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Graduiertenkolleg Kognitionswissenschaft
Universität Hamburg Vogt-Kölln-Str. 30 D-22527 Hamburg |
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Visuelle Wahrnehmung und Aufmerksamkeit |
Zur Erklärung derartiger Wahrnehmungsleistungen bedarf es eines interdisziplinären Zugangs, der vom Informationsverarbeitungsansatz geleitet ist, und der Theoriebildung und Empirie mit Modellbildung und Simulation zusammenführt. Die Kooperation zwischen Kognitionspsychologie, Psychophysik, Neurowissenschaften, (Neuro-)Informatik und Künstlicher Intelligenz verspricht durch vielfältige Herangehensweisen der Modellierung und ihrer Überprüfung an Ergebnissen aus Experimenten und Simulationen ein tieferes Verständnis prä-attentiver und attentiver Wahrnehmungsvorgänge.
Unser Forschungsrahmen berücksichtigte konnektionistisch-subsymbolische ebenso wie modularistisch-symbolische Ansätze und trug so den unterschiedlichen Theorien und Methoden der beteiligten Disziplinen Rechnung. Eine solche Koexistenz der Ansätze ist auf längere Zeit notwendig und liegt auch deswegen nahe, weil prä-attentive Phänomene oft durch parallel und attentive oft durch seriell arbeitende Mechanismen erklärt werden. Das Wechselspiel zwischen Empirie und Theorie- bzw. Modellbildung wie auch diese Koexistenzprämisse erforderte, auch methodologische Fragen des Vergleichs und der Überprüfung alternativer Modelle zu berücksichtigen.
Es standen Themen im Vordergrund, die im Spannungsfeld von prä-attentiver und zielgeleiteter, attentiver Wahrnehmung angesiedelt waren. Ein Beispiel ist die experimentelle Untersuchung und Modellierung der visuellen Suche. Zum Verständnis der Vorgänge bei der visuellen Suche spielen Phänomenen der perzeptuellen Organisation und des „pop-out“ ebenso eine Rolle wie Probleme des sog. aktiven Sehens, nämlich der selektiven Aufmerksamkeit und ihrer Funktion für die Steuerung des Blickverhaltens, aber auch Probleme der übergeordneten intentionalen Kontrolle kognitiver Prozesse und des perzeptuellen Lernens (etwa wenn man Effekte intensiven Trainings verstehen will).
Die Arbeiten wurden in den folgenden, eng miteinander verzahnten Teilprojekten durchgeführt:
Prä-attentive Prozesse: Zentral war hier die Modellierung spezieller Aspekte der visuellen Informationsverarbeitung auf der Ebene der prä-attentiven Gruppierung, insbesondere der perzeptuellen Organisation (i. S. von Gestaltgesetzen wie etwa räumliche Nähe und gute Fortsetzung), der „pop-out“-Phänomene (etwa i. S. von geschlossenen Konturen) und der visuellen Suche (i. S. etwa von langreichweiter Bindung von Reizprimitiva). Der Modellierungsrahmen setzt auf die sog. FACADE-Theorie von Grossberg und Mitarbeitern an der Boston University auf, die dem Kontext der Neuroinformatik zuzurechnen ist und zu Berechnungsarchitekturen führt, die Erkenntnisse sowohl der Psychophysik als auch der Neurowissenschaften operationalisieren.
Selektive Aufmerksamkeit: Offensichtlicherweise gelingt es dem visuellen System, die für eine ablaufende Handlung relevanten Objekte aus einer komplexen Szene herauszulösen und irrelevante zu ignorieren. Wie dies geleistet wird, ist die Kernfrage im Hinblick auf die Funktion der selektiven Aufmerksamkeit, für deren Steuerung reizgesteuerte („automatische“) Mechanismen ebenso wichtig sind wie willentliche.
Blickverhalten und -steuerung: Die Untersuchungen, die die spezifische senso-motorische Verknüpfung von „Sehen“ als Handlung bzw. Nicht-Handlung betrafen, bezogen die verschiedenen funktionell neuroanatomischen Ebenen und deren jeweilige krankhafte Defizite ein.
Intentionale Kontrolle kognitiver Prozesse und perzeptuelles Lernen:
Gegenstand des Forschungsvorhabens war die intentionale Steuerung kognitiver
Aktivität bei extern bedingten Änderungen von Aufgabenanforderungen;
dies beinhaltete u.a die Untersuchung willentlicher Aufmerksamkeitswechsel
bei der Lösung von Aufgaben sowie strategischer Prozesse bei zunehmender
Vernachlässigung von aufgaben-irrelevanter Information bei der Bearbeitung
komplexer Aufgaben.
