Im Rahmen dieser Dissertationsschrift wird die Frage, wie Aufmerksamkeit die Verarbeitung von visueller Information beeinflusst, behandelt. Hierbei dient die hochentwickelte Fähigkeit von Primaten, visuelle Bewegungsinformation zu verarbeiten, als Modellsystem. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht aus zwei aufeinander aufbauenden Studien, die Einzelzellableitung in dem Areal MT von wachen Rhesusaffen beinhalten und einem psychophysischen Experiment mit Humanprobanden. Alle drei Studien wurden mit dem Ziel entworfen, Aufmerksamkeitsmodulation bidirektionaler Bewegungsmuster zu untersuchen. Dieses Kapitel liefert eine generelle Einleitung zum visuellen System von Primaten mit einer Darstellung des Bewegungsverarbeitungspfades und von Aufmerksamkeitseinflüssen auf visuelle Verarbeitung. Einen Schwerpunkt des Einleitungsteils bildet die Übersicht der Verarbeitungsmechanismen bidirektionaler Bewegungsmuster im visuellen System und deren Aufmerksamkeitsmodulation. Das zweite Kapitel besteht aus drei Manuskripten, deren Zielsetzung und Haupterkenntnisse in kurzen Abschnitten zusammenfassend vorangestellt sind. Das dritte Kapitel bietet eine Zusammenfassung der Erkenntnisse, die im Rahmen dieser Dissertation gewonnen wurden.

Der Ansatz der Arbeit lässt sich auf zwei Gebiete aus der Blickbewegungsforschung zurückführen. Einerseits basieren die Studien auf Experimenten zum remote distractor effect, andererseits auf Untersuchungen beim Lesen bzw. der Wahrnehmung komplexer Szenen. Innerhalb beider Ansätze findet eine Analyse der Auswirkungen unterschiedlichen Reizmaterials (z.B. Texte oder Bilder) auf die Fixationsdauer statt. Aktuelle Erklärungsansätze werden im Bezug zu den gefundenen Ergebnissen dargestellt und kritisch bewertet. Anhand der Ergebnisse einer Voruntersuchung wird vorgeschlagen, die gefundenen Effekte im Rahmen der Orientierungsreaktion (OR) zu betrachten. In einer Serie von vier Untersuchungen wird dargelegt, dass die Dauer von Fixationen auch durch externe Ereignisse moduliert wird. In der ersten Untersuchung wurden die zeitlichen Aspekte des Distraktoreffekts untersucht. Dafür erschienen Distraktoren mit verschiedenen Latenzen nach Fixationsbeginn. Zusätzlich wurde untersucht, welche Auswirkungen unterschiedliche Distraktormodalitäten (visuell und akustisch) zeigen. Die Ergebnisse demonstrierten eine deutliche Verlängerung der jeweils vom Distraktor betroffenen Fixation für alle Latenzen. Für Distraktoren beider Modalitäten zeigte sich eine vergleichbare Verlängerung betroffener Fixationen. Bei der zweiten Untersuchung wurde für visuelle Distraktoren geprüft, inwieweit sich die vorgeschlagene Interpretation im Rahmen der OR bestätigen lässt. Dafür wurde der Effekt hinsichtlich einer Habituation untersucht. Für die Studie wurden Distraktoren mit zwei verschiedenen Latenzen auf umweltbezogenen vs. retinal fixierten Koordinaten präsentiert. Die Ergebnisse zeigten, dass eher Störungen auf gleichen retinalen Positionen eine Abnahme des Effektes zur Folge haben (also habituieren). Für Distraktoren auf konstanten Bildpositionen konnte keine systematische Abnahme des Distraktoreffektes gemessen werden. Für die dritte Untersuchung wurden Augenbewegungen und blickkontingente ereigniskorrelierte Potentiale (EKP?s) parallel aufgezeichnet. Bisher liegen keine