Was macht die Potsdamer Kognitionswissenschaften aus?
Ralf Engbert: Eine Besonderheit ist, dass es interdisziplinäre kognitionswissenschaftliche Forschungsprojekte an der Universität Potsdam seit ihren Gründungsjahren gibt. Wir können auf eine lange Zusammenarbeit von Psychologie und Linguistik auf der einen sowie Mathematik, Physik und Informatik auf der anderen Seite zurückblicken. Dadurch haben wir ein sehr gutes gegenseitiges Verständnis für die Sichtweisen in anderen Fächern entwickelt – und es fällt natürlich leichter, gemeinsam neue Forschungsinitiativen zu entwickeln. Außerdem sind über die zahlreichen Labore in den unterschiedlichen Arbeitsgruppen viele Verknüpfungen und ein reger Methodenaustausch entstanden. So ist es sicherlich ungewöhnlich, dass das BabyLAB mit Entwicklungspsychologie und Spracherwerbsforschung die traditionelle Unterscheidung zwischen Psychologie und Linguistik aufgebrochen hat. Nicht zuletzt haben die Kognitionswissenschaften in der langjährigen Kooperation mit den Naturwissenschaften sehr gute Forschungsmethoden entwickelt. Sichtbar wird das bei Initiativen wie der von Prof. Shravan Vasishth ins Leben gerufenen Summer School „Statistical Methods for Linguistics and Psychology“, die jährlich internationale junge Forscherinnen und Forscher nach Potsdam zieht.
Birgit Elsner: Diese fachübergreifende Forschungstradition der Potsdamer Kognitionswissenschaften ist tatsächlich einzigartig. Daraus sind viele Publikationen und groß angelegte interdisziplinäre Forschungsprojekte hervorgegangen, wie etwa der Sonderforschungsbereich (SFB) 1287 „Grenzen der Variabilität in der Sprache“ in der Linguistik. Auch im SFB 1294 „Datenassimilation“ gibt es zwei Projekte mit Beteiligung von Kolleginnen und Kollegen aus Psychologie und Linguistik.
David Schlangen: In den Kognitionswissenschaften wird seit langem eine strategische Berufungsstrategie verfolgt: Ziel ist es, die Departments so aufzustellen, dass die interdisziplinäre Zusammenarbeit möglich ist und bleibt.
Engbert: Mit einem guten Team gelingt es auch immer wieder, große Projekte einzuwerben. Und andersherum darf man nicht unterschätzen, dass ein SFB zum Beispiel ein extrem attraktives Umfeld für junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schafft. Das ist ein selbstverstärkender Prozess, denn all das trägt zur Forschungsstärke bei.
Elsner: Nicht zuletzt macht die Vielfalt der verwendeten Methoden die Potsdamer Kognitionswissenschaften so erfolgreich.
Können Sie das konkretisieren? Welche besonderen Untersuchungsmethoden, welche Labore machen Potsdam aus?
Elsner: Wir haben hier zum einen die klassischen Experimente, bei denen wir das Verhalten von Menschen beobachten. Im BabyLAB nutzen wir beispielsweise Videoaufnahmen, und hier und in anderen Laboren können wir pixelgenau im Bereich von Millisekunden messen, wie sich der Blick einer Person über einen Bildschirm bewegt. An der Uni Potsdam gibt es auch Labore, die auf Sprachwahrnehmung und -produktion spezialisiert sind und in denen etwa die muskulären Bewegungen der Zunge während des Sprechens erfasst werden. Zum anderen nehmen wir in neurophysiologischen Laboren körperliche Maße auf, die Aufschluss über unsere psychischen Zustände geben können: etwa den Hautwiderstand, der darauf hinweisen kann, ob jemand gerade aufgeregt ist. Nicht zuletzt können wir mit dem Elektroenzephalogramm (EEG) Gehirnaktivitäten aufzeichnen.