Ein wesentlicher Untersuchungsgegenstand war die Fähigkeit, eine derartige Berechnungsarchitektur, eine stabile emergente Segmentierung von visuellen Daten zu liefern, die z. B. bekannten Gesetzmäßigkeiten der visuellen Wahrnehmung des Menschen entspricht (wie etwa den sogenannten Gestaltgesetzen der perzeptuellen Organisation). Weiterhin galt es zu untersuchen, inwieweit empirische Befunde der visuellen Psychophysik (etwa Betrachterabstand und Stimulusgröße) als auch der Neuroanatomie und der Elektrophysiologie (etwa bzgl. der Größe rezeptiver Felder) Randbedingungen setzen und so zur Gestaltung von Simulationen bzw. zur Parametrierung derartiger Modelle herangezogen werden können.
In diesem Zusammenhang wurden auch Probleme der Formalisierbarkeit, Modellierung, Implementierung und der experimentellen Simulation untersucht, wobei die folgenden Aspekte der visuellen Wahrnehmung im Vordergrund standen: primäres Sehen und perzeptuelle Organisation, Repräsentation von raum-zeitlichen Stimuli, Emergenz von Figur-Hintergrund-Konturen, „pop-out“ und visuelle Suche.
Zum zweiten wurden (projektübergreifend im Schwerpunkt) Fragen
behandelt, die im Rahmen des experimentellen Vorgehens mit einem wohldefinierten
„testbed“, etwa in Form eines rechnergestützten Perzeptionslabors,
in Zusammenhang standen:
a) Gestaltung eines mono-/binokularen CCD-Kamerasystems mit notwendigen
experimentellen Freiheitsgraden, z. B. bzgl. der Simulation von Augen-
und Blickbewegungen,
b) Gestaltung von (Rechner-)Simulationen und (Psychophysik-)Experimenten
auch im Zusammenwirken mit a), u. a. um eine hohe Vergleichbarkeit der
Simulations- und Expe-ri-mentalergebnisse (jeweils aus den verschiedenen
Disziplinen) erreichen zu können, und
c) Gestaltung von experimentellen Untersuchungen bzgl. Augen- und Blickbewegungen
mit geeigneten Aufzeichnungsgeräten, um reizabhängige und kognitive
Strategien der visuellen Exploration von gezielt gestalteten Stimuli zu
analysieren.
Außerdem mußte wegen der oben bereits genannten Koexistenzprämisse die Frage behandelt werden, in welchem theoretischen und methodischen Rahmen kognitionswissenschaftliche Modelle verschiedenster Ausprägung, d. h. z. B. symbolisch versus konnektionistisch, für den gleichen Phänomenbereich bzgl. ihrer Beschreibungs-, Erklärungs- und Prädiktionskraft verglichen und aufeinander bezogen werden können.
Experimentelle Untersuchungen. Wir können Aufmerksamkeit
gezielt auf Objekte lenken; auch die globale Gestalt eines Objektes läßt
sich herausheben, oder etwa seine lokalen Details. Was geschieht bei solchen
willentlichen Aufmerksamkeitswechseln zwischen Objekten, oder zwischen
globalen und lokalen Merkmalen desselben Objektes? Mit von uns entwickelten
experimentellen Techniken läßt sich der Zeitbedarf für
Aufmerksamkeitswechsel messen. Bisher haben wir damit willentliche Aufmerksamkeitswechsel
sowohl zwischen Objekten wie zwischen Reizebenen untersucht; im Vordergrund
standen Fragen nach der Rolle der visuellen Objektmerkmale und der von
räumlichen und zeitlichen Beziehungen zwischen benachbarten Objekten.
Es zeigte sich, daß willentliche Aufmerksamkeitswechsel beträchtliche
Zeit erfordern, ca. 150 bis 300 ms. Das gilt allerdings nur dann, wenn
die Aufgabe tatsächliche visuelle Selektion – etwa die Identifikation
eines von zwei präsenten Objekten – verlangt, nicht jedoch, wenn lediglich
die positionale oder größenmäßige Voreinstellung
verändert werden muß, um ein einzelnes Objekt zu erkennen. Dieses
Ergebnis steht im Einklang mit neurophysiologischen Befunden, nach denen
z. B. die Aktivität von V4-Neuronen nur dann aufmerksamkeitsmoduliert
wird, wenn mehrere konkurrierende Objekte in ihr rezeptives Feld fallen.
Größenunterschiede zwischen lokalen und globalen Objektmerkmalen
erwiesen sich für den Zeitbedarf als kritisch, nicht jedoch die hierarchische
Struktur des Objekts. Dieses Resultat legt ebenso wie der stets auftretende
Richtungseffekt – Aufmerksamkeitswechsel von kleinen Objekten zu großen
sind 50 bis 100 ms langsamer als umgekehrt – nahe, daß die beteiligten
Aufmerksamkeitsmechanismen auf relativ ‘frühen’ visuellen, und nicht
auf abstrakten Objektrepräsentationen arbeiten.
Diese Ergebnisse setzen Randbedingungen für Theorien der Aufmerksamkeit.
Dafür waren eine Reihe von Fragen experimentell zu klären, vor
allem solche nach dem Einfluß von dynamischen Reizfaktoren und dem
Zusammenwirken von willentlichen und unwillkürlichen Mechanismen der
Aufmerksamkeitssteuerung.