Erkenntnisse vor, wie anhand von Parametern der Augenbewegungen Habituation nachweisbar ist, die Abnahme der N1-Komponente der EKP?s hingegen gilt als etablierter Nachweis einer Habituation. Die Ergebnisse zeigten, neben der Verlängerung der Fixationsdauer für visuelle und akustische Distraktoren, eine deutliche Auswirkung auf die N1-Komponente. Bei der Prüfung der Habituation über die betrachteten Bilder zeigte sich eine Verringerung des Effektes in der Fixationsdauer und der N1-Komponente. Auf Schwierigkeiten in Bezug auf den Nachweis einer ausgeprägten Habituation wurde an entsprechender Stelle hingewiesen. Die letzte Studie (N=1) testete, ob sich die Neuinterpretation des Effektes mit neurophysiologischen Erkenntnissen vereinbaren lässt. Bei dem Probanden wurde aufgrund eines Unfalls eine Schädigung des frontalen Augenfeldes (FEF) angenommen. Es wurden Distraktoren links, rechts, ober- und unterhalb des Fixationsorts dargeboten. Beim ersten Versuch, 12 Monate nach dem Unfall, zeigte sich für Distraktoren links des Fixationsortes keinerlei Verlängerung der betroffenen Fixationen. Beim zweiten Versuch, acht Monate später, zeigte sich der Distraktoreffekt auf allen Positionen. Dies lässt sich als Unterstützung der Annahme einer Schädigung der FEF interpretieren, da sich in verschiedenen Studien selbst bei operativer Entfernung der FEF eine deutliche Verringerung der entstandenen Defizite nach einigen Wochen zeigte. Mögliche Alternativen der dargestellten Interpretation wurden an entsprechender Stelle diskutiert. Diese Untersuchungen bestätigen, dass sich ereignisbezogene Verlängerungen der visuellen Fixationsdauer mit dem Rahmenkonzept der OR in Verbindung bringen lassen. Es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass eine Reihe weiterer Einflussfaktoren an der Modulation des Effektes beteiligt sind, obwohl es sich offenbar um eine Reaktion subkortikalen Ursprungs handelt.

Normalerweise stimmen die Ausrichtung der Augen und die der visuellen Aufmerksamkeit überein. Frühere Arbeiten, vor allem im Kontext so genannter ‚Fixieren-Springen’ Paradigmen, haben gezeigt, dass zum Zeitpunkt der Programmierung einer neuen Sakkade die Aufmerksamkeit bereits zum Sakkadenziel verlagert wird. Bei Untersuchungen in natürlicheren Umgebungen konnte dieser Befund allerdings nicht gezeigt werden. Aus diesen teilweise widersprüchlichen Befunden ergibt sich die Fragestellung der vorliegenden Arbeit: Wie wirken sich visuelle Aufgaben am aktuellen Fixationsort innerhalb einer Sequenz von Blickbewegungen auf die Verlagerung der visuellen Aufmerksamkeit aus? Welche Rolle spielt dabei der Zeitpunkt innerhalb der aktuellen Fixation? Diese Fragen werden auf der Basis des Zusammenhangs zwischen objektivem und subjektivem Blickort untersucht. Als objektiver Blickort wird dabei der durch ein Blickbewegungsmesssystem ermittelte aktuelle Fixationsort begriffen. Während der Ausführung verschiedener visueller Aufgaben – Lokalisation, Identifikation und Katego¬risierung – wird der subjektive Blickort als derjenige bezeichnet und untersucht, den Probanden bei einer plötzlichen Unterbrechung ihrer aktuellen Tätigkeit angeben können. In einer Serie von drei Experimenten wurde getestet, welcher Zusammen¬hang zwischen objektivem und subjektivem Maß vor dem Hinter¬grund der verschiedenen Aufgaben und dem Zeitpunkt