In Potsdam haben wir außerdem Expertinnen und Experten für die mathematische und Computermodellierung von kognitiven Prozessen. Damit gibt es hier ein breites Methodenrepertoire, um Fragen nach sprachlicher oder nichtsprachlicher Kognition beantworten zu können. Und wir haben auch die Bereitschaft, unsere Expertise zu teilen, um gemeinsame Forschungsprojekte anzuschieben.
Schlangen: Ungewöhnlich ist zum Beispiel auch unser Computerlinguistik-Labor, in dem wir Interaktionen mit humanoiden Robotern untersuchen. In Vorbereitung auf das Exzellenzcluster planen wir, Roboter in Versuchen aus der Psycholinguistik einzusetzen. Denn sie eignen sich sehr gut als extrem kontrollierbares Gegenüber. Prof. Audrey Bürki aus der Linguistik baut derzeit einen Fahrsimulator auf. Sie untersucht, wie viele kognitive Kapazitäten das Autofahren bindet und wie das die Sprachproduktion beeinflusst. Was das Eyetracking betrifft, ist Potsdam an der Spitze. Als Reinhold Kliegl die Blickbewegungsforschung an der Universität aufgebaut hat, war dies in Deutschland Pionierarbeit. Inzwischen wird diese von Ralf Engbert und anderen Forschenden fortgesetzt. Ich glaube, die Vielfalt an empirischen Methoden, die uns zur Verfügung stehen, ist ein Potsdamer Alleinstellungsmerkmal.
Elsner: Das Eyetracking wird in Potsdam seit langem in der Leseforschung eingesetzt, aber auch darüber hinaus. Im BabyLAB nutzen wir Blickbewegungsmessungen, um das Denken und den Spracherwerb von Säuglingen zu erforschen. Das ist eine überaus hilfreiche Methode, denn die Babys können sich ja nicht verbal äußern. Wir müssen über ihr Verhalten erschließen, was in ihrem Kopf vorgeht.
Engbert: In der Leseforschung schauen wir uns mithilfe von Eye Tracking und blickabhängigen Displays die Wortverarbeitung der Lesenden an. So kann man sehr präzise prüfen, wie weit die kognitive Verarbeitung einzelner Wörter fortgeschritten ist. Dabei lernt man sehr viel über Prozessmodelle der Blicksteuerung beim Lesen. Dieses Wissen lässt sich dann auch in anderen Bereichen einsetzen.
Schlangen: Zusammenfassend kann man sagen, dass wir in Potsdam sowohl die Apparaturen als auch die Expertinnen und Experten haben, die damit qualitativ hochwertige Daten erheben – sowohl wahrnehmbare Verhaltensäußerungen als auch „nur“ messbare Signale. Wenn der Computer beim Bewegungstracking misst, wie sich die Hände im dreidimensionalen Raum bewegen, oder wenn wir Menschen über einen langen Zeitraum mittels einer App befragen, wie ihr aktueller motivationaler Zustand ist, gewinnen wir zeitlich hochauflösende Daten – im Bereich von Millisekunden über Tage bis hin zu Jahren. Das Exzellenzcluster will sich der Herausforderung stellen, mithilfe modernster mathematischer und computationaler Methoden größere integrative Modelle auszuformen und auf diese Weise die Dynamik von Kognition und Verhalten zu erklären.
Sie haben gerade das Exzellenzcluster angesprochen, für das Sie in der kommenden Runde der Exzellenzinitiative einen Antrag einreichen wollen. Wo sollen dessen Schwerpunkte liegen?
