TY  - THES
A1  - Schwetlick, Lisa
T1  - Data assimilation for neurocognitive models of eye movement
T1  - Datenassimilation für Neurokognitive Modelle in der Blickbewegungsforschung
N2  - Visual perception is a complex and dynamic process that plays a crucial role in how we perceive and interact with the world. The eyes move in a sequence of saccades and fixations, actively modulating perception by moving different parts of the visual world into focus. Eye movement behavior can therefore offer rich insights into the underlying cognitive mechanisms and decision processes. Computational models in combination with a rigorous statistical framework are critical for advancing our understanding in this field, facilitating the testing of theory-driven predictions and accounting for observed data. In this thesis, I investigate eye movement behavior through the development of two mechanistic, generative, and theory-driven models. The first model is based on experimental research regarding the distribution of attention, particularly around the time of a saccade, and explains statistical characteristics of scan paths. The second model implements a self-avoiding random walk within a confining potential to represent the microscopic fixational drift, which is present even while the eye is at rest, and investigates the relationship to microsaccades. Both models are implemented in a likelihood-based framework, which supports the use of data assimilation methods to perform Bayesian parameter inference at the level of individual participants, analyses of the marginal posteriors of the interpretable parameters, model comparisons, and posterior predictive checks. The application of these methods enables a thorough investigation of individual variability in the space of parameters.  Results show that dynamical modeling and the data assimilation framework are highly suitable for eye movement research and, more generally, for cognitive modeling.
N2  - Die visuelle Wahrnehmung ist einer der komplexesten Sinne, die dem Menschen zur Verfügung stehen. Jede Sekunde werden 108 - 109 bits Information von Lichtrezeptoren in den Augen aufgenommen und verarbeitet. Dieser Verarbeitung liegen komplexe und dynamische Prozesse zugrunde, die diese große Menge an Informationen in ein kohärentes Perzept verwandeln. Da nur ein kleiner Bereich, die Fovea, hohe Auflösung aufnehmen kann, bildet die Anordnung der Lichtrezeptoren in der Retina den ersten Filtermechanismus dieses Systems. Um trotzdem das gesamte visuelle Feld scharf sehen zu können, bewegen sich die Augen nach und nach über die verschiedenen Elemente der visuellen Welt. Dabei werden interessante oder relevante Inhalte in den Fokus gerückt. Die Bewegung erfolgt in einer Reihe von schnellen Bewegungen (Sakkaden) und relativen Ruheperioden (Fixationen). Während der Fixationen ist das Auge allerdings nicht still, stattdessen sorgen mikroskopische Bewegungen, ein langsamer Drift und schnelle Mikrosakkaden, für eine konstante Bewegung des Auges. Die Auswahl der Fixationsorte sowie die Bewegung an sich bieten Hinweise auf die Verarbeitungsprozesse, die der visuellen Wahrnehmung zugrunde liegen.
Wahrnehmung und Handlung sind besonders im Falle der Blickbewegung eng verknüpft und voneinander abhängig: die Bewegung beeinflusst, welche visuelle Information auf die Rezeptoren trifft und die Wahrnehmung ist entscheidend für die Auswahl der Bewegung. In meiner Dissertation entwickele ich einen dynamischen Ansatz zur Modellierung von kognitiven Prozessen, der die Entfaltung von Wahrnehmung und Handlung über die Zeit in den Vordergrund stellt. Darüber hinaus sind die angewendeten Modelle mechanistisch, d.h. sie stützen sich auf biologisch plausible Mechanismen zur Erzeugung von Verhalten.
Ein mechanistischer, dynamischer Modellierungsansatz birgt einige entscheidende Vorteile für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn. Ergebnisse aus der Literatur und der experimentellen Forschung dienen als Grundlage, um Verhalten zu erklären. Zeigt das Modell auf Basis dieser Mechanismen tatsächlich das erwartete Verhalten, so ist dies ein starkes Indiz für die aufgestellten Hypothesen für dessen Ursache. Des Weiteren entsteht komplexes Verhalten zumeist nicht monokausal, sondern aus einer Zusammenkunft an Ursachen oder als emergente Eigenschaft. Die Modellieung erlaubt es uns, solche komplexen Prozesse durch Variationen und Veränderungen des Modells im Detail besser zu verstehen.
Der methodische Rahmen des Modellierungsansatzes stützt sich auf die umfangreiche Literatur zur dynamischen Modellierung und die Bayes’sche Likelihood-basierte Parameterinferenz. Modelle werden mithilfe dieser statistischen Methoden optimiert, sodass die statistisch bestmögliche Passung von Modell und Daten erreicht wird. Möglich gemacht wird diese Optimierung durch die Likelihood Funktion des Modells, d.h. es wird die Wahrscheinlichkeit der Daten gegeben des Modells errechnet. Zudem werden durch das Variieren der Parameter oder durch analytische Verfahren jene Parameter gewählt, welche die höchste Wahrscheinlichkeit ergeben. Darüberhinaus kann mit Hilfe eines Bays’schen Ansatzes auch eine Approximation der Wahrscheinlichkeitsverteilung (Marginal Posterior) pro Parameter errechnet werden. Wenn durch das Modell eine Likelihood Funktion definiert wird, existiert eine gute statistische Grundlage, die starke Inferenzen erlaubt. Wenn eine solche Likelihood Funktion für ein gegebenes Modell nicht formuliert werden kann, muss die Parameterinferenz anhand von anderen Qualitätsmetriken erfolgen. Obwohl dies in der Vergangenheit in den Kognitionswissenschaften häufig der Standard war, bietet die Likelihood-basierte Modellierung doch klare Vorteile, so zum Beispiel die Unabhängigkeit von der Wahl der Metrik und eine starke statistische Basis.
