Aufmerksamkeit auf visuelle Reize kann durch top-down Such- Strategien oder durch bottom-up Eigenschaften des visuellen Reizes gesteuert werden. Die Eigenschaft einer bestimmten Position, aus einer visuellen Szene heraus zu stechen, wird als Salienz bezeichnet. Es wird angenommen, dass auf neuronaler Ebene eine Salienzkarte existiert. Bis heute ist strittig, wo die Repräsentation einer solchen Karte im Gehirn lokalisiert sein könnte. Im Rahmen dieser Dissertation wurden drei Experimente durchgeführt, die verschiedene Aspekte von bottom-up Salienz-Verarbeitung mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie untersuchten. Während die Aufmerksamkeit auf einen Fixationspunkt gerichtet war, wurde die neuronale Reaktion auf unterschiedlich saliente Stimuli in der Peripherie untersucht. In den ersten zwei Experimenten wurde die neuronale Antwort auf Orientierungskontrast und Luminanzkontrast untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Salienz möglicherweise verteilt im visuellen System kodiert ist. Im dritten Experiment wurden natürliche Szenen als Stimuli verwendet. Im Einklang mit den Ergebnissen der ersten beiden Experimente wurde hier graduierte Salienz in frühen und späten visuellen Arealen identifiziert. Darüber hinaus konnten Informationen über die salientesten Positionen aus weiter anterior liegenden Arealen, wie dem anterioren intraparietalen Sulcus (aIPS) und dem frontalen Augenfeld (FAF), dekodiert werden. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse auf eine verteilte Salienzverarbeitung von unterschiedlichen low-level Merkmalen in frühen und späten visuellen Arealen hin, die möglicherweise zu einer merkmalsunabhängigen Salienzrepräsentation im posterioren intraparetalen Sulcus zusammengefasst werden. Verschiebungen der Aufmerksamkeit zu den salientesten Positionen werden dann im aIPS und im FAF vorbereitet. Da die Probanden mit einer Fixationsaufgabe beschäftigt waren, wird die Salienz vermutlich automatisch verarbeitet. / Attention to visual stimuli can be guided by top-down search strategies or by bottom-up information. The property of a specific position to stand out in a visual scene is referred to as saliency. On the neural level, a representation of a saliency map is assumed to exist. However, to date it is still unclear where such a representation is located in the brain. This dissertation describes three experiments that investigated different aspects of bottom-up saliency processing in the human brain using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Neural responses to different salient stimuli presented in the periphery were investigated while top-down attention was directed to the central fixation point. The first two experiments investigated the neural responses to orientation contrast and to luminance contrast. The results indicate that saliency is potentially encoded in a distributed fashion in the visual system and that a feature-independent saliency map is calculated late in the processing hierarchy. The third experiment used natural scenes as stimuli. Consistent with the results of the other two experiments, graded saliency was identified in striate and extrastriate visual cortex, in particular in posterior intraparietal sulcus (pIPS), potentially reflecting a representation of feature-independent saliency. Additionally information about the most salient positions could be decoded in more anterior brain regions, namely in anterior intraparietal sulcus (aIPS) and frontal eye fields (FEF). Taken together, the results suggest a distributed saliency processing of different low-level features in striate and extrastriate cortex that is potentially integrated to a feature-independent saliency representation in pIPS. Shifts of attention to the most salient positions are then prepared in aIPS and FEF. As participants were engaged in a fixation task, the saliency is presumably processed in an automatic manner.

