Doctoral thesis

Categorical effects in visual selective attention : evidence from investigating foundations, disturbances and development


295 p

Thèse de doctorat: Université de Fribourg, 2010

English German Since in almost every theory of visual selective attention, categories (e.g., colour, letter, or size) play a crucial role, I investigated these categorical processes in more detail. More precisely, the studies focused on the foundations, certain disturbances and the development of these processes. One recent and very influential theory of visual selective attention is the “theory of visual attention” (TVA) developed by Claus Bundesen (1990). Bundesen assumed that the categorisation of objects is an automatic process. If someone looks at an object he or she will automatically categorise and therefore recognise it. Other theoretical examples are the guided search model by Wolfe (e.g., Wolfe, 1994) or the dimension weighting account by Müller, Heller and Ziegler (1995). According to these models, objects are selected predominantly if they stand in big contrast to other surrounding objects. If objects stand in contrast to the other objects, the so‐called saliency activation for these objects will be very high. The saliency signals are computed based on the category (or dimension) of the object according to the contrast to the surrounding objects ‐ the higher the contrasts, the higher the saliency activation. The assumption of dimension‐based saliency signals could be proven by Müller, Heller and Ziegler (1995) and Müller and Found (1996). As mentioned before, TVA predicts that all categorisation processes are executed automatically without any possibility of influencing these processes. In the first project I wanted to challenge this assumption by investigating potential influences on categorising objects or the experimental stimuli, respectively. With two simple experimental paradigms (partial and whole report procedures) the four different attentional components (capacity of visual short‐term memory, processing speed, spatial distribution of attentional weights and the selection effectiveness) proposed by the TVA (Bundesen, 1990) can be measured. If the performance reflected in the four components can be influenced, this would argue strongly against an automatically working categorisation process. Found and Müller (1996) found influences of changes or repetitions of target‐defining dimensions in consecutive trials on the reaction times of their participants in visual search experiments1. Faster reaction times could be observed if the target‐defining dimension was repeated on consecutive trials and slower reaction times if the target‐defining dimension changed. Therefore, in a series of experiments it was investigated if bottom‐up (i.e., stimulus‐driven) changes, repetitions in target‐defining features (e.g., red, small), or dimensions (e.g., colour, size) influence not only reaction times in visual search but also the performance, reflected in the four components of the TVA (Bundesen, 1990). According to Found and Müller (1996) the performance was expected to deteriorate if the feature or dimension was changing in consecutive trials and to ameliorate if the feature or dimension was repeated. In proximate experiments the effects of top‐down (knowledge‐based) influences were tested as well. Since both the bottom‐up and top‐down manipulations influenced the components of the TVA (Bundesen, 1990) and therefore the categorisation process, the assumption of automatic categorisation processes needs to be updated. Furthermore, an interesting finding was the repeatedly found changes in the visual short‐term memory capacity ‐ normally assumed to be a very stable component of the system. The results argue for a variable capacity, depending on different aspects. In a series of experiments, I wanted to investigate specific questions with regard to the characteristics of the TVA (Bundesen, 1990). The question was if different spatial arrangements of the experimental stimuli, repetitions of exactly the same stimuli in consecutive trials, or repetitions of the same stimulus within the same trial