Modellparameter in einem mechanistischen Modell haben außerdem typischerweise eine eindeutige Bedeutung für die Mechanismen des Modells. Sie repräsentieren zum Beispiel die Größe der räumlichen Aufmerksamkeitsspanne oder die zeitliche Gedächtnisspanne. Die statistische Parameterinferenz erlaubt daher auch direkte Rückschlüsse auf die Ausprägung der Mechanismen. Zudem sind die hier behandelten Modelle auch generativ, sodass es möglich ist, Daten zu simulieren. Mithilfe von sogenannten Posterior Predictive Checks ist es möglich, das Modellverhalten direkt mit experimentell beobachtetem Verhalten zu vergleichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der beschriebene Modellierungsansatz auf zwei Modelle menschlicher Blickbewegungen angewandt. Das erste Modell beschreibt dabei die Auswahl der Fixationsorte bei der Betrachtung von Szenen. Es modelliert explizit die Dynamik der Aufmerksamkeit und deren Auswirkungen auf die Blickbewegung. Das zweite Modell beschreibt die mikroskopischen fixationalen Driftbewegungen mithilfe eines Self-Avoiding Walks. Beide Modelle sind dynamische Modelle mit interpretierbaren Parametern und einer Likelihood Funktion. Somit kann für beide Modelle Bayes’sche Parameterinferenz auf Versuchspersonenebene ermöglicht werden.
In der ersten im Rahmen dieser Dissertation präsentierten Arbeit verwenden wir das SceneWalk Modell. Dieses besteht grundsätzlich aus einer Aktivations- und einer Inhibitionskomponente, die sich jeweils über die Zeit mittels einer Differenzialgleichung entwickeln. Die Summe beider Komponenten ergibt für jeden Punkt auf einem diskreten Gitter die Wahrscheinlichkeit eine Sakkade zu diesem Punkt. Experimentelle Forschung zeigt, dass die visuelle Aufmerksamkeit kurz vor einer Sakkade bereits auf den nächsten Fixationsort verlagert wird. Des Weiteren gibt es nach der Sakkade Evidenz für eine Verschiebung der Aufmerksamkeit in die Richtung der Sakkade, aber über den intendierten Fixationsort hinaus. Hier erweitern wir das SceneWalk Modell, indem wir Aufmerksamkeitsprozesse rund um den Zeitpunkt der Sakkade implementieren. Diese Aufmerksamkeitsprozesse erwirken bei den Modiellierungergebnissen eine verbesserte Passung zwischen Daten und Modell und bieten einen Erklärungsansatz für die charakteristischen Winkelverteilungen von aufeinanderfolgenden Sakkaden. In dieser Arbeit zeigen wir außerdem, dass es möglich ist, mittels Bayes’scher Inferenz, separate und aussagekräftige Parameter für einzelne Individuen zu schätzen.
In der zweiten Arbeit wenden wir dasselbe Modell, SceneWalk, und die Bayes’sche Inferenz nicht nur auf die Modellierung von verschiedenen Individuen, sondern auch verschiedenen Aufgaben an. Wir zeigen hier Evidenz für systematische Unterschiede in den dynamischen Aufmerksamkeitsparametern, die durch das Modell erfasst werden können. Überdies erweitern wir das SceneWalk Modell in dieser Arbeit um eine zeitliche Komponente (Spatiotemporal Likelihood), sodass jetzt auch die Fixationsdauer im Rahmen des Modells miterfasst wird. Mithilfe dieser Erweiterung finden wir Evidenz für eine Kopplung von Fixationsdauer und Salienz.
Die dritte Arbeit beschäftigt sich mit einem Modell für fixationale Driftbewegungen. Das SAW-Modell verwendet einen statistischen Self-Avoiding Random Walk, d.h. eine quasi-zufällige Bewegung auf einem diskreten Gitter, die statistisch ihre eigene Trajektorie vermeidet. Das Gedächtnis der eigenen Trajektorie ist durch einen Parameter definiert. Diese Bewegung wird durch ein Potential daran gehindert, sich zu weit von ihrem Ausgangspunkt zu entfernen. Wir verwenden die selbe Methode der Bayes’schen Parameterinferenz und schätzen so Parameter für Individuen. Des Weiteren stellen wir eine explorative Analyse vor, die einen Zusammenhang zwischen der latenten Aktivierung des Models und Mikrosakkaden findet.
