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.

Recently, two attentional modes have been associated with specifi c eye movement patterns during scene processing. Ambient mode, characterized by short fi xations and long saccades during early scene inspection, is associated with localization of objects. Focal mode, characterized by longer fi xations, is associated with more detailed object feature processing during later inspection phase. The aim of the present study was to investigate the development of these attentional modes. More specifi cally, we examined whether indications of ambient and focal attention modes are similar in infants and adults. Therefore, we measured eye movements in 3- to 12-months-old infants while exploring visual scenes. Our results show that both adults and 12-month-olds had shorter fi xation durations within the fi rst 1.5 s of scene viewing compared with later time phases (>2.5 s); indicating that there was a transition from ambient to focal processing during image inspection. In younger infants, fi xation durations between two viewing phases did not differ. Our results suggest that at the end of the fi rst year of life, infants have developed an adult-like scene viewing behavior. The evidence for the existence of distinct attentional processing mechanisms during early infancy furthermore underlines the importance of the concept of the two modes.

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.

Die Erforschung visueller Aufmerksamkeit beruht auf verdeckter Aufmerksamkeit; das heißt, wenn der Fokus der Aufmerksamkeit trotz strikter Fixation ausgerichtet wird ohne größere Sakkaden auszuführen. EEG-Studien haben das neuronale Netzwerk identifiziert, dass verdeckte Aufmerksamkeit steuert. Diese Studien ignorieren jedoch unwillkürliche kleine Sakkaden während der Fixation - Mikrosakkaden (MS) genannt. Blickbewegungsstudien hingegen belegen einen Zusammenhang zwischen Aufmerksamkeit und diesen MS, beziehen ihre Resultate jedoch nicht auf etablierte EEG-Befunde. Um diese Forschungslücke zu schließen, zielt diese Dissertation darauf, den Zusammenhang zwischen Ereignis-korrelierten Potentialen (EKP) endogener Aufmerksamkeit und MS zu untersuchen. Folglich wurden drei Studien mit gleichzeitiger Erfassung von EEG und Blickbewegungen durchgeführt. In den Studien haben die Probanden ein „Posner Spatial-Cueing-Paradigma“ absolviert mit einem endogenen Hinweisreiz. Wir zeigen deutliche Zusammenhänge zwischen MS und neuronalen Korrelaten visueller Aufmerksamkeit. Erstens, MS und ein posteriores EKP reflektierten die Selektion visueller Reize basierend auf deren Merkmale. Dieses Ergebnis stärkt die Idee eines Netzwerkes, dass relevante Reize unter Distraktoren selektiert und zielgerichtetes Verhalten initiiert. Zweitens, MS erzeugten ein visuelles Potential, das verstärkte Potentialkomponenten für Reize zeigte, die im Aufmerksamkeitsfokus lagen. Dieses MS-evozierte Potential stellte einen zeitlich gut aufgelösten Aufmerksamkeitsindex dar. Drittens, MS erzeugten zudem ein in früheren Studien übersehenes, korneoretinales Artefakt. Dieses Artefakt kontaminierte die Messung eines frontalen EKPs, dass zuvor mit der Kontrolle von Aufmerksamkeit assoziiert war. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass die gleichzeitige Erfassung von EEG und Blickbewegungen bedeutsame Einblicke in den Zusammenhang von MS und visueller Aufmerksamkeit erlaubt. / Research on visual attention focusses on covert attention; that is, when attention is directed during fixation periods in the absence of larger saccades. While previous EEG research has provided insights into the neural network that controls covert attention, this field fails to account for the inevitable occurrence of miniature fixational saccades - called microsaccades (MS). In contrast, previous eye-tracking research has established links between MSs and covert attention, but has not directly related their findings to seminal EEG results. This thesis bridges this research gap by investigating the link between event-related potentials (ERPs) of endogenous attention and MSs. To this end, three studies were conducted with concomitant ERP and high-resolution eye-tracking recordings while participants performed a Posner spatial cueing task with an endogenous cue. Crucially, we show that MSs relate to neural correlates of visual attention. First, MS and an early posterior ERP reflected the top-down selection of a visual stimulus based on its features. This finding is consistent with the notion of a neural network that selects relevant stimuli from distracting ones and initiates goal-directed behavior toward selected stimuli. Second, gaze shifts from MSs evoked a visual potential in the EEG that was enhanced for stimuli in the focus of attention; a finding well-known for the visual potential measured after presenting a stimulus. Importantly, these MS-related potentials provided a fine-grained temporal index of the subject’s attentional state. Finally, MSs further evoked a corneoretinal artifact overlooked in previous EEG studies. This artifact contaminated the measurement of a frontal ERP previously associated with preparatory attentional control. In sum, this thesis provides first evidence for the benefits of using concomitant ERP and eye-tracking recordings to examine the link between MSs and visual attention.