Elsner: Wir planen vier Forschungsbereiche. Da ist zum einen „Sprache und Kognition“ mit der etablierten langjährigen Forschungstradition in Psychologie und Linguistik. Hier soll unter anderem erforscht werden, wie die Verarbeitung und Produktion von Sprache von nichtsprachlichen Prozessen wie beispielsweise der Aufmerksamkeit mitbeeinflusst wird. Neben den beiden SFBs beruht dies auf der DFG-Forschungsgruppe 2253 zum Zusammenspiel von Sprache und Kognition in der frühkindlichen Entwicklung, die zudem in den zweiten Bereich „Entwicklung und Lernen“ hineingeht. Im Mittelpunkt stehen hier dynamische Veränderungen von Kognition, Sprache, Wissen und Fertigkeiten, die über das Leben hinweg, aber auch in kurzfristigen Lernprozessen entstehen. Im dritten Bereich „Motivation und Verhalten“ erforschen Kolleginnen und Kollegen aus den Sport- und Gesundheitswissenschaften die kognitiven Grundlagen von gesundheitsorientiertem Verhalten. Zum Beispiel, warum es oft schwer fällt, weniger Alkohol zu trinken oder mehr Sport zu treiben. Gleichzeitig wollen wir die Kooperation mit den Erziehungswissenschaften verstärken, um Lern- und Bildungsprozesse zu betrachten und herauszufinden, wie sich Menschen neue Kompetenzen aneignen.
Engbert: Die mathematische und computationale Modellierung bildet den vierten Bereich. Die statistische Modellierung war schon immer eine Stärke der Potsdamer Kognitionswissenschaften. In den letzten 20 bis 30 Jahren haben wir außerdem eine zunehmende Vielfalt an prozessorientierten Erklärungsansätzen gewonnen. Es gibt computerbasierte Modelle, die eher biologisch motiviert sind, solche, die eher auf kognitiven Theorien fußen, und Ansätze aus Mathematik und Informatik, wie das maschinelle Lernen, die wenige Vorannahmen über kognitive Prozesse machen. Im geplanten Exzellenzcluster wollen wir untersuchen, welchen Beitrag die verschiedenen Modellierungsansätze liefern können.
Was bedeutet das konkret? Welchen Fragen möchten Sie im Exzellenzcluster nachgehen?
Elsner: Weil kognitive Prozesse sehr dynamisch sind, brauchen wir mehr Forschung, die die Variation des Verhaltens über die Zeit hinweg untersucht. Bei einer Augenbewegung zum Beispiel entsteht in jeder Millisekunde ein Datenpunkt: So messen wir im BabyLAB, zu welchem Zeitpunkt die Kinder einen Punkt auf dem Bildschirm betrachten, der für unsere Forschungsfrage wichtig ist. Bei manchen Babys kommen die Augen schon nach 100 Millisekunden bei diesem Punkt an, bei manchen aber erst später. So berechnen wir für jedes Kind einen Zahlenwert, der das Blickverhalten zusammenfasst – die Daten werden „aggregiert“. Interessant wäre aber auch der Verlauf: Wo startet der Blick des Kindes? Und wenn das Kind länger braucht, welche anderen Punkte hat es vielleicht länger angeschaut? Solche zeitlich hoch aufgelösten Daten können wir jetzt erfassen, aber wir benötigen auch entsprechende Auswertungsmethoden. Ziel des Exzellenzclusters soll es sein, dynamische Prozesse in Kognition und Verhalten zu untersuchen, und zwar in verschiedenen Zeitskalen, also im Millisekundenbereich, in dem sich unser Denken oder Augenbewegungen abspielen, ebenso wie über längere Zeiträume, wenn es um das Lernen oder den menschlichen Entwicklungsverlauf geht.
Engbert: Dynamische Systeme sind eine der Domänen von Mathematik und Physik. Deren Modellierungsmöglichkeiten möchten wir nutzen und mit der kognitionswissenschaftlichen Forschung zusammenbringen, um genauere Erklärungen zu erhalten, warum sich ein Prozess entfaltet. Wie wirken sich beispielsweise unterschiedliche Vorerfahrungen einer Person darauf aus, wie sie etwas kognitiv verarbeitet? Was die Sprachverarbeitung betrifft, liegen verschiedene Modelle vor, die einzelne Aspekte dieses Prozesses erklären. Was fehlt, sind Modelle, die die Verarbeitung in ihrer ganzen Komplexität darstellen. Ich glaube, nach einer Theorie zu suchen, die alles erklärt, wäre vermessen. Aber wir wollen zumindest schauen, welche der vorhandenen Modelle am besten geeignet sind, um kognitive Prozesse ganzheitlicher zu erklären.