affect the categorisation process and therefore the four attentional components of the TVA (Bundesen, 1990). Actually, all different manipulations affected the components. (Detailed descriptions of the experiments and results can be found in chapter 5.1.) The focus of the second project was on people having disturbances in visual processing. A group of people with Asperger’s syndrome (a mild form of autism) were investigated because of their enhanced categorical abilities. In the literature, the superior abilities in visual perceptual tasks in people within the autistic spectrum are repeatedly mentioned. So, for example, in visual search tasks in which subjects have to indicate as quickly and as accurately as possible if a pre‐defined target‐stimulus within a certain number of distracting stimuli is present or absent, subjects with autism showed significantly better performance and differing results pattern compared to healthy control groups (e.g., Plaisted, O’Riordan and Baron‐Cohen, 1998b). Since it is not clear if people with Asperger’s syndrome show similar results pattern as people with autism or as healthy control groups, this was investigated in a series of visual search tasks. Results revealed very similar performance patterns of the Asperger’s group compared to healthy controls. However, the Asperger’s group searched significantly faster and more effectively for the presence or absence of a target than the healthy controls. In the following experiments, the processing difference in visual search and the possible location of the difference (early and pre‐selective or late and post‐selective) in the visual processing stream was investigated. Results point at a late processing benefit associated with object recognition or object identification of the people with Asperger’s syndrome. The last experiments tested the influences of the stimulus material (letters) on the processing difference. The differences in search performance detected in the visual search experiments are probably, at least partially, due to the fact that highly overlearned letter stimuli were used. (Detailed descriptions of the experiments and results can be found in chapter 5.2.) Since categorising objects is a very basic and important process, the developmental aspect is of great importance. In the last project three different age groups of children (first, second, and third graders) were investigated with TVA (Bundesen, 1990) ‐ based testing procedures. Results showed that the capacity of visual short‐term memory increased considerably from the first to the third grade. Additionally, with increasing age, children were significantly faster (higher processing speed) and selected relevant information noticeably better. All mentioned components were therefore developing mainly in concert. Altogether, the results are in accordance with an extended version of the global trend hypothesis (Hale, 1990; Kail, 1986) assuming that all information processing components develop simultaneously. (Detailed descriptions of the experiments and results can be found in chapter 5.3.) All three projects demonstrated very well the importance of the categorisation process for selection performance. Results showed that the categorisation process can be influenced by certain easy manipulations, that some people show specific advantages in this ability and finally that children’s ability to categorise objects is not fully developed in early childhood; rather the ability develops over the course of childhood. Da in beinahe jeder Theorie zur selektiven visuellen Aufmerksamkeit die Kategorisierung von Objekten (Kategorien wie z.B. Farbe, Grösse, Buchstabe, etc.) eine zentrale Rolle spielt, wurden diese Kategorisierungsprozesse im Detail untersucht. Die durchgeführten Studien fokussierten die Grundlagen der Kategorisierung, spezifische Störungen im Kategorisierungsprozess und schlussendlich die Entwicklung dieser zentralen Fähigkeit. All diese verschiedenen Felder tragen zu einem besseren Verständnis der Selektionsmechanismen der visuellen Aufmerksamkeit und der Kategorisierung von Objekten bei. Im Speziellen geht es im ersten Projekt um