La dyslexie développementale est un trouble neuro-développemental qui affecte spécifiquement l’apprentissage du langage écrit d’environ 10% des enfants en âge scolaire. Ces dernières années, plusieurs études ont montré la présence des anomalies oculomotrices chez les enfants dyslexiques. Toutefois, plusieurs questions sur la performance oculomotrice des enfants dyslexiques sont encore sans réponse ou restent peu étudiées.Dans cette thèse, nous avons réalisé trois études afin d’examiner l’oculomotricité des enfants dyslexiques comparativement à celle des enfants non-dyslexiques. Pour la première fois, nous avons enregistré les saccades verticales chez les enfants dyslexiques (étude 1). Les résultats ont montré que, comparés aux enfants non-dyslexiques de même âge chronologique, les enfants dyslexiques avaient des latences plus longues, de faibles précisions et des vitesses saccadiques ayant une asymétrie haut/bas. Les études 2 et 3 nous ont permis d’élargir les investigations, respectivement, sur la fixation visuelle et sur la reconnaissance visuo-auditive phonologique chez les enfants dyslexiques. Nous avons reporté une fixation visuelle et une reconnaissance visuo-auditive phonologique de faible qualité chez les enfants dyslexiques par rapport aux groupes d’enfants-non dyslexiques de même âge chronologique et de même âge de lecture.Nous avons suggéré que le développement atypique du système visuel magnocellulaire, de même que celui des structures cortico-sous-corticales et des difficultés attentionnelles expliqueraient les perturbations oculomotrices des enfants dyslexiques. Ainsi, nous avons proposé des voies de rééducation oculomotrice en vue de contribuer à l’amélioration des capacités de lecture des enfants dyslexiques.Mots-clés: Mouvements oculaires, saccades, fixations, système visuel, cortex visuel, structures cortico-sous-corticales, attention, dyslexie développementale. / ABSTRACTDevelopmental dyslexia is a neurodevelopmental disorder that affects written language learning of about 10% of school-age children. During the last years, several studies have shown the presence of oculomotor abnormalities in dyslexia. However, several questions about the oculomotor performance of dyslexic children are still unanswered.We conducted three studies to examine eye movements of dyslexic children with respect to non-dyslexic age-matched children. In the first of our study, we investigated vertical saccades performance in dyslexic children. The results showed that, dyslexic children had longer latencies, poor precision and slow saccadic speed with up / down asymmetry. Studies 2 and 3 respectively allowed us to enlarge the investigation of visual fixation as well as visual-auditory phonological capabilities in dyslexic children. We reported a low quality of visual fixation and visual-auditory phonological recognition in children with dyslexia compared with the non-dyslexic children.Taken together, all these findings suggested, in dyslexic children, an immaturity of the magnocellular visual system, as well as of the cortico-subcortical structures responsible for oculomotor performances. Attentional capabilities, that are poor in dyslexic children, would be also explained their oculomotor deficiencies reported. Thus, we proposed oculomotor rehabilitation that could be able to improve reading skills in dyslexia.Key words: Eye movements, saccades, fixations, visual system, visual cortex, cortical and sub-cortical structures, attention, developmental dyslexia.

This thesis investigates the relationship between eye movements, memory and thinking in five studies based on eye tracking experiments. The studies draw on the human ability to spatially index multimodal events as demonstrated by people’s gaze reverting back to emptied spatial locations when retrieving information that was associated with this location during a preceding encoding phase – the so called “looking-at-nothing” phenomenon. The first part of this thesis aimed at gaining a better understanding of the relationship between eye movements and memory in relation to verbal information. The second part of this thesis investigated what could be learned about the memory processes involved in reasoning and decision-making by studying eye movements to blank spaces. The first study presented in this thesis clarified the role of eye movements for the retrieval of verbal information from memory. More precisely, it questioned if eye movements to nothing are functionally related to memory retrieval for verbal information, i.e. auditorily presented linguistic information. Eye movements were analyzed following correct and incorrect retrievals of previously presented auditory statements concerning artificial places that were probed during a subsequent retrieval phase. Additionally, eye movements were manipulated as the independent variable with the aid of a spatial cue that either guided the eyes towards or away from associated spatial locations. Using verbal materials elicited eye movements to associated but emptied spatial locations, thereby replicating previous findings on eye movements to nothing. This behaviour was more pronounced for correct in comparison to incorrect retrievals. Retrieval performance was higher when the eyes were guided towards in comparison to being guided away from associated spatial locations. In sum, eye movements play a functional role for the retrieval of verbal materials. The second study tested if the looking-at-nothing behaviour can also diminish; for example, does its