In dieser Dissertation wird ein dynamischer Ansatz zur Modellierung von Kognition untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Blickbewegungen und visueller Wahrnehmung liegt. Die Arbeit basiert auf der Beobachtung, dass Wahrnehmung und Handlung voneinander abhängig sind und sich im Laufe der Zeit dynamisch entfalten und, dass biologische und neurophysiologische Erkenntnisse die Randbedingungen für verhaltensbezogene Erklärungen liefern sollten. Beide vorgestellten Modelle erfassen zentrale Aspekte des Blickverhaltens sowie individuelle Unterschiede. Die Modelle erlauben eine Untersuchung der zeitlichen Dynamik ihrer jeweiligen Prozesse und können zur Simulation verschiedener Bedingungen und Aufgaben verwendet werden, um deren Auswirkungen auf das Verhalten zu analysieren. Der vorgestellte Modellierungsansatz beinhaltet die Verwendung von dynamischen und mechanistischen Modellen, statistische Inferenz von Parametern, Vergleich von statistischen Eigenschaften simulierter und experimenteller Daten und ermöglicht auch objektive Modellvergleiche. Der dynamische Ansatz zur Modellierung von Kognition ist eine plausible und adäquate Methode um die Interdependenz von Wahrnehmung und Handlung zu beschreiben. Sie bietet die Möglichkeit, Verhalten unter Verwendung theoriebasierter und experimentell fundierter Mechanismen zu erzeugen. Die hier vorgestellten Modelle zeigen das Potenzial dieses Ansatzes und können als Grundlage für weitere Forschungen auf dem Gebiet der kognitiven Modellierung dienen.
KW  - eye movement
KW  - mathematical modeling
KW  - dynamical models
KW  - data assimilation
KW  - scan paths
KW  - attention
KW  - Aufmerksamkeit
KW  - Datenassimilation
KW  - dynamische Modelle
KW  - Blickbewegungen
KW  - mathematische Modellierung
KW  - Blickpfade
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-598280
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TY  - THES
A1  - Zoerner, Dietmar
T1  - Förderung von Aufmerksamkeit und Motivationserhalt durch digitale spielbasierte Lernsysteme mit spezifischer Eignung bei Autismus
T1  - Promotion of attention and preservation of motivation through digital game-based learning systems with particular suitability for autism
N2  - Institutionelle Bildung ist für autistische Lernende mit vielgestaltigen und spezifischen Hindernissen verbunden. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit Inklusion, deren Relevanz nicht zuletzt durch das Übereinkommen der Vereinten Nationen über die Rechte von Menschen mit Behinderung gegeben ist.
Diese Arbeit diskutiert zahlreiche lernrelevante Besonderheiten im Kontext von Autismus und zeigt Diskrepanzen zu den nicht immer ausreichend angemessenen institutionellen Lehrkonzepten. Eine zentrale These ist hierbei, dass die ungewöhnlich intensive Aufmerksamkeit von Autist*innen für ihre Spezialinteressen dafür genutzt werden kann, das Lernen mit fremdgestellten Inhalten zu erleichtern. Darauf aufbauend werden Lösungsansätze diskutiert, welche in einem neuartigen Konzept für ein digitales mehrgerätebasiertes Lernspiel resultieren.
Eine wesentliche Herausforderung bei der Konzeption spielbasierten Lernens besteht in der adäquaten Einbindung von Lerninhalten in einen fesselnden narrativen Kontext. Am Beispiel von Übungen zur emotionalen Deutung von Mimik, welche für das Lernen von sozioemotionalen Kompetenzen besonders im Rahmen von Therapiekonzepten bei Autismus Verwendung finden, wird eine angemessene Narration vorgestellt, welche die störungsarme Einbindung dieser sehr speziellen Lerninhalte ermöglicht.
Die Effekte der einzelnen Konzeptionselemente werden anhand eines prototypisch entwickelten Lernspiels untersucht. Darauf aufbauend zeigt eine quantitative Studie die gute Akzeptanz und Nutzerfreundlichkeit des Spiels und belegte vor allem die 
Verständlichkeit der Narration und der Spielelemente. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der minimalinvasiven Untersuchung möglicher Störungen des Spielerlebnisses durch den Wechsel zwischen verschiedenen Endgeräten, für die ein innovatives Messverfahren entwickelt wurde.
Im Ergebnis beleuchtet diese Arbeit die Bedeutung und die Grenzen von spielbasierten Ansätzen für autistische Lernende. Ein großer Teil der vorgestellten Konzepte lässt sich auf andersartige Lernszenarien übertragen. Das dafür entwickelte technische Framework zur Realisierung narrativer Lernpfade ist ebenfalls darauf vorbereitet, für weitere Lernszenarien, gerade auch im institutionellen Kontext, Verwendung zu finden.
