Mit der wachsenden Notwendigkeit zur Zusammenarbeit von Personen an unterschiedlichen Standorten gewinnt eine effektive Gestaltung technisch mediierter Kommunikation an Bedeutung. Ein wesentliches Problem liegt dabei darin, nonverbale Kommunikationsinhalte so zu übertragen, dass klare Bezüge zwischen der Aufmerksamkeit des Partners und den gemeinsamen Arbeitsobjekten hergestellt werden können. Da Blickbewegungen einen räumlich und zeitlich hochauflösenden Zugang zu Aufmerksamkeitsprozessen ermöglichen, kann ihre Übertragung als Cursor auf dem Bildschirm des Partners zu Verbesserungen im gegenseitigen Verständnis und damit auch der kooperativen Leistung führen. Eine detaillierte Untersuchung der Wirkweise von Blickfeedback und vor allem ein kritischer Vergleich mit herkömmlichen Formen der Cursorübertragung stehen jedoch noch aus. In drei Studien mit insgesamt sechs Experimenten wurde in dieser Dissertation untersucht, wie sich eine Blickübertragung auf den Prozess der technisch mediierten Kommunikation auswirken kann. In der ersten Studie nutzten Personen ihren Blick zur Kommunikation von Bildinhalten. Es wurde geprüft, wie sich Blickparameter im Rahmen einer solchen intentional-kommunikativen Verwendung von Blickbewegungen unterscheiden, die lediglich der Aufnahme von Informationen dienen. Dieser Vergleich wurde bei freier Bildbetrachtung sowie im Rahmen einer restriktiver definierten Aufgabe durchgeführt, in der zu beachtende Bereiche vorab definiert waren. Die zweite Studie kontrastiert im Kontext von Puzzleaufgaben die Übertragung des Partnerblickes mit einer rein verbalen Interaktion und der Rückmeldung seiner Mausbewegungen. Während die Interaktivität zwischen den Partnern variiert wurde, standen sowohl Aufgabenleistung als auch der kommunikative Prozess an sich im Fokus der Untersuchungen. Zu diesem Zwecke wurden verbale Äußerungen der Partner, einzelne Handlungen auf dem Weg zur Lösung und Parameter der Blickbewegungen betrachtet. In der dritten Studie wurde der übertragene Blick genutzt, um mithilfe eines beweglichen Fensters diejenigen Bildbereiche sichtbar zu machen, die der Partner zur Lösung benötigte. Blickübertragung wurde auch hier mit dem Mauszeigen verglichen. Dabei wurde die Sichtbarkeit aufgabenrelevanter Objekte für den fensterverschiebenden Assistenten variiert und geprüft, wie sich dies auf die Koordination gemeinsamer Handlungen unter Verwendung beider Cursortypen auswirkte. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass eine kommunikative Nutzung von Blickbewegungen in visuell-räumlichen Aufgaben zu Leistungsverbesserungen im Vergleich zur rein sprachlichen Kommunikation führen kann. Verglichen mit der Mausübertragung geht Blickübertragung mit einer geringeren Sicherheit über die Cursorintention und die damit verbundene Handlungsrelevanz des Blickes einher. Dieses Problem besteht vor allem in interaktiven, weniger strukturierten Aufgaben und in Situationen, in denen der Partnerblick nicht zu den Objekten in Bezug gesetzt werden kann, auf die er sich bezieht. Anhand der Ergebnisse werden Potentiale und Schwierigkeiten in der Übertragung von Blickbewegungen diskutiert. Es werden Vorschläge unterbreitet, in welchen Kontexten ihr Einsatz zur Verbesserung der technisch mediierten Kommunikation sinnvoll sein kann und was bei der Gestaltung solcher Anwendungen beachtet werden sollte.

