Cognitive psychology is traditionally interested in the interaction of perception, cognition, and behavioral control. Investigating eye movements in reading constitutes a field of research in which the processes and interactions of these subsystems can be studied in a well-defined environment. Thereby, the following questions are pursued: How much information is visually perceived during a fixation, how is processing achieved and temporally coordinated from visual letter encoding to final sentence comprehension, and how do such processes reflect on behavior such as the control of the eyes’ movements during reading. Various theoretical models have been proposed to account for the specific eye-movement behavior in reading (for a review see Reichle, Rayner, & Pollatsek, 2003). Some models are based on the idea of shifting attention serially from one word to the next within the sentence whereas others propose distributed attention allocating processing resources to more than one word at a time. As attention is assumed to drive word recognition processes one major difference between these models is that word processing must either occur in strict serial order, or that word processing is achieved in parallel. In spite of this crucial difference in the time course of word processing, both model classes perform well on explaining many of the benchmark effects in reading. In fact, there seems to be not much empirical evidence that challenges the models to a point at which their basic assumptions could be falsified. One issue often perceived as being decisive in the debate on serial and parallel word processing is how not-yet-fixated words to the right of fixation affect eye movements. Specifically, evidence is discussed as to what spatial extent such parafoveal words are previewed and how this influences current and subsequent word processing. Four experiments investigated parafoveal processing close to the spatial limits of the perceptual span. The present work aims to go beyond mere existence proofs of previewing words at such spatial distances. Introducing a manipulation that dissociates the sources of long-range preview effects, benefits and costs of parafoveal processing can be investigated in a single analysis and the differing impact is tracked across a three-word target region. In addition, the same manipulation evaluates the role of oculomotor error as the cause of non-local distributed effects. In this respect, the results contribute to a better understanding of the time course of word processing inside the perceptual span and attention allocation during reading. / Die kognitive Psychologie beschäftigt sich traditionell mit dem Zusammenspiel von Wahrnehmung, Kognition und Verhaltenssteuerung. Die Untersuchung von Blickbewegungen beim Lesen bildet dabei ein Forschungsfeld, in dem die Prozesse und Interaktionen dieser Subsysteme in einem klar definierten Rahmen untersucht werden können. Dabei geht es speziell um die Frage, wie viel Information visuell wahrgenommen wird, wie die kognitive Weiterverarbeitung der visuellen Buchstabeninformation über lexikalische Wortverarbeitung hin zu einem inhaltlichen Satzverständnis zeitlich koordiniert ist, und wie sich diese Prozesse auf das Verhalten – die Steuerung der Blickbewegung – auswirken. Verschiedene Modelle zur Erklärung des spezifischen Blickbewegungsverhaltens beim Lesen wurden vorgeschlagen (für einen Überblick siehe Reichle, Rayner, & Pollatsek, 2003). Einige Modelle basieren auf der Annahme serieller Aufmerksamkeitsverschiebung von Wort zu Wort, wohingegen andere verteilte Aufmerksamkeit auf eine Region mehrerer Wörter im Satz gleichzeitig annehmen. Da Aufmerksamkeit eng mit der eigentlichen Wortverarbeitung assoziiert ist, besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen den Modellen darin, dass die eigentlichen Wortverarbeitungsprozesse entweder ebenfalls strikt seriell oder parallel erfolgen. Trotz solch entscheidender Unterschiede im zeitlichen Verlauf der Wortverarbeitung können beide Modellklassen viele der Benchmark-Effekte beim Lesen hinreichend erklären. Tatsächlich scheint es nicht viel empirische Evidenz zu geben, die die Grundannahmen der Modelle falsifizieren könnte. Die Frage, ob und wie noch nicht direkt angesehene Wörter rechts der Fixation die Blickbewegung beeinflussen, wird in der Debatte über serielle oder parallele Wortverarbeitung oft als entscheidend betrachtet. Insbesondere wird diskutiert, bis zu welcher Entfernung parafoveale Wörter vorverarbeitet werden und wie das die gegenwärtige und folgende Wortverarbeitung beeinflusst. In einer Serie von vier Leseexperimenten wurde die Vorverarbeitung von Wörtern an den Grenzen der Wahrnehmungsspanne untersucht. Die vorliegende Arbeit versucht zudem, über einen einfachen Existenzbeweis der Vorverarbeitung von Wörtern in solchen Distanzen hinaus zu gehen. Mit einer Manipulation, die verschiedene Quellen solcher weitreichenden Vorverarbeitungseffekte dissoziiert, können Nutzen und Kosten der parafovealen Vorschau in einer einzigen Analyse untersucht und über eine Zielregion von drei Wörtern hinweg verfolgt werden. Dieselbe Manipulation überprüft gleichzeitig die Rolle okulomotorischer Fehler als Ursache für nicht lokale, verteilte Effekte beim Lesen. Die Ergebnisse tragen zu einem differenzierteren Verständnis der Wortverarbeitung in der Wahrnehmungsspanne und der zeitlich-räumlichen Verteilung der Aufmerksamkeit beim Lesen bei.