N2  - Institutional education is associated with multifaceted and specific obstacles for autistic learners. This is especially true in the context of inclusion, the relevance of which is given not least by the United Nations Convention on the Rights of Persons with Disabilities. This thesis discusses numerous learning-relevant peculiarities in the context of autism and shows discrepancies with institutional teaching concepts that are not always sufficiently appropriate. A central thesis is that the unusually intense attention of autistic students to their special interests can be used to facilitate learning with foreign content. Based on this, solutions are discussed, which result in an innovative concept for a digital multi-devicebased learning game. A key challenge in designing game-based learning is to adequately integrate learning content into a compelling narrative context. Using the example of exercises for the emotional interpretation of facial expressions, which are used for learning socioemotional competencies especially in the context of therapy concepts for autism, an appropriate narration is presented, which enables the low-disturbance integration of this very specific learning content.
The effects of the individual conceptual elements are examined based on a prototypically developed learning game. Based on this, a quantitative study shows the good acceptance and user-friendliness of the game and especially proves the comprehensibility of the narration and the game elements. Another focus is the minimally invasive investigation of possible disturbances of the game experience by switching between different end devices, for which an innovative measurement method was developed. As a result, this work sheds light on the importance and limitations of game-based approaches for autistic learners. A large part of the presented concepts can be transferred to other types of learning scenarios. The technical framework developed for the realization of narrative learning paths is also prepared to be used for other learning scenarios, especially in an institutional context.
KW  - Autismus
KW  - Spielbasiertes Lernen
KW  - Aufmerksamkeit
KW  - Attention
KW  - Autism
KW  - game based learning
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523725
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A1  - Risse, Sarah
T1  - Processing in the perceptual span : investigations with the n+2-boundary paradigm
T1  - Verarbeitung in der Wahrnehmungsspanne : Untersuchungen mit dem n+2-Boundary Paradigm
N2  - Cognitive psychology is traditionally interested in the interaction of perception, cognition, and behavioral control. Investigating eye movements in reading constitutes a field of research in which the processes and interactions of these subsystems can be studied in a well-defined environment. Thereby, the following questions are pursued: How much information is visually perceived during a fixation, how is processing achieved and temporally coordinated from visual letter encoding to final sentence comprehension, and how do such processes reflect on behavior such as the control of the eyes’ movements during reading. Various theoretical models have been proposed to account for the specific eye-movement behavior in reading (for a review see Reichle, Rayner, & Pollatsek, 2003). Some models are based on the idea of shifting attention serially from one word to the next within the sentence whereas others propose distributed attention allocating processing resources to more than one word at a time. As attention is assumed to drive word recognition processes one major difference between these models is that word processing must either occur in strict serial order, or that word processing is achieved in parallel. In spite of this crucial difference in the time course of word processing, both model classes perform well on explaining many of the benchmark effects in reading. In fact, there seems to be not much empirical evidence that challenges the models to a point at which their basic assumptions could be falsified. One issue often perceived as being decisive in the debate on serial and parallel word processing is how not-yet-fixated words to the right of fixation affect eye movements. Specifically, evidence is discussed as to what spatial extent such parafoveal words are previewed and how this influences current and subsequent word processing. Four experiments investigated parafoveal processing close to the spatial limits of the perceptual span. The present work aims to go beyond mere existence proofs of previewing words at such spatial distances. Introducing a manipulation that dissociates the sources of long-range preview effects, benefits and costs of parafoveal processing can be investigated in a single analysis and the differing impact is tracked across a three-word target region. In addition, the same manipulation evaluates the role of oculomotor error as the cause of non-local distributed effects. In this respect, the results contribute to a better understanding of the time course of word processing inside the perceptual span and attention allocation during reading.
N2  - Die kognitive Psychologie beschäftigt sich traditionell mit dem Zusammenspiel von Wahrnehmung, Kognition und Verhaltenssteuerung. Die Untersuchung von Blickbewegungen beim Lesen bildet dabei ein Forschungsfeld, in dem die Prozesse und Interaktionen dieser Subsysteme in einem klar definierten Rahmen untersucht werden können. Dabei geht es speziell um die Frage, wie viel Information visuell wahrgenommen wird, wie die kognitive Weiterverarbeitung der visuellen Buchstabeninformation über lexikalische Wortverarbeitung hin zu einem inhaltlichen Satzverständnis zeitlich koordiniert ist, und wie sich diese Prozesse auf das Verhalten – die Steuerung der Blickbewegung – auswirken. Verschiedene Modelle zur Erklärung des spezifischen Blickbewegungsverhaltens beim Lesen wurden vorgeschlagen (für einen Überblick siehe Reichle, Rayner, & Pollatsek, 2003). Einige Modelle basieren auf der Annahme serieller Aufmerksamkeitsverschiebung von Wort zu Wort, wohingegen andere verteilte Aufmerksamkeit auf eine Region mehrerer Wörter im Satz gleichzeitig annehmen. Da Aufmerksamkeit eng mit der eigentlichen Wortverarbeitung assoziiert ist, besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen den Modellen darin, dass die eigentlichen Wortverarbeitungsprozesse entweder ebenfalls strikt seriell oder parallel erfolgen. Trotz solch entscheidender Unterschiede im zeitlichen Verlauf der Wortverarbeitung können beide Modellklassen viele der Benchmark-Effekte beim Lesen hinreichend erklären. Tatsächlich scheint es nicht viel empirische Evidenz zu geben, die die Grundannahmen der Modelle falsifizieren könnte. Die Frage, ob und wie noch nicht direkt angesehene Wörter rechts der Fixation die Blickbewegung beeinflussen, wird in der Debatte über serielle oder parallele Wortverarbeitung oft als entscheidend betrachtet. Insbesondere wird diskutiert, bis zu welcher Entfernung parafoveale Wörter vorverarbeitet werden und wie das die gegenwärtige und folgende Wortverarbeitung beeinflusst. In einer Serie von vier Leseexperimenten wurde die Vorverarbeitung von Wörtern an den Grenzen der Wahrnehmungsspanne untersucht. Die vorliegende Arbeit versucht zudem, über einen einfachen Existenzbeweis der Vorverarbeitung von Wörtern in solchen Distanzen hinaus zu gehen. Mit einer Manipulation, die verschiedene Quellen solcher weitreichenden Vorverarbeitungseffekte dissoziiert, können Nutzen und Kosten der parafovealen Vorschau in einer einzigen Analyse untersucht und über eine Zielregion von drei Wörtern hinweg verfolgt werden. Dieselbe Manipulation überprüft gleichzeitig die Rolle okulomotorischer Fehler als Ursache für nicht lokale, verteilte Effekte beim Lesen. Die Ergebnisse tragen zu einem differenzierteren Verständnis der Wortverarbeitung in der Wahrnehmungsspanne und der zeitlich-räumlichen Verteilung der Aufmerksamkeit beim Lesen bei.
