffekt widerspiegelte). Die Integration der unterschiedlichen Ergebnisse der Studien 3 und 4 bezüglich der Verarbeitung von Zahlenwerten legt nahe, dass explizit verarbeitete Informationen in Situationen, die eine aktive kognitive Kontrolle erfordern, bevorzugt werden. Um die erzielten Ergebnisse umfassend zu integrieren und zu diskutieren, wird in der allgemeinen Diskussion ein zusätzliches Rechenmodell vorgeschlagen, das den Aufgabenwechsel zwischen zweistelligen Zahlengrößenvergleichen und Paritäts-urteilen simuliert. Das Modell simulierte erfolgreich die Auswirkungen der aktiven Ausübung kognitiver Kontrolle auf die Verarbeitung mehrstelliger Zahlen und bestätigte damit, dass die aktive Ausübung kognitiver Kontrolle die Zahlenverarbeitung beeinflusst. Insgesamt deuten die Ergebnisse dieser Dissertation, zusätzlich zu vorherigen Perspektiven von Einflüssen kognitiver Kontrolle auf die Zahlenverarbeitung, darauf hin, dass i) die aktive Ausübung kognitiver Kontrolle die Zahlenverarbeitung moduliert und insbesondere ii) dass spezifische Aufgabenanforderungen (d.h. nur numerische Aufgaben vs. Modalitäts- & Zahlenaufgaben) beeinflussen, welche numerischen Informationen priorisiert werden. Dementsprechend spezifizieren bisherige verallgemeinernde Aussagen wie "Zahlenverarbeitung steht unter kognitiver Kontrolle" die Nuancen der Einflüsse der kognitiven Kontrolle auf die Zahlenverarbeitung nicht ausreichend. Angesichts dieser neuen Erkenntnisse schlage ich stattdessen vor, dass kognitive Kontrolle als Mechanismus zur Priorisierung von Informationen fungiert, der den am explizitesten verarbeiteten Aufgaben und Aufgabenmerkmale zusätzliche kognitive Ressourcen zuweist.

Recently, evidence accumulated suggesting that number processing is under cognitive control. Cognitive control denotes the ability to flexibly adjust to changing task demands by focusing attention on relevant task characteristics. However, most of the evidence of number processing being influenced by cognitive control comes from experimental paradigms requiring participants to adapt to changing stimulus set characteristics (e.g., the frequency of congruent and incongruent trials). Extending previous research, this dissertation focuses on how cognitive control influences number processing in instances, which require to actively exert cognitive control to adjust to changing task requirements. Building on previous evidence, I employed a combination of computational modelling and three empirical studies to generalize and specify the mechanisms underlying the interaction between number processing and cognitive control.

The first step for investigating influences of an active exertion of cognitive control on number processing was to generalize previous evidence on influences of cognitive control on number magnitude processing to parity processing. Building on the generalization I investigated task switches between magnitude comparison and parity judgements as an instance of active exertion of cognitive control. Study 1 provided computational modelling evidence for cognitive control processes to affect parity judgements in a way structurally identical to magnitude processing, as indicated by the successful generalisation of a model previously used for magnitude processing. Notably, the computational model predicted effects of cognitive control on parity processing similar to those previously observed for magnitude processing. To evaluate effects of active exertion of cognitive control on number magnitude- and parity processing, I conducted a series of empirical studies. In all studies, I used task switching as an operationalization, requiring participants to actively exert cognitive control to focus on specific stimuli attributes when switching between tasks. Building on Study 1, Study 2 investigated switches between two-digit magnitude comparisons and parity judgements. The results of study 2 suggested that task-irrelevant information is inhibited in situations requiring active adaptations via cognitive control, which was reflected by reduced numerical congruence effects in switch trials. In addition to Study 2, Studies 3 and 4 further zoomed into how specific task requirements affect the influence of active exertion of cognitive control on number processing. In particular, I investigated the numerical distance- and the SNARC effect. Study 3 indicated more efficient number magnitude processing (as reflected by a smaller numerical distance effect) when switching between single-digit magnitude comparisons and parity judgements. In Study 4, I employed a modality compatibility task switch paradigm, in which participants switched between input-output modalities while executing single-digit number magnitude comparisons. Contrary to Study 3, Study 4 indicated less efficient number magnitude processing (reflected by a larger numerical distance effect). Integrating the differential results regarding number magnitude processing of Studies 3 and 4, I suggest that explicitly processed information is prioritised in instances requiring the active exertion of cognitive control. In addition, to comprehensively integrate and discuss the obtained results, the general discussion proposes an additional computational model, simulating task switching between two-digit number magnitude comparisons and parity judgements. The computational model successfully simulated effects of active exertion of cognitive control on multi-digit number processing and, thereby, corroborated that active exertion of cognitive affects number processing.

Overall, extending previous perspectives on influences of cognitive control on number processing, the results of this dissertation suggest that i) the active exertion of cognitive control modulates number processing and more specifically ii) that specific task requirements (i.e., the combination of tasks between one has to switch) affect which numerical information is prioritized. Accordingly, previous generalizing statements such as “number processing is under cognitive control” do not sufficiently specify the nuances of influences of cognitive control on number processing. Instead, in light of these new findings, I suggest that cognitive control acts as an information prioritization mechanism which allocates cognitive resources to the most explicitly processed task and task characteristic.