Time window of 3 seconds in cognitive processing reflected as a logistic function

Zhao, Chen (2025): Time window of 3 seconds in cognitive processing reflected as a logistic function. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

„Zeit“ ist eine grundlegende, zugleich jedoch schwer fassbare Dimension der menschlichen Kognition. Obwohl „Zeit“ kein spezifisches Sinnesorgan zugeordnet ist, strukturiert sie Wahrnehmungen und Verhalten in einer umfassenderweise. Diese Dissertation untersucht die Hypothese, dass zeitliche Verarbeitung von Information nicht nur ein Bestandteil der Wahrnehmung, sondern eine fundamentale logistische Funktion ist, die kognitive Prozesse organisiert. Es wurden zwei Experimente durchgeführt, um die Rolle eines niederfrequenten „Zeitfensters“ von etwa drei Sekunden zu untersuchen, das vermutlich als präsemantische Organisationseinheit zu verstehen ist. In Experiment 1 wurde das Paradigma der Zeitreproduktion angewandt, um das 3-Sekunden-Zeitfenster in einem realitätsnahen Kontext zu testen: Es wurde untersucht, wie visuelle Darstellungen (eine Balken- vs. eine Ring-Anzeige) die subjektive Zeitwahrnehmung bei Intervallen von 3 und 15 Sekunden beeinflussen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Einfluss der visuellen Konfiguration nur bei der 15-Sekunden-Bedingung gegeben war. Die Reproduktionen in der 3-Sekunden-Bedingung blieben stabil und unabhängig von den visuellen Reizmerkmalen, was die Annahme eines präsemantischen 3-Sekunden-Zeitfensters stützt, dass also sensorische Informationen inhaltsunabhängig verarbeitet wird. In Experiment 2 wurde mit Hilfe des MEG untersucht, ob Beta-Oszillationen als neuronale Indikatoren für zeitliche Kontrolle dienen könnten. Die Versuchspersonen führten eine sensomotorische Synchronisationsaufgabe bei fünf unterschiedlichen rhythmischen Tempi aus. Die Analyse zeigte, dass Beta-Oszillationen, insbesondere die Event-Related Synchronization (ERS), systematisch mit der „Stimulus-Onset-Asynchrony“ (SOA) variierten, und das Verhalten signifikant vorhersagten. Der Übergang von antizipatorischem zu reaktivem Verhalten bei der sensomotorische Synchronisationsaufgabe erfolgte etwa bei einer SOA von drei Sekunden, was den Beobachtungen aus Experiment 1 entspricht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Beta-Oszillationen sensitiv für zeitliche Strukturen sind und möglicherweise die neuronale Implementierung des niederfrequenten Zeitfensters widerspiegeln. Sowohl die verhaltensbasierten Befunde wie auch die Beobachtungen über neuronale Oszillationen stützen die Theorie, dass das 3-Sekunden-Zeitfenster ein organisierendes Prinzip kognitiver Verarbeitung repräsentiert. Dieses theoretische Konzept ermöglicht zudem, eine differenzierte Klassifikation kognitiver Funktionen vorzunehmen, wobei zwischen inhaltlichen und logistischen Funktionen unterschieden wird. Diese Taxonomie wird vor allem auch durch physiologische Befunde gestützt, in denen Störungen der zeitlichen Organisation beobachtet wurden. Insgesamt wird nahegelegt, dass „Zeit“ nicht nur ein Inhalt der Wahrnehmung sein kann, sondern als ein organisierendes Gerüst zu verstehen ist, das wesentlich ist für die Kohärenz von Wahrnehmungen, Handlungen und dem subjektiven Erleben.

Abstract

“Time” is a foundational yet elusive dimension in human cognition, lacking a dedicated sensory organ yet pervasively structuring perception and behavior. This dissertation investigates the hypothesis that temporal processing is not merely a perceptual content but a fundamental logistic function organizing cognitive operations. Two experiments were conducted to examine the role and neural basis of a low-frequency time window of approximately three seconds, proposed to function as a presemantic organizational unit. Experiment 1 employed a temporal reproduction paradigm to test the 3-second time window in a realistic setting: how visual representations of progress (bar vs. ring indicators) influence subjective time perception at durations of 3 and 15 seconds. Results revealed that the influence of visual configuration on subjective duration was present only for the 15-second condition. Reproductions in the 3-second condition remained stable and unaffected by visual stimulus features, supporting the idea of a presemantic 3-second time window that sensory inputs are processed independently of content. Experiment 2 used magnetoencephalography (MEG) to investigate whether beta-band oscillations could serve as neural indicators of temporal control. Participants performed a sensorimotor synchronization task across five rhythmic tempos. The analysis showed that beta oscillatory activity, particularly event-related synchronization (ERS), varied systematically with stimulus onset asynchrony (SOA) and significantly predicted behavioral asynchrony. Importantly, the transition from predictive to reactive responses occurred around the 3-second SOA, mirroring the behavioral boundary identified in Experiment 1. These results indicate that beta oscillations are sensitive to the temporal structure and may reflect the neural instantiation of the low-frequency time window. By integrating behavioral findings with the oscillatory neural dynamics, the thesis supports a theory that the 3-second time window represents an organizing principle for cognitive processing. This framework further advances a plausible classification of cognitive functions, distinguishing between content and logistic ones. Such taxonomy is also grounded on physiological evidence showing disruptions in temporal organization. Taken together, this work proposes that time, rather than being merely a content of perception, is an organizing framework essential for the coherence of perception, action, and subjective experiences.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: temporal perception, time window, sensorimotor synchronization, beta oscillation
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 22. September 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Pöppel, Ernst