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„Kaffee als Kraftstoff für das Gehirn?“
Der Einfluss von Koffein sowie die Auswirkung der Tageszeit auf das Ergebnis des Stroop-Tests...

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FOM Hochschule für Oekonomie & Management Hochschulzentrum Leipzig

Berufsbegleitendender Studiengang zur Betriebswirtschaft & Wirtschaftspsychologie 4. Semester

Seminararbeit im Modul Empirisches Projekt

„Kaffee als Kraftstoff für das Gehirn?“ Der Einfluss von Koffein sowie die Auswirkung der Tageszeit auf das Ergebnis des Stroop-Tests

Dozentin:

Dr. phil. Christiane Al Ghanem

Autoren:

Sebastian Dietze (536609)

Semester:

SoSe 2021

Abgabedatum:

11.07.2021

II

Abstract Der sogenannte Stroop-Effekt steht für ein experimentalpsychologisches Phänomen, welches das Konzept einer automatisierten Aufmerksamkeitsreaktion untersucht. Die vorliegende Arbeit untersucht die Fragestellung, ob und inwiefern Koffein Einfluss auf die Leistungs- und Konzentrationsfähigkeit ausgewählter Probanden bei der Implementierung des Stroop-Tests, in Abhängigkeit verschiedener Tageszeiten, nimmt. Die durchgeführte, wissenschaftliche Untersuchung baut hierbei auf der Datenerhebung in Form eines Experiments auf, in dessen Rahmen vier Probanden im Alter zwischen 23 und 31 Jahren in einem Zeitabschnitt von insgesamt fünf Tagen, jeweils morgens und abends, eine Tasse Kaffee tranken, bevor sie den Stroop-Test durchführten. Anhand der Datenerhebung wird folglich geprüft, ob sich die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit sowie die Antwortquote verbessert und somit beeinflusst werden kann. Die Probanden wurden in Kontroll- und Experimentalgruppe eingeteilt, wobei Teilnehmerinnen und Teilnehmer der zweitgenannten Gruppe unwissentlich koffeinfreien Kaffee als abhängige Variable verabreicht bekamen. Mit Hilfe der Statistiksoftware R wurden alle erhobenen Daten analysiert und hinsichtlich der folgenden drei Hypothesen ausgewertet: H1:

Die durchschnittliche Reaktionszeit im Stroop-Test sinkt mit der Einnahme von Koffein.

H2:

Die durchschnittliche Ergebnisquote im Stroop-Test steigt mit der Einnahme von Koffein.

H3:

Die Tageszeit hat einen Einfluss auf die durchschnittliche Reaktionszeit sowie die Ergebnisquote im Stroop-Test.

Keine der drei untersuchten Hypothesen ergab, unter Verwendung des gebilligten Signifikanzniveaus, ein signifikantes Ergebnis. Allerdings gilt es hierbei festzuhalten, dass die Probanden mit Koffein eine im Mittelwert niedrigere Reaktionszeit aufwiesen als die Experimentalteilnehmer. Die Aufnahme von Koffein führte schlussfolgernd zu einer niedrigeren Reaktionszeit im Stroop- Test. Die Untersuchung der Ergebnisquote im Stroop- Test konnte keine signifikanten Ergebnisse hervorbringen. Vielmehr lag die Ergebnisquote ohne Koffein marginal höher als die Ergebnisquote der Kontrollgruppe. Die Aufnahme von Koffein scheint also die Reaktionsgeschwindigkeit positiv zu beeinflussen, nicht aber die Fehlerquote beim Lösen von Aufgaben. Weitere,

III

umfangreichere Testreihen könnten hierbei zu konsistenteren Ergebnissen führen. Abschließend wurden die Auswirkungen der Tageszeit auf die Reaktionsgeschwindigkeit sowie die Ergebnisquote gemessen. Auch hier fanden sich keinerlei Signifikanzen in Bezug auf die Ergebnisse. Die Reaktionszeiten um 15 Uhr, verglichen mit den Reaktionszeiten um 9 Uhr, waren leicht niedriger.

