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Transition zone: Influence of pause duration on temporal reproduction
Transition zone: Influence of pause duration on temporal reproduction
In contrast to the concept of objective time being continuous as described in classical physics, in psychology and cognitive neuroscience it has been discussed and studied since a long time whether subjective time has to be understood as being continuous or discrete. It has been demonstrated on the basis of different experimental conditions and with different research paradigms that subjective time does not match directly objective time. Different mechanisms of temporal processing have been disclosed in studies on the question how subjective time relates to objective time. One such mechanism is reflected in a low-frequency “time window” of 2 to 3 seconds which has been confirmed in many studies; it can be understood as a pre-semantic and automatic integration mechanism. One experimental paradigm in such studies is the temporal reproduction task. Previous studies mostly focused on how standard durations influence cognitive processing; the influence of pause durations for reproduction of temporal intervals has been neglected. Some preliminary research suggests, however, that in fact pause durations between stimulus presentation and its reproduction may play an important role. In the research presented here, the influence of pause duration was systematically investigaed with a behavioral paradigm and an EEG study. Experiment 1 used pause durations from 1 to 16 seconds as independent variable and investigated how various pause durations may effect the reproduction of a 2 second standard interval. Results showed that when pause durations were below 4 seconds, the reproduced durations increased and then levelled off. To further explore whether this effect only applied to 2 second standard intervals, a 3 and 4.5 second was added as standard stimulus in the second experiment. It was observed that the reproductions for different standards showed the same pattern, i.e., a transition zone of reproductions up to 4 seconds was observed, before a “plateau” or subjective set point of constant reproductions was reached. Experiment 3 employed longer pause durations by excluding short pause durations, and in this case no transition zone was observed which confirmed the critical role of pause duration for cognitive processing, and substantiates the existence of a low frequency time window of 2 to 3 seconds. Different standard and reproduced auditory stimuli were applied in experiment 4 to test a potential dependence of reproduction on stimulus characteristics; no such effect was observed supporting the notion of a generalized temporal reproduction mechanism for a 2 to 3 second time window. Experiment 5 using measurements with EEG examined possible neural indicators for the pause duration effect. Precisely timed and intense low-beta activities in the EEG across the entire cortical mantle were observed in the reproduction phase only up to a 3 second pause duration. This observation suggests the neural entrainment of a very low frequency oscillation or temporal integration interval by the onset of the standard to be reproduced. Thus, the low-beta activity as a neural marker may indicate the representation of a temporal stimulus in working memory., Im Gegensatz zum Konzept einer objektiven Zeit, die als kontinuierlich in der klassischen Physik zu verstehen ist, wird in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften seit langem diskutiert und auch experimentell untersucht, ob die subjektive Zeit als kontinuierlich oder diskret verstanden werden muss. Auf der Grundlage verschiedener experimenteller Bedingungen mit unterschiedlichen Paradigmen konnte gezeigt werden, dass subjektive Zeit nicht direkt der objektiven Zeit entspricht. Verschiedene Mechanismen konnten in Untersuchungen über die Frage aufgedeckt werden, wie sich subjektive Zeit auf objektive Zeit bezieht. Ein solcher Mechanisms spiegelt sich in einem niederfrequenten “Zeitfenster” von etwa 2 bis 3 Sekunden wider, und dies wurde in vielen Studien bestätigt; der Mechanismus kann verstanden werden als ein präsemantischer und automatischer Integrationsprozeß. Ein experimentelles Paradigma für solche Studien ist der zeitliche Reproduktionstest. Frühere Studien haben sich darauf konzentriert, wie verschiedene Standarddauern kognitive Prozesse beeinflussen; was vernachlässigt wurde, das ist der mögliche Einfluß der Dauer einer Pause auf die Reproduktion von zeitlichen Intervallen. Einige vorläufige Studien haben gezeigt, dass die Dauer der Pause zwischen Stimulus-Präsentation und der Reproduktion der Dauer eine wichtige Rolle spielen könnte. In den hier dargestellten Untersuchungen wurde der Einfluss der Pausendauer mit einem einem Verhaltens-Paradigma und einer EEG-Studie systematisch untersucht. In Experiment 1 wurden Pausendauern von 1 Sekunde bis 16 Sekunden als unabhängige Variable genutzt, und es wurde geprüft, wie möglicherweise verschiedene Pausendauern die Reproduktion eines Standardintervalls von 2 Sekunden beeinflussen. Es ergab sich, dass dann, wenn die Pausendauern unter 4 Sekunden waren, die Dauer der Reproduktion anstieg, und danach konstant blieb. Um zu untersuchen, ob