Erfolgreiches willkürliches Verhalten beruht auf der Selektion verhaltensrelevanter perzeptueller Informationen durch Aufmerksamkeit und deren kurzzeitiger Speicherung im Arbeitsgedächtnis. Bisherige Untersuchungen legen eine sowohl anatomische als auch funktionelle Interaktion beider kognitiver Funktionen nahe, insbesondere eine selektive Fazilitierung visueller Verarbeitung durch Arbeitsgedächtnisrepräsentationen. In der hier vorliegenden Arbeit wurde ein Gedächtnissakkadenparadigma (Gedächtnisphase von 6 Sekunden) mit einer visuellen Diskriminationsaufgabe kombiniert, die 1500, 2500 oder 3500 ms nach Präsentation des Gedächtnisstimulus durchzuführen war. Im Gegensatz zu den Erwartungen wurde eine transiente Verlängerung der Reaktionszeiten auf Diskriminationsstimuli beobachtet, die an aktuell erinnerten räumlichen Positionen präsentiert worden waren. In einem Kontrollexperiment ohne mnestische Anforderungen trat dieser Effekt hingegen nicht auf. Darüber hinaus hing die verzögerte Diskrimination von der Präzision der Gedächtnissakkaden und somit von der Güte der Arbeitsgedächtnisrepräsentation ab. Die räumliche Verteilung der Inhibition zeigte eine sog. „Center-Surround“-Organisation, wie sie für lokale neuronale Netzwerke im visuellen und präfrontalen Kortex bekannt ist. Es wird ein aktiver inhibitorischer Mechanismus postuliert, der den durch räumliches Arbeitsgedächtnis induzierten fazilitierenden Effekten entgegenwirkt und somit eine flexible Orientierung zu neuen Informationen während der Repräsentation von behavioral relevanten Informationen im räumlichen Arbeitsgedächtnis ermöglicht. Ein neurophysiologisches Korrelat für diesen Mechanismus könnte inhibitorische Gedächtnisphasenaktivität im präfrontalen Kortex darstellen, die über direkte präfrontotektale Projektionen vermittelt wird. / Voluntary behavior critically depends on attentional selection and short-term maintenance of perceptual information. Recent research suggests a tight coupling of both cognitive functions with visual processing being selectively enhanced by working memory representations. Here, a memoryguided saccade paradigm (6-s delay) was combined with a visual discrimination task, performed either 1,500, 2,500, or 3,500 ms after presentation of the memory cue. Contrary to what can be expected from previous studies, the results show that memory of spatial cues can transiently delay speeded discrimination of stimuli presented at remembered locations. This effect was not observed in a control experiment without memory requirements. Furthermore, delayed discrimination was dependent on the strength of actual memory representations as reflected by accuracy of memory-guided saccades. The spatial distribution of the observed discrimination inhibition showed a center-surround-organization reminiscent of activation patterns of local neuronal networks in prefrontal and visual cortex. An active inhibitory mechanism is proposed that counteracts facilitating effects of spatial working memory, promoting flexible orienting to novel information during maintenance of spatial memoranda for intended actions. Inhibitory delay-period activity in prefrontal cortex is a likely source for this mechanism which may be mediated by prefronto-tectal projections.

Thesis (Ph.D.)--University of Bonn, Germany. / Includes bibliographical references and index.

Thesis (Ph.D.)--University of Bonn, Germany. / Includes bibliographical references and index. Also issued online.

Recently cognitive principles have been discussed for Conceptual Modeling with the aim to increase domain understanding, model comprehension and modeling efficiency. In particular, the principle of Perceptual Discriminability, which discusses the visual differences of modeling constructs, reveals potential for model comprehension if human attention is influenced in a way that important modeling constructs are more easily detected, and can hence faster be processed. Yet, so far no conditions how the human gaze can be influenced have been defined and evaluated for Conceptual Modeling. This dissertation extends Perceptual Discriminability for conditions to attract human attention for those constructs that are important for model comprehension. Furthermore, these conditions are applied to constructs of two different modeling grammars in general as well as to elements of the process flow of Business Process Models. To evaluate the results a laboratory experiment of extended Perceptual Discriminability is described in which significant differences have been identified for process flow comprehension. For the demonstration of the potential of extended Perceptual Discriminability BPMN secondary notation is improved by emphasizing those constructs that are most important for model comprehension. Therefore, those constructs that are important for model comprehension have been identified within a content analysis and have been worked on according to the conditions of extended Perceptual Discriminability for those visual variables that are free for an application in secondary notation.

Research documented the effectiveness of obesity surgery (OS) for long-term weight loss and improvements in medical and psychosocial sequelae, and general cognitive functioning. However, there is only preliminary evidence for changes in attentional processing of food cues after OS. This study longitudinally investigated visual attention towards food cues from pre- to 1-year post-surgery. Using eye tracking (ET) and a Visual Search Task (VST), attentional processing of food versus non-food cues was assessed in n = 32 patients with OS and n = 31 matched controls without weight-loss treatment at baseline and 1-year follow-up. Associations with experimentally assessed impulsivity and eating disorder psychopathology and the predictive value of changes in visual attention towards food cues for weight loss and eating behaviors were determined. During ET, both groups showed significant gaze duration biases to non-food cues without differences and changes over time. No attentional biases over group and time were found by the VST. Correlations between attentional data and clinical variables were sparse and not robust over time. Changes in visual attention did not predict weight loss and eating disorder psychopathology after OS. The present study provides support for a top-down regulation of visual attention to non-food cues in individuals with severe obesity. No changes in attentional processing of food cues were detected 1-year post-surgery. Further studies are needed with comparable methodology and longer follow-ups to clarify the role of biased visual attention towards food cues for long-term weight outcomes and eating behaviors after OS.