IV

Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................... V 1

Einleitung ................................................................................................................... 1

2

Theoretischer Hintergrund ......................................................................................... 2

3

4

5

2.1

Der Stroop- Effekt .............................................................................................. 2

2.2

Physiologische und psychologische Wirkung von Koffein................................ 2

2.3

Die tageszeitliche Leistungskurve des Menschen .............................................. 5

2.4

Einordnung in den aktuellen Stand der Forschung............................................. 6

Methodik .................................................................................................................... 8 3.1

Stichprobe ........................................................................................................... 8

3.2

Forschungsdesign ............................................................................................... 8

3.3

Untersuchungsdurchführung .............................................................................. 8

3.4

Erhebungsinstrument .......................................................................................... 9

3.5

Datenaufbereitung und statistische Verfahren.................................................. 11

Ergebnisse ................................................................................................................ 13 4.1

Prüfung der Hypothese H1 ............................................................................... 13

4.2

Prüfung der Hypothese H2 ............................................................................... 17

4.3

Prüfung der Hypothese H3 ............................................................................... 21

Diskussion ................................................................................................................ 24 5.1

Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse ...................................... 24

5.2

Praktische Implikationen .................................................................................. 25

5.3

Limitationen und Kritik .................................................................................... 26

5.4

Fazit .................................................................................................................. 28

6

Literaturverzeichnis ................................................................................................... 1

7

Anhang ....................................................................................................................... 3

Die Seminararbeit hat einen Umfang von 5763 Wörtern. Grundlage ist der Leitfaden zur formalen Gestaltung von Seminar- und Abschlussarbeiten, Stand Mai 2021.

V

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Chronotypen – Gegenüberstellung von „Lerchen“ und „Eulen“ ............... 6 Abbildung 2: Online Stroop-Test .................................................................................... 10 Abbildung 3: Ergebnisauswertung Stroop-Test .............................................................. 10 Abbildung 4: Normalverteilung der Einzelvariablen in zwei Subdatensätze des statistischen Auswertungsverfahren ................................................................................ 11 Abbildung 5: Histogramm – Reaktionszeit in Sekunden mit Koffein ............................ 14 Abbildung 6: Histogramm – Reaktionszeit in Sekunden ohne Koffein .......................... 14 Abbildung 7: qq-Plot – Reaktionszeit in Sekunden mit Koffein .................................... 15 Abbildung 8: qq-Plot – Reaktionszeit in Sekunden ohne Koffein .................................. 15 Abbildung 9: H1 - Normalverteilung mittels Shapiro-Wilk-Tests für Koffein .............. 16 Abbildung 10: H1 - Normalverteilung mittels Shapiro-Wilk-Tests für Koffeinfrei ....... 16 Abbildung 11: Ungepaarter t-Test bzgl. der Einflussnahme von Koffein auf die .......... 17 Abbildung 12: Ergebnisquote in Prozent mit Koffein .................................................... 18 Abbildung 13: Ergebnisquote in Prozent ohne Koffein .................................................. 18 Abbildung 14: qq-Plot Ergebnisquote mit Koffein ......................................................... 19 Abbildung 15: qq-Plot Ergebnisquote ohne Koffein ...................................................... 19 Abbildung 16: H2 - Normalverteilung mittels Shapiro-Wilk-Tests für Koffein ............ 20 Abbildung 17: H2 - Normalverteilung mittels Shapiro-Wilk-Tests für Koffeinfrei ....... 20 Abbildung 18: Mittelwert anhand Mann-Whitney-U-Tests für Koffein......................... 21 Abbildung 19: Mittelwert anhand Mann-Whitney-U-Tests für Koffeinfrei ................... 21 Abbildung 20: Mittelwert anhand Wilcoxon-Tests für vormittags ................................. 22 Abbildung 21: Mittelwert anhand Wilcoxon-Tests für nachmittags............................... 22 Abbildung 22: Mittelwerterhebung der Reaktionszeit und Ergebnisquote anhand des mean-Befehls für 4 Variablen ......................................................................................... 22