Syftet med denna studie är att undersöka vilken information om matematiska strategier som går att urskilja ur en persons ögonrörelser vid en undersökning med en enklare typ av eye-tracker. Eye-tracking är en metod som gör det möjligt att studera människors ögonrörelser genom att följa den visuella uppmärksamheten utifrån vart en person tittar. I studien används en stationär eye-tracker för att kunna mäta ögonrörelserna. I den här studien har eye-tracking-undersökningar genomförts med två deltagare som tittar på och löser matematiska uppgifter som kräver prioritering. Den här studien använder en billig (kostar cirka 1000 SEK) kommersiell eye-tracker med ett egentillverkat datainsamlingsprogram. Resultatet av studien visade att det gick att utläsa information och baserat på det gick det att tolka att deltagarna verkligen använde sig av prioriteringsreglerna vid uppgifterna. / The aim of this study is to investigate what information can be gathered by studying a person’s eye movements with a simpler kind of eye-tracker device. Eye-tracking is a technique that allows studying eye movements. In this study a stationary eye-tracking device was used to study and measure eye movements. This study is an original eyetracking study, consisting of two participants who solved mathematical problems that require the use of order of operations whilst wearing an eye-tracker device. The device was a relatively cheap (cost around 1000 SEK) commercial eye-tracker with a home-made data acquisition software system. The result of the study is that it is indeed possible to collect and interpret information using an eye-tracker. Based on the results the conclusion can be made that the participants used the order of operations to solve the assignments.

Les technologies de relief tridimensionnel (3D) ont récemment reçu un nouvel attrait. Lesraisons potentielles sont que ces technologies peuvent fournir une expérience visuelle plusriche et plus immersive. En effet, un observateur peut extraire les disparités binoculairesprésentées entre les vues gauche et droite, pour retrouver plus efficacement la profondeur dela scène visuelle observée, et ainsi, trouver une nouvelle dimension dans le contenu.Cependant, tandis que la valeur de la profondeur est plutôt bien appréciée, un certain nombrede problèmes qui impactent la qualité de l’expérience dans les représentations 3D ont étéidentifiés. L’objective de cette thèse est d’étudier les principaux facteurs qui affectent laqualité de l’expérience en stéréoscopie dans le but de fournir des méthodes qui pourraientaméliorer l’utilisation des systèmes stéréoscopiques. Trois aspects majeurs de la qualité del’expérience sont adressés : (1) les sources et causes de la fatigue visuelle, (2) les distorsionsperceptives et (3) l’amélioration de la qualité de l’expérience en 3D au travers de l’adaptationdu contenu visuel. Pour étudier la fatigue visuelle, les mouvements de vergence étaientmesurés à la fois avec un écran 3D et avec un système à double écran qui permettaient laprésentation de stimuli avec les informations de disparité et de flou présentés en congruencecomme en incongruence. L’effet de la stéréoscopie sur les mouvements de vergence a étéétudié dans le but de tester si la mesure oculaire pouvait être utilisée comme indicateur defatigue visuelle. Le sujet suivant étudiait la consistance de la perception des formes 3Dstéréoscopiques en fonction de distances virtuelles induites par la disparité et par le signald’accommodation. Le rôle de la taille de la pupille et de la profondeur de champ enstéréoscopie étaient étudiés par la manipulation de la taille de la pupille avec deux conditionsd’illumination contrôlée. Finalement, l’amélioration de la perception de la forme 3D estquestionnée au travers de l’adaptation du contenu visuel en fonction de la mesure de seuilsperceptifs individuels pour des stimuli se déplaçant en profondeur. / Stereoscopic 3-Dimensional (S3D) technology has recently received growing attraction,potentially because it provides a more informative and more immersive visual experience.Indeed, the viewer may extract the binocular disparities displayed between the left and theright views, more efficiently retrieve the depth of the observed visual scene, and thus, givevisual content another dimension. However, while the additional value of depth is ratherappreciated, a number of problems have been raised that impact the Quality of Experience(QoE) in S3D representations. The objective of this thesis is to investigate the main factorsaffecting QoE in stereopsis in order to provide guidelines towards the improvement andfurther use of stereoscopic systems. Three main aspects of QoE in S3D are addressed: (1) thesources and causes of visual fatigue, (2) the perceptual distortions arising in S3D and, (3) theimprovement of S3D QoE through content adaptation. To study visual fatigue in S3D,vergence eye movements were measured both in S3D display and in dual-screen display thatenables the presentation of matched disparity and defocus stimuli. The effect of stereopsis onvergence movements was studied so as to test whether vergence tracking can be used asindicator of visual fatigue. The next topic investigated the consistency in stereoscopic 3Dshape perception as a function of vergence distance and accommodation distance. The role ofthe pupil size and the depth of focus in S3D were evaluated by manipulating the pupilaperture with two controlled lighting conditions. Finally, the improvement of 3D shapeperception is addressed through content adaptation according to individual perceptionthresholds measurement for motion-in-depth stimuli.