Über die psychologische Eignung von Fluglotsenbewerbern und Fluglotsenbewerberinnen wird mithilfe verschiedener wissenschaftlich entwickelter Selektionsverfahren in einem mehrstufigen Auswahlprozess entschieden. Typischerweise erfolgt in diesbezüglichen Eignungsuntersuchungen derzeit die Leistungserfassung in computerbasierten kognitiven Tests durch die Anzahl richtiger und falscher Antworten sowie mittels Reaktionszeiten – dabei bleibt bislang der Weg, der im besten Fall zur Lösung einer Aufgabe führt, weitgehend verborgen. Um tiefergehende Einsichten in die perzeptiven und kognitiven Prozesse zu erlangen und den Weg vom Beginn bis zum Ende der Bearbeitung einer visuellen Aufgabe transparent zu gestalten, bedarf es anderer Methoden – wie zum Beispiel der Methode der Blickbewegungsmessung. Hierbei werden die Blickbewegungen der zu untersuchenden Teilnehmenden während der Bearbeitung einer solchen Aufgabe aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. In Anbetracht der geringen Anzahl an Studien, die zur Beziehung zwischen dem interindividuellen Blickverhalten und kognitiven Leistungsunterschieden vorliegen, besteht ein deutlicher Bedarf an weiterführenden Untersuchungen zu dieser Thematik. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Erkenntnisse über die Verwendbarkeit einer berührungsfreien Blickbewegungsmessung im eignungsdiagnostischen Kontext der Luftfahrt – speziell bezüglich der Auswahl von Nachwuchsfluglotsen/innen am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) – zu erlangen. Zur Erforschung dieser Fragestellung wurden zwei umfangreiche Arbeitspakete definiert und umgesetzt – zum einen die Entwicklung eines geeigneten Testverfahrens – des Eye Movement CONnflict Detection Test (CON) –, zum anderen die Untersuchung von Blickbewegungen im Kontext der Eignungsdiagnostik anhand des CON. Zur Entwicklung dieses neuen Testverfahrens wurden drei Vorstudien und eine Expertenstudie durchgeführt. Zusammenfassend legten die Ergebnisse der oben genannten Studien sowie die der Hauptstudie nahe, dass mit dem CON ein objektives, reliables und valides Messinstrument für den Einsatz in Blickbewegungsstudien vorliegt. Auf der Basis des gegenwärtigen Kenntnisstands zur Beziehung zwischen Blickbewegungsparametern und kognitiven Leistungsunterschieden wurden für die vorliegende Arbeit Hypothesen abgeleitet und in der Hauptstudie (N = 113) in Korrelations- und Regressionsanalysen überprüft. Ergänzend zu den hypothesengeleiteten Analysen erfolgten explorative Berechnungen, die als Grundlage für die Generierung von Hypothesen für zukünftige Studien dienen können. Es kristallisierten sich vier Blickbewegungsparameter als Indikatoren für die kognitive Leistung im CON heraus: die Fixationsanzahl, die relative Anzahl höhengeleiteter Übergänge als ein neu eingeführter Parameter zur Charakterisierung der Vorgehensweise im Test, die Entropie sowie – mit Einschränkung – die mittlere Fixationsdauer. Aus Kombinationen dieser Parameter konnte die Leistung im CON im statistischen Sinne vorhergesagt werden. Blickbewegungsparameter vermochten 54 % der Varianz der Gesamtleistung im CON aufzuklären. Zudem legten die Ergebnisse eines hierarchischen Regressionsmodells nahe, dass eine Kombination aus Blickbewegungsparametern zusätzlich zu den allgemeinen kognitiven Fähigkeiten, wie sie im Fluglotsenauswahlverfahren am DLR erfasst werden, 26 % der Gesamtleistung im CON aufklären. Zusammengefasst liefert die vorliegende Arbeit vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Beziehung zwischen Blickbewegungsparametern und interindividuellen kognitiven Leistungsunterschieden und zeigt das große Potential der Blickbewegungsmessung für einen zukünftigen Einsatz im Rahmen der Auswahl von Nachwuchsfluglotsen/innen auf. Weitere technische Verbesserungen der Blickbewegungsmessgeräte sowie zusätzliche Forschungserkenntnisse – insbesondere zur prognostischen Validität – sind empfehlenswert, um basierend auf Blickbewegungsanalysen eigenständige Entscheidungskriterien abzuleiten.