effect diminish if people gain enough practice in a retrieval task? The same paradigm was employed as in the first study. Participants listened to four different sentences. Each sentence was associated with one of four areas on the screen and was presented 12 times. After every presentation, participants heard a statement probing one sentence, while the computer screen remained blank. More fixations were found to be located in areas associated with the probed sentence than in other locations. Moreover, the more trials participants completed, the less frequently they exhibited the looking-at-nothing behaviour. Looking-at-nothing behaviour can in this way be seen to indeed diminish when knowledge becomes strongly represented in memory. In the third and fourth study eye movements were utilized as a tool to investigate memory search during rule- versus similarity-based decision-making. In both studies participants first memorized multiple pieces of information relating to job candidates (exemplars). In subsequent test trials they judged the suitability of new candidates that varied in their similarity to the previously learned exemplars. Results showed that when using similarity, but not when using a rule, participants fixated longer on the previous location of exemplars that were similar to the new candidates than on the location of dissimilar exemplars. This suggests that people using similarity retrieve previously learned exemplars, whereas people using a rule do not. Eye movements were used yet again as a tool in the fifth study. On this occasion, eye movements were investigated during memory-based diagnostic reasoning. The study tested the effects of symptom order and diversity with symptom sequences that supported two or three contending hypotheses, and which were ambiguous throughout the symptom sequence. Participants first learned information about causes and symptoms presented in spatial frames. Gaze allocation on emptied spatial frames during symptom processing and during the diagnostic response reflected the subjective status of hypotheses held in memory and the preferred interpretation of ambiguous symptoms. Gaze data showed how the diagnostic decision develops and revealed instances of hypothesis change and biases in symptom processing. The results of this thesis demonstrate in very different scenarios the tight interplay between eye movements, memory and thinking. They show that eye movements are not automatically directed to spatial locations. Instead, they reflect the dynamic updating of internal, multimodal memory representations. Eye movements can be used as a direct behavioural correlate of memory processes involved in similarity- versus rule-based decision-making, and they reveal rich time-course information about the process of diagnostic reasoning. The results of this thesis are discussed in light of the current theoretical debates on cognitive processes that guide eye movements, memory and thinking. This thesis concludes by outlining a list of recommendations for using eye movements to investigate thinking processes, an outlook for future research and possible applications for the research findings. / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Interaktion von Blickbewegungen, Gedächtnis- und Denkprozessen. In fünf experimentellen Untersuchungen, die auf der Messung von Blickbewegungen beruhen, wurde die menschliche Fähigkeit zum räumlichen Indizieren multimodaler Ereignisse untersucht. Diese Fähigkeit manifestiert sich u.a. im sogenannten „Looking-at-nothing“ Phänomen, das beschreibt, dass Menschen beim Abruf von Informationen aus dem Gedächtnis an Orte zurückblicken, die in einer vorhergehenden Enkodierphase mit den abzurufenden Informationen assoziiert wurden, selbst wenn diese räumlichen Positionen keinerlei erinnerungsrelevante Informationen mehr enthalten. In der ersten Untersuchung wurde der Frage nachgegangen, ob Blickbewegungen an geleerte räumliche Positionen den Abruf von Informationen aus dem Gedächtnis erleichtern. Während ein solches Verhalten für den Abruf zuvor visuell dargebotener Informationen bereits gezeigt werden konnte, ist die Befundlage für die Erinnerungsleistung bei auditiv dargebotenen, linguistischen Informationen unklar. Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, wurde das Blickverhalten zunächst als Folge von richtigen und falschen Antworten untersucht. In einem weiteren Schritt wurde das Blickverhalten experimentell manipuliert. Dies geschah mit Hilfe eines räumlichen Hinweisreizes, der die Blicke entweder hin zu der Position leitete, die mit dem abzurufenden Stimulus assoziiert war, oder weg von dieser Position. Die Ergebnisse dieser Untersuchung konnten bisherige Befunde zum Looking-at-nothing Verhalten replizieren. Zudem zeigte sich, dass beim korrekten Abruf von Informationen aus dem Gedächtnis vermehrt Looking-at-nothing gezeigt wurde, während das bei fehlerhaften Abrufen nicht der Fall war. Die Blickmanipulation ergab, dass die Gedächtnisleistung besser war, wenn der Hinweisreiz den Blick hin zur assoziierten räumlichen Position leitete. Im Gegensatz dazu war die Erinnerungsleistung schlechter, wenn der Blick von der assoziierten räumlichen Position weggeleitet wurde. Blickbewegungen an geleerte räumliche Positionen scheinen demnach auch den Abruf verbaler Stimuli zu erleichtern. In der zweiten Untersuchung wurde erforscht, ob das Looking-at-nothing Verhalten nachlässt, wenn das experimentelle Material stark gelernt, d.h. stark im Gedächtnis repräsentiert ist. Dazu wurde