The role of cognitive effort in decision-making and reasoning errors. Reasoning errors: Beyond insufficient effort - implicating the Locus Coeruleus - Norepinephrine system

Abstract

Cognitive effort is highly familiar in everyday life and may influence our decisions and task performance. However, researchers have struggled to both define and measure cognitive effort. A range of tools measuring cognitive effort has been developed within different lines of research. Yet it is unclear to what degree these tools are related and if they are measuring the same cognitive effort construct. Furthermore, the influential default-interventionist dual-process account proposes that a lack of cognitive effort is a significant source of errors in reasoning and decision-making. However, an accumulating body of research contradicts predictions from the default-interventionist account, giving rise to a new generation of dual-process models. Notably, a separate line of research applying single-process sequential sampling models proposes that bias in decision-making is exacerbated by more extensive integration of evidence. These separate lines of research make opposing predictions regarding pupil dilation. Pupil size can be used as an indicator of both cognitive effort and Locus Coeruleus – Norepinephrine activity. The default-interventionist account predicts that errors in reasoning should be associated with smaller pupil dilations, I.e. less cognitive effort. The extensive integration account proposes that larger pupil dilations, indicating low levels of norepinephrine and neural gain, leads to more extensive integration and more bias in reasoning. Thus, competing models and frameworks with opposing predictions regarding cognitive effort and errors in decision-making can be tested by measuring pupil size during performance on reasoning tasks. The aims of the thesis were to investigate the role of cognitive effort in decision-making and errors in reasoning. Further, to evaluate tools measuring cognitive effort in decision-making, and lastly to evaluate competing dual-process models and alternative frameworks of decision-making. Paper 1 assessed the shared variance between three behavioral measures of cognitive effort and their relationship to the need for cognition scale. Additionally, working memory capacity and subjective mental effort of the task paradigms was measured. The results showed no relation between the three behavioral measures of cognitive effort. However, two of the measures were related to need for cognition and working memory capacity. Contrary to dual-process model predictions, performance on a battery of rational reasoning tasks was negatively related to subjective mental effort on the tasks. Indicating that more cognitive effort was associated with errors in reasoning. Paper 2 and Paper 3 applied pupillometry to assess cognitive effort during decision-making tasks. Paper 2 found that larger pupil dilations, indicating more cognitive effort, was associated with more errors on a teleological reasoning task, thus finding support for the extensive integration account of bias in reasoning. Paper 3 measured eye-gaze and pupil dilation in two separate versions of a base-rate task. The results were partly mixed. However, evidence suggested base-rate neglect was a significant source of bias on the task. Further, larger pupil dilations associated with conflict detection and cognitive decoupling were related to correct responses. Implicating the Locus Coeruleus – Norepinephrine system in conflict detection and overriding of erroneous responses. The thesis concludes that a lack of cognitive effort is not a general cause of decision-making errors. Rather, errors in reasoning can be associated with both more and less cognitive effort, dependent on the task. Researchers should be mindful of the tools available when measuring cognitive effort as tools differ in reliability, validity, and may measure different aspects of cognitive effort. The results from the thesis largely oppose dual-process models. The results are in line with sequential sampling models and the extensive integration account of bias in reasoning, highlighting the role of Locus Coeruleus in decision making and reasoning errors. Notably, sequential sampling models were not tested to the same extent as dual-process models in this thesis and the results should be considered preliminary. However, the tools and methodology applied in the thesis may suggest a path forward for future research on errors in decision-making.

