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This paper describes a case study with a patient in the classic locked-in state, who currently has no means of independent communication. Following a user-centered approach, we investigated event-related potentials (ERP) elicited in different modalities for use in brain-computer interface (BCI) systems. Such systems could provide her with an alternative communication channel. To investigate the most viable modality for achieving BCI based communication, classic oddball paradigms (1 rare and 1 frequent stimulus, ratio 1:5) in the visual, auditory and tactile modality were conducted (2 runs per modality). Classifiers were built on one run and tested offline on another run (and vice versa). In these paradigms, the tactile modality was clearly superior to other modalities, displaying high offline accuracy even when classification was performed on single trials only. Consequently, we tested the tactile paradigm online and the patient successfully selected targets without any error. Furthermore, we investigated use of the visual or tactile modality for different BCI systems with more than two selection options. In the visual modality, several BCI paradigms were tested offline. Neither matrix-based nor so-called gaze-independent paradigms constituted a means of control. These results may thus question the gaze-independence of current gaze-independent approaches to BCI. A tactile four-choice BCI resulted in high offline classification accuracies. Yet, online use raised various issues. Although performance was clearly above chance, practical daily life use appeared unlikely when compared to other communication approaches (e.g., partner scanning). Our results emphasize the need for user-centered design in BCI development including identification of the best stimulus modality for a particular user. Finally, the paper discusses feasibility of EEG-based BCI systems for patients in classic locked-in state and compares BCI to other AT solutions that we also tested during the study.
Empirical evidence suggests that words are powerful regulators of emotion processing. Although a number of studies have used words as contextual cues for emotion processing, the role of what is being labeled by the words (i.e., one's own emotion as compared to the emotion expressed by the sender) is poorly understood. The present study reports results from two experiments which used ERP methodology to evaluate the impact of emotional faces and self- vs. sender-related emotional pronoun-noun pairs (e.g., my fear vs. his fear) as cues for emotional face processing. The influence of self- and sender-related cues on the processing of fearful, angry and happy faces was investigated in two contexts: an automatic (experiment 1) and intentional affect labeling task (experiment 2), along with control conditions of passive face processing. ERP patterns varied as a function of the label's reference (self vs. sender) and the intentionality of the labeling task (experiment 1 vs. experiment 2). In experiment 1, self-related labels increased the motivational relevance of the emotional faces in the time-window of the EPN component. Processing of sender-related labels improved emotion recognition specifically for fearful faces in the N170 time-window. Spontaneous processing of affective labels modulated later stages of face processing as well. Amplitudes of the late positive potential (LPP) were reduced for fearful, happy, and angry faces relative to the control condition of passive viewing. During intentional regulation (experiment 2) amplitudes of the LPP were enhanced for emotional faces when subjects used the self-related emotion labels to label their own emotion during face processing, and they rated the faces as higher in arousal than the emotional faces that had been presented in the “label sender's emotion” condition or the passive viewing condition. The present results argue in favor of a differentiated view of language-as-context for emotion processing.
Introduction
There is mounting evidence for the influence of emotional content on working memory performance. This is particularly important in light of the emotion processing that needs to take place when emotional content interferes with executive functions. In this study, we used emotional words of different valence but with similar arousal levels in an n-back task.
Methods
We examined the effects on activation in the prefrontal cortex by means of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) and on the late positive potential (LPP). FNIRS and LPP data were examined in 30 healthy subjects.
Results
Behavioral results show an influence of valence on the error rate depending on the difficulty of the task: more errors were made when the valence was negative and the task difficult. Brain activation was dependent both on the difficulty of the task and on the valence: negative valence of a word diminished the increase in activation, whereas positive valence did not influence the increase in activation, while difficulty levels increased. The LPP also differentiated between the different valences, and in addition was influenced by the task difficulty, the more difficult the task, the less differentiation could be observed.
Conclusions
Summarized, this study shows the influence of valence on a verbal working memory task. When a word contained a negative valence, the emotional content seemed to take precedence in contrast to words containing a positive valence. Working memory and emotion processing sites seemed to overlap and compete for resources even when words are carriers of the emotional content.
Objective: Brain-computer interface (BCI) provide a non-muscular communication channel for patients with impairments of the motor system. A significant number of BCI users is unable to obtain voluntary control of a BCI-system in proper time. This makes methods that can be used to determine the aptitude of a user necessary.
Methods: We hypothesized that integrity and connectivity of involved white matter connections may serve as a predictor of individual BCI-performance. Therefore, we analyzed structural data from anatomical scans and DTI of motor imagery BCI-users differentiated into high and low BCI-aptitude groups based on their overall performance.
Results: Using a machine learning classification method we identified discriminating structural brain trait features and correlated the best features with a continuous measure of individual BCI-performance. Prediction of the aptitude group of each participant was possible with near perfect accuracy (one error).
Conclusions: Tissue volumetric analysis yielded only poor classification results. In contrast, the structural integrity and myelination quality of deep white matter structures such as the Corpus Callosum, Cingulum, and Superior Fronto-Occipital Fascicle were positively correlated with individual BCI-performance.
Significance: This confirms that structural brain traits contribute to individual performance in BCI use.
The serotonin (5-HT) and neuropeptide S (NPS) systems are discussed as important genetic modulators of fear and sustained anxiety contributing to the etiology of anxiety disorders. Sustained anxiety is a crucial characteristic of most anxiety disorders which likely develops through contextual fear conditioning. This study investigated if and how genetic alterations of the 5-HT and the NPS systems as well as their interaction modulate contextual fear conditioning; specifically, function polymorphic variants in the genes coding for the 5-HT transporter (5HTT) and the NPS receptor (NPSR1) were studied. A large group of healthy volunteers was therefore stratified for 5HTTLPR (S+ vs. LL carriers) and NPSR1 rs324981 (T+ vs. AA carriers) polymorphisms resulting in four genotype groups (S+/T+, S+/AA, LL/T+, LL/AA) of 20 participants each. All participants underwent contextual fear conditioning and extinction using a virtual reality (VR) paradigm. During acquisition, one virtual office room (anxiety context, CXT+) was paired with an unpredictable electric stimulus (unconditioned stimulus, US), whereas another virtual office room was not paired with any US (safety context, CXT−). During extinction no US was administered. Anxiety responses were quantified by fear-potentiated startle and ratings. Most importantly, we found a gene × gene interaction on fear-potentiated startle. Only carriers of both risk alleles (S+/T+) exhibited higher startle responses in CXT+ compared to CXT−. In contrast, anxiety ratings were only influenced by the NPSR1 polymorphism with AA carriers showing higher anxiety ratings in CXT+ as compared to CXT−. Our results speak in favor of a two level account of fear conditioning with diverging effects on implicit vs. explicit fear responses. Enhanced contextual fear conditioning as reflected in potentiated startle responses may be an endophenotype for anxiety disorders.