das gleiche experimentelle Paradigma, wie in der ersten Untersuchung verwendet. Vier verschiedene Sätze wurden während der Enkodierphase mit vier verschiedenen räumlichen Positionen assoziiert. Nach jeder Präsentation aller vier Sätze, wurde einer der Sätze getestet. Diese Prozedur wiederholte sich in zwölf Durchgängen. In den ersten vier Durchgängen sahen die Versuchspersonen beim Abruf häufiger in das Feld, dass mit der getesteten Information assoziiert war, d.h. sie zeigten wie erwartet das Looking-at-nothing Verhalten. Je mehr Durchgänge die Versuchspersonen bearbeiteten, desto seltener blickten sie zu der assoziierten räumlichen Position. Demnach verschwindet das Looking-at-nothing Verhalten, wenn Informationen stark im Gedächtnis repräsentiert sind. In der dritten und vierten Untersuchung wurden Blickbewegungen an geleerte räumliche Positionen als Methode verwendet um Denkprozesse zu untersuchen. In der dritten Untersuchung lernten Versuchsteilnehmer zunächst Informationen über fiktive Bewerber (Exemplare) für eine freie Position in einem Unternehmen. Jedes Exemplar wurde mit seinen Eigenschaften während der Lernphase mit einer distinkten räumlichen Position verknüpft. In einer nachfolgenden Entscheidungsphase beurteilten die Versuchsteilnehmer neue Bewerber. Diese neuen Bewerber variierten in ihrer Ähnlichkeit mit den zuvor gelernten Bewerbern. Versuchsteilnehmer die eine ähnlichkeitsbasierte Entscheidungsstrategie verwendeten, sahen an die geleerten räumlichen Positionen zurück, die in der Lernphase mit den Exemplaren verknüpft wurden. Wendeten sie jedoch eine abstrakte Regel an, um die neuen Bewerber zu beurteilten, so zeigten sie kein Looking-at-nothing Verhalten. Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass eine ähnlichkeitsbasierte im Gegensatz zu einer regelbasierten Strategie den Abruf zuvor gelernter Exemplare bewirkt. Auch in der fünften Untersuchung wurden Blickbewegungen als Methode eingesetzt, diesmal zur Untersuchung gedächtnisbasierter Schlussfolgerungsprozesse, wie sie beim Finden von Erklärungen für eine Anzahl gegebener Informationen auftreten. Manipuliert wurden die Reihenfolge der präsentierten Informationen und die Diversität der möglichen Erklärungen. Die getesteten Symptomsequenzen unterstützen stets mindestens zwei mögliche Erklärungen. Die Versuchsteilnehmer lernten in einer vorangestellten Lernphase die Symptome und ihre möglichen Erklärungen. Symptome und Erklärungen wurden mit räumlichen Positionen verknüpft. In einer anschließenden Diagnosephase wurden verschiedene Symptomsequenzen getestet. Das Blickverhalten während der Diagnosephase reflektierte die Interpretation der Symptome im Sinne der subjektiv wahrscheinlichsten Erklärung. Die Aufzeichnung und Analyse der Blickbewegungen erlaubte es die Entwicklung dieser Interpretation über die gesamte Sequenz hinweg zu beobachten und Hypothesenwechsel lokalisieren zu können. Insgesamt stützen die Ergebnisse dieser Dissertation die Annahme einer engen funktionalen Verbindung von Blickbewegungen, Gedächtnis- und Denkprozessen. Sie zeigen, dass Blickbewegungen nicht automatisch an alle assoziierten räumlichen Positionen gerichtet werden, sondern dass sie vielmehr den situations- und aufgabenabhängigen Abruf von Informationen aus dem Gedächtnis widerspiegeln. Blickbewegungen können als direktes Verhaltensmaß zur Messung von Gedächtnisprozessen beim ähnlichkeitsbasierten Entscheiden herangezogen werden und liefern wertvolle Prozessdaten über die Integration von Symptominformationen beim diagnostischen Schließen. Die Ergebnisse dieser Dissertation werden im Lichte der aktuellen theoretischen Diskussion über kognitive Prozesse beim Bewegen der Augen, beim Gedächtnisabruf und beim komplexen Denken betrachtet. Abschließend werden Empfehlungen für die Verwendung der Methode der Blickbewegungsmessung als Prozessmaß zur Untersuchung gedächtnisbasierter Denkprozesse gegeben, ein Überblick über zukünftige Forschungsmöglichkeiten präsentiert und Ideen für Anwendungsmöglichkeiten der präsentierten Befunde aufgezeigt.

Sensory inputs can be ambiguous. A physically constant stimulus that induces several perceptual alternatives is called multistable. Many factors can influence perception. In this thesis I investigate factors that affect visual multistability. All presented studies use a pattern-component rivalry stimulus consisting of two gratings drifting in opposite directions (called the plaid stimulus). This induces an “integrated” perception of a moving plaid (the pattern) or a “segregated” perception of overlaid gratings (the components). One study (chapter 2) investigates parameter dependence of a plaid stimulus on perception, with particular emphasis on the first percept. Specifically, it addresses how the enclosed angle (opening angle) affects the perception at stimulus onset and during prolonged viewing. The effects that are shown persist even if the stimulus is rotated. On a more abstract level it is shown that percepts can influence each other over time (chapter 3) which emphasizes the importance of instructions and report mode. In particular, it relates to the decision which percepts are instructed to be reported at all as well as which percepts can be reported as separate entities and which are pooled into the same response option. A further abstract level (predictability of a stimulus change, chapter 5) shows that transferring effects from one modality to another modality (specifically from audition to vision) requires careful choice of stimulus parameters. In this context, we give considerations to the proposal for a wider usage of sequential stopping rules (SSR, chapter 4), especially in studies where effect sizes are hard to estimate a priori. This thesis contributes to the field of visual multistability by providing novel experimental insights into pattern-component rivalry and by linking these findings to data on sequential dependencies, to the optimization of experimental designs, and to models and results from another sensory modality.:Bibliographische Beschreibung 3 Acknowledgments 4 CONTENTS 5 Collaborations 7 List of Figures 8 List of Tables 8 1. Introduction 9 1.1. Tristability 10 1.2. Two or more interpretations? 