die Grundlagen und die Beeinflussbarkeit des Kategorisierungsprozesses. Im Zentrum der Studie steht eine aktuelle und sehr einflussreiche Theorie der selektiven visuellen Aufmerksamkeit, die “Theorie der visuellen Aufmerksamkeit” (TVA; Bundesen, 1990). Claus Bundesen geht davon aus, dass die Kategorisierung von Objekten ein automatischer und nicht beeinflussbarer Prozess ist. Wenn jemand ein Objekt sieht, wird das Objekt sofort zwangsläufig kategorisiert und damit erkannt. Andere wichtige Ansätze, in denen Kategorisierung eine zentrale Rolle für die Selektion spielt, ist zum einen das Modell der gesteuerten Suchen von Jeremy Wolfe (z.B. Wolfe, 1994) und der „Dimensionsgewichtungsansatz“ von Müller, Heller und Ziegler (1995) und Found und Müller (1996). Den Modellen zufolge werden Objekte dann selektiert, wenn sie in grossem Kontrast zu anderen, umliegenden Objekten stehen. Die sogenannte Salienzaktivierung für die Objekte, die sich deutlich von den anderen unterscheiden, ist dann besonders hoch. Salienzsignale werden basierend auf der jeweiligen Kategorie (oder Dimension) eines Objektes berechnet, was durch die Studien von Müller, Heller und Ziegler (1995) und Found und Müller (1996) bewiesen wurde. Je höher der Unterschied zu den umliegenden Objekten, desto höher das Salienzsignal des Objektes und desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Objekt selektiert wird. Wie zuvor erwähnt, sieht die TVA die Kategorisierungsprozesse als automatische Prozesse an, die nicht beeinflusst werden können. Im ersten Projekt wurde diese Annahme untersucht, indem potentielle Einflüsse auf den Kategorisierungsprozess von Objekten bzw. experimentellen Stimuli getestet wurden. Aus den Daten zweier einfacher experimenteller Verfahren (Ganzbericht und Teilbericht), können die von der TVA (Bundesen, 1990) angenommenen Aufmerksamkeitskomponenten (Kapazität des visuellen Kurzzeitgedächtnisses (KZG), Verarbeitungsgeschwindigkeit, attentionale Gewichtung und die Effektivität der Selektion von relevanten Informationen) geschätzt werden. Wenn die Leistung, widergespiegelt in den vier Aufmerksamkeitskomponenten der TVA (Bundesen, 1990), beeinflusst werden kann, spräche dies gegen einen automatisch ablaufenden Kategorisierungsprozess. Found & Müller (1996) konnten Einflüsse auf die Reaktionszeiten der Versuchspersonen in visuellen Suchexperimenten2 durch Wechsel oder Wiederholung der zielreizdefinierenden Dimension in aufeinanderfolgenden Durchgängen finden. Sie konnten schnellere Reaktionszeiten finden, wenn die Dimension der Zielreize in aufeinanderfolgenden Durchgängen wiederholt wurde und langsamere Reaktionszeiten, wenn die Dimension sich änderte. In einer Reihe von Experimenten wurde im ersten Projekt untersucht, ob die bottom‐up (d.h. stimulusbasierten) Wechsel oder Wiederholungen von zielreizdefinierenden Merkmalen (z.B.: rot, klein) oder Dimensionen (z.B.: Farbe, Grösse) auch die Leistung, widergespiegelt in den vier Komponenten der TVA, beeinflusst. Nach Found und Müller (1996) wäre demnach zu erwarten, dass sich die Komponenten der TVA (Bundesen, 1990) verschlechtern, wenn sich das Merkmal oder die Dimension in aufeinanderfolgenden Durchgängen verändert, sich jedoch verbessern, wenn das Merkmal oder die Dimension des Zielreizes wiederholt wird. Wenn die Komponenten durch bottom‐up Informationen verändert werden können, stellt sich die Frage, ob das auch bei wissensbasierten (top‐down) Informationen der Fall ist. Der Einfluss von top‐down Informationen auf die Komponenten der TVA (Bundesen, 1990) wurde durch das Einsetzen von validen, invaliden oder neutralen Hinweisreizen getestet. Es konnten sowohl merkmals‐ als auch dimensions‐basierte Effekte gefunden werden. Demzufolge wirkten sich bottom‐up Wechsel oder Wiederholungen auf die Komponenten der TVA (vor allem auf das visuelle KZG und die Verarbeitungsgeschwindigkeit) und damit den Kategorisierungsprozess aus. Auch der Hinweisreiz (top‐down information) beeinflusste die Komponenten der TVA (im Speziellen das visuelle KZG). Sowohl bottom‐up Veränderungen bzw. Wiederholungen, als auch top‐down Informationen konnten demnach die Leistung verändern, was