Recently cognitive principles have been discussed for Conceptual Modeling with the aim to increase domain understanding, model comprehension and modeling efficiency. In particular, the principle of Perceptual Discriminability, which discusses the visual differences of modeling constructs, reveals potential for model comprehension if human attention is influenced in a way that important modeling constructs are more easily detected, and can hence faster be processed. Yet, so far no conditions how the human gaze can be influenced have been defined and evaluated for Conceptual Modeling. This dissertation extends Perceptual Discriminability for conditions to attract human attention for those constructs that are important for model comprehension. Furthermore, these conditions are applied to constructs of two different modeling grammars in general as well as to elements of the process flow of Business Process Models. To evaluate the results a laboratory experiment of extended Perceptual Discriminability is described in which significant differences have been identified for process flow comprehension. For the demonstration of the potential of extended Perceptual Discriminability BPMN secondary notation is improved by emphasizing those constructs that are most important for model comprehension. Therefore, those constructs that are important for model comprehension have been identified within a content analysis and have been worked on according to the conditions of extended Perceptual Discriminability for those visual variables that are free for an application in secondary notation.:Preface ii Abstract iii Table of contents iv Table of Figures v List of Tables vi List of Abbreviations vii Part 1 - Summary Paper 1 1. Motivation 2 2. Research design 7 2.1 Research objectives 7 2.2 Scope 9 2.3 Research method 11 3. Structure of the dissertation 13 4. Contribution to theory and practice 17 5. Future Research Ideas 19 Part 2 - Publications 20 Publication 1 21 Publication 2 22 Publication 3 23 Publication 4 24 Publication 5 25 Publication 6 26 Literature 27 Part 3 - Appendix 30

Since the turn of the millennium, a large number of computational models of visual salience have been put forward. How best to evaluate a given model's ability to predict where human observers fixate in images of real-world scenes remains an open research question. Assessing the role of spatial biases is a challenging issue; this is particularly true when we consider the tendency for high-salience items to appear in the image center, combined with a tendency to look straight ahead (“central bias”). This problem is further exacerbated in the context of model comparisons, because some—but not all—models implicitly or explicitly incorporate a center preference to improve performance. To address this and other issues, we propose to combine a-priori parcellation of scenes with generalized linear mixed models (GLMM), building upon previous work. With this method, we can explicitly model the central bias of fixation by including a central-bias predictor in the GLMM. A second predictor captures how well the saliency model predicts human fixations, above and beyond the central bias. By-subject and by-item random effects account for individual differences and differences across scene items, respectively. Moreover, we can directly assess whether a given saliency model performs significantly better than others. In this article, we describe the data processing steps required by our analysis approach. In addition, we demonstrate the GLMM analyses by evaluating the performance of different saliency models on a new eye-tracking corpus. To facilitate the application of our method, we make the open-source Python toolbox “GridFix” available.

Can cognition penetrate action-to-perception transfer? Participants observed a structure-from-motion cylinder of ambiguous rotation direction. Beforehand, they experienced one of two mechanical models: An unambiguous cylinder was connected to a rod by either a belt (cylinder and rod rotating in the same direction) or by gears (both rotating in opposite directions). During ambiguous cylinder presentation, mechanics and rod were invisible, making both conditions visually identical. Observers inferred the rod's direction from their moment-by-moment subjective perceptual interpretation of the ambiguous cylinder. They reported the (hidden) rod's direction by rotating a manipulandum in either the same or the opposite direction. With respect to their effect on perceptual stability, the resulting match/nonmatch between perceived cylinder rotation and manipulandum rotation showed a significant interaction with the cognitive model they had previously been biased with. For the “belt” model, congruency between cylinder perception and manual action is induced by same-direction report. Here, we found that same-direction movement stabilized the perceived motion direction, replicating a known congruency effect. For the “gear” model, congruency between perception and action is—in contrast—induced by opposite-direction report. Here, no effect of perception-action congruency was found: Perceptual congruency and cognitive model nullified each other. Hence, an observer's internal model of a machine's operation guides action-to-perception transfer.