11 1.3. Multistability in different modalities 12 1.3.1. Auditory multistability 12 1.3.2. Haptic multistability 13 1.3.3. Olfactory multistability 13 1.4. multistability with several interpretations 13 1.5. Measuring multistability 14 1.5.1. The optokinetic nystagmus 14 1.5.2. Pupillometry 15 1.5.3. Measuring auditory multistability 15 1.5.4. Crossmodal multistability 16 1.6. Factors governing multistability 16 1.6.1. Manipulations that do not involve the stimulus 16 1.6.2. Manipulation of the stimulus 17 1.6.2.1. Factors affecting the plaid stimulus 17 1.6.2.2. Factors affecting the auditory streaming stimulus 18 1.7. Goals of this thesis 18 1.7.1. Overview of the thesis 18 2. Parameter dependence in visual pattern-component rivalry at onset and during prolonged viewing 21 2.1. Introduction 21 2.2. Methods 24 2.2.1. Participants 24 2.2.2. Setup 24 2.2.3. Stimuli 25 2.2.4. Procedure 26 2.2.5. Analysis 27 2.2.6. (Generalized) linear mixed-effects models 30 2.3. Results 30 2.3.1. Experiment 1 30 2.3.1.1. Relative number of integrated percepts 31 2.3.1.2. Generalized linear mixed-effects model 32 2.3.1.3. Dominance durations 33 2.3.1.4. Linear mixed-effects models 33 2.3.1.5. Control: Disambiguated trials 33 2.3.1.6. Time course of percept reports at onset 34 2.3.1.7. Eye movements 35 2.3.2. Experiment 2 36 2.3.2.1. Relative number of percepts 36 2.3.2.2. Generalized linear mixed-effects model 37 2.3.2.3. Dominance durations 38 2.3.2.4. Linear mixed-effects model 38 2.3.2.5. Control: Disambiguated trials 40 2.3.2.6. Time course of percept reports at onset 42 2.3.2.7. Eye movements 44 2.4. Discussion 45 2.5. Appendix 49 2.5.1. Appendix A 49 3. Perceptual history 51 3.1. Markov chains 52 3.1.1. Markov chains of order 1 and 2 52 3.2. Testing for Markov chains 55 3.2.1. The method of Naber and colleagues (2010) 56 3.2.1.1. The method 56 3.2.1.2. Advantages and disadvantages of the method 56 3.2.2. Further methods for testing Markov chains 57 3.3. Summary and discussion 58 4. Sequential stopping rules 60 4.1. The COAST rule 61 4.2. The CLAST rule 61 4.3. The variable criteria sequential stopping rule 61 4.4. Discussion 62 4.5. Using the vcSSR when transferring an effect from audition to vision 64 5. Predictability in visual multistability 66 5.1. Pretests 66 5.2. Predictability effects in visual pattern-component rivalry 69 5.2.1. Introduction 69 5.2.2. Methods 71 5.2.2.1. Participants 71 5.2.2.2. Setup 72 5.2.2.3. Stimuli 73 5.2.2.4. Conditions 73 5.2.2.5. Design and procedure 73 5.2.2.6. Analysis 74 5.2.3. Results 75 5.2.3.1. Valid reports 75 5.2.3.2. Verification of reports by eye movements 76 5.2.3.3. Onset latency 76 5.2.3.4. Dominance durations 78 5.2.3.5. Relative dominance of the segregated percept 78 5.2.4. Discussion 78 6. General discussion 83 6.1. Reporting percepts 83 6.1.1. Providing two versus three response options 83 6.1.2. Stimuli with more than three percepts 84 6.1.3. When to pool percepts together and when not 84 6.1.4. Leaving out percepts 87 6.1.5. Measuring (unreported) percepts 88 6.2. Comparing influencing factors on different levels 88 6.3. The use of the vcSSR 90 6.4. Valid reports 90 6.5. Conclusion 93 References 94

No / The eye rotation approach for measuring peripheral eye length leads to concern about whether the rotation influences results, such as through pressure exerted by eyelids or extra-ocular muscles. This study investigated whether this approach is valid. Peripheral eye lengths were measured with a Lenstar LS 900 biometer for eye rotation and no-eye rotation conditions (head rotation for horizontal meridian and instrument rotation for vertical meridian). Measurements were made for 23 healthy young adults along the horizontal visual field (+/- 30 degrees ) and, for a subset of eight participants along the vertical visual field (+/- 25 degrees ). To investigate the influence of the duration of eye rotation, for six participants measurements were made at 0, 60, 120, 180 and 210 s after eye rotation to +/- 30 degrees along horizontal and vertical visual fields. Peripheral eye lengths were not significantly different for the conditions along the vertical meridian (F1,7 = 0.16, p = 0.71). The peripheral eye lengths for the conditions were significantly different along the horizontal meridian (F1,22 = 4.85, p = 0.04), although not at individual positions (p >/= 0.10) and were not important. There were no apparent differences between the emmetropic and myopic groups. There was no significant change in eye length at any position after maintaining position for 210 s. Eye rotation and no-eye rotation conditions were similar for measuring peripheral eye lengths along horizontal and vertical visual field meridians at +/- 30 degrees and +/- 25 degrees , respectively. Either condition can be used to estimate retinal shape from peripheral eye lengths.

