Gaze control and cognitive load in active vision - Task specific strategies in normal and visually impaired subjects

Abstract

During the first part of this PhD-project a new projection device, appropriate for pre-senting visual stimuli over a large area to a sitting subject, was established and constitutes the methodological basis for all further investigations. Psychophysical experiments comprising virtual scenarios could be performed with this novel setup whereby subjects were free to move their eyes and the head in a natural manner. Furthermore, the tracking of the subjects’ eye and head movements could be successfully integrated. Concerning the visual limitations, existing naturally or incurred additionally by affec-tions of the vision related brain regions, humans can develop gaze related strategies in order to adapt their behavior to the demands required by a specific task. In the comparative visual search paradigm, performed in order to investigate gaze adaptations in healthy subjects under different cost requirements, the influence of working memory limitation due to the process of generating task dependent eye and head movements for visual search became obvious: As long as the costs for gaze movements remained in a lower range, the memory involvement was restricted. However, in adaptation to increased movement costs for acquiring information, subjects performed fewer gaze movements and their search strategy was shifted towards memory use. Further gaze related adaptations were identified in some hemianopic patients. Due to their visual field restrictions, advanced compensatory eye and head movements needed to be developed. In more complex tasks, the majority of the hemianopic patients tended to maximize their information intake by performing more fixations in the hemifield related to the visual field loss and by shortening the saccadic amplitudes as indicated by the rapid gaze jumps between the regions selected for acquiring information. Another group of hemianopic patients showed these compensations in conjunction with an elevated number of refixations already for the not cognitively demanding visual sampling task. These findings reveal for a fundamental capability of healthy and visually impaired subjects, to adapt the vision related functions in order to behave adequately in terms of memory and/or visual field limitations. Concerning the varying task performance of the visually impaired hemianopics in the varying paradigms of the experimental toolbox, no connections to the clinical and demographic data could be identified. Thus, only the acquired and advanced gaze related adaptations serve to perform in different tasks in a more or less adequate way. Furthermore, against the unalterable nature of the clinical and demographic attributes, patients with a hemianopic field loss possibly can influence and enhance their compensation level to overcome the restriction of their visual field.

In der initialen Phase dieser Doktorarbeit wurde eine neuartige, großflächige Projektionsanlage zur Durchführung psychophysischer Experimente etabliert. Damit war es möglich, große Gesichtsfeldbereiche eines sitzenden Probanden mit virtuellen Reizen zu stimulieren und gleichzeitig die, in den Experimenten ausgeführten Kopf- und Augenbewegungen, zu registrieren. Die visuelle Wahrnehmung des Menschen ist im Allgemeinen darauf ausgelegt, sich den sowohl natürlichen als auch zusätzlichen (z.B. durch Läsionen entsprechender Hirnregionen verursachten) Einschränkungen des Gesichtsfeldes durch Anpassungen des Blickverhaltens bezüglich der Anforderungen der jeweiligen Aufgabe anzupassen. Um diese Fähigkeit detaillierter zu quantifizieren, sollte auf der einen Seite der zusätzliche Einfluss des kapazitiv beschränkten, visuellen Arbeitsgedächtnisses auf die Blickstrategien gesunder Probanden mit Hilfe des Paradigmas der vergleichenden visuellen Suche (CVS) untersucht werden. Dazu wurden die Zeitkosten für Blickbewegungen durch Vergrößerung des Abstandes zweier, zu vergleichender Reizfelder systematisch erhöht. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Beanspruchung von Gedächtnisressourcen im Falle kleiner Blickbewegungsamplituden nur gering ausfiel. Als Anpassung der Blickbewegungen für große Abstände wurden jedoch weniger Blicksprünge zwischen beiden Reizfeldern registriert und die Strategie in Richtung erhöhter Gedächtnisauslastung verschoben. Auf der anderen Seite wurden in einer weiteren Studie die Anpassungen der Blickbewegungsstrategien bezüglich des, zum Teil drastisch eingeschränkten, Gesichtsfeldes von Patienten mit dem Befund der homonymen Hemianopsie untersucht. Dafür durchliefen diese Patienten und entsprechende Kontrollprobanden drei Experimente mit steigendem visuellen und kognitiven Anspruch. Für die schwierigeren Paradigmen zeigte die Mehrheit der Patienten eine erhöhte Anzahl an Fixationen in der Stimulushälfte, welche bei Geradeausblick mit dem visuellen Ausfall assoziiert war. Weiterhin konnte eine Verkürzung der Sakkadenamplitude als Anpassung an die Gesichtsfeldrestriktionen hinsichtlich der Optimierung des Informationsflusses aufgezeigt werden. Eine weitere, jedoch kleinere Patientengruppe, zeigte diese Anpassungen in Kombination mit einer erhöhten Anzahl an wiederholten Fixationen bereits schon für das kognitiv wenig anspruchsvolle Paradigma einer Punktezählaufgabe. Hinsichtlich der experimentellen Leistung der Hemianopiker konnte gezeigt werden, dass es keinen oder einen nur sehr geringen Zusammenhang mit den klinischen oder demographischen Daten gibt. Dies lässt den Schluss zu, dass ausschließlich die Mechanismen der visuellen Wahrnehmung, d.h. die angepassten Blickbewegungsstrategien, zu den Unterschieden bezüglich der Bewältigung der visuellen Aufgaben beitragen. Alle Ergebnisse der Doktorarbeit bestätigen deutlich die grundsätzliche Fähigkeit der menschlichen Wahrnehmung, sich an die speziellen Anforderungen einer visuellen Aufgabe, unter den Limitierungen des Gedächtnisses und/oder des Gesichtsfeldes, flexibel und effizient anzupassen.