Theoretische Arbeiten. Viele der genannten Ergebnisse lassen
sich durch das von R. Goebel entwickelte (und von Egner erweiterte) Netzwerkmodell
zur Erkennung zweidimensionaler Objekte verstehen, bei der räumliche
und objektbasierte Aufmerksamkeitsmechanismen eine wesentliche Rolle spielen.
Räumliche Aufmerksamkeit ist als Scheinwerfer implementiert, der
die visuelle Information festlegt, die bevorzugt verarbeitet wird; der
fokussierte Bereich ist das Resultat systembedingter („willentlicher“)
und reizbedingter („unwillkürlicher“) Einflüsse. Wie in den verwandten
Modellen von Olshausen, Anderson und van Essen, van Essen, Anderson &
Olshausen und Tsotsos modifizieren Größe und Lage des Scheinwerfers
den Weg dynamisch, auf dem elementare Merkmalsrepräsentationen zu
höheren Verarbeitungsstufen gelangen und zu größen- und
lageinvarianten Objektrepräsentation führen.
Räumliche Selektion stößt auf Schwierigkeiten, wenn
sich Objekte überlappen. In Goebels Modell besteht die Lösung
darin, Merkmale durch wechselseitige Interaktionen zu „Gestalten“ (Objektkandidaten)
zu binden. Dazu werden elementare Merkmale durch laterale Gewichtsmuster
in phasen-synchrone bzw. phasen-versetzte Oszillation gebracht; der objektbasierte
Aufmerksamkeitsmechanismus wählt einen der synchron oszillierenden
Objektkandidaten aus.
Simulationsstudien haben gezeigt, daß das Goebelsche Modell zahlreiche
Wahrnehmungs- und Aufmerksamkeitsaufgaben lösen kann, in guter Übereinstimmung
mit empirischen Befunden steht und daß sich mit ihm auch Aufmerksamkeitsstörungen
wie Neglekt modellieren lassen. Ziel des Projektes war, weitere qualitative
Vorhersagen des Modells abzuleiten und experimentell zu überprüfen.
Für die statistische Analyse von Reaktionszeitdaten sind Netzwerksimulationen
weniger geeignet. Deshalb haben wir auch eine Klasse stochastischer Modelle
interagierender paralleler Kanäle entwickelt, für die sich quantitative
Vorhersagen ableiten und empirisch überprüfen lassen.
Dafür ist die Antwort auf die Frage entscheidend, wie die Aufmerksamkeitsselektion letztlich bewirkt wird: durch Förderung selegierter oder durch Hemmung nichtselegierter Information? In unveröffentlichten Experimenten konnten wir qualitativ unterschiedliche Zeitverläufe für Aufmerksamkeitswechsel zwischen semantisch verwandten und unverwandten visuellen Objekten (identische oder verschiedene Buchstaben) nachweisen, die die Vermutung nahelegen, daß vor dem Wechsel die Repräsentation des gerade beachteten Objekts aktiv inhibiert wird. Derzeit laufen vorbereitende Experimente, die von dieser Hypothese ausgehen. Sie sollen eine Trennung in Bahnungs- und Hemmungseffekte ermöglichen und die Beziehung unserer Ergebnisse zum `negative priming'- Phänomen (Allport, Tipper, & Chmiel 1985) untersuchen.
Die Größenordnung des Zeitbedarfs für willentliche Aufmerksamkeitswechsel, den wir aus Reaktionszeiten schätzen, stimmt unerwartet gut mit Ergebnissen aus Paradigmen mit Genauigkeitsanforderungen überein wie der `attentional dwell-time'-Anordnung (Duncan, Ward, & Shapiro 1994) und der `rapid serial visual presentation' (Maki & Padmanabhan 1994). Der Vergleich der Ergebnisse dieser verschiedenen Forschungsansätze läßt vermuten, daß diese Übereinstimmung nur dann auftritt, wenn symbolische Reizmerkmale - wie in unseren bisherigen Untersuchungen - signalisieren, daß ein Wechsel erforderlich ist, nicht jedoch bei präattentiven Reizmerkmalen. Diese Hypothese soll experimentell im Umschalt- wie im attentional dwell-time-Paradigma überprüft werden.
Ziel des Projekts ist es, die - neuerdings auch kritisch beurteilte - Scheinwerfer-Konzeption der selektiven Aufmerksamkeit zu analysieren und sie neurobiologischen Vorstellungen gegenüberzustellen, die Aufmerksamkeitsphänomene lediglich durch `biased competition'-Mechanismen zu erklären versuchen (z. B. Desimone und Duncan 1995).
Untersuchungen wurden und werden an der Neurologischen Universitätsklinik Hamburg-Eppendorf und am Psychologisches Institut der Technischen Universität Braunschweig, zu den folgenden Fragestellungen durchgeführt:
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