Differential effects of high memory load and high item similarity on short-term recognition : an event-related potential study

Working memory (WM) contributes to countless activities during everyday live: reading, holding a conversation, making tea and so on. The core processes of WM comprise the phases of encoding, maintenance and retrieval. Successful recognition of stored objects requires several subprocesses such as stimulus encoding and evaluation, memory search and the organisation of a decision and a response. Much research has focused on encoding and maintenance of information but little interest has been directed to the retrieval of information. This is why the present dissertation investigated the neuronal correlates of retrieval of previously stored information and its modulation by load and probe-item similarity. Here memory load and probe-item similarity were manipulated in order to investigate the neuronal correlates of the recognition process using electroencephalography (EEG). We tested the hypothesis recognition is influenced differently by probe-item similarity and by memory load and that these factors are re Effected by distinct neuronal correlates. Furthermore we tested whether distinct neuronal responses could be related to a summed similarity model. The analysis of high-density ERP recordings showed both a load effect (load 1>load 3) and a similarity effect In addition, there was an interaction between load and similarity. The load effect was present during the whole epoch and did not change over time, whereas the similarity effect showed two distinct components between 300-600ms. In contrast to the load effect the similarity effect changed its sign over time. For the rest component, match probes elicited the strongest ERP responses, whereas for the second component dissimilar probes yielded the strongest ERP responses. The timing of the similarity effect corresponded well with the early and late P3b complex. The P3b complex is associated with stimulus categorisation and evaluation (early subcomponent) and memory search and criterion testing (late subcomponent). The results suggest that the difficulty of a task is not only determined by load but also enhanced by probe-item similarity. Since increasing the number of samples (i.e. memory load) can also increase the probe-item similarity (i.e. the probability that one of the samples is perceptually similar to the probe), an independent manipulation of both factors is indispensable to disentangle their particular impact on short-term recognition. Furthermore, I propose that the two distinct neural correlates of the P3b complex reeffects different stages of task processing connected with probe-item similarity. As suggested by summed similarity VI models, these components might reflect the subprocesses of similarity summation (early P3b) and criterion testing (late P3b).Unzählige Aktivitäten des alltäglichen Lebens werden erst durch das Arbeitsgedächtnis ermöglicht - Lesen, sich unterhalten, das Zubereiten von Tee und so weiter. Das Arbeitsgedächtnis besteht aus den Phasen Enkodierung, Aufrechterhaltung und Abruf. Erfolgreiche Wiedererkennung von abgespeicherten Gedächtnisinhalten erfordert mehrere Unterprozesse wie das Enkodieren und Evaluieren von Stimuli, das Durchsuchen des Arbeitsgedächtnisses, die Entscheidungsfindung sowie die Generierung einer entsprechenden Antwort. Bisher lag das Hauptaugenmerk der Gedächtnisforschung auf den Phasen der Enkodierung und der Aufrechterhaltung von Informationen im Arbeitsgedächtnis, die Abrufphase wurde bisher nur wenig untersucht. Es war das Ziel dieser Arbeit die neuronalen Prozesse zu untersuchen, die mit dem Abrufen von abgespeicherten Gedächtnisinhalten einhergehen, sowie den Einfluss der Faktoren Gedächtnislast und Ähnlichkeit zu erforschen. Mittels Elektroenzephalographie wurden die neuronalen Korrelate des Abrufprozesses untersucht, die durch veränderte Gedächtnislast und Ähnlichkeit zwischen Merk- und Test-Stimulus moduliert werden. Die Hypothese wurde untersucht, ob die Wiedererkennung durch Ähnlichkeit zwischen Merk- und Test-Stimulus anders beeinflusst wird als durch eine höhere Gedächtnislast und ob diese Prozesse mit differenzierbaren neuronalen Antworten einhergehen. Sollten eigenständige neuronale Antworten durch den Ähnlichkeitseffekt hervorgerufen werden, so sollte überprüft werden, ob diese dem Modell der summierten Ähnlichkeit zugeschrieben werden können. Die Analyse von ereigniskorrelierten Potentialen zeigte neben einem ausgedehnten Effekt der Gedächtnislast (Load 1>Load 3) einen Ähnlichkeitseffekt. Auch eine Interaktion zwischen Gedächtnislast und Ähnlichkeit konnte beobachtet werden. Der Effekt der Gedächtnislast war während der gesamten Epoche zu beobachten und zeigte sich im Verlauf unverändert. Im Gegensatz dazu war der Ähnlichkeitseffekt an zwei bestimmten Zeitpunkten zwischen 300-600ms zu sehen und änderte sich im Verlauf. Während des ersten Zeitpunktes riefen gleiche Farben die höchste Amplitude hervor und während des zweiten Zeitpunktes riefen ungleiche Farben die stärkste Antwort hervor. Interessanterweise korrespondierten die Ähnlichkeitseffekte sehr gut mit der frühen und späten Komponente des P3b Komplexes, welcher zum einen mit Kategorisierung und Evaluation des Merkreizes (frühe Komponente) und zum anderen mit Gedächtnissuche und Antwortsendung (späte Komponente) assoziiert wird. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Schwierigkeit einer Aufgabe nicht nur durch die Gedächnislast verstärkt wird, sondern auch von der Ähnlichkeit der Gedächtnisinhalte. Die Erhöhung der Anzahl der zu erinnernden Stimuli kann unter Umständen die Ähnlichkeit zwischen den einzelnen Stimuli erhöhen. Daher ist eine unabhängige Manipulation beider Faktoren unumgänglich, um die jeweiligen Auswirkungen dieser Faktoren auf das Arbeitsgedächtnis zu entwirren. Da der Ähnlichkeitseffekt an zwei verschiedenen Zeitpunkten auftrat, die dem frühen und späten P3b Komplex entsprachen, schlage ich vor, dass entsprechend der Bedeutung dieses Komplexes die neuronalen Korrelate die verschiedenen Stufen der Verarbeitung von ähnlichen Reizen widerspiegeln. Zunächst findet ein Summierungsprozess der Ähnlichkeiten zwischen den einzelnen Test-Stimuli statt, daraufhin folgte der Abgleich der Test-Stimuli mit dem Merk-Reiz und die Generierung der entsprechenden Antwort