innerhalb der aktuellen Fixation besteht. Dabei wurden den Probanden in jedem Durchgang sechs kreisförmig angeordnete Piktogramme präsentiert, die im Uhrzeigersinn nacheinander zu betrachten waren. Zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt wurde die Betrachtung unterbrochen, wobei der subjektive Blickort durch einen Mausklick auf das aktuell betrachtete Piktogramm angegeben werden sollte. In einem vierten Experiment wurde eine blickgesteuerte Schreibumgebung untersucht, bei der auf der Basis der Ergebnisse der Experimente 1 bis 3 die Rückmeldung der eigenen Blickposition und die Schwellzeit zum Auslösen einer Taste systematisch variiert wurden. Es wurde davon ausgegangen, dass die Rückmeldung weniger an den aktuellen tatsächlichen, als an den subjektiven Blickort gebunden sein sollte. Schreiben mit den Augen setzt voraus, dass Buchstaben auf der Tastatur lokalisiert, und danach identifiziert werden müssen, um eine Entscheidung treffen zu können, ob die Taste ausgelöst werden soll oder nicht. Die vorhergehenden Experimente zum subjektiven und objektiven Blickort bei der Identifikation haben gezeigt, dass der subjektive hinter dem objektiven Blickort eher zurückbleibt. Aus diesem Grund ist anzunehmen, dass eine Verzögerung der Rückmeldung gegenüber der objektiven Blickposition als angenehm empfunden werden müsste. Es zeigte sich, dass die besten Ergebnisse in Bezug auf Fehlerrate und Schreibgeschwindigkeit bei Schwellzeiten um die 500 ms erreicht werden. Die subjektiven Einschätzungen der Probanden ergab eine signifikante Präferenz der verzögerten Rückmeldung. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Untersuchungen, dass der Zusammenhang zwischen subjektiven und objektiven Blickort nicht nur durch den Zeitpunkt innerhalb der aktuellen Fixation, sondern vor allem auch durch die momentan bearbeitete Aufgabe moduliert wird. Besonders letzteres wird in aktuellen Theorien der visuellen Aufmerksamkeit nur wenig beachtet. Für die vorliegenden Ergebnisse wird ein Erklärungsansatz entwickelt, der die Idee aufeinander aufbauender Ebenen der Informationsverarbeitung kognitiver Aufmerksamkeitsmodelle aufgreift. Besonders das von Velichkovsky (2002) vorgeschlagene Modell erweist sich dabei als fruchtbar, da es feiner differenziert, und darüber hinaus zwischen Hintergrundkoordination und Führungsebene unterscheidet. In diesem Sinne lassen sich die untersuchten Aufgaben mit einer zunehmenden Tiefe der Verarbeitung assoziieren. Damit einhergehend steigt die Komplexität der zu verarbeitenden Information und sinkt die Wahr¬scheinlichkeit, dass Informationen jenseits der aktuellen Fixation abgerufen werden können: Im Gegenteil, früh innerhalb einer Fixation werden bei tiefer Verarbeitung sogar noch Informationen aus der vorhergehenden Fixation berichtet. Diese Konzeptionalisierung der Ergebnisse gestattet es, vordergründig unterschiedliche Befunde aus ‚Fixieren und Springen’ Paradigmen und Studien in natürlicheren Umgebungen zu integrieren. Die Ergebnisse von Experiment 4 zeigen, dass dieser Erklärungsansatz auch praktische Ableitungen für die Gestaltung von blick¬gesteuerter Interaktion mit dem Computer geeignet ist. Die führende Aufgabe bei solchen intentionalen Fixationen bestimmt die Art und Weise, wie der subjektive Blickort dem Nutzer zurückgemeldet werden sollte.