This study examined the impact of three clinical psychological variables (non-pathological levels of depression and anxiety, as well as experimentally manipulated mood) on fat and taste perception in healthy subjects. After a baseline orosensory evaluation, ‘sad’, ‘happy’ and ‘neutral’ video clips were presented to induce corresponding moods in eighty participants. Following mood manipulation, subjects rated five different oral stimuli, appearing sweet, umami, sour, bitter, fatty, which were delivered at five different concentrations each. Depression levels were assessed with Beck’s Depression Inventory (BDI) and anxiety levels were assessed via the Spielberger’s STAI-trait and state questionnaire. Overall, subjects were able to track the concentrations of the stimuli correctly, yet depression level affected taste ratings. First, depression scores were positively correlated with sucrose ratings. Second, subjects with depression scores above the sample median rated sucrose and quinine as more intense after mood induction (positive, negative and neutral). Third and most important, the group with enhanced depression scores did not rate low and high fat stimuli differently after positive or negative mood induction, whereas, during baseline or during the non-emotional neutral condition they rated the fat intensity as increasing with concentration. Consistent with others’ prior observations we also found that sweet and bitter stimuli at baseline were rated as more intense by participants with higher anxiety scores and that after positive and negative mood induction, citric acid was rated as stronger tasting compared to baseline. The observation that subjects with mild subclinical depression rated low and high fat stimuli similarly when in positive or negative mood is novel and likely has potential implications for unhealthy eating patterns. This deficit may foster unconscious eating of fatty foods in sub-clinical mildly depressed populations.
Ziele. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war eine Bewertung der Versorgungslage von Personen mit glücksspielbezogenen Problemen in Deutschland. Dabei wurden 1) der Zugang zum Versorgungssystem, nämlich 1.1) Problembewusstsein bzgl. glücksspielbezogener Probleme und Erreichbarkeit von Glücksspielern über das Internet und 1.2) Faktoren der Inanspruchnahme von Hilfsangeboten untersucht sowie 1.3) eine Charakterisierung der Klientel in ambulanten Suchthilfeeinrichtungen und deren Zugang zum Hilfesystem vorgenommen. Zudem wurden in ambulanten Suchthilfeeinrichtungen 2) die erbrachten Leistungen für Personen mit glücksspielbezogenen Problemen und Einflussfaktoren auf die Versorgungsnutzung bzw. den Behandlungsverlauf sowie 3) das Behandlungsergebnis einer Analyse unterzogen.
Methodik. Die Arbeit basiert auf drei Studien: einer Onlinestudie (OS), einer Versorgungsstudie (VS) und einer Bevölkerungsstudie (BS). In der OS wurde eine Gelegenheitsstichprobe von Personen, die einen im Internet bereitgestellten Selbsttest zu pathologischem Glücksspielen (PG) vollständig ausfüllten (n=277) und bei Erfüllen der Einschlusskriterien anschließend an einer vertiefenden Studie teilnahmen (n=52), hinsichtlich soziodemographischer Charakteristika, Spielverhalten und spielbezogener Motive, PG inklusive Folgen, Beratungserfahrungen sowie psychopathologischen Variablen untersucht. In den anderen Studien wurden weitestgehend dieselben Instrumente verwendet. Die VS war eine Verlaufsstudie (Messzeitpunkte: Behandlungsbeginn und -ende), bei der konsekutiv Klienten aus n=36 ambulanten Suchthilfeeinrichtungen in Bayern aufgenommen wurden, die sich zwischen April 2009 und August 2010 vorstellten (n=461). Für die BS wurden Daten aus dem Epidemiologi-schen Suchtsurvey 2006 und 2009 herangezogen, einer Deutschland weiten repräsentativen Querschnittbefragung 18- bis 64-Jähriger Erwachsener (2006: n=7.810; 2009: n=8.002).
Ergebnisse. Zum Zugang zur Versorgung sind 1.1) über das Internet erreichbare Glücksspieler hauptsächlich junge, ledige Männer, von denen ungefähr die Hälfte die Diagnose PG erfüllen. Anhand der Spielmotive lassen sich drei Spielerklassen abbilden, die sich hinsichtlich ihres Schweregrads von PG unterschieden. Die Bereitschaft zur Teilnahme an einem Online-Präventionsprogramm hängt hauptsächlich mit der Anzahl erfüllter DSM-IV-Kriterien für PG zusammen. Im Gegensatz zur VS sind die online erreichten Glücksspieler jünger und zu einem höheren Anteil subklinisch pathologische Glücksspieler (SPG, ein bis vier erfüllte DSM-IV-Kriterien für PG). 1.2) Hinsichtlich der Faktoren der Inanspruchnahme bestätigen sich systematische Unterschiede zwischen Glücksspielern in Behandlung und nicht in Behandlung. Ebenso zeigen sich Unterschiede zwischen SPGr und pathologischen Glücksspielern (PGr). Dabei ist die Anzahl erfüllter DSM-IV-Kriterien für PG der wichtigste Prädiktor für einen positiven Behandlungsstatus. Auch soziodemographische Merkmale, insbesondere Alter und Staatsangehörigkeit, spielen eine Rolle. 1.3) Die Mehrheit der Klienten in ambulanten Suchthilfeeinrichtungen ist männlich, durchschnittlich 37 Jahre alt, ledig und kinderlos und hat häufig eine ausländische Staatsbürgerschaft. Die am häufigsten gespielte und bevorzugte Spielform ist das Spielen an Geldspielautomaten. Viele der Klienten haben bereits im Vorfeld Hilfe in Anspruch genommen und Gründe für die Vorstellung in der Beratungsstelle waren in ungefähr drei Viertel der Fällen finanzielle Probleme und bei ungefähr der Hälfte Probleme in der Partnerschaft. In der ambulanten Suchthilfe sind 2) Prädiktoren für eine längere Kontaktdauer u.a. der Einbezug der Familie und Gruppengespräche. Behandlungsabbrüche werden u.a. durch eine nicht-deutsche Staatsbürgerschaft und höhere Spielfrequenz vorhergesagt. 3) Reguläre Beendigung und höhere Kontaktzahl sind u.a. Prädiktoren für eine Verbesserung der Glücksspielsymptomatik.