1

1

Einleitung

Koffein gilt seit einigen Jahrhunderten aufgrund seiner leistungssteigernden Wirkung als Antrieb für Menschen im privaten sowie beruflichen Umfeld. Für viele ist die Tasse Kaffee besonders in ihrer morgendlichen Routine nicht mehr wegzudenken, doch welchen Effekt hat Koffein im Laufe des Tages auf die Leistungsfähigkeit des Menschen? Um dieser Fragestellung näherzukommen und diese in einem experimentellen Umfeld zu operationalisieren, untersucht die vorliegende Arbeit den Einfluss von Koffein auf die Ergebnisse

des

Stroop-Test

unter

Berücksichtigung

zweier

unterschiedlicher

Tageszeitpunkte. Unter 2.1 wird zunächst auf den von John Ridley Stroop entdeckten Stroop- Effekt, welcher die Aufmerksamkeit von inkongruenten visuellen Informationen messbar macht, eingegangen. Denn nicht zuletzt durch die vielfältigen experimentellen Variationen des Stroop- Tests wird dieser nicht mehr nur allein in der experimentellen Forschung eingesetzt, sondern erlangt zunehmend auch in der klinischen- sowie Einzelfalldiagnostik an Bedeutung. Des Weiteren wird auf die physiologische und psychologische Wirkung von Koffein eingegangen sowie unter 2.3. die theoretischen Grundlagen der individuellen Leistungsfähigkeit des Menschen in Abhängigkeit der Tageszeit erläutert. Im Kapitel 2.4. werden in Anlehnung an den aktuellen Stand der Forschung die drei Forschungshypothesen, basierend auf der zuvor erfolgten theoretischen Grundlage, erstellt. Das 3. Kapitel bildet den Methodik-Teil dieser Arbeit ab und beschreibt neben der Stichprobe sowohl das Forschungsdesign als auch Forschungsmethodik.

Aufbauend

auf

der

Darstellung

des

ausgewählten

Erhebungsinstrument in Form des Online- Stroop- Tests wird abschließend die statistische Datenaufbereitung sowie die Verwendung statistischer Verfahren mit dem Analyseprogramm R erläutert. Anschließend werden die Ergebnisse im 4. Kapitel anhand der vorab formulierten drei Hypothesen geprüft und im folgenden Kapitel zusammengetragen und interpretiert. Danach werden neben praktischen Implikationen auch Kritikpunkte sowie mögliche Fehlerquellen genannt, bevor die Arbeit unter Bezugnahme aller Erkenntnisse mit einem Fazit abschließt.

2

2

Theoretischer Hintergrund

2.1

Der Stroop- Effekt

Der Stroop- Effekt ist ein, im Jahre 1935 entdecktes experimentalpsychologisches Phänomen, welches das Konzept einer automatisierten Aufmerksamkeitsreaktion untersucht. Die Besonderheit des erstmals von John Ridley Stroop erfassten Effekts beruht hierbei auf dessen Doppelcharakter, da er sowohl als Untersuchungsgegenstand als auch als Untersuchungsmittel fungiert. Der Stroop-Test verdeutlicht, dass unbekannte und irreguläre Handlungsschritte im Vergleich zu routinierten und ausgebildeten Tätigkeiten, welche auf einem automatisierten Handlungsmuster basieren, eine höhere Aufmerksamkeitsspanne sowie eine längere Bearbeitungszeit erfordern. 1 Die klassische Stroop- Aufgabe besteht darin, dass Probanden die Farbe eines geschriebenen Wortes so schnell wie möglich wiedergeben sollen. Ist die Farbe mit dem Wort kongruent, beispielsweise das Wort „blau“ ist in der Farbe blau hinterlegt, fällt es den Experimentalteilnehmern leicht, eine schnelle Lösungsantwort zu geben. Ist jedoch das Wort und die Farbe inkongruent, beispielweise das Farbwort ist „blau“ und in roter Druckfarbe abgebildet, kommt es zu einer verzögerten Farbwiedergabe, die mit einer deutlich erhöhten Anstrengung und Fehlerquote einhergeht. Der automatisierte Leseprozess eines Wortes lässt sich nur unter Anstrengung unterdrücken und auf die reine Farbwiedergabe beschränken. Der Stroop- Effekt beschreibt somit die Interferenz zwischen dem automatisierten Lesen und der Verarbeitung zusätzlicher Informationen, die sich auf das gelesene Wort beziehen.

