Representing Actions in Memory - Neural Correlates and a Cross-Cultural Approach

In my doctoral project, I have investigated the representation of object-directed actions in memory. The theoretical part is divided into two parts: In the first part, I review models and empirical findings on working and episodic long-term memory. In the second part, I introduce the specifics of action information processing and the involved brain regions. Three experiments are then described. The first study (fMRI) aimed at finding domain-specific overlap in action information processing during a working and a long term memory task. We found a left-hemispheric network consisting in the ventral premotor/inferior frontal gyrus, supramarginal gyrus and middle temporal gyrus/superior temporal sulcus to be commonly activated during the retention of action information in working memory and its retrieval from long term memory. This overlap was domain-specific as, for a different informational category (size), overlap occurred in other brain regions. The data suggest that working and long term memory commonly rely on action specific processing regions. In the second study (fMRI), we were interested in the details of action representations in memory. Based on previous studies, we postulated the existence of specific networks for the retention of means and end information about actions. We also manipulated the motor similarity between encoding and target stimulus. The results suggest that the pre-SMA and right prefrontal regions selectively contribute to the retention of means information in working memory whereas anterior temporal and (para)hippocampal structures show enhanced activation during the retention of end information in working memory. Interestingly, during target presentation, a main effect of motor similarity was observed in the inferior parietal lobe. Our findings suggest that participants use a motor imagery strategy during working memory retention of means information but they integrate the observed action features into an action episode during working memory retention of end information. Furthermore, the main effect of motor similarity in the posterior mirror neuron region suggests that this area is involved in the representation of the detailed interaction between an effector and an object. In the third study (behavioral), we investigated whether familiarity influences how we represent action information in memory. We did this in a cross-cultural setting, taking advantage of the observation that some actions which are familiar in China are unfamiliar in Germany and vice versa. A significant interaction of the type of recognition test and the familiarity status of the action in the given sample (one Chinese, one German sample) on recognition accuracy emerged. Whereas ends were equally well represented for familiar and unfamiliar actions, means were better represented for familiar as compared to unfamiliar actions. There was no significant interaction with culture suggesting that, although the content differs between cultures, the action representation mechanisms are the same. This is in line with a hierarchical model of action representation which posits that end is superordinate to means information. Based on these data, I introduce a neurocognitive model of action information processing in the final part of my dissertation. This model makes a distinction as to the action information type which is preferentially processed during perception and during representation in memory. I conclude with the major brain regions being involved in the representation of action information in memory.

In meiner Dissertation habe ich mich mit der Repraesentation von objektbezogenen Handlungen beschaeftigt. Die theoretische Einleitung ist in zwei Teile unterteilt: Im ersten Teil gebe ich einen Ueberblick ueber Modelle und empirische Befunde zum Arbeitsgedaechtnis und episodischen Langzeitgedaechtnis.Im zweiten Teil gehe ich auf spezifische Eigenschaften von Handlungsinformationsverarbeitung ein sowie die daran beteiligten Gehirnregionen. Ich stelle drei Experimente vor. Im ersten Experiment (fMRT) waren wir an der domaenenspezifischen Ueberlappung von Handlungsinformationsverarbeitung waehrend einer Arbeits- und einer Langzeitgedaechtnisaufgabe interessiert. Ein linkshemisphaerisches Netzwerk bestehend aus dem ventral praemotorischen/ inferior frontalen Cortex, dem Gyrus supramarginalis und dem mittleren temporalen Gyrus/superior temporalen Sulcus war sowohl beim Halten von Handlungsinformation im Arbeitsgedaechtnis, als auch beim Abruf aus dem Langzeitgedaechtnis aktiviert. Diese Ueberlappungen waren domaenenspezifisch: Fuer eine andere Informationskategorie (Groesse) fanden wir Ueberlappungen in anderen Gehirnstrukturen. Die Daten legen nahe, dass Arbeits- und Langzeitgedaechtnis fuer Handlungen gemeinsame domaenenspezifische Regionen nutzen. Im zweiten Experiment (fMRT) waren wir an den Details von Handlungsrepraesentationen im Gedaechtnis interessiert. Basierend auf vorherigen Arbeiten postulierten wir die Existenz spezifischer Netzwerke fuer die Retention von Methode- und Zielinformation ueber Handlungen im Arbeitsgedaechtnis. Wir manipulierten weiterhin die motorische Aehnlichkeit zwischen Lern- und Testreiz. Die Ergebnisse zeigen, dass die prae-SMA und rechtshemisphaerische praefrontale Areale am Halten von Methodeinformation selektiv beteiligt sind, wohingegen der anteriore temporale und parahippocampale Cortex erhoehte Aktivation beim Halten von Zielinformation im Arbeitsgedaechtnis aufzeigen. Waehrend der Target-Praesentation wurde ein Haupteffekt von motorischer Aehnlichkeit im inferior parietalen Cortex gefunden. Unsere Befunde suggerieren, dass Probanden motorisches Imaginieren nutzen um Methodeinformation im Arbeitsgedaechtnis zu halten und dass sie fuer das Halten von Zielinformation beobachtete Eigenschaften der Handlung in eine Handlungsepisode integrieren. Weiterhin kann, basierend auf dem Haupteffekt motorischer Aehnlichkeit im posterioren Spiegelneuronenareal, geschlossen werden, dass diese Region an der genauen Repraesentation der Interaktion von Effektor und Objekt beteiligt ist. Im dritten Experiment (behavioral) untersuchten wir, inwieweit die Vertrautheit der Handlung beeinflusst, wie wir sie im Gedaechtnis repraesentieren. Wir nutzten eine kulturvergleichene Versuchsanordnung fuer diese Fragestellung basierend auf der Beobachtung, dass es einige Handlungen gibt, welche vertraut in China aber unvertraut in Deutschland sind und umgekehrt. Wir erhielten eine signifikante Interaktion der Art des Rekognitionstest und des Vertrautheitsstatus der Handlung in der Stichprobe (eine chinesische, eine deutsche Stichprobe) auf die Korrektheit des Wiedererkennens. Waehrend die Handlungsziele fuer vertraute und unvertraute Handlungen gleich gut repraesentiert wurden, wurde die Handlungsmethode fuer vertraute Handlungen besser repraesentiert als das Handlungsziel. Es gab keine signifikante Interaktion mit der Kultur. Obwohl der Inhalt zwischen Kulturen variiert, sind die Mechanismen zur Repraesentation von Handlungen scheinbar dieselben. Diese Befunde passen zu einem hierarchischen Modell von Handlungsrepraesentationen, wonach Zielinformation Methodeinformation uebergeordnet ist. Auf der Grundlage dieser Daten, stelle ich im letzten Teil meiner Dissertation ein neurokognitives Modell der Handlungsinformationsverarbeitung vor. In diesem wird zwischen einer Wahrnehmungs- und einer Gedaechtnisrepraesentationsphase unterschieden bezueglich der praeferiert verarbeiteten Handlungsaspekte. Ich ende mit einer Uebersicht ueber die wesentlichen Gehirnstrukturen, welche an der Repraesentation von Handlungsinformation im Gedaechtnis beteiligt sind.