Schlussfolgerungen. Vor dem Hintergrund der Ergebnisse werden Implikationen für die Weiterentwicklung des Versorgungssystems zum einen im Sinne einer Erweiterung und Anpassung der Versorgungsstrukturen abgeleitet, wobei auf Information und Aufklärung, Früherkennung und Frühintervention mit einem Fokus auf Online-Angeboten sowie zielgruppen-spezifische Angebote unter anderem für Angehörige eingegangen wird. Auch die Wichtigkeit der Vernetzung verschiedener an der Beratung/Behandlung von PGr beteiligten Einrichtungen wird herausgestellt. Zum anderen beziehen sich die diskutierten möglichen Weiterentwicklungen auf das Versorgungsangebot und Behandlungsmerkmale, was Therapieumfeld/-voraussetzungen, Therapieplanung sowie therapeutische Maßnahmen beinhaltet.
Background
Positive associations have been found between quality of life, emotion regulation strategies, and heart rate variability (HRV) in people without intellectual disabilities. However, emotion regulation and HRV have rarely been investigated in people with intellectual disabilities. Assessment of subjectively reported quality of life and emotion regulation strategies in this population is even more difficult when participants are also visually impaired.
Methods
Subjective and objective quality of life, emotion regulation strategies, and HRV at rest were measured in a sample of people with intellectual disabilities and concomitant impaired vision (N = 35). Heart rate was recorded during a 10 min resting period. For the assessment of quality of life and emotion regulation, custom made tactile versions of questionnaire-based instruments were used that enabled participants to grasp response categories.
Results
The combined use of reappraisal and suppression as emotion regulation strategies was associated with higher HRV and quality of life. HRV was associated with objective quality of life only. Emotion regulation strategies partially mediated the relationship between HRV and quality of life.
Conclusions
Results replicate findings about associations between quality of life, emotion regulation, and HRV and extend them to individuals with intellectual disabilities. Furthermore, this study demonstrated that quality of life and emotion regulation could be assessed in such populations even with concomitant impaired vision with modified tactile versions of established questionnaires. HRV may be used as a physiological index to evaluate physical and affective conditions in this population.
Fahr- und Verkehrssimulation sind neben Studien mit realen Fahrzeugen die gängigen Methoden der empirischen Verkehrswissenschaft. Während sich die Fahrsimulation mit dem Erleben und Verhalten von Fahrern beschäftigt, untersucht die Verkehrssimulation das gesamte Verkehrssystem. Der Bereich zwischen diesen Polen „Fahrer“ und „Verkehr“, in dem Fahrer aufeinander treffen und miteinander interagieren, ist angesichts der Bedeutung sozialer Prozesse für das Erleben und Verhalten ein wichtiger Aspekt. Allerdings wurde dieser Bereich in der Verkehrswissenschaft bisher nur unzureichend abgebildet. Auch in der Fahr- und Verkehrssimulation wurde dieser Aspekt bislang weitgehend vernachlässigt.
Um diese Lücke zu schließen, wurde mit der Pulksimulation eine neue Versuchsumgebung entwickelt. Sie besteht aus miteinander vernetzten Fahrsimulatoren und ermöglicht es, Interaktionsfragestellungen zu untersuchen. Jedoch bringt die Anwendung der Pulksimulation neue Anforderungen an den Untersucher mit sich, die bei der Fahr- bzw. Verkehrssimulation nicht notwendig sind und für die Pulksimulation neu entwickelt werden müssen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, diese Methode zur Untersuchung verkehrspsychologischer Fragestellungen weiterzuentwickeln, zu prüfen und zu etablieren.
In ersten Untersuchungsansätzen werden in acht Teilstudien die grundlegenden methodischen Besonderheiten der Pulksimulation am Beispiel des Folgefahrens und des Kreuzens betrachtet. Hierbei wird auch stets der Vergleich zu den bisher genutzten Versuchsumgebungen Einzelfahrsimulation und Verkehrssimulation gezogen. Folgende Fragstellungen wurden im Rahmen dessen beantwortet:
(1) Wie unterscheidet sich eine Pulkfahrt von einer Einzelfahrt?
(2) Welchen Einfluss haben nachfolgende Fahrzeuge im Pulk?
(3) Welche Effekte haben Positionierungen im Pulk?
(4) Wie unterscheiden sich reale Fahrer und Modelle im Pulk?
(5) Wie wirkt sich die Einführung einer Nebenaufgabe auf den Pulk aus?
(6) Wie wirken sich verschiedene Abstandsinstruktionen aus?
(7) Mit welchen Parametern kann der Pulk beschrieben werden?
(8) Wie kann das Verhalten des Pulks an Kreuzungen untersucht werden?
Schließlich werden zwei Anwendungsbeispiele der Pulksimulation zu aktuell relevanten Themen aufgezeigt. In der ersten Untersuchung wird ein Gefahrenwarner evaluiert, der vor Bremsungen vorausfahrender Fahrzeuge warnt. Während Fahrer direkt hinter dem bremsenden Fahrzeug vom System nicht profitieren, steigt der Nutzen des Systems mit zunehmender Positionierung im Pulk an.
In einer zweiten Studie wird ein Ampelphasenassistent untersucht. Dieser informiert den Fahrer während der Annäherung an eine Ampel über die optimale Geschwindigkeit, mit der diese Ampel ohne Halt bei Grün durchfahren werden kann. Um die Auswirkungen des Systems auf den nicht-assistierten Umgebungsverkehr bestimmen zu können, werden verschiedene Ausstattungsraten innerhalb des Pulks eingeführt. Mit diesem Untersuchungsansatz können gleichzeitig Effekte des Systems auf die assistierten Fahrer (z. B. Befolgungsverhalten), die nicht-assistierten Fahrer (z. B. Ärger) sowie das Verkehrssystem (z. B. Verkehrsfluss) bestimmt werden. Der Ampelphasenassistent resultiert in einem ökonomischeren Fahrverhalten der assistierten Fahrer, erhöht aber gleichzeitig in gemischten Ausstattungsraten den Ärger der nicht-assistierten Fahrer im Verkehrssystem. Erst bei Vollausstattung entwickelt sich dieser negative Effekt zurück.