Zweitveröffentlichung / Obwohl Blickbewegungen einen elementaren Bestandteil des natürlichen Sehens darstellen, werden hirnelektrische Korrelate der visuellen Verarbeitung im Elektroenzephalogramm (EEG) zumeist während passiver Stimulation des ruhenden Auges erfasst. Ein alternativer methodischer Zugang ist die Kopplung des EEG an Beginn oder Ende natürlich auftretender Augenbewegungen mit Hilfe simultanen, hochauflösenden Eye-Trackings (ET). Die resultierenden sakkaden- bzw. fixationskorrelierten Potentiale (SRPs/FRPs) wurden in zwei Forschungskontexten untersucht und angewendet. Der erste Teil der Arbeit (Publikation 1 & 2) befasst sich mit den elektrophysiologischen Korrelaten von Mikrosakkaden, unwillkürlichen Fixationsaugenbewegungen die auch während traditioneller EEG-Messungen auftreten. Es wird gezeigt, dass Mikrosakkaden trotz ihrer geringen Amplitude eine wesentliche, aber mit herkömmlichen Methoden kaum auszuschließende Quelle muskulärer und kortikaler Aktivität im EEG darstellen (mikrosakkadische SRPs), welche in der Mehrzahl experimenteller Durchgängen aktiv ist, und zur Fehlinterpretation reizgekoppelter Potentiale führen kann. Der zweite Teil der Arbeit demonstriert die Machbarkeit und Nützlichkeit von FRP-Analysen zur Untersuchung hirnelektrischer Prozesse beim Lesen. In Publikation 3 werden Einflüsse verschiedener Messartefakte sowie visuell-evozierter, motorischer und kognitiv modulierter Potentiale auf die FRP-Wellenform beschrieben und Methoden zur Signaloptimierung vorgeschlagen. Wir zeigen, dass sich im natürlichen Satzlesen der klassische N400 Wortvorhersagbarkeitseffekt reproduzieren und in Bezug zu Maßen der Fixationsdauer setzen lässt. In Publikation 4 wurde mittels FRPs das Ausmaß der parafovealen Wortverarbeitung bestimmt. Simultanes ET ist eine sinnvolle Ergänzung zur bestehenden EEG-Methodik, sowohl zur Kontrolle von Mikroaugenbewegungen, als auch zur Erforschung natürlichen Blickbewegungsverhaltens und Integration von Befunden der ET- und EEG-Forschung. / Although natural vision involves an active sampling of the environment with several saccadic eye movements per second, electroencephalographic (EEG) correlates of visual cognition are predominantly recorded under artificial conditions of prolonged fixation. An alternative approach to EEG analysis, explored in the present thesis, is to time-lock the signal not to passive stimulations, but to the on- or offsets of naturally occurring eye movements, yielding saccade- and fixation-related potentials (SRPs/FRPs). Using simultaneous high-resolution eye-tracking (ET), this technique was applied in two contexts. The first part of the thesis (publications 1 & 2) investigated brain-electric correlates of microsaccades, small involuntary eye movements, which occur despite attempted fixation during traditional EEG paradigms. In a series of experiments, we show that SRPs from microsaccades present a significant, but normally hidden source of visuocortical potentials that is active in most trials and can confound the interpretation of stimulus-locked data under specific conditions. The second part of the thesis assessed the feasibility and utility of using FRPs in the study of natural reading. Publication 3 provides a review of artifact sources, low-level factors, and high-level influences determining the FRP waveform in free viewing and proposes methods to optimize signal quality. We then replicate the N400 word predictability effect, a cornerstone of neurolinguistic research, in left-to-right sentence reading and relate N400 amplitude to measures of fixation time. In publication 4, the FRP technique was combined with gaze-contingent display manipulations to investigate the depth of parafoveal preprocessing in fluent reading. Our results show that simultaneous recordings improve the understanding of electrophysiological data recorded during fixation, extend the EEG’s methodological scope to naturalistic viewing scenarios, and help to integrate findings from EEG and ET research.

В современном мире машинное обучение и анализ данных широко применяются в науке и технике, в том числе в медицинской диагностике и исследовании окуломоторной активности. Окулография, изучающая движения глаз, становится всё популярнее в медицинских областях, включая неврологию. В работе описывается процесс извлечение и классификация признаков из окулографических данных двух групп риска испытуемых с целью выявления наличия заболевания дислексии с использованием различных подходов и методов машинного обучения. / In modern world, machine learning and data analysis are widely used in science and technology, including in medical diagnostics and research of oculomotor activity. Oculography, studying eye movements, becomes more and more popular in medical fields, including neurology. This work describes the process of extracting and classifying features from oculographic data of two risk groups of subjects in order to detect the presence of dyslexia using various machine learning approaches and methods.