KW  - Blickbewegungen
KW  - Lesen
KW  - parafoveale Wortverarbeitung
KW  - Aufmerksamkeit
KW  - Preview Benefit
KW  - eye movements
KW  - reading
KW  - parafoveal processing
KW  - attention
KW  - preview benefit
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60414
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TY  - THES
A1  - Rolfs, Martin
T1  - In-between fixation and movement : on the generation of microsaccades and what they convey about saccade generation
T1  - Zwischen Fixation und Bewegung : zur Generierung von Mikrosakkaden und was sie über die Vorbereitung von Sakkaden mitteilen
N2  - Microsaccades are an important component of the small eye movements that constitute fixation, the basis of visual perception. The specific function of microsaccades has been a long-standing research problem. Only recently, conclusive evidence emerged, showing that microsaccades aid both visual perception and oculomotor control. The main goal of this thesis was to improve our understanding of the implementation of microsaccade generation within the circuitry of saccade control, an unsolved issue in oculomotor research. We make a case for a model according to which microsaccades and saccades result from mutually dependent motor plans, competing for expression. The model consists of an activation field, coding for fixation at its center and for saccades at peripheral locations; saccade amplitude increases with eccentricity. Activity during fixation spreads to slightly peripheral locations in the field and, thus, may result in the generation of microsaccades. Inhibition of remote and excitation of neighbouring locations govern the dynamics of the field, resulting in a strong competition between fixation and saccade generation. We propose that this common-field model of microsaccade and saccade generation finds a neurophysiological counterpart in the motor map of the superior colliculus (SC), a key brainstem structure involved in the generation of saccades. In a series of five behavioral experiments, we tested implications of the model. Predictions were derived concerning (1) the behavior of microsaccades in a given task (microsaccade rate, amplitude, and direction), (2) the interactions of microsaccades and subsequent saccades, and (3) the relationship between microsaccadic behavior and neurophysiological processes at the level of the SC. The results yielded strong support for the model at all three levels of analysis, suggesting that microsaccade statistics are indicative of the state of the fixation-related part of the SC motor map.
N2  - Mikrosakkaden sind ein wichtiger Bestandteil der kleinen Augenbewegungen, aus denen Fixationen, die Basis der visuellen Wahrnehmung, bestehen. Neuere Arbeiten erbrachten schlüssige Evidenz dafür, das Mikrosakkaden eine wichtige Rolle in der Wahrnehmung und der Blickbewegungskontrolle spielen. Hauptanliegen dieser Dissertation war es, unser Verständnis der Implementierung der Generierung von Mikrosakkaden im Kreislauf der Sakkadensteuerung zu vertiefen. Wir schlagen ein Modell vor, in dem Mikrosakkaden und Sakkaden konkurrierende Bewegungsprogramme darstellen, die um ihre Umsetzung wettstreiten. Das Modell besteht aus einem Aktivationsfeld, in dem Fixation im Zentrum und Sakkaden in der Peripherie repräsentiert sind (Sakkadenamplitude steigt mit der Exzentrizität). Aktivität während der Fixation breitet sich zu leicht peripheren Orten im Feld aus und kann so zur Generierung von Mikrosakkaden führen. Hemmung von entfernten und Erregung von benachbarten Orten bestimmen die Dynamik im Feld, was zu einem starken Wettstreit zwischen Fixation und Sakkadengenerierung beiträgt. Wir schlagen vor, dass dieses common-field model of microsaccade and saccade generation ein neurophysiologisches Pendant in der Bewegungskarte des colliculus superior (CS) findet, einer Struktur im Hirnstamm, die im starken Zusammenhang mit der Entstehung von Sakkaden steht. In fünf behavioralen Experimenten wurden Implikationen des Modells überprüft. Vorhersagen wurden auf drei Ebenen abgeleitet: (1) Verhalten der Mikrosakkaden in bestimmten Aufgaben (Mikrosakkadenrate, -amplitude und -richtung), (2) Interaktionen von Mikrosakkaden und nachfolgenden Sakkaden, (3) der Zusammenhang zwischen Mikrosakkadenverhalten und neurophysiologischen Prozessen auf der Ebene des CS. Die Ergebnisse unterstützten das Modell auf allen drei Analyseebenen. Mikrosakkaden scheinen ein Indikator der Fixationsaktivität in der Bewegungskarte des CS zu sein.