Schlangen: Die maschinelle Sprachverarbeitung ist ein weiteres anschauliches Beispiel für dynamische Prozesse. Die meisten Modelle für die heutigen Dialogsysteme, sei es in Form von Chatbots oder Sprachassistenten, gehen davon aus, dass eine gesprochene oder geschriebene Äußerung abgeschlossen vorliegen muss, bevor die Informationsverarbeitung beginnen kann. Ein Sprachassistent oder humanoider Roboter wartet also, bis zum Beispiel ein Satz vollständig ist. Das ist stark vereinfachend und unrealistisch, denn die menschliche Informationsverarbeitung, die Kognition, funktioniert kontinuierlich. Viele der bestehenden Modelle blenden diesen Zeitaspekt aus – und wir wollen ihn wieder einbringen. Wenn wir modellieren können, wie die Sprachverarbeitung Stück für Stück in der Zeit stattfindet, kann das die Qualität der Interaktion mit künstlichen Systemen verbessern. So können humanoide Roboter etwa Verhaltensweisen wie das Kopfnicken zeigen, noch während sie zuhören und nicht erst, wenn wir eine Pause machen. Aber nicht nur das Sprechen, auch Lesen findet in der Zeit statt. Ein längerer Satz wird ja nicht mit einem Mal aufgenommen, sondern die Augen wandern über die einzelnen Wörter hinweg.
Elsner: Genau, das Gehirn nimmt einen Text nach und nach auf und nutzt dabei Vorerfahrungen, die abgerufen werden. Ich muss auch nicht jedes Wort lesen, weil ich bestimmte Äußerungen vorhersehen kann. Doch natürlich passiert es auch, dass solche Erwartungen nicht erfüllt werden. Und deswegen ist das Nachverfolgen dieser Prozesse so wichtig.
Warum ist Potsdam der richtige Ort für das kognitionswissenschaftliche Exzellenzcluster?
Engbert: Wir haben eine langjährige interdisziplinäre Erfahrung in der Erforschung von verschiedenen Aspekten der menschlichen Informationsverarbeitung. Mittlerweile gibt es sehr viele Kolleginnen und Kollegen an unserer Universität, die an strukturell ähnlichen Fragen arbeiten, sodass neue Querverbindungen entstehen. Das wird befördert durch ähnliche Messmethoden, neue inhaltliche Brücken und die zunehmende Verfügbarkeit von theoretischen Modellen. Wenn man nicht nebeneinander, sondern miteinander arbeitet, kann man sehr viel voneinander lernen.
Elsner: Man muss auch sagen, dass die Entscheidung der Universität, die Kognitionswissenschaften als Forschungsschwerpunkt zu fördern, jetzt Früchte trägt. In Deutschland wurde das mit großer Aufmerksamkeit wahrgenommen. Dass die Hochschule unterstützende Strukturen geschaffen hat, um solche großen Forschungsinitiativen anzuschieben, ist ein wichtiger Baustein.
Schlangen: Die beiden SFBs, die kürzlich in die zweite Förderperiode verlängert wurden, haben gezeigt, dass wir sehr erfolgreich fachübergreifend zusammenarbeiten können. Nun können wir mit breiter Brust sagen: Wir trauen uns auch ein Exzellenzcluster zu! Die Voraussetzungen sind geschaffen. Der Antrag ist ein natürlicher nächster Schritt, sozusagen die logische Konsequenz.
Elsner: Es sind verschiedene inhaltliche Linien und strukturelle Bedingungen, die für das, was wir vorhaben, nur an der Uni Potsdam so zusammenlaufen. Deswegen ist jetzt der richtige Zeitpunkt und hier der richtige Ort.
Wie binden Sie junge Forschende ein und fördern sie?