Wir können Mathematikleistungen über fluide Intelligenz (FI) vorhersagen. Der Einfluss von FI auf kognitive Prozesse und neuronale Mechanismen, die mathematischen Fähigkeiten in verschiedenen Teildisziplinen zugrunde liegen, ist jedoch wenig verstanden. Vorliegende Arbeit spezifiziert FI-bezogene Unterschiede in diesen Prozessen und Mechanismen beim Lösen von Geometrie-, Arithmetik- und Algebra-Aufgaben. Mithilfe eines multimethodalen Ansatzes beleuchtet sie das Zusammenspiel zwischen FI, Leistung und Faktoren wie Aufgabenkomplexität, Lernen und Strategiewahl, die kognitive Prozesse und Anforderungen beim Problemlösen beeinflussen. Leistungsunterschiede wurden durch Messung von Reaktionszeiten und Fehlerraten, Strategien durch Augenbewegungsanalyse erfasst. Als Indikator kortikaler Aktivität diente die ereigniskorrelierte (De-)Synchronisation (ERD/ERS) im Alpha-Band. Um kognitive Prozesse zu unterscheiden, haben wir die ERD/ERS im Theta-Band und den Alpha-Unterbändern einbezogen. Beim Lösen unvertrauter geometrischer Analogien zeichnete sich hohe FI durch verstärkte Verarbeitung visuell-räumlicher Informationen zum Repräsentieren von Merkmalszusammenhängen aus. Schüler mit hoher FI passten ihre Strategiewahl den Anforderungen flexibler an. Erstmals konnten wir durch trialweise Identifikation von Strategien FI-bezogene Unterschiede in der neuronalen Effizienz der Strategieausführung feststellen. Beim Lösen vertrauter arithmetischer und algebraischer Terme zeigten sich bei Schülern mit hoher im Vergleich zu Schülern mit durchschnittlicher FI geringere Anforderungen zur Aktualisierung numerischer Repräsentationen und eine bessere Leistung in komplexen Aufgaben. Weitere Analysen legen nahe, dass Schüler mit hoher FI Zusammenhänge in der Aufgabenstruktur besser erkennen und passende Routinen abrufen können. Die Fähigkeit Zusammenhangsrepräsentationen zu bilden könnte demnach ein Schlüsselaspekt zur Erklärung FI-abhängiger Unterschiede in mathematischen Fähigkeiten sein. / Fluid intelligence (FI) is a strong predictor of mathematical performance. However, the impact of FI on cognitive processes and neural mechanisms underlying differences in mathematical abilities across different subdivisions is not well understood. The present work specifies FI-related differences in these processes and mechanisms for students solving geometric, arithmetic, and algebraic problems. We chose a multi-methodological approach to shed light on the interplay between FI, performance, and factors such as task complexity, learning, and strategy selection that influence cognitive processes and task demands in problem-solving. We measured response times and error rates to evaluate performance, eye movements to identify solution strategies, and the event-related (de-)synchronization (ERD/ERS) in the broad alpha band as indicator of general cortical activity. Further, we considered the ERD/ERS in the theta band and the alpha sub-bands to distinguish between associated cognitive processes. For unfamiliar geometric analogy tasks, students with high FI built relational representations based on a more intense processing of spatial information. Strategy analyses revealed a more adaptive strategy choice in response to increasing task demands compared to students with average FI. Further, we conducted the first study identifying strategies and related cortical activity trial-wise and thereby identified FI-related differences in the neural efficiency of strategy execution. For solving familiar arithmetic and algebraic problems, high compared to average FI was associated with lower demands on the updating of numbers leading to a better performance in complex tasks. Further analyses suggest that students with high FI had an advantage to identify the relational structure of the problems and to retrieve routines that match this structure. Thus, the ability to build relational representations might be one key aspect explaining FI-related difference in mathematical abilities.

Visuelle Information wird am schärfsten wahrgenommen, wenn sie im Zentrum des Sichtfeldes (der Fovea) erscheint. Um relevante Reize mit fovealer Sehschärfe betrachten zu können, führen wir regelmäßig schnelle, ruckartige Augenbewegungen aus, die als Sakkaden bezeichnet werden. Über Jahrzehnte hinweg wurde der Einfluss der Sakkadenvorbereitung auf visuelle Sensitivität am peripheren Augenbewegungsziel untersucht. Gleichzeitig ist überraschend wenig darüber bekannt, wie sich unsere visuelle Wahrnehmung im gegenwärtigen Blickzentrum verändert, bevor eine Sakkade ausgeführt wird. Die in dieser Dissertation vorgestellten Experimente deuten darauf hin, dass foveales Sehen prädiktiv agiert: Definierende Merkmale des Augenbewegungsziels werden am präsakkadischen Fixationsort verstärkt wahrgenommen und somit im Zentrum des Sichtfeldes vorhergesagt. Diese präsakkadische Wahrnehmungsverstärkung zeigte sich als erhöhte Trefferraten für foveal präsentierte Reize, die die gleiche Orientierung wie das Sakkadenziel aufwiesen, sowie als systematisches Antwortverhalten auf zielkongruente Orientierungsinformation in foveal gezeigtem Rauschen. Foveale Vorhersagen waren auf einen kleinen räumlichen Radius um das Blickzentrum beschränkt, während der Sakkadenvorbereitung stärker ausgeprägt als unter Fixation und skalierten mit dem Signal-Rausch-Verhältnis von Orientierungsinformation am Augenbewegungsziel. Wir beobachteten darüber hinaus eine Interaktion zwischen der peripheren Auflösung des Sakkadenziels und dem Raumfrequenzinhalt foveal vorhergesagter Orientierungsinformation. Diese Interaktion legt nahe, dass das Sakkadenziel in seiner präsakkadischen Auflösung foveal antizipiert wurde. Zusammenfassend deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass foveales Sehen einen aktiven Beitrag zur Herstellung visueller Kontinuität leistet. Ein