Eye movements are a powerful tool to examine cognitive processes. However, in most paradigms little is known about the dynamics present in sequences of saccades and fixations. In particular, the control of fixation durations has been widely neglected in most tasks. As a notable exception, both spatial and temporal aspects of eye-movement control have been thoroughly investigated during reading. There, the scientific discourse was dominated by three controversies, (i), the role of oculomotor vs. cognitive processing on eye-movement control, (ii) the serial vs. parallel processing of words, and, (iii), the control of fixation durations. The main purpose of this thesis was to investigate eye movements in tasks that require sequences of fixations and saccades. While reading phenomena served as a starting point, we examined eye guidance in non-reading tasks with the aim to identify general principles of eye-movement control. In addition, the investigation of eye movements in non-reading tasks helped refine our knowledge about eye-movement control during reading. Our approach included the investigation of eye movements in non-reading experiments as well as the evaluation and development of computational models. I present three main results : First, oculomotor phenomena during reading can also be observed in non-reading tasks (Chapter 2 & 4). Oculomotor processes determine the fixation position within an object. The fixation position, in turn, modulates both the next saccade target and the current fixation duration. Second, predicitions of eye-movement models based on sequential attention shifts were falsified (Chapter 3). In fact, our results suggest that distributed processing of multiple objects forms the basis of eye-movement control. Third, fixation durations are under asymmetric control (Chapter 4). While increasing processing demands immediately prolong fixation durations, decreasing processing demands reduce fixation durations only with a temporal delay. We propose a computational model ICAT to account for asymmetric control. In this model, an autonomous timer initiates saccades after random time intervals independent of ongoing processing. However, processing demands that are higher than expected inhibit the execution of the next saccade and, thereby, prolong the current fixation. On the other hand, lower processing demands will not affect the duration before the next saccade is executed. Since the autonomous timer adjusts to expected processing demands from fixation to fixation, a decrease in processing demands may lead to a temporally delayed reduction of fixation durations. In an extended version of ICAT, we evaluated its performance while simulating both temporal and spatial aspects of eye-movement control. The eye-movement phenomena investigated in this thesis have now been observed in a number of different tasks, which suggests that they represent general principles of eye guidance. I propose that distributed processing of the visual input forms the basis of eye-movement control, while fixation durations are controlled by the principles outlined in ICAT. In addition, oculomotor control contributes considerably to the variability observed in eye movements. Interpretations for the relation between eye movements and cognition strongly benefit from a precise understanding of this interplay. / Blickbewegungen stellen ein wichtiges Instrument dar, um kognitive Prozesse zu untersuchen. In den meisten Paradigmen ist allerdings wenig über die Entstehung von Sakkaden und Fixationen bekannt. Insbesondere die Kontrolle der Fixationsdauern wurde häufig außer acht gelassen. Eine wesentliche Ausnahme stellt die Leseforschung dar, in der sowohl zeitlichliche als auch räumliche Aspekte der Blickbewegungssteuerung im Detail betrachtet wurden. Dabei war der wissenschaftliche Diskurs durch drei Kontroversen gekennzeichnet, die untersuchten, (i), welchen Einfluss okulomotorische bzw. kognitive Prozesse auf die Blicksteuerung haben, (ii), ob Worte seriell oder parallel verarbeitet werden und, (iii), wie Fixationsdauern kontrolliert werden. Die vorliegende Arbeit zielt im wesentlichen darauf ab, die Dynamik von Fixationssequenzen zu erforschen. Ausgehend von den Erkenntnissen beim Lesen untersuchten wir Blickbewegungen in Nichtlese-Aufgaben, mit dem Ziel allgemeine Prinzipien der Blicksteuerung zu identifizieren. Zusätzlich versuchten wir mit Hilfe dieser Aufgaben, Erkenntnisse über Prozesse beim Lesen zu vertiefen. Unser Vorgehen war sowohl von der Durchführung von Experimenten als auch der Entwicklung und