KW  - Blickbewegung
KW  - Aufmerksamkeit
KW  - Wahrnehmung
KW  - Blickbewegungskontrolle
KW  - Sakkade
KW  - Eye movement
KW  - Attention
KW  - Perception
KW  - Oculomotor control
KW  - Saccade
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14581
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TY  - THES
A1  - Ehrlenspiel, Felix
T1  - Choking under pressure : attention and motor control in performance situations
T1  - Versagen unter Druck : Aufmerksamkeit und Bewegungskontrolle in Leistungssituationen
N2  - When top sports performers fail or “choke” under pressure, everyone asks: why? Research has identified a number of conditions (e.g. an audience) that elicit choking and that moderate (e.g. trait-anxiety) pressure – performance relation. Furthermore, mediating processes have been investigated. For example, explicit monitoring theories link performance failure under psychological stress to an increase in attention paid to a skill and its step-by-step execution (Beilock & Carr, 2001). Many studies have provided support for these ideas. However, so far only overt performance measures have been investigated which do not allow more thorough analyses of processes or performance strategies. But also a theoretical framework has been missing, that could (a) explain the effects of explicit monitoring on skill execution and that (b) makes predictions as to what is being monitored during execution. Consequently in this study, the nodalpoint hypothesis of motor control (Hossner & Ehrlenspiel, 2006) was taken to predict movement changes on three levels of analysis at certain “nodalpoints” within the movement sequence. Performance in two different laboratory tasks was assessed with respect to overt performance (the observable result, for example accuracy in the target), covert performance (description of movement execution, for example the acceleration of body segements) and task exploitation (the utilization of task properties such as covariation). A fake competition (see Beilock & Carr, 2002) was used to invoke pressure. In study 1 a ball bouncing task in a virtual-reality set-up was chosen. Previous studies (de Rugy, Wei, Müller, & Sternad, 2003) have shown that learners are usually able to “passively” exploit the dynamical stability of the system. According to explicit monitoring theories, choking should be expected either if the task itself evokes an “active control” (Experiment 1) or if learners are provided with explicit instructions (Experiment 2). In both experiments, participants first went through a practice phase on day 1. On day 2, following the Baseline Test participants were divided into a High-Stress or No-Stress Group for the final Performance Test. The High-Stress Group entered a fake competition. Overt performance was measured by the Absolute Error (AE) of ball amplitudes from target height; covert performance was measured by Period Modulation between successive hits and task exploitation was measured by Acceleration (AC) at ball-racket impact and Covariation (COV) of impact parameters. To evoke active control in Exp. 1 (N=20), perturbations to the ball flight were introduced. In Exp. 2 (N=39) half of the participants received explicit skill-focused instructions during learning. For overt performance, results generally show an interaction between Stress Group and Test, with better performance (i. e. lower AE) for the High-Stress group in the final Performance Test. This effect is also independent of the Instructions that participants had received during learning (Exp. 2). Similar effects were found for COV but not for AC. In study 2 a visuomotor tracking task in which participants had to pursuit a target cross that was moving on an invisible curve. This curve consisted of 3 segments of 6 turning points sequentially ordered around the x-axis. Participants learned two short movement sequences which were then concatenated to form a single sequence. It was expected that under pressure, this sequence should “fall apart” at the point of concatenation. Overt Performance was assessed by the Root Mean Square Error between target and pursuit cross as well as the Absolute Error at the turning points, covert performance was measured by the Latency from target to pursuit turning and task exploitation was measured by the temporal covariation between successive intervals between turning points. Experiment 3 (intraindividual variation) as well as Experiment 4 (interindividual variation) show performance enhancement in the pressure situation on the overt level with matching results on covert and task exploitation level. Thus, contrary to previous studies, no choking under pressure was found in any of the experiments. This may be interpreted as a failure in the experimental manipulation. But certainly also important characteristics of the task are highlighted. Choking should occur in tasks where performers do not have the time to use action or thought control strategies, that are more relevant to their “self” and that are discrete in nature.