Zugl.: Kaiserslautern, Univ., Diss., 2009

Einleitung: Die Untersuchung des regionalen zerebralen Glucosestoffwechsels mittels [18F]-2-Fluor-2-desoxy-D-glucose Positronen-Emissions-Tomographie ([18F]FDG-PET) ist ein etabliertes Verfahren der molekularen Bildgebung in der Diagnostik kognitiver und affektiver Störungen. Zwischen verschiedenen Untersuchungen kann es zu intra- und interindividuellen Unterschieden im Vigilanzniveau kommen. Das Ziel dieser ersten Machbarkeitsstudie war die Untersuchung des Zusammenhangs von aktuellem Vigilanzniveau und regionalem Glucosestoffwechsel während der [18F]FDG-PET. Methoden: 14 ältere Patientinnen und Patienten mit depressiver Episode oder leichter kognitiver Beeinträchtigung (MCI, mild cognitive impairment) wurden mit simultaner Elektroenzephalographie und [18F]FDG-PET unter Ruhebedingungen untersucht. Der Zusammenhang von Vigilanzniveau und regionalem Glucosestoffwechsel wurde mittels voxelweiser einfacher linearer Regression analysiert. Ergebnisse: Der Hauptbefund war eine Zunahme des regionalen zerebralen Glucosestoffwechsels mit abnehmendem Vigilanzniveau während der [18F]FDG-PET-Untersuchung in räumlich ausgedehnten frontalen und temporalen Kortizes. Diskussion: Vigilanzbezogene Veränderungen des Glucosestoffwechsels finden sich in vergleichbaren Hirnregionen und Effektstärken wie Veränderungen des Glucosestoffwechsels bei Patientinnen und Patienten mit depressiver Störung oder MCI gegenüber Gesunden. Der Einfluss des Vigilanzniveaus auf den Glucosestoffwechsel während der [18F]FDG-PET-Untersuchung sollte in kontrollierten Studien gesunder Personen validiert werden.

It is far from conclusive what distinguishes the inattentive (ADD) and the combined (ADHD-C) subtype of ADHD on the neuronal level. Theoretical considerations suggest that especially interval timing processes may dissociate these subtypes from each other. Combining high-density EEG recordings with source localization analyses, we examine whether there are ADHD-subtype specific modulations of neurophysiological processes subserving interval timing in matched groups of ADD (n = 16), ADHD-C (n = 16) and controls (n = 16). Patients with ADD and ADHD-C show deficits in interval timing, which was correlated with the degree of inattention in ADD patients. Compared to healthy controls, patients with ADHD-C display a somewhat weaker, yet consistent response preparation process (contingent negative variation, CNV). In patients with ADD, the early CNV is interrupted, indicating an oscillatory disruption of the interval timing process. This is associated with activations in the supplemental motor areas and the middle frontal gyrus. Patients with ADD display adequate feedback learning mechanisms (feedback-related negativity, FRN), which is not the case in patients with ADHD-C. The results suggest that altered pacemaker-accumulation processes in medial frontal structures distinguish the ADD from the ADHD-C subtype. Particularly in patients with ADD phasic interruptions of preparatory neurophysiological processes are evident, making this a possible diagnostic feature.

Visual attention can be voluntarily focused on a location or automatically attracted by salient features in a visual scene. Studies using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) suggest two networks of visual attention involved in these complementary mechanisms: a dorsal frontoparietal network and a ventral frontoparietal network of visuospatial attention respectively. However, most studies so far have applied non‐natural schematic stimuli. The present study investigates visual attention in images of natural environmental scenes. Adopting previously used eye‐tracker paradigms, we study the influence of task instruction and luminance contrast modifications in pictures on both eye movements and neural activity using Eye‐Tracking and functional Magnetic Resonance Imaging simultaneously. We expect increased top‐down control of attention in a search task compared to a free viewing condition visible in enhanced neural activation in the intraparietal sulcus (IPS) as part of the dorsal frontoparietal network. Strong modifications of luminance contrast should foster bottom‐up processing activating the temporoparietal junction (TPJ) a crucial area in the ventral frontoparietal network of visual attention. Although the obtained eye‐tracking data shows the expected shift of fixations towards locations of increased luminance contrast, we do not find an influence of luminance contrast modifications on neural processing. Comparison of instructions reveals diverse results across participants possibly due to the long presentation duration of stimuli which allowed participant’s attention to wander independently of task instruction. We find bilateral activation in IPS and parahippocampal place area (PPA) as well as bilateral deactivation in the TPJ region independent of task context. This might indicate similar contributions of these areas to free viewing of and search in visual scenes. However, dissociation of target detection and attention during search by deconvolution analysis of data obtained in this study might reveal a more detailed picture of functional involvement of the IPS and TPJ region in processes of visual attention. Remarkably, results show robust activation of the PPA in both tasks, suggesting that the PPA region might not only be activated by houses and open scenes but by narrow scenes (bushes, leaves) of natural outdoor environment as well.

