It is a common finding that neurons synchronize their firing rates in a high frequency range above 30 Hz, the so‐called gamma band, if they are involved in the processing of the same stimuli. Furthermore, it was hypothesized that object representations are stored within the cortical networks that are formed of synchronously firing neurons. Consequently, induced gamma band responses in the electroencephalogram were utilized to investigate cortical object representations. A more recent finding by Yuval‐Greenberg et al. questioned this common interpretation. It was shown that miniature eye movements as they occur during fixation are accompanied by small artifacts that mimic activity in the gamma band. The question arose whether induced gamma band responses in the electroencephalogram are a marker of neuronal processing or a mere artifact caused by miniature eye movements. The present thesis aims at providing solutions for this dilemma by investigating whether evoked gamma band responses and steady state visual responses are suitable tools to examine cortical network activity in relation to object recognition. Both measurements are not affected by miniature eye movements. It was found that evoked gamma band responses are particularly qualified to study early processes of object recognition. Furthermore, steady state visual evoked potentials were sensitive to the semantic content of presented stimuli. Therefore they are feasible for studying object recognition, too. Additionally, the present thesis provides the COSTRAP algorithm, a new method to effectively identify and remove the eye movement artifacts related to miniature eye movements. The remaining induced gamma band responses are most certainly of cortical origin. They proved to be sensitive to object recognition and repetition priming. Finally, it was shown that miniature eye movements and cortical gamma band responses can be experimentally dissociated, further underpinning the different methodological importance of induced gamma band response when studying object recognition. In summary, it was shown that the investigation of cortical networks representing object knowledge can also be addressed by evoked gamma band responses and steady state visual responses. Furthermore, it was proven that induced gamma band responses remain a powerful tool in electrophysiological research when studying the neuronal dynamics behind object recognition and other cognitive processing.

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.

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.