Die in den Anwendungsbeispielen berichteten Phänomene sind durch Untersuchungen in einer Einzelfahrsimulation oder Verkehrssimulation nicht beobachtbar. Insbesondere für die Untersuchung von Fragen, in denen soziale Interaktionen mit anderen Fahrern eine Rolle spielen, zeichnet sich die Pulksimulation in besonderer Weise aus. Hierfür liefert die Anwendung in der Pulksimulation zusätzliche Informationen und zeigt somit, dass die Pulksimulation das Methodeninventar in der Verkehrswissenschaft effektiv ergänzt. Sie stellt zum einen eine Erweiterung der Fahrsimulation um den Faktor „Verkehr“ und zum anderen eine Erweiterung der Verkehrssimulation um den Faktor „Mensch“ dar und wird so zu einem zentralen Bindeglied beider Versuchsumgebungen.
Darüber hinaus erlaubt die Pulksimulation die Modellierung von Interaktionsverhalten im Straßenverkehr, was bisher nicht bzw. nur unter größtem Aufwand realisierbar war. Hierdurch können die Modelle der Fahr- und Verkehrssimulation weiterentwickelt werden.
Mit den in dieser Arbeit neu entworfenen Parametern werden Kenngrößen zur Verfügung gestellt, die Variationen bezüglich Quer- und Längsführung auch auf Ebene des Pulks abbilden können. Weitere neu entwickelte Parameter sind in der Lage, Interaktionen über den Zeitverlauf zu beschreiben. Diese Parameter sind notwendig für den Einsatz der Pulksimulation in zukünftigen Untersuchungen.
Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Arbeit die Methodik der Pulksimulation für den gesamten Anwendungsprozess von der Fragestellung bis hin zur Interpretation der Ergebnisse weiterentwickelt. Der Mehrwert dieser Methode wurde an aktuellen und bisher nicht untersuchbaren Fragestellungen belegt und somit die Validität der Pulksimulation gestärkt. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen das große Potenzial der Pulksimulation zur Bearbeitung von Fragen, die auf der Interaktion verschiedener Verkehrsteilnehmer basieren. Hierdurch wird erstmals die Möglichkeit geschaffen, soziale Interaktionen über den Zeitverlauf in die Fahrermodelle der Verkehrssimulation zu integrieren. Damit ist der Brückenschlag von der Fahr- zur Verkehrssimulation gelungen.
Objective: Brain Computer Interfaces (BCI) provide a muscle independent interaction channel making them particularly valuable for individuals with severe motor impairment. Thus, different BCI systems and applications have been proposed as assistive technology (AT) solutions for such patients. The most prominent system for communication utilizes event-related potentials (ERP) obtained from the electroencephalogram (EEG) to allow for communication on a character-by-character basis. Yet in their current state of technology, daily life use cases of such systems are rare. In addition to the high EEG preparation effort, one of the main reasons is the low information throughput compared to other existing AT solutions. Furthermore, when testing BCI systems in patients, a performance drop is usually observed compared to healthy users. Patients often display a low signal-to-noise ratio of the recorded EEG and detection of brain responses may be aggravated due to internally (e.g. spasm) or externally induced artifacts (e.g. from ventilation devices). Consequently, practical BCI systems need to cope with mani-fold inter-individual differences. Whilst these high demands lead to increasing complexity of the technology, daily life use of BCI systems requires straightforward setup including an easy-to-use graphical user interface that nonprofessionals can handle without expert support. Research questions of this thesis: This dissertation project aimed at bringing forward BCI technology toward a possible integration into end-users' daily life. Four basic research questions were addressed: (1) Can we identify performance predictors so that we can provide users with individual BCI solutions without the need of multiple, demanding testing sessions? (2) Can we provide complex BCI technology in an automated, user-friendly and easy-to-use manner, so that BCIs can be used without expert support at end-users' homes? (3) How can we account for and improve the low information transfer rates as compared to other existing assistive technology solutions? (4) How can we prevent the performance drop often seen when bringing BCI technology that was tested in healthy users to those with severe motor impairment? Results and discussion: (1) Heart rate variability (HRV) as an index of inhibitory control (i.e. the ability to allocate attention resources and inhibit distracting stimuli) was significantly related to ERP-BCI performance and accounted for almost 26% of variance. HRV is easy to assess from short heartbeat recordings and may thus serve as a performance predictor for ERP-BCIs. Due to missing software solutions for appropriate processing of artifacts in heartbeat data (electrocardiogram and inter-beat interval data), our own tool was developed that is available free of charge. To date, more than 100 researchers worldwide have requested the tool. Recently, a new version was developed and released together with a website (www.artiifact.de). (2) Furthermore, a study of this thesis demonstrated that BCI technology can be incorporated into easy-to-use software, including auto-calibration and predictive text entry. Naïve, healthy nonprofessionals were able to control the software without expert support and successfully spelled words using the auto-calibrated BCI. They reported that software handling was straightforward and that they would be able to explain the system to others. However, future research is required to study transfer of the results to patient samples. (3) The commonly used ERP-BCI paradigm was significantly improved. Instead of simply highlighting visually displayed characters as is usually done, pictures of famous faces were used as stimulus material. As a result, specific brain potentials involved in face recognition and face processing were elicited. The event-related EEG thus displayed an increased signal-to-noise ratio, which facilitated the detection of ERPs extremely well. Consequently, BCI performance was significantly increased. (4) The good results of this new face-flashing paradigm achieved with healthy participants transferred well to users with neurodegenerative disease. Using a face paradigm boosted information throughput. Importantly, two users who were highly inefficient with the commonly used paradigm displayed high accuracy when exposed to the face paradigm. The increased signal-to-noise ratio of the recorded EEG thus helped them to overcome their BCI inefficiency. Significance: The presented work at hand (1) successfully identified a physiological predictor of ERP-BCI performance, (2) proved the technology ready to be operated by naïve nonprofessionals without expert support, (3) significantly improved the commonly used spelling paradigm and (4) thereby displayed a way to effectively prevent BCI inefficiency in patients with neurodegenerative disease. Additionally, missing software solutions for appropriate handling of artifacts in heartbeat data encouraged development of our own software tool that is available to the research community free of charge. In sum, this thesis significantly improved current BCI technology and enhanced our understanding of physiological correlates of BCI performance.