N2  - Wenn Top-Athleten im Wettkampf versagen fragt sich jeder: warum? Die Forschung hat dazu einerseits Bedingungen identifiziert (z.B. die Anwesenheit von Publikum), die „Versagen“ auslösen und die Beziehung Druck- Leistung moderieren. Zudem wurden vermittelnde Prozesse gefunden wie zum Beispiel die bewusste Aufmerksamkeitsfokussierung („explicit monitoring“) auf die Ausführung der Bewegung (Beilock & Carr, 2001). Obwohl es gerade für diese Vorstellungen einige Befunde gibt, wurde bislang fast ausschließlich das Bewegungsresultat („overt performance“) untersucht, nicht aber Variablen, die Aussagen über die Bewegungsausführung zulassen. Zudem fehlt ein theoretischer Rahmen, der Vorhersagen zulässt darüber, (a) welche Veränderungen der Bewegungsausführung unter Druck zu erwarten sind und (b) welchen Stellen der Bewegung bewusst fokussiert werden. Darum wurde für diese Studie die „Knotenpunkthypothese motorischer Kontrolle“ (Hossner & Ehrlenspiel, 2006) herangezogen um auf drei Analyse-Ebenen zu ermöglichen Vorhersagen an Knotenpunkten der Bewegung zu treffen. Leistung wurde entsprechend auf einer overt-Ebene (beobachtbare Bewegungsresultat, z.B. Treffgenauigkeit), einer covert-Ebene (z.B. raum-zeitliche Verlaufe von Gelenkwinkeln) und einer task-exploitation-Ebene (z.B. die Covariation von Ausführungsparametern) untersucht. Für die Manipulation einer „Druck-Bedingung“ wurde ein Pseudowettkampf (nach Beilock & Carr, 2002) verwendet. Für die Experimente 1 und 2 wurde eine semi-virtueller „ball bouncing“-Aufgabe verwendet, für die sich gezeigt hat (de Rugy, Wei, Müller, & Sternad, 2003), dass Lernende tatsächlich in der Lage sind, die dynamische Stabilität der Aufgabe zunehmend auszunutzen. Angenommen wurde, dass Versagen unter Druck erscheinen sollte, wenn die Aufgabe entweder eine „aktive Kontrolle“ verlangt (Experiment 1) oder aber die Lernenden explizite Instruktionen während der Lernphase erhalten. Allerdings zeigen die Ergebnisse beider Experimente nur Leistungsverbesserungen unter Druck-Bedingungen auf overt-Ebene, die mit entsprechenden Verbesserungen auf covefrt- und task-exploitation-Ebene einhergehen. Für die Experimente 3 und 4 wurde eine visuomotorische Tracking-Aufgabe verwendet in der die Probanden zunächst zwei kleinere Bewegungssequenzen erlernten, bevor diese zu einer großen Sequenz verbunden wurde. Unter Druck sollte diese Gesamtsequenz „auseinander brechen“. Jedoch zeigt sich auch hier in beiden Experimenten eine Resultatsverbesserung unter Druck (gegenüber Kontrollbedingungen bzw. –gruppen) auf overt wie auf covert-Ebene. Im Gegensatz zu vielen vorangehenden Studien zeigte sich kein „Choking under Pressure“. Sicherlich stellt sich zunächst die Frage nach der Validität der Druckmanipulation, die aber zumindest für die beiden ersten Experimente gesichert scheint. Relevanter scheint demnach eine Inspektion der Aufgabe. Hier dürfte es sein, dass diskrete Aufgaben, die einen Einsatz von Handlungskontroll-Strategien nicht erlauben und die von größerer „Selbst“-Relevanz sind, eher unter Druck beeinträchtigt werden.
KW  - Aufmerksamkeit
KW  - Bewegungssteuerung
KW  - Leistungsdruck
KW  - Bewegungsanalyse
KW  - Knotenpunkte
KW  - attention
KW  - motor control
KW  - pressure
KW  - movement analysis
KW  - nodalpoints
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12377
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TY  - THES
A1  - Meinke, Anja
T1  - Nikotineffekte auf räumliche Aufmerksamkeitsprozesse bei Nichtrauchern
T1  - Effects of nicotine on visual attention in non-smokers
N2  - Nikotin in den unterschiedlichsten Darreichungsformen verringert bei verschiedenen Spezies im räumlichen Hinweisreizparadigma die Kosten invalider Hinweisreize. Welcher Teilprozess genau durch Nikotin beeinflusst wird, ist bislang nicht untersucht worden. Die gängige Interpretation ist, daß Nikotin das Loslösen von Aufmerksamkeit von einem bisher beachteten Ort erleichtert. In fünf Studien, drei elektrophysiologischen und zwei behavioralen wurden drei mögliche Mechanismen der Nikotinwirkung an Nichtrauchern untersucht. Experiment 1 und 2 gingen der Frage nach, ob Nikotin eine Modulation sensorischer gain Kontrolle bewirkt. Dazu wurden ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) im Posner-Paradigma erhoben und die Wirkung von Nikotin auf die aufmerksamkeitsassoziierten Komponenten P1 und N1 betrachtet. Nikotin verringerte die Kosten invalider Hinweisreize bei Aufmerksamkeitslenkung durch endogene Hinweisreize, nicht aber bei exogenen Hinweisreizen. Die P1 und N1 Komponenten zeigten sich unbeeinflusst von Nikotin, damit findet also die Annahme einer Wirkung auf sensorische Suppression keine Unterstützung. In Experiment 3 und 4 wurde untersucht, ob Nikotin einen Effekt auf kostenträchtige unwillkürliche Aufmerksamkeitsverschiebungen, Distraktionen, hat. In Experiment 3 wurden in einem räumlichen Daueraufmerksamkeitsparadigma Distraktionen durch deviante