Die Interaktion zwischen merkmalsbasierten und objektbasierten visuellen Aufmerksamkeitsprozessen stand im Fokus der vorliegenden Dissertation. Hierbei war insbesondere die Frage wesentlich, ob Objektmerkmale um visuelle Verarbeitungsressourcen konkurrieren. Zu diesem Zweck wurde in drei Experimenten mittels Elektroenzephalographie die neuronale Verarbeitung aufgabenrelevanter und aufgabenirrelevanter Objektmerkmale untersucht. Im ersten Experiment konnte gezeigt werden, dass das aufgabenrelevante Objektmerkmal einen Verarbeitungsvorteil aufweist. Darüber hinaus zeigte sich, dass sich dieser Verarbeitungsvorteil reduziert, wenn zwei Objektmerkmale beachtet werden müssen. Diese Ergebnisse stehen im Widerspruch zu Vorhersagen der Theorie des integrierenden Objekts und legen Wettbewerb zwischen den Objektmerkmalen nahe. Im zweiten Experiment zeigten sich durch den Austausch eines der Objektmerkmale überraschenderweise abweichende Effekte. Dennoch offenbarten sich auch hier Hinweise hinsichtlich der Existenz eines Wettbewerbs zwischen den Objektmerkmalen, der jedoch – neben der top-down Verzerrung durch merkmalsselektive Aufmerksamkeitsprozesse – bottom-up durch die Salienz des Objektmerkmals Luminanz verzerrt wurde. Im dritten Experiment, das sich der Analyse der Zeitverläufe merkmalsselektiver Aufmerksamkeitsprozesse innerhalb von Objekten widmete, konnte ein zweiphasiger Prozess demonstriert werden: Einer frühen transienten Integration aller Objektmerkmale folgen anhaltende merkmalsspezifische Mechanismen. Der Wettbewerb von Objektmerkmalen um visuelle Verarbeitungsressourcen ist demnach zeitabhängig. Dieser Befund ermöglicht die Synthese scheinbar widersprüchlicher Ergebnisse früherer Studien, die entweder in Experimenten mit kurzen Präsentationszeiten visueller Stimuli Merkmalsintegration innerhalb von Objekten zeigten (analog zur Theorie des integrierenden Objekts), oder aber durch Verwendung längerer Präsentationszeiten die merkmalsspezifische Verarbeitung von Objektmerkmalen demonstrieren konnten.

Normalerweise stimmen die Ausrichtung der Augen und die der visuellen Aufmerksamkeit überein. Frühere Arbeiten, vor allem im Kontext so genannter ‚Fixieren-Springen’ Paradigmen, haben gezeigt, dass zum Zeitpunkt der Programmierung einer neuen Sakkade die Aufmerksamkeit bereits zum Sakkadenziel verlagert wird. Bei Untersuchungen in natürlicheren Umgebungen konnte dieser Befund allerdings nicht gezeigt werden. Aus diesen teilweise widersprüchlichen Befunden ergibt sich die Fragestellung der vorliegenden Arbeit: Wie wirken sich visuelle Aufgaben am aktuellen Fixationsort innerhalb einer Sequenz von Blickbewegungen auf die Verlagerung der visuellen Aufmerksamkeit aus? Welche Rolle spielt dabei der Zeitpunkt innerhalb der aktuellen Fixation? Diese Fragen werden auf der Basis des Zusammenhangs zwischen objektivem und subjektivem Blickort untersucht. Als objektiver Blickort wird dabei der durch ein Blickbewegungsmesssystem ermittelte aktuelle Fixationsort begriffen. Während der Ausführung verschiedener visueller Aufgaben – Lokalisation, Identifikation und Katego¬risierung – wird der subjektive Blickort als derjenige bezeichnet und untersucht, den Probanden bei einer plötzlichen Unterbrechung ihrer aktuellen Tätigkeit angeben können. In einer Serie von drei Experimenten wurde getestet, welcher Zusammen¬hang zwischen objektivem und subjektivem Maß vor dem Hinter¬grund der verschiedenen Aufgaben und dem Zeitpunkt innerhalb