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung einer simulationsgestützten Methode zur Kompetenzfeststellung von Triebfahrzeugführern (Tf) der Deutschen Bahn AG unter Anwendung eines Verhaltensmarkersystems. Diese Methode wurde als ein erweitertes Konzept zur Bewertung eines Tf im Rahmen einer jährlich stattfindenden Überwachungsfahrt entwickelt. Diese Überwachungsfahrt besteht aus einer etwa 45-minütigen Prüfungsfahrt, mit deren Hilfe die Handlungssicherheit eines Tf erhöht sowie dessen Leistung und Leistungsfähigkeit beschrieben und bewertet wird. Die Überwachungsfahrt wird von geschulten Instruktoren durchgeführt. Während der Simulatorfahrt werden unregelmäßige Ereignisse eingespielt, die der Tf unter Anwendung der vorgeschriebenen Sollverhaltensweisen bewältigen muss. Ziel ist es, keinen sicherheitsrelevanten Mangel zu verursachen. Grundlage des eingeführten Verhaltensmarkersystems ist ein Datenkonzept, das auf den in den Regelwerken beschriebenen Fahrtereignissen und den entsprechenden Sollverhaltensweisen beruht. Die Überwachungsfahrt wird aus diesen Einzelereignissen zusammengestellt und somit entspricht auch das während der Überwachung zu zeigende Verhalten dem in den Regelwerken beschriebenen Sollverhalten. Um Abweichungen vom vorgeschriebenen Verhalten besser erkennen und bewerten zu können, werden sog. Verhaltensmarker eingeführt. Hierbei handelt es sich um objektive und nachprüfbare Indikatoren, die etwas über den Grad der Erfüllung des Sollverhaltens Auskunft geben. Zentral für die Bewertung sind somit die Erfassung möglicher Sollverhaltensabweichungen und die Frage nach der Festlegung der Schwere dieser Abweichung im Sinne eines Fehlers. Um Art und Stärke der Abweichungen vom Sollverhalten wurden objektive Fahrdaten aus dem Simulator herangezogen. Zusätzlich wurde ein standardisiertes Beobachtungsverfahren für die Instruktoren entwickelt. In einem zweiten Schritt wurden die über beide Verfahren erfassten Abweichungen vom Sollverhalten auf der Basis von Expertenurteilen entsprechend der potentiellen Auswirkungen gewichtet. Diese Gewichtung reicht in drei Stufen von leichten Fehlern bis hin zu sicherheitsrelevanten Mängeln. Für alle in den Überwachungsfahrten vorkommenden Sollverhaltensweisen wurden mögliche Abweichungen erhoben und in einer Fehlertabelle den Fehlerkategorien „gering“, „mittelschwer“ und „sicherheitsrelevant“ zugeordnet. Die so gewichtete Fehlerbetrachtung führt zu einer Gesamtbewertung des Tf und zu einer detaillierten Analyse seiner Stärken und Schwächen. Insgesamt wurden 1033 Überwachungsfahrten von den Instruktoren auf einem projektspezifischen Bogen protokolliert. Über die an den Simulatoren vorhandenen Datenschnittstellen wurden 1314 Überwachungsfahrten aufgezeichnet. Diese Datenquellen wurden integriert und ausgewertet. Als übergeordnetes Ergebnis lässt sich festhalten, dass die Anwendung der in dieser Arbeit entwickelten Methode nachweislich die Qualität und Genauigkeit der Bewertung verbessern konnte. Die Verhaltensmarker ermöglichen eine differenziertere Bewertung des Leistungsstands eines Tf. So ist es nicht nur möglich, sicherheitskritisches Verhalten („roter Bereich“) und ein optimales, fehlerfreies Verhalten („grüner Bereich“) festzustellen, sondern auch Aussagen über den „gelben Bereich“ dazwischen zu treffen (z.B. Mängel, die in anderen Situationen sicherheitskritisch sein können).
Angstverhalten bei der Panikstörung mit Agoraphobie wird hauptsächlich unter dem Aspekt des „safety seekings“ betrachtet. Kontrovers diskutiert wird, ob diese Verhaltensweisen für eine erfolgreiche Behandlung abgebaut werden sollen. Es wurde bisher kaum nach der ethologischen Bedeutung bestimmter Verhaltensweisen unter Angst gefragt. Dies ist erstaunlich, weil die Panikstörung mit Agoraphobie häufig als gesteigerte Form extraterritorialer Angst gesehen wird. Extraterritoriale Angst tritt typischerweise bei Tieren auf, wenn sie ihr vertrautes Gebiet verlassen. Im Tiermodell liegen zahlreiche ethoexperimentelle Paradigmen vor, mit denen man das natürliche Angstverhalten von Tieren untersucht. Letztlich klärt man am Tiermodell aber Fragestellungen, die am Menschen nicht umsetzbar sind. Die experimentelle Untersuchung menschlichen Angstverhaltens unter ethologischer Perspektive erfordert eine Situation, die solches Verhalten ethisch unbedenklich auslöst und geeignete messbare Parameter liefert. Der Open-Field Test als bekanntes Paradigma aus der Tierforschung erfüllt diese Voraussetzungen. Es war Ziel des Promotionsvorhabens, in einem realen Open-Field Test bei Agoraphobiepatien-ten und hochängstlichen Probanden Thigmotaxis als ethologisches Angstverhalten nachzuweisen und mit dem Verhalten einer Kontrollgruppe bzw. niedrigängstlichen Personen zu vergleichen (Studie I). Thigmotaxis ist eine Bewegungstendenz entlang des Randes und wird im Tiermodell als Index für Angst benutzt. Es sollte die Frage geklärt werden, ob agoraphobes Verhalten evolutionär verankert werden kann. Ziel von Studie II war die Untersuchung der Wege in einer typischen Alltagstopographie. Dazu wurden Unterschiede im Raum-Zeit-Verhalten von Agora-phobiepatienten vs. Kontrollgruppe, sowie hoch- vs. niedrigängstlichen Probanden beim Gehen durch die Stadt verglichen. Die Aufzeichnung des Raum-Zeit-Verhaltens erfolgte in beiden Studien per GPS-Tracking. Studie I zeigte an insgesamt 69 Studienteilnehmern, dass Angstverhalten mit ethologischer Bedeutung bei Menschen im Open-Field Test eindeutig messbar ist. Agoraphobiepatienten zeigten während der Exploration eines ungefährlichen freien Fußballfeldes deutlich mehr Thigmotaxis und Vermeidung der Mitte als die Kontrollgruppe. Hochängstliche im Vergleich zu niedrigängstlichen gesunden Probanden zeigten dies ebenfalls. So konnte die Vermutung unterstützt