The influence of action effects on the acquisition and execution of movement sequences

Die Arbeit befasst sich mit der Frage, welche Rolle die sensorischen Effekte von Handlungen beim Erwerb und der Steuerung von Bewegungen spielen. Dabei wird auf zwei experimentelle Ansätze zurückgegriffen, einerseits die serielle Wahlreaktionsaufgabe (SWR) und andererseits Trainingsstudien zum Erwerb kurzer motorischer Sequenzen. In der SWR ist es die Aufgabe der Versuchspersonen, auf nacheinander dargebotene Reize so schnell wie möglich, meist mit Tastendrücken, zu reagieren. Wenn die Abfolge der Tastendrücke einer bestimmten, statistisch festgelegten oder zyklisch wiederholten Struktur folgt, nehmen die Reaktionszeiten stark ab, wenn die Struktureigenschaften verändert werden, verschwindet dieser Übungsgewinn wieder. Anhand der einschlägigen Literatur wird zunächst belegt, dass sowohl statistische als auch relationale sowie raum-zeitliche Struktureigenschaften die Lernrate beeinflussen. Anschliessend wird diskutiert, zwischen welchen Elementen der Ereignissequenz, die eine SWR darstellt, Struktureigenschaften wirksam werden. Es wird der Nachweis geführt, dass die Bedeutung von Reaktionseffekten in diesem Zusammenhang in der Literatur bisher weitgehend vernachlässigt wurde. Ein ähnlicher Mangel zeigt sich auch in der Betrachgung der Literatur zum Training kurzer Bewegungsfolgen und den theoretischen Ansätzen zur motorischen Programmierung: Sensorische Effekte von Bewegungen werden in den Erklärungsmodellen nicht als bedeutsamer Faktor erkannt. Fußend auf der Logik des „ideomotorischen Prinzips“ wird in einer Serie von Experimenten der Nachweis geführt, dass Toneffekte, die kontingent an die Reaktionstasten gebunden sind, sich erleichternd auf den Erwerb und die Ausführung motorischer Sequenzen auswirken können. Im ersten Experiment wird in einer seriellen Wahlreaktionsaufgabe eine Gruppe von Versuchspersonen, die kontingent zugeordnete Toneffekte erzeugt mit zwei Kontrollgruppen (ohne Toneffekte und mit nicht-kontingenten Toneffekten) verglichen. Die kontigenten Toneffekte verbessern das serielle Lernen substantiell, die nicht-kontingenten Toneffekte haben keinen Einfluss. In Experiment 2 wird dieser Befund mit anderem Reizmaterial repliziert und es wird gezeigt, dass bedeutsame Kompatibilitätsbeziehungen zwischen den Reaktionstasten und den Tönen bestehen: Der nützliche Einfluss der Töne zeigt sich nur bei von links nach rechts aufsteigender Zuordnung. In beiden Experimenten kann eine Erklärung der Ergebnisse durch Unterschiede im „expliziten Wissen“ über die Sequenzstruktur ausgeschlossen werden. Experiment drei bis fünf zeigen, dass kontingent und aufsteigend zugeordnete Toneffekte auch das Erlernen kurzer Tastendruchsequenzen, die über einen längeren Zeitraum trainiert werden können, erleichtern. Am augenfälligsten ist dabei das Verschwinden des sogenannten Sequenzlängeneffektes, eines üblicherweise vorhandenen Unterschiedes in den Initiierungszeiten kürzerer und längerer motorischer Abfolgen. Mit geeigneten Toneffekten lassen sich längere Sequenzen ebenso schnell initiieren wie kürzere, was dafür spricht, dass die sensorischen Effekte bei der Erstellung des motorischen Programmes für die Bewegung eine Rolle spielen. In Experiment 4 und 5 nehmen auch die Zwischen-Tasten-Intervalle innerhalb der trainierten Sequenzen mit Toneffekten schneller ab und gleichen sich einander schneller an, was als Hinweis darauf interpretiert wird, dass die Toneffekte sich erleichternd auf das chunking, also die Zusammenfassung einzelner Elemente zu größeren Einheiten, auswirken. Diese Überlegung steht im Einklang mit aus der Literatur bekannten Überlegungen zur Reduktion des Sequenzlängeneffektes durch intensives Training, auch hier wurde in der Vergangenheit bereits ein Einfluss von chunking-Prozessen vermutet. Experiment 5 zeigt, dass der Einfluss der Toneffekte auch bei einem längeren Vorinformationsintervall nicht verschwindet, das heisst, auch wenn die Versuchspersonen Zeit haben, sich auf die gleich auszuführende Sequenz vorzubereiten, können mit Toneffekten geübte Sequenzen schneller initiiert werden. Dies spricht dagegen, dass die Toneffekte sich nur erleichternd auf die Aktionsauswahl auswirken, und dafür, dass ihnen auch bei Initiierung und Ausführung Bedeutung zukommt. Ein letztes Experiment zeigt, dass die beobachteten Befunde nicht unabhängig von den verwendeten Effekten sind, da sich bei einem Replikationsversuch mit visuellen Effekten (Ziffern) keine Unterschiede zwischen Experimental-und Kontrollbedignung beobachten lassen. Die Ergebnisse werden mit Blick auf die zukünftige Modellbildung im Bereich der Motoriksteuerung und der motorischen Programmierung diskutiert. Nachdem Alternativerklärungen ausgeschlossen werden können wird der Schluss