Kognitiv anstrengelse kan påvirke beslutningene våre i hverdagen. Det har også betydning for utførelse og fullførelse av oppgaver. Til tross for at kognitiv anstrengelse er et velkjent fenomen, har forskere slitt med å definere og måle kognitiv anstrengelse. Ulike fagområder har utviklet en rekke verktøy for å måle kognitiv anstrengelse, men det er likevel uklart om disse verktøyene korrelerer og i hvilken grad disse verktøyene lykkes i å måle det samme konstruktet av kognitiv anstrengelse. Den innflytelsesrike «standard-intervensjon» (default-interventionist) «dobbel-prosess» (dual-process) modellen, hevder at mangel på kognitiv anstrengelse er en betydelig kilde til feil i resonnering og beslutningstaking. Samtidig motstrider en stadig økende mengde forskning prediksjonene til standard-intervensjonsmodellen. Dette har ført til en ny generasjon av dobbel-prosess modeller. Et annet forskningsområde som bruker en-prosess sekvensielle samplingsmodeller (sequential sampling models) foreslår at bias i beslutningstaking forverres av mer omfattende integrering av bevis. Disse separate forskningslinjene gir motstridende prediksjoner angående pupilldilatasjon. Pupillens størrelse kan brukes som en indikator på både kognitiv anstrengelse og Locus Coeruleus – Noradrenalin aktivitet. Standard-intervensjonsmodellen predikerer at bias og feil i beslutningstaking er assosiert med mindre pupillstørrelse, det vil si mindre kognitiv anstrengelse. Den omfattende integrasjonsmodellen (extensive integration) predikerer at større pupilldilatasjon, som indikerer lave nivåer av noradrenalin og nevral gevinst (neural gain), fører til mer omfattende integrasjon og mer bias i beslutningstaking. Ulike modeller og rammeverk kan dermed testes ved å måle pupillstørrelse under gjennomføring av resonnering- og beslutningstakings oppgaver. Målet med avhandlingen var å undersøke rollen til kognitiv anstrengelse i beslutningstaking og bias i resonnering. Videre ønsket jeg å evaluere verktøy som måler kognitiv anstrengelse i beslutningstaking, og til slutt å evaluere konkurrerende rammeverk for beslutningstaking. Artikkel 1 vurderte samvariasjonen mellom tre atferdsmål for kognitiv anstrengelse og deres relasjon til behovet for tenkning (need for cognition) skalaen. I tillegg ble arbeidsminnekapasitet og subjektiv mental innsats av oppgaveparadigmene målt. Resultatene viste ingen sammenheng mellom de tre atferdsmålene for kognitiv anstrengelse. To av atferdsmålene viste imidlertid samvariasjon med behov for tenkning og arbeidsminnekapasitet. I motsetning til dobbel-prosess modellenes prediksjoner, var ytelse på et batteri av problemløsningsoppgaver negativt relatert til subjektiv mental innsats på oppgavene. Dette indikerer at mer kognitiv anstrengelse var assosiert med flere feil i beslutningstaking. Artikkel 2 og Artikkel 3 brukte pupillometri som et mål på kognitiv anstrengelse under beslutningstakingsoppgaver. Artikkel 2 fant at større pupilldilatasjon, som indikerer mer kognitiv anstrengelse, var assosiert med flere feil på en teleologisk resonneringsoppgave, og fant dermed støtte for den omfattende integrasjonsmodellen for bias i beslutningstaking. Artikkel 3 målte blikk (eye-gaze) og pupilldilatasjon i to separate versjoner av en basisrate-oppgave. Resultatene var delvis blandede. Resultatet tydet imidlertid på at neglekt av basisraten var en betydelig kilde til bias og feil i oppgaven. Videre var større pupilldilatasjon assosiert med oppdagelse av konflikt (conflict detection) og mental dekobling/simulering (cognitive decoupling) relatert til korrekte responser. Dette impliserer Locus Coeruleus - Noradrenalin-systemet i oppdagelse av konflikt og overstyring av feilaktige responser. Oppgaven konkluderer med at manglende kognitiv anstrengelse ikke er en generell årsak til feil i beslutningstaking. Snarere kan feil i beslutningstaking være forbundet med både mer og mindre kognitiv anstrengelse, avhengig av oppgaven. Forskere bør være oppmerksomme på verktøyene som er tilgjengelige når de måler kognitiv anstrengelse, da verktøy er forskjellige i pålitelighet, validitet og kan måle ulike aspekter ved kognitiv anstrengelse. Resultatene fra oppgaven motsetter seg i stor grad dobbel-prosess modeller. Resultatene er i tråd med sekvensielle samplingsmodeller og den omfattende integrasjonsmodellen for bias i resonnering og beslutningstaking. Videre fremhever resultatene rollen til Locus Coeruleus i beslutningstaking og resonneringsfeil. Det er viktig å bemerke seg at sekvensielle samplingsmodeller ikke ble testet i samme grad som dobbel-prosess modeller i denne oppgaven, og resultatene bør betraktes som foreløpige. Imidlertid kan verktøyene og metodikken brukt i oppgaven foreslå en vei videre for fremtidig forskning på feil i beslutningstaking.