When we read a text, we obtain information at different levels of representation from abstract symbols. A reader’s ultimate aim is the extraction of the meaning of the words and the text. The reserach of eye movements in reading covers a broad range of psychological systems, ranging from low-level perceptual and motor processes to high-level cognition. Reading of skilled readers proceeds highly automatic, but is a complex phenomenon of interacting subprocesses at the same time. The study of eye movements during reading offers the possibility to investigate cognition via behavioral measures during the excercise of an everyday task. The process of reading is not limited to the directly fixated (or foveal) word but also extends to surrounding (or parafoveal) words, particularly the word to the right of the gaze position. This process may be unconscious, but parafoveal information is necessary for efficient reading. There is an ongoing debate on whether processing of the upcoming word encompasses word meaning (or semantics) or only superficial features. To increase the knowledge about how the meaning of one word helps processing another word, seven experiments were conducted. In these studies, words were exachanged during reading. The degree of relatedness between the word to the right of the currently fixated one and the word subsequently fixated was experimentally manipulated. Furthermore, the time course of the parafoveal extraction of meaning was investigated with two different approaches, an experimental one and a statistical one. As a major finding, fixation times were consistently lower if a semantically related word was presented compared to the presence of an unrelated word. Introducing an experimental technique that allows controlling the duration for which words are available, the time course of processing and integrating meaning was evaluated. Results indicated both facilitation and inhibition due to relatedness between the meanings of words. In a more natural reading situation, the effectiveness of the processing of parafoveal words was sometimes time-dependent and substantially increased with shorter distances between the gaze position and the word. Findings are discussed with respect to theories of eye-movement control. In summary, the results are more compatible with models of distributed word processing. The discussions moreover extend to language differences and technical issues of reading research. / Wenn wir einen Text lesen, erfassen wir Informationen auf verschiedenen Repräsentationsebenen anhand abstrakter Symbole. Das oberste Ziel des Lesers ist das Erfassen der Bedeutung der Worte und des Textes. Die Erforschung der Blickbewegungen beim Lesen umfasst verschiedene Verarbeitungsebenen, die von Warhnehmung über motorische Prozesse bis hin zu Kognition auf übergeordneter Ebene reichen. Das Lesen geübter Leser verläuft zum großen Teil automatisch, ist aber gleichzeitig ein komplexes Phänomen interagierender Teilprozesse. Die Untersuchung von Blickbewegungen beim Lesen eröffnet die Möglichkeit, kognitive Prozesse bei der Ausübung einer alltäglichen Aufgabe anhand von Verhaltensmaßen zu untersuchen. Der Leseprozess ist nicht beschränkt auf das direkt fixierte (oder foveale) Wort, sondern umfasst auch umgebende (oder parafoveale) Wörter, insbesondere das Wort rechts der Blickposition. Obgleich dies nicht notwendigerweise bewusst geschieht, ist die parafoveale Information dennoch wichtig für effizientes Lesen. Es wird darüber diskutiert, ob die Verarbeitung des nächsten Wortes die Wortbedeutung (Semantik) oder nur oberflächliche Eigenschaften umfasst. Um ein besseres Verständnis zu erhalten, ob die Bedeutung eines Wortes bei der Verarbeitung eines anderen Wortes hilft, wurden sieben Experimente durchgeführt. In diesen Studien wurde ein Wort im Satz während des Lesens ausgetauscht. Der inhaltliche Zusammenhang zwischen einer parafoveal präsentierten Vorschau und dem anschließend fixierten Zielwort wurde experimentell manipuliert. Außerdem wurde der zeitliche Verlauf der Bedeutungserfassung aus parafovealen Wörtern mit zwei Ansätzen untersucht, einem experimentellen und einem statistischen. Als primärer Befund zeigte sich, dass die Fixationszeiten durchweg kürzer waren, wenn ein semantisch verwandtes Wort als Vorschau präsentiert wurde, verglichen mit einem Wort ohne Verwandtschaft. Mit der in dieser Arbeit verwendeten experimentellen Vorgehensweise konnte zudem der zeitliche Verlauf des Verarbeitens und Integrierens von Bedeutung ermittelt wurde. Dabei ergaben sich kürzere Fixationszeiten auf dem Zielwort bei ähnlichen Wortbedeutungen und längere Fixationszeiten bei unterschiedlichen Wortbedeutungen. Die Ergebnisse zeigten sowohl leichtere als auch schwerere Verarbeitung in Folge der Ähnlichkeit von Wortbedeutungen. In einer natürlicheren Lesesituation war die Wirksamkeit der Verarbeitung nachfolgender Wörter teilweise abhängig von der Dauer der Vorschau, und sie war deutlich größer bei kürzerer räumlicher Distanz zwischen der Blickposition und der Vorschau. Die Befunde werden mit Blick auf Theorien der Blickbewegunskontrolle diskutiert. Die Ergebnisse sind stärker mit Modellen verteilter Wortverarbeitung vereinbar. Die Diskussion erstreckt sich außerdem auf Sprachunterschiede und technische Aspekte der Leseforschung.