Schlangen: Neben der Förderung von Promovierenden und Postdocs planen wir Juniorforschungsgruppen mit einem hohen Maß an Selbstständigkeit und einem starken Mentoring-Angebot. Wir haben sehr gut funktionierende Studiengänge, wie den Bachelor Kognitionswissenschaften und die beiden internationalen Master „Cognitive Science – Embodied Cognition“ und „Cognitive Systems“. Wir können hier forschungsnahe Lehre anbieten und geeignete Personen für Promotionsstellen und daran anschließend für Postdoc-Stellen gewinnen. Auf der professoralen Ebene war uns die Altersstruktur wichtig, deshalb haben wir auch jüngere Kolleginnen und Kollegen eingebunden.
Engbert: Ein inhaltlicher Schwerpunkt soll es sein, den Promovierenden und Postdocs unsere innovativen Forschungsmethoden nahezubringen und sie in mathematischer und computationaler Modellierung sowie in der Kombination von Messmethoden zu schulen, also darin, Daten auf verschiedenen Verhaltensebenen zu erfassen. Wir möchten die Personen früh in die wissenschaftliche Selbstständigkeit führen und zugleich Diversität auf verschiedenen Ebenen umsetzen. Dafür bietet unser Bereich beste Voraussetzungen, denn die Psychologie und Linguistik sind stark weiblich besetzt, während der Modellierungsbereich noch immer eher eine männliche Domäne ist. Im Cluster streben wir an, Personen mit verschiedenem Geschlecht, Nationalität, sozialem Hintergrund oder körperlichen Fähigkeiten zusammenzubringen. Nicht nur auf der Ebene der Projektleitenden, da stehen wir schon sehr gut da, sondern auch bei den Forschenden auf anderen Stufen der wissenschaftlichen Karriere.
Schlangen: Wir planen nicht nur Sommerschulen, um unsere Modellierungsansätze zu vermitteln, sondern auch Open Educational Resources für Bildung und Ausbildung innerhalb und außerhalb der Universität.
Elsner: Um eine breitere Öffentlichkeit an unserer kognitionswissenschaftlichen Forschung teilhaben zu lassen, möchten wir Apps oder Gaming Tasks nutzen. Sie könnten Menschen motivieren, an Untersuchungen teilzunehmen und mehrmals täglich Auskunft über das eigene Empfinden oder Aspekte ihres Alltags zu geben, ohne extra ins Labor zu reisen. Für unsere Forschung zur Dynamik von Kognition und Verhalten brauchen wir viele Datenpunkte – die können wir sehr gut über Laborstudien und Online-Methoden erhalten. Unsere Initiative ist in der Grundlagenforschung ausgerichtet: Wir wollen beschreiben und erklären, wie intelligente Systeme Informationen verarbeiten und Verhalten produzieren; wie sich geistige Vorgänge abspielen. Aber dies ist auch wichtig für gesellschaftliche Ziele, denn auf dieser Basis könnten zum Beispiel Lern- und Förderprogramme oder Motivationshilfen für gesundheitsbezogenes Verhalten entwickelt werden.
Die Forschenden
Prof. Dr. Birgit Elsner ist Professorin für Entwicklungspsychologie an der Universität Potsdam und leitet zusammen mit Prof. Dr. Barbara Höhle das Potsdamer BabyLAB, das die geistige Entwicklung und den Spracherwerb in den ersten Lebensjahren erforscht.
E-Mail: birgit.elsneruuni-potsdampde
Prof. Dr. Ralf Engbert ist Professor für Allgemeine und Biologische Psychologie an der Universität Potsdam und Experte für dynamische Systeme zur Modellierung kognitiver Prozesse sowie für Blickbewegungsmessungen im EyeLab.
E-Mail: ralf.engbertuuni-potsdampde
Prof. Dr. David Schlangen ist Professor für Grundlagen der Computerlinguistik und erforscht verbale und nonverbale Interaktionen zwischen menschlichen und künstlichen Agenten, unter anderem im Computerlinguistik-Labor der Universität Potsdam.
E-Mail: david.schlangenuuni-potsdampde
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Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal Wissen - Zwei 2023 „Exzellenz“ (PDF).