Sakkadenziel wird bereits vor der Bewegung foveal verarbeitet, was einen nahtlosen perzeptuellen Übergang ermöglicht, sobald die Augen auf dem Ziel landen. / Human vision is sharpest in the central part of the visual field (the fovea) and becomes increasingly blurry towards the periphery. To bring relevant information into foveal vision, we frequently execute rapid large-scale eye movements called saccades. Decades of research have characterized the impact of saccade preparation on visual sensitivity at the target of the imminent eye movement. Surprisingly, little is known about the concurrent development of perception in the pre-saccadic center of gaze. This dissertation proposes that foveal processing operates predictively while an eye movement is prepared to a peripheral visual field location: Defining features of the eye movement target are enhanced in the pre-saccadic center of gaze, anticipating the incoming post-saccadic image. In our investigations, enhancement manifested as increased Hit Rates for foveal probes with target-congruent orientation and systematic responses to target-similar orientation information in foveally presented noise. Foveal enhancement was confined to a small spatial region surrounding the pre-saccadic center of gaze, more pronounced during eye movement preparation than during passive fixation, and increased with the signal-to-noise ratio of orientation information at the target location. Intriguingly, we observed an interaction between the pre-saccadic peripheral resolution of the saccade target and the spatial frequency range of foveally enhanced information, suggesting that foveal predictions draw on instantaneous peripheral input. Finally, using a full-screen motion paradigm, we characterize reflexive gaze responses that may provide a continuous oculomotor readout of target anticipation in humans and non-human primates. Combined, our findings suggest an active contribution of foveal processing to transsaccadic visual continuity. Foveal processing of eye movement targets commences before the movement is executed, enabling a seamless perceptual transition immediately upon saccade landing.

Anxiety can be advantageous in terms of survival and well-being, yet atypically high levels may be maladaptive and result in the clinical diagnosis of an anxiety disorder. Several risk factors have been implicated in the manifestation of clinical anxiety, including cognitive biases. In recent years, a plethora of research has emerged demonstrating that anxious adults exhibit biases of attention for threatening stimuli, especially that which is biologically relevant (e.g., facial expressions). Specific components of attentional bias have also been identified, namely facilitated engagement, impaired disengagement, and avoidance. However, the majority of studies have focused on the spatial domain of attention. Furthermore, the area is under-researched in children, despite research demonstrating that symptoms relating to clinical and non-clinical anxiety follow a stable course from childhood through to adolescence and adulthood. Consequently, the aim of this thesis was to investigate how anxiety affects children’s visual attention for emotive, particularly angry, faces. In order to provide a more comprehensive understanding, the current research involved examining the role of temporal and spatial attention utilising rapid serial visual presentation with the attentional blink, and the visual probe paradigm, respectively. The main hypothesis was that high state and/or trait anxiety would be associated with an attentional bias for angry, relative to positive or neutral faces in both the temporal and spatial domains. In relation to the temporal domain, key findings demonstrated that high levels of trait anxiety were associated with facilitated engagement towards both angry and neutral faces. It was further found that all children rapidly disengaged attention away from angry faces. Findings related to the processing of angry faces accorded with the main hypothesis stated in this thesis, as well as research and theory in the area. The finding that anxious children preferentially processed neutral faces in an attentional blink investigation was unexpected. This was argued to potentially reflect this stimulus type being interpreted as threatening. Key findings regarding the spatial domain were that high trait anxious children displayed an early covert bias of attention away from happy faces and a later, overt bias of attention away from angry faces. The finding that high trait anxiety was linked to an attentional bias away from happy faces in a visual probe task was also unexpected. This was argued to potentially reflect smiling faces being interpreted as signifying social dominance, thus resulting in the viewer experiencing feelings of subordination and becoming avoidant and/or submissive. To conclude, this thesis has enhanced current knowledge of attentional bias in both the temporal and spatial domains for emotive stimuli in anxious children. It has demonstrated that higher levels of trait anxiety moderate children’s allocation of attentional resources to different stimulus types, whether these are threatening, positive, or neutral. This has important implications for evaluating past research in adults and children, and for further developing theoretical models of attentional bias and anxiety. It also offers important clinical implications, since attending towards or away from specific stimuli may affect the development and maintenance of anxiety disorders. Recently, a treatment that aims to modify attentional bias in anxious individuals has begun to be developed. In light of the present findings, it may be necessary to review this treatment so that anxious children are re-trained in the specific biases of attention demonstrated here.