werden, dass die Agoraphobie möglicherweise eine evolutionäre Entsprechung in der tierischen Extraterritorialangst hat. Die Befunde sprechen auch für eine gemeinsame Prädisposition zu Sicherheitsverhalten bei pathologischer Angst und hoher Ängstlichkeit. Die Bedeutung gemeinsamer Verhaltensdispositionen bei klinischen und nicht-klinischen Gruppen kann im Hinblick auf gemeinsame Endophänotypen für die neuronale Angstverarbeitung diskutiert werden. Zuletzt konnte mit dem Open-Field Test ein aus der Tierforschung bekanntes ethoexperimentelles Paradigma auf den Menschen übertragen werden, was die Gültigkeit des Tiermodells unterstützt. Studie II lieferte Unterschiede in den Wegen der Agoraphobiepatienten vs. Kontrollpersonen bei der Passage des Marktplatzes. Die Patienten überquerten den Marktplatz seltener als die Kon-trollgruppe, und tangierten ihn häufiger am Rand. Die Daten konnten in korrelativen Zusammenhang mit der Vermeidung der Mitte im Open-Field Test gebracht werden. Dies deutet auf eine starke Auswirkung der agoraphoben Symptomatik auf das Raum-Zeit-Verhalten in unterschiedlichen Situationen hin. Im Weiteren zeigte Studie II, dass sich GPS Tracking als Assessment-Methode in der klinischen Psychologie eignet. Bei den hoch-und niedrigängstlichen Probanden fand sich bei der Passage des Marktplatzes kein Unterschied, aber der weitere Streckenverlauf lieferte Hinweise darauf, dass bei hoher Ängstlichkeit die Navigation entlang häufig zurückgelegter Strecken bevorzugt werden könnte. Schlussfolgerung des explorativen Vorgehens bei Studie II ist, dass es sich lohnt, den Zusammenhang zwischen Emotion und Navigation in komplexer Umgebung weiter zu untersuchen
In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwiefern die Angstaktivierung Einfluss auf den Therapieprozess und den Therapieerfolg bei der Behandlung spezifischer Phobien hat. Obwohl expositionsbasierte Therapieverfahren nachweislich effektiv sind und vor allem bei der Behandlung spezifischer Phobien als die Methode der Wahl gelten, sind deren genauen Wirkmechanismen doch noch nicht völlig geklärt. In zwei empirischen Studien wurde hier die von Foa und Kozak (1986, 1991) in der „Emotional Processing Theory“ als notwendig postulierte Rolle der Angstaktivierung während der Exposition untersucht. In der ersten Studie wurde auf Grundlage tier- und humanexperimenteller Befunde untersucht, ob durch eine Reaktivierung der Angst und darauffolgende Exposition innerhalb eines bestimmten Zeitfensters (= Rekonsolidierungsfenster) die Rückkehr der Angst verhindert werden kann. Ziel dieser Untersuchung war die Übertragung bisheriger Ergebnisse aus Konditionierungsstudien auf eine klinische Stichprobe. Die spinnenphobischen Untersuchungsteilnehmer (N = 36) wurden randomisiert entweder der Reaktivierungsgruppe (RG) oder einer Standardexpositionsgruppe (SEG) zugewiesen. Die RG bekam vor der Exposition in virtueller Realität (VRET) fünf Sekunden lang einen Reaktivierungsstimulus - eine virtuelle Spinne - dargeboten, woraufhin zehn Minuten standardisierte Wartezeit folgte. In der SEG wurde die Angst vor der Exposition nicht reaktiviert. 24 Stunden nach der VRET wurde in einem Test die spontane Rückkehr der Angst erfasst. Entgegen der Annahmen führte die Reaktivierung vor der VRET nicht zu einer geringeren Rückkehr der Angst in der Testsitzung 24 Stunden später. Die Angst kehrte in keiner der beiden Versuchsgruppen zurück, was sich bezüglich subjektiver Angstratings, für Verhaltensdaten und auch für physiologische Maße zeigte. Auch zeigte sich ein grundsätzlich positiver Effekt der Behandlung, bei der im Anschluss noch eine Exposition in vivo stattfand. Ein Follow-Up nach sechs Monaten ergab eine weitere Reduktion der Spinnenangst. Die Ergebnisse legen nahe, dass sich die experimentellen Befunde zu Rekonsolidierungsprozessen aus Konditionierungsstudien nicht einfach auf ein Therapiesetting und die Behandlung spezifischer Phobien übertragen lassen. Die zweite Studie befasste sich mit der Frage, ob Koffein die initiale Angstaktivierung erhöhen kann und ob sich dies positiv auf den Therapieerfolg auswirkt. Die spinnenphobischen Studienteilnehmer (N = 35) wurden in einem doppelblinden Versuchsdesign entweder der Koffeingruppe (KOFG) oder der Placebogruppe (PG) zugeordnet. Die KOFG erhielt eine Stunde vor Beginn der VRET eine Koffeintablette mit 200 mg Koffein, die PG erhielt als Äquivalent zur gleichen Zeit eine Placebotablette. Eine Analyse der Speichelproben der Probanden ergab, dass sich die Koffeinkonzentration durch die Koffeintablette signifikant erhöhte. Dies führte jedoch nicht, wie erwartet, zu einer höheren Angstaktivierung während der VRET, weshalb unter anderem diskutiert wird, ob evtl. die Koffeinkonzentration zu niedrig war, um anxiogen zu wirken. Dennoch profitierten die Teilnehmer beider Versuchsgruppen von unserem Behandlungsangebot. Die Spinnenangst reduzierte sich signifikant über vier Sitzungen hinweg. Diese Reduktion blieb stabil bis zum Follow-Up drei Monate nach Studienende. Zusammengefasst lässt sich zur optimalen Höhe der Angstaktivierung aufgrund der hier durchgeführten beiden Studien keine exakte Aussage machen, da sich die Versuchsgruppen in beiden Studien hinsichtlich der Höhe der Angstaktivierung zu Beginn (und auch während) der Exposition nicht unterschieden. Es lässt sich aber festhalten, dass die VRET und auch die in vivo Exposition in beiden Studien effektiv Angst auslösten und dass sich die Angst in beiden Gruppen signifikant bis zu den Follow-Ups (sechs bzw. drei Monate nach Studienende) signifikant reduzierte. Die Behandlung kann also als erfolgreich angesehen werden. Mögliche andere Wirkfaktoren der Expositionstherapie, wie z.B. die Rolle der wahrgenommenen Kontrolle werden neben der Höhe der Angstaktivierung diskutiert.