gegen die in der TVA (Bundesen, 1990) angenommene automatische Verarbeitung (bzw. Kategorisierung) spricht. Obwohl das visuelle KZG als relativ stabile Komponente angesehen wird, zeigten sich doch mehrfach Veränderungen in seiner Kapazität. Vermutlich ist das visuelle KZG eher als eine Komponente anzusehen, die durch unterschiedliche Anforderungen und Situationen verändert werden kann. Des Weiteren wurden in diesem Projekt Fragestellungen hinsichtlich spezifischer Eigenschaften der TVA untersucht. Die Auswirkungen von Wiederholungen desselben Stimulus in einem Durchgang, der räumlichen Anordnung der Stimuli und von Wiederholungen exakt gleicher Durchgänge auf die Leistungen der Versuchspersonen (reflektiert in den Aufmerksamkeitskomponenten der TVA) wurden getestet. Tatsächlich wirkten sich auch diese Veränderungen auf die Komponenten der TVA aus. (Detaillierte Beschreibungen der Experimente finden sich in Kapitel 5.1.) Im zweiten Projekt geht es um Personen mit Störungen in ihren Wahrnehmungsfunktionen. Personen mit dem Asperger Syndrom (milde Form von Autismus) wurden wegen ihrer überdurchschnittlichen Wahrnehmungsfähigkeiten untersucht. Einige Studien konnten überdurchschnittliche Leistungen von Personen mit frühkindlichem Autismus in visuellen Suchexperimenten feststellen (z.B.: Plaisted, O’Riordan und Baron‐Cohen, 1998b). Das Ziel des Projektes war es zu untersuchen, ob Personen mit dem Asperger Syndrom ein ähnliches Ergebnismuster in der visuellen Suche zeigen wie die autistischen Teilnehmer oder, alternativ, wie die gesunde Kontrollgruppe. Die Aspergergruppe zeigte ein Ergebnismuster, das dem der Kontrollgruppe sehr ähnlich war, jedoch suchten sie deutlich schneller und effektiver. Die Ergebnisse führten zur Frage, ob der Verarbeitungsunterschied eher auf einer frühen (vor‐selektiven) Stufe (Extraktion von Merkmalen, Berechnung der Salienzsignale) oder auf einer späten (post‐selektiven) Stufe des visuellen Verarbeitungsprozesses (Objekterkennung oder Objektidentifikation) zu finden ist. Es zeigte sich, dass die besseren Leistungen der Asperger Gruppe nicht durch Unterschiede in den frühen Prozessen der Merkmalsextraktion, sondern eher auf späteren Stufen der Objekterkennung oder –identifikation entstehen. Die letzten Experimente testeten, ob bestimmte Eigenschaften der Stimuli (Buchstaben), die in den Experimenten verwendet wurden, verantwortlich für den Unterschied sein könnten. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die unterschiedlichen Leistungen in den visuellen Suchexperimenten in der Asperger Gruppe, verglichen mit der gesunden Kontrollgruppe, wahrscheinlich oder zumindest teilweise durch die verwendeten, hoch überlernten, Buchstaben verursacht wurden. (Detaillierte Beschreibungen der Experimente finden sich in Kapitel 5.2.) Da die Kategorisierung von Objekten ein grundlegender und wichtiger Prozess ist, lag im dritten Projekt der Fokus auf der Entwicklungsperspektive des Kategorisierungsprozesses. Kinder dreier verschiedener Altersgruppen (1., 2. und 3. Klässler) wurden mit TVA‐ (Bundesen, 1990) basierten Testverfahren untersucht. Im Vergleich zur 1. Klasse stieg die Kapazität des visuellen KZG deutlich in der 3. Klasse an. Ausserdem wurden die Kinder mit zunehmendem Alter beträchtlich schneller und konnten die wichtigen Informationen bemerkenswert besser selektieren. Insgesamt stimmen die Ergebnisse mit einer erweiterten Form der globalen Trendhypothese (Hale, 1990; Kail, 1986) überein, die davon ausgeht, dass sich alle Informationsverarbeitungsprozesse gleichzeitig weiterentwickeln. (Detaillierte Beschreibungen der Experimente finden sich in Kapitel 5.3.) Alle drei Projekte konnten insgesamt deutlich demonstrieren, wie wichtig der Kategorisierungsprozess für die Selektion ist. Die Ergebnisse zeigten, wie man den Kategorisierungsprozess beeinflussen kann, dass Kinder nicht von Anfang an volle Kategorisierungsfähigkeiten haben, sondern sie sich erst im Laufe der Kindheit entwickeln und welche spezifischen Vorteile Personen mit dem Asperger Syndrom haben.
Faculté des lettres
Département de Psychologie
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