gezogen, dass sensorische Effekte Teil der zu Auswahl und Steuerung von Bewegungen notwendigen internen Repräsentationen sein müssen. Geeignete Effekte können Erwerb und Ausführung beschleunigen.The thesis deals with the role of sensory effects for the acquisition and control of movement. Two experimental approaches are employed: The serial reaction time task (SRT) and a training paradigm for the acquisition of short movement sequences. In the SRT, participants are to respond as fast as possible to successively presented stimuli, usually with keystrokes. When the sequence of keystrokes follows a fixed structure, repeating or statistically constrained, response times are reduced, when the structural properties are changed, this practice benefit is lost. Some authors consider this result as an example of "implicit learning", since participants are often unable to relate the structure of the stimulus-response sequence afterwards. With reference to the relevant literature it is first shown that statistical as well as relational and temporal-spatial structural properties influence learning. Subsequently it is discussed between which elements of the event sequences an SRT represents structural properties exert their influence. The most promising approaches take links between various elements, i.e. stimuli, responses and response effects into account. It is demonstrated that the importance of response effects has largely been neglected in the literature so far. A similar picture emerges for the literature on practising short movement sequences: Sensory effects are not considered an important factor there. Based on the logic of the "ideomotor principle" a subsequent series of experiments demonstrates that tone effects contingently linked to the response keys can facilitate the acquisition and execution of motor sequences. In Experiment 1, a group of participants producing contingent tones with their keystrokes in an SRT is compared to two control groups, one producing non-contingent and one no tone effects. The contingent tone effects substantially improve serial learning, whereas no improvement is found for the non-contingent tone effects. This result is replicated in Experiment 2 with different stimulus material. It is also shown that there are compatibility relations between the response keys and the tones: The beneficial influence of the tone effects is observed only when they are mapped onto the response keys in ascending order from left to right. "Explicit knowledge" about sequence structure cannot explain the group differences in either experiment. Experiments 3 to 5 show that contingently and ascendingly mapped tone effects also facilitate the acquisition of short movement sequences being practiced for extended periods of time. The most obvious influence here is the disappearance of the sequence length effect. This is a usually found difference between the initiation times of shorter and longer motor sequences. With suitable tone effects, longer sequences can be initiated as fast as short sequences. This suggests that sensory effects play a role during the construction of motor programs for movement control. In Experiment 4 and 5, the interresponse intervals in the sequences practiced with tone effects also decrease faster and a trend for homogenization becomes apparent. This indicates that the tone effects facilitate chunking, i.e. the linking of single movement elements into larger units. This is in line with older notions from the motor learning literature. Chunking has for some time been considered responsible for the reduction of the sequence length effect through practice. Experiment 5 demonstrates that the influence of the tone effects does not disappear even when participants are given ample preparation time before having to start a sequence. Even then, sequences associated with tone effects can be initiated faster. This makes it unlikely that tone effects only facilitate action selection and favours the interpretation that they are important also for initiation and execution. The last Experiment shows that the observed results are not independent of the kind of effects presented. With visual effects (digits) no differential influences were observed. The results are discussed with reference to the future formulation of models on motor control and motor programming. Since alternative explanations of the data can be ruled out, the conclusion is drawn that sensory effects must be part of the internal representations used for selecting and controlling movements. If these effects have certain properties facilitating their association with the movements that produce them on the one hand and facilitating associations between themselves on the other hand, they can obviously accelerate the acquisition and execution of movement sequences