Body image disturbances are core symptoms of eating disorders (EDs). Recent evidence suggests that changes in body image may occur prior to ED onset and are not restricted to in-vivo exposure (e.g. mirror image), but also evident during presentation of abstract cues such as body shape and weight-related words. In the present study startle modulation, heart rate and subjective evaluations were examined during reading of body words and neutral words in 41 student female volunteers screened for risk of EDs. The aim was to determine if responses to body words are attributable to a general negativity bias regardless of ED risk or if activated, ED relevant negative body schemas facilitate priming of defensive responses. Heart rate and word ratings differed between body words and neutral words in the whole female sample, supporting a general processing bias for body weight and shape-related concepts in young women regardless of ED risk. Startle modulation was specifically related to eating disorder symptoms, as was indicated by significant positive correlations with self-reported body dissatisfaction. These results emphasize the relevance of examining body schema representations as a function of ED risk across different levels of responding. Peripheral-physiological measures such as the startle reflex could possibly be used as predictors of females’ risk for developing EDs in the future.
Objective: Brain-computer interfaces (BCIs) provide a non-muscular communication channel for patients with late-stage motoneuron disease (e.g., amyotrophic lateral sclerosis (ALS)) or otherwise motor impaired people and are also used for motor rehabilitation in chronic stroke. Differences in the ability to use a BCI vary from person to person and from session to session. A reliable predictor of aptitude would allow for the selection of suitable BCI paradigms. For this reason, we investigated whether P300 BCI aptitude could be predicted from a short experiment with a standard auditory oddball. Methods: Forty healthy participants performed an electroencephalography (EEG) based visual and auditory P300-BCI spelling task in a single session. In addition, prior to each session an auditory oddball was presented. Features extracted from the auditory oddball were analyzed with respect to predictive power for BCI aptitude. Results: Correlation between auditory oddball response and P300 BCI accuracy revealed a strong relationship between accuracy and N2 amplitude and the amplitude of a late ERP component between 400 and 600 ms. Interestingly, the P3 amplitude of the auditory oddball response was not correlated with accuracy. Conclusions: Event-related potentials recorded during a standard auditory oddball session moderately predict aptitude in an audiory and highly in a visual P300 BCI. The predictor will allow for faster paradigm selection. Significance: Our method will reduce strain on patients because unsuccessful training may be avoided, provided the results can be generalized to the patient population.
Mit dem Ziel der Optimierung der bestehenden polizeilichen Fahrausbildung hat das Präsidium der Bayerischen Bereitschaftspolizei im Jahr 2001 ein mehrjähriges Pilotprojekt initiiert, in dem ein technologiegestütztes und didaktisch begründetes Ausbildungssystem entwickelt und erprobt werden sollte. Im Zentrum dieses Pilotprojekts stand die Frage der Anwendung moderner Simulationstechnologie in der Fahrausbildung. Inhaltliche Entwicklung und Projektevaluation oblagen dem IZVW. Das Pilotprojekt ist integriert in das Gesamtcurriculum der Fahrausbildung bei der Bayerischen Bereitschaftspolizei (Rager & Müller, 2000). Dieses basiert auf drei unterschiedlichen Ausbildungsblöcken und umfasst insgesamt 93 Unterrichtseinheiten. Die Inhalte des dreistufigen Programms im Rahmen der Ausbildung für den mittleren Polizeivollzugsdienst sind gekennzeichnet als „Situations- und typenbezogenes Fahrtraining“ (Stufe 1), „Sicherheitstraining mit Gefahrenlehre“ (Stufe II) und „Gefahrentraining zur Bewältigung von Einsatzfahrten mit und ohne Inanspruchnahme von Sonder- und Wegerechten“ (Stufe III). In dieser letzten Ausbildungsstufe ist das Pilotprojekt „Simulation von Einsatzfahrten“ positioniert. Das verkehrswissenschaftliche Projekt setzte sich zum Ziel, in enger Zusammenarbeit mit polizeilichen Experten und Ausbildern eine an den Erfordernissen der beruflichen Praxis orientierte Ausbildungs- und Trainingskonzeption zu entwickeln und insbesondere die Anwendung der Simulationsmethodik innerhalb der Fahrausbildung zu evaluieren. Der vorliegende Text konzentriert sich als Teil der Abschlussdokumentation auf die Evaluation des Simulatortrainings. Dieses ist konzipiert als zentraler Bestandteil des inhaltlichen Moduls „Gefahrenkognition“ und wird ergänzt durch ein vorbereitendes computerbasiertes Training. Gegenstand dieses Berichts sind die Arbeiten zur Erfassung von Trainingsakzeptanz und Lernerfolg der Lerneinheit Gefahrenkognition. Hierzu wird zunächst ein Überblick über aktuelle in der Literatur vorliegende Studien gegeben, die sich mit der Evaluation der Simulation als Lehrmethode in der Fahrausbildung beschäftigen. Kapitel 3 gibt einen Überblick über die Inhalte des Moduls und den Aufbau der Übungen in CBT und Simulator. Fragestellungen, Konzeption und methodisches Vorgehen der Evaluationsuntersuchungen sind beschrieben in Kapitel 4. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt in den Abschnitten 5 bis 7.