Technology pervades our daily living, and is increasingly integrated into the vehicle – directly affecting driving. On the one hand technology such as cell phones provoke driver distraction and inattention, whereas, on the other hand, Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) support the driver in the driving task. The question is, can a driver successfully adapt to the ever growing technological advancements? Thus, this thesis aimed at improving safe driver behaviour by understanding the underlying psychological mechanisms that influence behavioural change. Previous research on ADAS and human attention was reviewed in the context of driver behavioural adaptation. Empirical data from multiple data sources such as driving performance data, visual behaviour data, video footage, and subjective data were analyzed to evaluate two ADAS (a brake-capacity forward collision warning system, B-FCW, and a Visual Distraction Alert System, VDA-System). Results from a field operational test (EuroFOT) showed that brake-capacity forward collision warnings lead to immediate attention allocation toward the roadway and drivers hit the brake, yet change their initial response later on by directing their eyes toward the warning source in the instrument cluster. A similar phenomenon of drivers changing initial behaviour was found in a driving simulator study assessing a Visual Distraction Alert System. Analysis showed that a Visual Distraction Alert System successfully assists drivers in redirecting attention to the relevant aspects of the driving task and significantly improves driving performance. The effects are discussed with regard to behavioural adaptation, calibration and system acceptance. Based on these findings a novel assessment for human-machine-interaction (HMI) of ADAS was introduced. Based on the contribution of this thesis and previous best-practices, a holistic safety management model on accident prevention strategies (before, during and after driving) was developed. The DO-IT BEST Feedback Model is a comprehensive feedback strategy including driver feedback at various time scales and therefore is expected to provide an added benefit for distraction and inattention prevention. The central contributions of this work are to advance research in the field of traffic psychology in the context of attention allocation strategies, and to improve the ability to design future safety systems with the human factor in focus. The thesis consists of the introduction of the conducted research, six publications in full text and a comprehensive conclusion of the publications. In brief this thesis intends to improve safe driver behaviour by understanding the underlying psychological mechanisms that influence behavioral change, thereby resulting in more attention allocation to the forward roadway, and improved vehicle control. / Technologie durchdringt unser tägliches Leben und ist zunehmend integriert in Fahrzeuge – das Resultat sind veränderte Anforderungen an Fahrzeugführer. Einerseits besteht die Gefahr, dass er durch die Bedienung innovativer Technologien (z.B. Mobiltelefone) unachtsam wird und visuell abgelenkt ist, andererseits kann die Nutzung von Fahrerassistenzsystemen die den Fahrer bei der Fahraufgabe unterstützten einen wertvollen Beitrag zur Fahrsicherheit bieten. Die steigende Aktualität beider Problematiken wirft die Frage auf: "Kann der Fahrer sich erfolgreich dem ständig wachsenden technologischen Fortschritt anpassen?" Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Erkenntnisgewinn zur Verbesserung des Fahrverhaltens indem der Verhaltensänderungen zugrunde liegende psychologische Mechanismen untersucht werden. Eine Vielzahl an Literatur zu Fahrerassistenzsystemen und Aufmerksamkeitsverteilung wurde vor dem Hintergrund von Verhaltensanpassung der Fahrer recherchiert. Daten mehrerer empirischer Quellen, z. B. Fahrverhalten, Blickbewegungen, Videomitschnitte und subjektive Daten dienten zur Datenauswertung zweier Fahrerassistenzsysteme. Im Rahmen einer Feldstudie zeigte sich, dass Bremskapazitäts-Kollisionswarnungen zur sofortigen visuellen Aufmerksamkeitsverteilung zur Fahrbahn und zum Bremsen führen, Fahrer allerdings ihre Reaktion anpassen indem sie zur Warnanzeige im Kombinationsinstrument schauen. Ein anderes Phänomen der Verhaltensanpassung wurde in einer Fahrsimulatorstudie zur Untersuchung eines Ablenkungswarnsystems, das dabei hilft die Blicke von Autofahrern stets auf die Straße zu lenken, gefunden. Diese Ergebnisse weisen nach, dass solch ein System unterstützt achtsamer zu sein und sicherer zu fahren. Die vorliegenden Befunde wurden im Zusammenhang zu Vorbefunden zur Verhaltensanpassung zu Fahrerassistenzsystemen, Fahrerkalibrierung und Akzeptanz von Technik diskutiert. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde ein neues Vorgehen zur Untersuchung von Mensch- Maschine-Interaktion eingeführt. Aufbauend auf den Resultaten der vorliegenden Arbeit wurde ein ganzheitliches Modell zur Fahrsicherheit und -management, das DO-IT BEST Feedback Modell, entwickelt. Das Modell bezieht sich auf multitemporale Fahrer-Feedbackstrategien und soll somit einen entscheidenen Beitrag zur Verkehrssicherheit und dem Umgang mit Fahrerunaufmerksamkeit leisten. Die zentralen Beiträge dieser Arbeit sind die Gewinnung neuer Erkenntnisse in den Bereichen der Angewandten Psychologie und der Verkehrspsychologie in den Kontexten der Aufmerksamkeitsverteilung und der Verbesserung der Gestaltung von Fahrerassistenzsystemen fokusierend auf den Bediener. Die Dissertation besteht aus einem Einleitungsteil, drei empirischen Beiträgen sowie drei Buchkapiteln und einer abschliessenden Zusammenfassung.