2.2

Physiologische und psychologische Wirkung von Koffein

Koffein ist weltweit eine der am meisten konsumierten psychoaktiven Substanzen und erfreut sich dank seiner anregenden, aktivierenden Wirkung seit Jahrtausenden großer Beliebtheit. Erste Datierungen des Kaffeeanbaus werden auf das 12./13. Jahrhundert geschätzt.2 Doch was hat es mit der Substanz auf sich, die für so viele Menschen als täglicher Schmierstoff für den Alltag gilt? Chemisch zählt das bitter schmeckende und 1 2

Vgl. Stangl, W., Stroop-Effekt, 2021, o.S. Vgl. https://www.kaffeeverband.de/de/kaffeewissen/geschichte, Zugriff am 06.07.2021.

3

geruchlose Pulver zur Gruppe der Methylxanthine (1,3,7-Trimethylxanthin) und kommt in zahlreichen Beeren, Samen und Blättern von koffeinhaltigen Pflanzen wie dem Kaffeestrauch vor.3 Die wichtigsten Quellen von Koffein sind Kaffee, Tee, Mate, Guarana, Kolanuss und Kakao. Gleichzeitig gehört er zu den Alkaloiden und fungiert für die Pflanze als eine Art natürliches Insektengift. Abhängig von der Sorte der Kaffeebohne enthält

Kaffee

im

Schnitt

1%

bis

2,6%

Koffein.

Alle

koffeinhaltigen

Erfrischungsgetränke werden in Deutschland laut der Fruchtsaft-, Erfrischungsgetränkeund Teeverordnung bis maximal 320 Milligramm pro Liter gedeckelt. Beim Trinken einer Tasse Kaffee werden etwa 50 bis 100 Milligramm Koffein konsumiert. Nach dem Verzehr dessen oder eines anderen koffeinhaltigen Getränks wird dann der Koffeinkomplex durch die Magensäure gespalten, sodass das Alkaloid in freier Form vorliegt. Anschließend erfolgt eine schnelle Resorption über den Magen und den Zwölffingerdarm (Duodenum) und nach etwa einer halben Stunde ist die maximale Blutkonzentration erreicht. Die Resorptionsgeschwindigkeit des Koffeins kann sich durch die Einnahme einer Mahlzeit, Zucker und einem niedrigen pH-Wert bis zu mehreren Stunden verzögern. Die Halbwertszeit von Koffein beträgt generell etwa drei bis sieben Stunden. Allgemein ist der Abbau des Koffeins von Person zu Person unterschiedlich und kann beispielweise durch Rauchen beschleunigt werden. Der Konsum von Koffein wirkt in üblicher Dosierung von 50 bis 200 Milligramm in erster Linie

anregend

auf

das

sympathische

Nervensystem.

Dort

blockiert

es

Adenosinrezeptoren und wirkt als Gegenspieler zu Adenosin. Die Folge ist der zentrale Stimulus von Atmung, Herztätigkeit und Stoffwechsel sowie der Anstieg der Körpertemperatur und des Blutdrucks. Außerdem wird der Blutdruck angeregt und die Blutgefäße im Gehirn verengen sich. Bei dauerhaft hohem und regelmäßigem Koffeinkonsum passt sich der Organismus mit einer Erhöhung der Adenosinrezeptoren und einer steigenden Toleranzwirkung an, wobei ein entsprechender Gewöhnungseffekt bereits nach zwei bis drei Tagen regelmäßiger Koffeinzufuhr einsetzen kann. Neueste Studien der Universität Basel zeigen sogar die temporäre Veränderung der Gehirnstruktur bei regelmäßigem Kaffeekonsum. So fand ein Forscherteam um Dr. Carolin Reichert und

3

Vgl. https://www.chemie.de/lexikon/Koffein.html, Zugriff am 06.07.2021.