Die sog. Simulatorkrankheit ist eine bekannte negative Begleiterscheinung der Exposition in virtuellen Umwelten. Umfassende Untersuchungen hierzu stammen vor allem aus dem fliegerischen Bereich, in dem Simulatoren seit mehreren Jahrzehnten als Trainingsmethode eingesetzt werden. Auf dem Gebiet der Fahrsimulation liegen bislang nur wenige systematische Studien vor. Mit Aufnahme des Trainings im Projekt "Simulation von Einsatzfahrten" (März 2003) wurde sehr schnell offensichtlich, dass das Auftreten und das Ausmaß von Simulatorkrankheitsbeschwerden ein ernst zu nehmendes Problem darstellt, das die Trainingseffizienz erheblich beeinträchtigt. Vor allem auf technischer Seite, aber auch auf Seiten der Trainingsgestaltung wurden massive Anstrengungen unternommen, um dem Problem gemeinsam entgegenzuwirken. Die Thematik wurde deshalb zum Gegen¬stand umfassender begleitender Evaluationsarbeiten, die im vorliegenden Teilbericht II zusammenfassend darge-stellt werden. Der Text gibt zunächst einen Überblick des Literaturstands zur Simulatorkrankheit (Kapitel 2). Eingegangen wird dabei auf theoretische Erklärungsansätze zur Entstehung der Beschwerden und die resultierende Symptomatik. Weiterhin dargestellt werden etablierte Verfahren zur Erfassung von Kinetose, die vor allem im fliegerischen Bereich entwickelt wurden und in jüngerer Zeit auch auf andere Anwendungsbereiche übertragen werden. Zusammengefasst werden Resultate von Studien, die die Wirkung unterschiedlicher Einflussfaktoren aufzeigen. Die Ergebnisse der empirischen Untersuchungen sind Gegenstand der Folgekapitel. Berichtet werden zunächst die Resultate der Beobachtungen in der Anfangsphase des Trainings, in der verschiedene Modifikationen der Ansteuerung des Bewegungssystems vorgenommen wurden (Kapitel 3). Die Darstellung der Resultate dieser Screeningphase, in der kleine Stichproben untersucht wurden, beschränkt sich auf die Analyse der beobachteten Ausfallraten. Gegenstand einer weiterführenden Untersuchungsreihe war die nähere Analyse der Sym-ptomstruktur, der Inzidenz, der Ausprägungen sowie der Nachwirkungen akuter Simulatorkrankheitsbeschwerden (Kapitel 4). In dieser Studie wurde u. a. der von Kennedy, Lane, Berbaum & Lilienthal (1993) entwickelte Simulator Sickness Questionnaire eingesetzt, der als das meisten etablierte subjektive Verfahren zur Erfassung der Simulatorkrankheit gilt. Die Grundlage dieser Datenerhebung bildete eine Stichprobe von mehr als N=200 Trainingsteilnehmern. Abschließend berichtet werden die Ergebnisse einer Studie, die die Auswirkungen des Fahrens bei aktiviertem bzw. deaktiviertem Bewegungssystem vergleichend analysiert (Kapitel 5). Auch diese Studie stützt sich auf einen großen Stichprobenumfang von N>200 Fahrern.
In recent years, Ideomotor Theory has regained widespread attention and sparked the development of a number of theories on goal-directed behavior and learning. However, there are two issues with previous studies’ use of Ideomotor Theory. Although Ideomotor Theory is seen as very general, it is often studied in settings that are considerably more simplistic than most natural situations. Moreover, Ideomotor Theory’s claim that effect anticipations directly trigger actions and that action-effect learning is based on the formation of direct action-effect associations is hard to address empirically. We address these points from a computational perspective. A simple computational model of Ideomotor Theory was tested in tasks with different degrees of complexity.The model evaluation showed that Ideomotor Theory is a computationally feasible approach for understanding efficient action-effect learning for goal-directed behavior if the following preconditions are met: (1) The range of potential actions and effects has to be restricted. (2) Effects have to follow actions within a short time window. (3) Actions have to be simple and may not require sequencing. The first two preconditions also limit human performance and thus support Ideomotor Theory. The last precondition can be circumvented by extending the model with more complex, indirect action generation processes. In conclusion, we suggest that IdeomotorTheory offers a comprehensive framework to understand action-effect learning. However, we also suggest that additional processes may mediate the conversion of effect anticipations into actions in many situations.
Faces in context: A review and systematization of contextual influences on affective face processing
(2012)
Facial expressions are of eminent importance for social interaction as they convey information about other individuals’ emotions and social intentions. According to the predominant “basic emotion” approach, the perception of emotion in faces is based on the rapid, auto- matic categorization of prototypical, universal expressions. Consequently, the perception of facial expressions has typically been investigated using isolated, de-contextualized, static pictures of facial expressions that maximize the distinction between categories. However, in everyday life, an individual’s face is not perceived in isolation, but almost always appears within a situational context, which may arise from other people, the physical environment surrounding the face, as well as multichannel information from the sender. Furthermore, situational context may be provided by the perceiver, including already present social infor- mation gained from affective learning and implicit processing biases such as race bias.Thus, the perception of facial expressions is presumably always influenced by contextual vari- ables. In this comprehensive review, we aim at (1) systematizing the contextual variables that may influence the perception of facial expressions and (2) summarizing experimental paradigms and findings that have been used to investigate these influences. The studies reviewed here demonstrate that perception and neural processing of facial expressions are substantially modified by contextual information, including verbal, visual, and auditory information presented together with the face as well as knowledge or processing biases already present in the observer. These findings further challenge the assumption of auto- matic, hardwired categorical emotion extraction mechanisms predicted by basic emotion theories. Taking into account a recent model on face processing, we discuss where and when these different contextual influences may take place, thus outlining potential avenues in future research.
Both specific stimulus valence and unspecific processing dynamics can influence evaluative responses. Eight experiments investigated their respective influence on evaluative judgments in the domain of stereotyping. Valence of stereotypic information and consistency-driven fluency were manipulated in an impression formation paradigm. When information about the to-be-evaluated target person was strongly valenced, no effects of consistency-driven fluency were observed. Higher cognitive processes, valence of inconsistent attributes, processing priority of category information, and impression formation instructions were ruled out as possible factors responsible for the non-occurrence of fluency effects. However, consistency-driven fluency did influence the evaluative judgment, if the information about a target person was not strongly valenced. It is therefore concluded that both stimulus valence and consistency-driven processing fluency play a role in evaluative judgments in the domain of stereotyping. The respective impact of stimulus valence is much stronger than the impact of unspecific processing dynamics, however. Implications for fluency research and the applied field of stereotype change are discussed.