Evaluation computationaler Modelle geprägt. Die Hauptbefunde zeigten: Erstens, okulomotorische Phänomene des Lesens lassen sich in Suchaufgaben ohne Wortmaterial replizieren (Kapitel 2 & 4). Dabei bestimmen okulomotorische Prozesse die Fixationsposition innerhalb eines Objektes. Diese wiederum beeinflusst das nächste Sakkadenziel sowie die Fixationsdauer. Zweitens, wesentliche Vorhersagen von Modellen, in denen Blickbewegungen von seriellen Aufmerksamkeitsverschiebungen abhängen, konnten falsifiziert werden (Kapitel 3). Stattdessen legen unsere Erkenntnisse nahe, dass die Blicksteuerung von der parallelen Verarbeitung mehrerer Objekte abhängt. Drittens, Fixationsdauern werden asymmetrisch kontrolliert (Kapitel 4). Während hohe Verarbeitungsanforderungen Fixationsdauern unmittelbar verlängern können, führen niedrige Verarbeitungsanforderungen nur zeitlich verzögert zu einer Reduktion. Wir schlagen ein computationales Modell ICAT vor, um asymmetrische Kontrolle zu erklären. Grundlage des Modells ist ein autonomer Zeitgeber, der unabhängig von der momentanen Verarbeitung nach zufälligen Zeitintervallen Sakkaden initiiert. Unerwartet hohe Verarbeitungsanforderungen können die Initiierung der nächsten Sakkade hinauszögern, während unerwartet niedrige Verarbeitungsanforderungen den Beginn der nächsten Sakkade nicht verändern. Der Zeitgeber passt sich allerdings von Fixation zu Fixation neuen Verarbeitungsanforderungen an, so dass es zu einer zeitlich verzögerten Reduktion der Fixationsdauern kommen kann. In einer erweiterten Version des Modells überprüfen wir die Kompatibilität ICATs mit einer realistischen räumlichen Blicksteuerung. Die Ähnlichkeit von Blickbewegungsphänomenen über Aufgaben hinweg legt nahe, dass sie auf allgemeinen Prinzipien basieren. Grundlage der Blicksteuerung ist die verteilte Verarbeitung des visuellen Inputs, während die Kontrolle der Fixationsdauer auf den Prinzipien von ICAT beruht. Darüber hinaus tragen okulomotorische Phänomene wesentlich zur Variabilität der Blicksteuerung bei. Ein Verständnis dieses Zusammenspiels hilft entscheidend den Zusammenhang von Blickbewegungen und Kognitionen besser zu verstehen.

It sometimes happens that we finish reading a passage of text just to realize that we have no idea what we just read. During these episodes of mindless reading our mind is elsewhere yet the eyes still move across the text. The phenomenon of mindless reading is common and seems to be widely recognized in lay psychology. However, the scientific investigation of mindless reading has long been underdeveloped. Recent progress in research on mindless reading has been based on self-report measures and on treating it as an all-or-none phenomenon (dichotomy-hypothesis). Here, we introduce the levels-of-inattention hypothesis proposing that mindless reading is graded and occurs at different levels of cognitive processing. Moreover, we introduce two new behavioral paradigms to study mindless reading at different levels in the eye-tracking laboratory. First (Chapter 2), we introduce shuffled text reading as a paradigm to approximate states of weak mindless reading experimentally and compare it to reading of normal text. Results from statistical analyses of eye movements that subjects perform in this task qualitatively support the ‘mindless’ hypothesis that cognitive influences on eye movements are reduced and the ‘foveal load’ hypothesis that the response of the zoom lens of attention to local text difficulty is enhanced when reading shuffled text. We introduce and validate an advanced version of the SWIFT model (SWIFT 3) incorporating the zoom lens of attention (Chapter 3) and use it to explain eye movements during shuffled text reading. Simulations of the SWIFT 3 model provide fully quantitative support for the ‘mindless’ and the ‘foveal load’ hypothesis. They moreover demonstrate that the zoom lens is an important concept to explain eye movements across reading and mindless reading tasks. Second (Chapter 4), we introduce the sustained attention to stimulus task (SAST) to catch episodes when external attention spontaneously lapses (i.e., attentional decoupling or mind wandering) via the overlooking of errors in the text and via signal detection analyses of error detection. Analyses of eye movements in the SAST revealed reduced influences from cognitive text processing during mindless reading. Based on these findings, we demonstrate that it is possible to predict states of mindless reading from eye movement recordings online. That cognition is not always needed to move the