der aktuellen Fixation besteht. Dabei wurden den Probanden in jedem Durchgang sechs kreisförmig angeordnete Piktogramme präsentiert, die im Uhrzeigersinn nacheinander zu betrachten waren. Zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt wurde die Betrachtung unterbrochen, wobei der subjektive Blickort durch einen Mausklick auf das aktuell betrachtete Piktogramm angegeben werden sollte. In einem vierten Experiment wurde eine blickgesteuerte Schreibumgebung untersucht, bei der auf der Basis der Ergebnisse der Experimente 1 bis 3 die Rückmeldung der eigenen Blickposition und die Schwellzeit zum Auslösen einer Taste systematisch variiert wurden. Es wurde davon ausgegangen, dass die Rückmeldung weniger an den aktuellen tatsächlichen, als an den subjektiven Blickort gebunden sein sollte. Schreiben mit den Augen setzt voraus, dass Buchstaben auf der Tastatur lokalisiert, und danach identifiziert werden müssen, um eine Entscheidung treffen zu können, ob die Taste ausgelöst werden soll oder nicht. Die vorhergehenden Experimente zum subjektiven und objektiven Blickort bei der Identifikation haben gezeigt, dass der subjektive hinter dem objektiven Blickort eher zurückbleibt. Aus diesem Grund ist anzunehmen, dass eine Verzögerung der Rückmeldung gegenüber der objektiven Blickposition als angenehm empfunden werden müsste. Es zeigte sich, dass die besten Ergebnisse in Bezug auf Fehlerrate und Schreibgeschwindigkeit bei Schwellzeiten um die 500 ms erreicht werden. Die subjektiven Einschätzungen der Probanden ergab eine signifikante Präferenz der verzögerten Rückmeldung. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Untersuchungen, dass der Zusammenhang zwischen subjektiven und objektiven Blickort nicht nur durch den Zeitpunkt innerhalb der aktuellen Fixation, sondern vor allem auch durch die momentan bearbeitete Aufgabe moduliert wird. Besonders letzteres wird in aktuellen Theorien der visuellen Aufmerksamkeit nur wenig beachtet. Für die vorliegenden Ergebnisse wird ein Erklärungsansatz entwickelt, der die Idee aufeinander aufbauender Ebenen der Informationsverarbeitung kognitiver Aufmerksamkeitsmodelle aufgreift. Besonders das von Velichkovsky (2002) vorgeschlagene Modell erweist sich dabei als fruchtbar, da es feiner differenziert, und darüber hinaus zwischen Hintergrundkoordination und Führungsebene unterscheidet. In diesem Sinne lassen sich die untersuchten Aufgaben mit einer zunehmenden Tiefe der Verarbeitung assoziieren. Damit einhergehend steigt die Komplexität der zu verarbeitenden Information und sinkt die Wahr¬scheinlichkeit, dass Informationen jenseits der aktuellen Fixation abgerufen werden können: Im Gegenteil, früh innerhalb einer Fixation werden bei tiefer Verarbeitung sogar noch Informationen aus der vorhergehenden Fixation berichtet. Diese Konzeptionalisierung der Ergebnisse gestattet es, vordergründig unterschiedliche Befunde aus ‚Fixieren und Springen’ Paradigmen und Studien in natürlicheren Umgebungen zu integrieren. Die Ergebnisse von Experiment 4 zeigen, dass dieser Erklärungsansatz auch praktische Ableitungen für die Gestaltung von blick¬gesteuerter Interaktion mit dem Computer geeignet ist. Die führende Aufgabe bei solchen intentionalen Fixationen bestimmt die Art und Weise, wie der subjektive Blickort dem Nutzer zurückgemeldet werden sollte.

In this paper, the psychological aspects of clearness in teaching mathematics are considered and some suggestions for the achieve the clearness are given.