dieser Effekt nur bei der Dauer des Stimulus von 2 Sekunden vorkommen würde, wurden in Experiment 2 Reizdauern auch von 3 und 4.5 Sekunden untersucht. Es zeigt sich das gleiche Muster der Reproduktion; es wurde ebenfalls eine Übergangszone für Reproduktionen bis zu 4 Sekunden Pausendauern beobachtet, bevor ein “Plateau” gleichbleibender Reproduktionen erreicht wurde. In Experiment 3 wurde kürzere Pausendauern ausgeschlossen und nur längere Pausendauern geprüft, wobei in diesem Fall keine Übergangszone beobachtet wurde; dies bestätigt die kritische Bedeutung der Pausendauer für kognitive Prozesse, und der Befund unterstützt das Konzept eines niederfrequenten Zeitfensters von 2 bis 3 Sekunden. In Experiment 4 wurden verschiedene Stimuli für den Standardreiz und seine Reproduktion verwendet um zu prüfen, ob spezifische Reizcharakteristiken für die Reproduktionsweisen entscheidend sind; ein solcher Effekt wurde mit diesem Paradigma nicht beobachtet, was das generelle Konzept eines Zeitfensters von 2 bis 3 Sekunden stützt. In Experiment 5 wurde mit Hilfe von EEG-Aufzeichnungen geprüft, ob sich ein neuronaler Indikator für den Effekt der unterschiedlichen Pausendauern finden lässt. Es ergab sich, dass eine zeitlich präzise und intensive Aktivität von Beta-Wellen im niederen Frequenzbereich (“low beta”) über den ganzen corticalen Mantel zu beobachten war, doch dieses nur bei den Reproduktionen von Pausendauern bis zu 3 Sekunden. Diese Beobachtung weist darauf hin, dass durch den Reizauftritt eine neuronale Synchronisation eines zeitlichen Integrationsprozesses beziehungsweise einer stark niederfrequenten Oszillation angestoßen wird, was sich entscheidend auf die Reproduktion auswirkt. Die selektive Beta-Aktivität kann möglicherweise somit als ein neuronaler Indikator für die Repräsentation von Zeit-Stimuli im Arbeitsgedächtnis angesehen werden.
temporal reproduction, pause duration, transition, time window
Mu, Nan
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Mu, Nan (2021): Transition zone: Influence of pause duration on temporal reproduction. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

In contrast to the concept of objective time being continuous as described in classical physics, in psychology and cognitive neuroscience it has been discussed and studied since a long time whether subjective time has to be understood as being continuous or discrete. It has been demonstrated on the basis of different experimental conditions and with different research paradigms that subjective time does not match directly objective time. Different mechanisms of temporal processing have been disclosed in studies on the question how subjective time relates to objective time. One such mechanism is reflected in a low-frequency “time window” of 2 to 3 seconds which has been confirmed in many studies; it can be understood as a pre-semantic and automatic integration mechanism. One experimental paradigm in such studies is the temporal reproduction task. Previous studies mostly focused on how standard durations influence cognitive processing; the influence of pause durations for reproduction of temporal intervals has been neglected. Some preliminary research suggests, however, that in fact pause durations between stimulus presentation and its reproduction may play an important role. In the research presented here, the influence of pause duration was systematically investigaed with a behavioral paradigm and an EEG study. Experiment 1 used pause durations from 1 to 16 seconds as independent variable and investigated how various pause durations may effect the reproduction of a 2 second standard interval. Results showed that when pause durations were below 4 seconds, the reproduced durations increased and then levelled off. To further explore whether this effect only applied to 2 second standard intervals, a 3 and 4.5 second was added as standard stimulus in the second experiment. It was observed that the reproductions for different standards showed the same pattern, i.e., a transition zone of reproductions up to 4 seconds was observed, before a “plateau” or subjective set point of constant reproductions was reached. Experiment 3 employed longer pause durations by excluding short pause durations, and in this case no transition zone was observed which confirmed the critical role of pause duration for cognitive processing, and substantiates the existence of a low frequency time window of 2 to 3 seconds. Different standard and reproduced auditory stimuli were applied in experiment 4 to test a potential dependence of reproduction on stimulus characteristics; no such effect was observed supporting the notion of a generalized temporal reproduction mechanism for a 2 to 3 second time window. Experiment 5 using measurements with EEG examined possible neural indicators for the pause duration effect. Precisely timed and intense low-beta activities in the EEG across the entire cortical mantle were observed in the reproduction phase only up to a 3 second pause duration. This observation suggests the neural entrainment of a very low frequency oscillation or temporal integration interval by the onset of the standard to be reproduced. Thus, the low-beta activity as a neural marker may indicate the representation of a temporal stimulus in working memory.