eyes supports autonomous mechanisms for saccade initiation. Results from analyses of error detection and eye movements provide support to our levels-of-inattention hypothesis that errors at different levels of the text assess different levels of decoupling. Analyses of pupil size in the SAST (Chapter 5) provide further support to the levels of inattention hypothesis and to the decoupling hypothesis that off-line thought is a distinct mode of cognitive functioning that demands cognitive resources and is associated with deep levels of decoupling. The present work demonstrates that the elusive phenomenon of mindless reading can be vigorously investigated in the cognitive laboratory and further incorporated in the theoretical framework of cognitive science. / Beim Lesen passiert es manchmal dass wir zum Ende einer Textpassage gelangen und dabei plötzlich bemerken dass wir keinerlei Erinnerung daran haben was wir soeben gelesen haben. In solchen Momenten von gedankenverlorenem Lesen ist unser Geist abwesend, aber die Augen bewegen sich dennoch über den Text. Das Phänomen des gedankenverlorenen Lesens ist weit verbreitet und scheint in der Laienpsychologie allgemein anerkannt zu sein. Die wissenschaftliche Untersuchung von gedankenverlorenem Lesen war jedoch lange Zeit unzureichend entwickelt. Neuerer Forschungsfortschritt basierte darauf gedankenverlorenes Lesen durch Selbstberichte zu untersuchen und als ein Phänomen zu behandeln das entweder ganz oder gar nicht auftritt (Dichotomie-Hypothese). Hier stellen wir die ‚Stufen der Unaufmerksamkeit’-Hypothese auf, dass gedankenverlorenes Lesen ein graduelles Phänomen ist, das auf verschiedenen kognitiven Verarbeitungsstufen entsteht. Wir stellen zudem zwei neue Verhaltensparadigmen vor um verschiedene Stufen von gedankenverlorenem Lesen im Augenbewegungslabor zu untersuchen. Als erstes (in Kapitel 2) stellen wir das Lesen von verwürfeltem Text vor als ein Paradigma um Zustände von schwach gedankenverlorenem Lesen experimentell anzunähern, und vergleichen es mit dem Lesen von normalem Text. Die Ergebnisse von statistischen Augenbewegungsanalysen unterstützen qualitativ die ‚Unaufmerksamkeits’-Hypothese, dass kognitive Einflüsse auf Augenbewegungen beim Lesen von verwürfeltem Text reduziert ist, und die ‚Foveale Beanspruchungs’-Hypothese, dass die Reaktion der zoom lens visueller Aufmerksamkeit auf lokale Textschwierigkeit beim Lesen von verwürfeltem Text verstärkt ist. Wir stellen eine weiterentwickelte Version des SWIFT Modells (SWIFT 3) vor, welches die zoom lens der Aufmerksamkeit implementiert, und validieren dieses Modell am Lesen von verwürfeltem und normalem Text (Kapitel 3). Simulationen des SWIFT 3 Modells unterstützen die ‚Unaufmerksamkeits’ und die ‚Foveal Beanspruchungs’-Hypothese in einem vollständig quantitativen Modell. Zudem zeigen sie, dass die zoom lens der Aufmerksamkeit ein wichtiges Konzept ist um Augenbewegungen in Aufgaben zum Lesen und gedankenverlorenen Lesen zu erklären. Als zweites (Kapitel 4) stellen wir den sustained attention to stimulus task (SAST) vor um Episoden von spontaner externer Unaufmerksamkeit (also Entkopplung der Aufmerksamkeit oder Abschweifen der Gedanken) in einem Paradigma über Verhaltensparameter wie das Übersehen von Fehlern im Text und Signal-Detektions-Analysen von Fehlerentdeckung zu messen. Augenbewegungsanalysen im SAST decken abgeschwächte Einflüsse von kognitiver Textverarbeitung während gedankenverlorenem Lesen auf. Basierend auf diesen Befunden zeigen wir, dass es möglich ist Zustände von gedankenverlorenem Lesen online, also während dem Lesen, aus Augenbewegungen vorherzusagen bzw. abzulesen. Dass höhere Kognition nicht immer notwendig ist um die Augen zu bewegen unterstützt zudem autonome Mechanismen der Sakkadeninitiierung. Ergebnisse aus Analysen von Fehlerdetektion und Augenbewegungen unterstützen unsere ‚Stufen der Unaufmerksamkeit’-Hypothese, dass Fehler auf verschiedenen Textebenen verschiedene Stufen von Entkopplung messen. Analysen der Pupillengröße im SAST (Kapitel 5) bieten weitere Unterstützung für die ‚Stufen der Unaufmerksamkeit’-Hypothese, sowie für die Entkopplungs-Hypothese, dass abschweifende Gedanken eine abgegrenzte kognitiver Funktionsweise darstellen, welche kognitive Ressourcen benötigt und mit tiefen Stufen von Unaufmerksamkeit zusammenhängt. Die aktuelle Arbeit zeigt, dass das flüchtige Phänomen des gedankenverlorenen Lesens im kognitiven Labor mit strengen Methoden untersucht und weitergehend in den theoretischen Rahmen der Kognitionswissenschaft eingefügt werden kann.