Stimulusmerkmale ausgelöst und die Wirkung von Nikotin auf eine distraktionsassoziierte Komponente des EKP, die P3a, betrachtet. In Experiment 4 wurde in einem Hinweisreizparadigma durch zusätzliche Stimuli eine Distraktion ausgelöst und die Nikotinwirkung auf die Reaktionszeitkosten untersucht. Nikotin zeigte keinen Einfluss auf Distraktionskosten in beiden Studien und auch keine Wirkung auf die P3a Komponente in Experiment 3. In Experiment 4 wurde zusätzlich die Wirkung von Nikotin auf das Loslösen von Aufmerksamkeit untersucht, indem die Schwierigkeit des Loslösens variiert wurde. Auch hier zeigte sich keine Nikotinwirkung. Allerdings konnte in beiden Studien weder die häufig berichtete generelle Reaktionszeitverkürzung noch die Verringerung der Kosten invalider Hinweisreize repliziert werden, so dass zum Einen keine Aussage über die Wirkung von Nikotin auf Distraktionen oder den Aufmerksamkeitsloslöseprozess gemacht werden können, zum Anderen sich die Frage stellte, unter welchen Bedingungen Nikotin einen differentiellen Effekt überhaupt zeigt. Im letzten Experiment wurde hierzu die Häufigkeit der Reaktionsanforderung einerseits und die zeitlichen Aspekte der Aufmerksamkeitslenkung andererseits variiert und der Effekt des Nikotins auf den Validitätseffekt, die Reaktionszeitdifferenz zwischen valide und invalide vorhergesagten Zielreizen, betrachtet. Nikotin verringerte bei Individuen, bei denen Aufmerksamkeitslenkung in allen Bedingungen evident war, in der Tendenz den Validitätseffekt in der ereignisärmsten Bedingung, wenn nur selten willentliche Aufmerksamkeitsausrichtung notwendig war. Dies könnte als Hinweis gedeutet werden, dass Nikotin unter Bedingungen, die große Anforderungen an die Vigilanz stellen, die top-down Zuweisung von Aufmerksamkeitsressourcen unterstützt.
N2  - Nicotine has consistently been shown to improve performance on a range of attentional tasks. In spatial cueing (Posner-type) paradigms, where a cue indicates the likely location of a subsequent target stimulus, nicotine influences the ability to react to invalidly cued targets across different species and ways of administration. Previous research suggested that the cholinergic effect is due to a facilitated disengagemant of attention from the cued location. In five studies with nonsmoking subjects, three candidate mechanisms of nicotinic action were examined.  Experiment 1 and experiment 2 investigated whether nicotine modulates attentional processes of sensory gain control. In a Posner-paradigm event-related potentials (ERP) were measured and the effect of nicotine on the attention-related components P1 and N1 was assessed. Behaviorally, nicotine reduced the costs of invalid cueing when cues were endogenous, but not with exogenous cues. Electrophysiologically, the P1 and N1 components were not affected by nicotine. These data provide therefore no support for the notion of a nicotine-modulated attentional suppression.  In experiment 3 and 4 the effect of nicotine on involuntary distracting attention shifts was investigated. In experiment 3 ERPs were measured in a spatial sustained attention paradigm, where rare changes in a target stimulus attribute were used as distractors. The effect of nicotine on the distraction-associated P3a component was assessed. In experiment 4 the effect of nicotine on the reaction time costs of additional distracting stimuli was studied in a Posner paradigm. In both studies nicotine did not show an effect on distractions, neither in the reaction time costs nor in the parameters of the P3a component. Experiment 4 also investigated whether nicotine has an effect on the disengagement of attention by varying the difficulty of disengaging one's focus from the cued location. Again, nicotine did not show an effect. However, experiment 3 and 4 also neither replicated the commonly reported general nicotinic reduction of reaction times nor the differential reduction of the costs of invalid cueing. Therefore, regarding the effect of nicotine on distraction and on the disengagement of attention the data remain inconclusive. However, these data suggest that there are conditions and mechanisms moderating nicotinic action, that are still unknown.  Accordingly, experiment 5 made the attempt to determine such conditions. Response frequency and temporal characteristics of attention orientation were varied. In individuals, who evidently had shifted their attention, nicotine reduced the validity effect under uneventful conditions, when attention was not to be shifted in each trial. This might suggest that nicotine facilitates the top-down allocation of attentional resources in vigilance-demanding situations.
KW  - Nicotin
KW  - Aufmerksamkeit
KW  - Kognition
KW  - Acetylcholin
KW  - Ereigniskorreliertes Potenzial
KW  - attention
KW  - nicotine
KW  - actylcholine
KW  - cognition
KW  - event-related potentials
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7659
ER  -