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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.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Huntington disease (HD) is an autosomal dominant disorder characterized by progressive decline of motor, cognitive, and behavioral function. Saccades (rapid, gaze-shifting eye movements) are affected before a clinical diagnosis of HD is certain (i.e. during the premanifest period of the disease). Fundamental questions remain regarding the neural substrates of abnormal saccades and the course of premanifest disease. This work addressed these questions using magnetic resonance imaging (MRI) and a longitudinal study of premanifest disease progression. Gray matter atrophy is a characteristic of HD that can be reliably detected during the premanifest period, but it is not known how such changes influence saccadic behavior. We evaluated antisaccades (AS) and memory guided saccades (MG) in premanifest and manifest HD, then tested for associations between impaired saccadic measures and gray matter atrophy in brain regions involved in these saccadic tasks. The results suggest that slowed vertical AS responses indicate cortical and subcortical atrophy and may be a noninvasive marker of atrophic changes in the brain. We also investigated the brain changes that underlie AS impairment using an event-related AS design with functional MRI (fMRI). We found that, in premanifest and manifest HD, blood oxygenation level dependent (BOLD) response was abnormally absent in the pre-supplementary motor area and dorsal anterior cingulate cortex following incorrect AS responses. These results are the first to suggest that abnormalities in an error-related response network underlie early disease-related saccadic changes, and they emphasize the important influence of regions outside the striatum and frontal cortex in disease manifestations. Though saccadic abnormalities have been repeatedly observed cross sectionally, they have not yet been studied longitudinally in premanifest HD. We found different patterns of decline; for some measures the rate of decline increased as individuals approached onset, while for others the rate was constant throughout the premanifest period. These results establish the effectiveness of saccadic measures in tracking premanifest disease progression, and argue for their use in clinical trials. Together, these studies establish the utility of saccade measures as a marker of HD neurodegeneration and suggest that they would be a valuable component of batteries evaluating the efficacy of neuroprotective therapies.

Clinicians are becoming increasingly aware of the effect of various pathologieso n the characteristicso f saccadice ye movements.A s such, an efficient and non-invasivem eano f measuringe ye-movementisn a clinical environmenti s of interest to many. The aim of this thesis is to investigate the clinical application of a non-invasive eye movement recording technique as a part of a clinical examination. Eye movements were measured using an IRIS 6500 infrared limbal eye tracker, which we customized for the direct recording of oblique eye movements as well as horizontal and vertical. Firstly, the eye-tracker itself was assessed. Visually normal observers made saccadic eye movements to a 10' stimulus in eight directions of gaze. Primary (ANOVA) and secondary analyses (mean error less than 5%) resulted in acceptance that averaging four measurements would give a representative measurement of saccadic latency, peak velocity, amplitude and duration. Test-retest results indicated that this technique gives statistically (± 1.96*STDEVDifference) repeatable responses. Severalf actors that could potentially influence clinically basedm easureso f eye-movementsw ere examined. These included, the effect of ageing, viewing distances, dioptric blur and cataract. The results showed that saccadic latency and durationa re significantly (p< 0.05) longer in older (60-89 years)o bserversc ompared to younger (20-39 years). Peak velocity and amplitude were not significantly affectedb y the age of the observer.A ll saccadicp arameters( SP) were significantly affected by direction (Chapter 5). The compact nature of this eye movement methodology is obtainable since there is no significant effect on viewing distance (300 cm vs. 49 cm) (Chapter 6). There is also no significant effect of dioptric blur (up to +LOODS) on any of the four SP. In contrast, a higher level of defocus (+3.O ODS)h as a larger probability of interfering with the measurementso f peak velocity and duration (Chapter 7). Saccadice ye-movementsw ere also recorded whilst normally sighted subjects wore cataract simulation goggles. The results suggested that the presence of dense cataract introduces significant increases in saccadic latencies and durations. No effect was found on the peak velocities and amplitudes.T he effect of amblyopiao n SP was also investigatedin order to examine if this methodologyi s able to detectn ormal from abnormalr esponses(i . e. increased saccadicla tencies).T his set of data (Chapter9 ) showedt hat using IRIS 6500, longer than normal latencies may be recorded from the amblyopic eye but no consistent effect was found for the other SP (peak velocity, amplitude, duration). overall, the results of this thesis demonstrateth at the IRIS 6500 eye-tracker has many desirable elements (it is non-invasive; comfortable for the observers and gives repeatable and precise results in an acceptable time) that would potentially make it a useful clinical tool as a part of a routine examination.