Abstract

Im Gegensatz zum Konzept einer objektiven Zeit, die als kontinuierlich in der klassischen Physik zu verstehen ist, wird in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften seit langem diskutiert und auch experimentell untersucht, ob die subjektive Zeit als kontinuierlich oder diskret verstanden werden muss. Auf der Grundlage verschiedener experimenteller Bedingungen mit unterschiedlichen Paradigmen konnte gezeigt werden, dass subjektive Zeit nicht direkt der objektiven Zeit entspricht. Verschiedene Mechanismen konnten in Untersuchungen über die Frage aufgedeckt werden, wie sich subjektive Zeit auf objektive Zeit bezieht. Ein solcher Mechanisms spiegelt sich in einem niederfrequenten “Zeitfenster” von etwa 2 bis 3 Sekunden wider, und dies wurde in vielen Studien bestätigt; der Mechanismus kann verstanden werden als ein präsemantischer und automatischer Integrationsprozeß. Ein experimentelles Paradigma für solche Studien ist der zeitliche Reproduktionstest. Frühere Studien haben sich darauf konzentriert, wie verschiedene Standarddauern kognitive Prozesse beeinflussen; was vernachlässigt wurde, das ist der mögliche Einfluß der Dauer einer Pause auf die Reproduktion von zeitlichen Intervallen. Einige vorläufige Studien haben gezeigt, dass die Dauer der Pause zwischen Stimulus-Präsentation und der Reproduktion der Dauer eine wichtige Rolle spielen könnte. In den hier dargestellten Untersuchungen wurde der Einfluss der Pausendauer mit einem einem Verhaltens-Paradigma und einer EEG-Studie systematisch untersucht. In Experiment 1 wurden Pausendauern von 1 Sekunde bis 16 Sekunden als unabhängige Variable genutzt, und es wurde geprüft, wie möglicherweise verschiedene Pausendauern die Reproduktion eines Standardintervalls von 2 Sekunden beeinflussen. Es ergab sich, dass dann, wenn die Pausendauern unter 4 Sekunden waren, die Dauer der Reproduktion anstieg, und danach konstant blieb. Um zu untersuchen, ob dieser Effekt nur bei der Dauer des Stimulus von 2 Sekunden vorkommen würde, wurden in Experiment 2 Reizdauern auch von 3 und 4.5 Sekunden untersucht. Es zeigt sich das gleiche Muster der Reproduktion; es wurde ebenfalls eine Übergangszone für Reproduktionen bis zu 4 Sekunden Pausendauern beobachtet, bevor ein “Plateau” gleichbleibender Reproduktionen erreicht wurde. In Experiment 3 wurde kürzere Pausendauern ausgeschlossen und nur längere Pausendauern geprüft, wobei in diesem Fall keine Übergangszone beobachtet wurde; dies bestätigt die kritische Bedeutung der Pausendauer für kognitive Prozesse, und der Befund unterstützt das Konzept eines niederfrequenten Zeitfensters von 2 bis 3 Sekunden. In Experiment 4 wurden verschiedene Stimuli für den Standardreiz und seine Reproduktion verwendet um zu prüfen, ob spezifische Reizcharakteristiken für die Reproduktionsweisen entscheidend sind; ein solcher Effekt wurde mit diesem Paradigma nicht beobachtet, was das generelle Konzept eines Zeitfensters von 2 bis 3 Sekunden stützt. In Experiment 5 wurde mit Hilfe von EEG-Aufzeichnungen geprüft, ob sich ein neuronaler Indikator für den Effekt der unterschiedlichen Pausendauern finden lässt. Es ergab sich, dass eine zeitlich präzise und intensive Aktivität von Beta-Wellen im niederen Frequenzbereich (“low beta”) über den ganzen corticalen Mantel zu beobachten war, doch dieses nur bei den Reproduktionen von Pausendauern bis zu 3 Sekunden. Diese Beobachtung weist darauf hin, dass durch den Reizauftritt eine neuronale Synchronisation eines zeitlichen Integrationsprozesses beziehungsweise einer stark niederfrequenten Oszillation angestoßen wird, was sich entscheidend auf die Reproduktion auswirkt. Die selektive Beta-Aktivität kann möglicherweise somit als ein neuronaler Indikator für die Repräsentation von Zeit-Stimuli im Arbeitsgedächtnis angesehen werden.