4

Prof. Dr. Christian Cajochen von der Universität in Basel heraus, dass sich die graue Substanz im Gehirn durch regelmäßigen Kaffeekonsum verringert. 4 Die graue Substanz ist dabei Teil des zentralen Nervensystems und besteht aus Zellkörpern von Nervenzellen. Zwar belegten die Ergebnisse der Studie nicht zwingend, dass der Konsum von koffeinhaltigen Getränken negative Auswirkungen auf das menschliche Gehirn hat, aber „offensichtlich verändert der alltägliche Koffeinkonsum unsere kognitive Hardware, was zumindest Anlass für weitere Studien geben sollte.“ 5. Die Auswirkungen von Koffein sind jedoch nicht nur physisch nachweisbar, sondern werden vor allem durch die psychoaktiven Reaktionen des Körpers sichtbar. Schon geringe Mengen wirken stimulierend. Müdigkeitserscheinungen werden verringert, Konzentrationsfähigkeit und Leistungsbereitschaft gefördert, motorische und kognitive Fähigkeiten wie die Lernfähigkeit nehmen zu. Eine Studie der Universität Baltimore zeigt, dass der Kaffeekonsum nach dem Lernen zur Verstärkung des Langzeitgedächtnisses führt. 6 160 Probanden wurden mehrere Gegenstände auf Bildern gezeigt, die in zwei Kategorein eingeordnet werden sollten. Anschließend bekam eine Hälfte der Probanden 200 Milligramm Koffeintabletten und die andere Hälfte ein Placebo. Nach 24 Stunden bekamen die Probanden die Bilder in gleicher, ähnlicher und abgewandelter Form erneut gezeigt und wurden von der Koffein-Gruppe deutlich besser wiedererkannt. Doch nicht nur kognitiv scheint Koffein positive Auswirkungen zu erzielen, es beeinflusst sogleich die Lebenszeit. In einer Forschungsreihe der Harvard School od Public Health wurden 200.000 Personen mittels einer Langzeitstudie 7 begleitet, deren Ergebnis durchaus überrascht. Laut Forschungsergebnissen leben Kaffeetrinker nicht nur länger, ebenso wurde herausgefunden, dass bis zu fünf Tassen täglicher Kaffeekonsum das Risiko an einer Herz-Kreislauf-Erkrankung zu sterben, verringern. Andere Studien belegen weitere Vorzüge des Koffeinkonsums, indem sie positive Auswirkungen auf die Erkrankungen

4 Vgl. https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Regelmaessiger-Koffeinkonsum-veraendertHirnstrukturen.html, Zugriff am 06.07.2021. 5 https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Regelmaessiger-Koffeinkonsum-veraendertHirnstrukturen.html, Zugriff am 06.07.2021. 6 Vgl. https://www.aerzteblatt.de/nachrichten/57189/Koffein-staerkt-Langzeitgedaechtnis-in-Studie, Zugriff am 06.07.2021. 7 Vgl. https://www.aerzteblatt.de/nachrichten/64824/Kaffeetrinker-leben-laenger, Zugriff am 06.07.2021.

5

Typ-2-Diabetes8 sowie die Alzheimerkrankheit 9 nachweisen konnten. Doch das Koffein hat nicht nur Vorzüge, sondern kann bei hoher Dosierung zu unerwünschten, stressähnlichen Symptomen führen. Je nach individuellem Gewöhnungseffekt gibt es bei der Verträglichkeit große Unterschiede. Schon ab Dosierungen von 200 bis 300 Milligramm treten Symptome wie Unruhe, verminderte Konzentrationsfähigkeit, Nervosität und Schlafstörungen sowie Zittern und Erbrechen auf. Auch bei Koffein macht die Dosis das Gift. Die letale Dosis bei Erwachsenen liegt je nach Konstitution und Körpergewicht bei einer täglich konsumierten Menge von 10g Koffein. Dies entspricht in etwa einer Menge von 100 Tassen Kaffee am Tag. 10

2.3

Die tageszeitliche Leistungskurve des Menschen

„Alle Menschen haben eine innere Uhr, aber nicht jede tickt gleich.“ 11 Die Leistungskurve eines jeden Menschen ist losgelöst vom Tagesverlauf und kann sehr individuell ausfallen. Der Fachbereich, der...