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Im unter Ruhebedingungen abgeleiteten Elektroenzephalogramm (Ruhe-EEG) können Episoden niedergespannter EEG-Aktivität sowohl mit Schläfrigkeit, als auch mit geistiger Aktivität assoziiert sein. Aus diesem Grunde stellt niedergespannte EEG-Aktivität eine potentielle Fehlerquelle bei der Interpretation des Ruhe-EEGs dar. Wird niedergespannte EEG-Aktivität jedoch von für das Einschlafen charakteristischen, langsamen Augenbewegungen (Slow horizontal eye movements, SEM) begleitet, ist eine Assoziation mit geistiger Aktivität ausgeschlossen. Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Frage, ob niedergespannte EEG-Aktivität im Ruhe-EEG, welche von SEM begleitet wird (B1+), sich von solcher ohne begleitende SEM (B1-) hinsichtlich ihrer spektralen und räumlichen Zusammensetzung unterscheidet. Hierzu wurden 35 Ruhe-EEGs gesunder Probanden analysiert, welche jeweils mindestens 10s B1-, B1+ sowie 10s niedergespannter EEG-Aktivität während der Bearbeitung einer Kopfrechenaufgabe (calc) präsentierten. Unter Verwendung der Methode der standardized low resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA) wurden für calc, B1- und B1+ die kortikalen Stromdichteverteilungen in vier verschiedenen, individuell angepassten Frequenzbändern berechnet. Die statistische Auswertung ergab signifikante Unterschiede zwischen B1- und B1+: Es zeigte bei B1- sowohl im Delta- als auch im Theta-Band eine geringere Aktivität im Bereich des Cingulums sowie benachbarten Teilen der Frontal-, Parietal- und Okzipiallappen. Zusätzlich zeigte sich eine erhöhte Aktivität im Frequenzbereich des Beta-Bandes in den Temporallappen für B1- verglichen mit B1+. Der Vergleich von calc mit B1+ erbrachte ähnliche Resultate. Die Befunde lassen eine Zugehörigkeit von B1- zu einem, verglichen mit B1+ höheren Vigilanzniveau vermuten und liefern Evidenz für die Einteilung niedergespannter Episoden im Ruhe-EEG in solche mit und ohne begleitende SEM.

Parkinson’s disease and Essential tremor are the two most prevalent movement disorders in the world, but due to overlapping clinical symptoms, accurate differential diagnosis is difficult. As a result, approximately 60% of patients with movement disorders symptoms will have their diagnosis changed at least once before death. By their subjective nature, clinical exams are inherently imprecise, leading to the desire to create an objective, quantifiable test for movement disorders; a test that currently is elusive. Eye movements have been studied for a century, and are widely appreciated to be quantifiably affected in those with neurological disease. Through a collaborative effort between the VA hospital and VCU, over 1,000 movement disorder subjects had their eye movements recorded, utilizing an SR Research Eyelink 2. Patients with Parkinson’s disease exhibited an ocular gaze tremor during fixation, normal reflexive saccades, and reduced blink rate. Subjects with Essential tremor exhibited slowed saccadic dynamics, with increased latencies, in addition to a larger number of square wave jerk interruptions of otherwise stable fixation. After diagnostic features of each disorder were identified, prospective data collection could occur in a blinded fashion, and oculomotor features used to predict clinical diagnoses. It was determined that measures of fixation stability were capable of almost perfectly differentiating subjects with PD, and a novel, combined parameter was capable of similar results in ET. As a group, it appears as if these symptoms do not progress as the disease does, but subanalyses show that individual patients on constant pharmaceutical doses tracked over time do slightly change and progress. The near perfect separation of disease states suggest the ability of oculomotor recording to be a powerful biomarker to be used for the differential diagnosis of movement disorders. This tool could potentially impact and improve the lives of millions of people the world over.