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Diese vorliegende Dissertation nutzt Koregistrierung von EEG und Eye-Tracking um neuronale Korrelate der Wortverarbeitung beim natürlichen Lesen zu untersuchen. EKP-Forschung hat unser Verständnis der Wortverarbeitung stark geprägt. Jedoch wird Lesen in EKP-Experimenten üblicherweise im unnatürlichen RSVP Paradigma untersucht. Der Blickbewegungsforschung verdanken wir viele Erkenntnisse über die Koordination von Sprachverarbeitung und Blickbewegungsplanung, allerdings nur auf der Verhaltensebene. Drei Leseexperimente in dieser Arbeit untersuchten a) foveale und parafoveale Wortverarbeitung, b) Wortschwierigkeit in Form von Wortfrequenzeffekten und c) den Einfluss von Blickbewegungen. Ein viertes Experiment untersuchte die Generalisierbarkeit parafovealer Vorverarbeitungs-Effekte (Preview-Effekte), indem diese mit chinesischen Sätzen repliziert wurden. Die Ergebnisse zeigten einen reliablen Effekt parafovealer Vorverarbeitung auf neuronale Korrelate der fovealen Worterkennung in Form eines frühen Effekts auf der N1 Komponente. Interaktionen zwischen dem Preview-Effekt und Wortfrequenz zeigten Wechselwirkungen der Verarbeitung aufeinanderfolgender Worte im fovealen und parafovealen Blickfeld. Preview-Effekte waren schwächer nach Worten mit niedriger Frequenz, was zeigt, wie komplexe foveale Wortverarbeitung Resourcen für parafoveale Information bindet. Andererseits beeinflusste parafoveale Verarbeitung auch die foveale Verarbeitung: Erstens durch den oben beschriebenen Preview-Effekt, zweitens durch eine Verlangsamung der Wortverarbeitungsrate nach schweren Vorschaubedingungen. Außerdem zeigten sich foveale Wortfrequenzeffekte früher nach valider parafovealer Wortvorschau. Der Preview-Effekt war stärker, wenn Blickbewegungen ausgeführt werden mussten. Der Grund hierfür sind verdeckte Aufmerksamkeitsverschiebungen vor einer Sakkade. (EKP-)Forschung zur visuellen Wortverarbeitung sollte zukünftig Blickbewegungen und parafoveale Vorverarbeitung berücksichtigen. / The current dissertation uses co-registration of EEG with eye tracking to study the brain-electric correlates of word processing under natural reading circumstances. ERP research has advanced our understanding of the neuronal mechanisms of word processing greatly but traditionally used the RSVP paradigm that is not ecologically valid. Eye tracking research has greatly advanced our understanding of the coordination of linguistic processing with eye movement execution but provides only indirect insight into the actual brain processes during reading. Three reading experiments were conducted to study a) foveal and parafoveal processing, b) word processing in the form of frequency effects, and c) the impact of eye movement planning and execution on a neuronal as well as behavioral level. A fourth experiment tested the generalizability of the preview effects by replicating preview effects in Chinese sentence reading. Results show a robust effect of parafoveal preview on brain-electric correlates of foveal word recognition in the form of an early effect on the N1 component. The preview effect interacted with word frequency in different ways, revealing interactions between the processing of subsequent words in parafoveal and foveal vision. Preview effects were smaller after low frequency words, showing that parafoveal processing is reduced if foveal processing is complex. Also, parafoveal processing also affected foveal processing: Firstly, by providing preview benefit as described above and secondly, by slowing processing rates after a difficult preview (delayed POF effects). Lastly, foveal word frequency effects were found earlier if valid parafoveal preview had been provided. Preview effects were much stronger if eye movements had to be executed, which is most likely due to pre-saccadic attention shifts. Results show the shortcomings of traditional ERP studies and suggest that research on visual word recognition needs to consider eye movements and parafoveal processing.