The role of attention and awareness in visual perception

Abstract

The main questions this dissertation aims to answer concern the way awareness and attention influence visual perception. In more specific terms, it seeks to study the way their absence affects the processing of visual information, by reference to visual phenomena linked traditionally with the study of those two processes such as binocular rivalry (BR), crowding, the motion aftereffect (MAE) and Inattentional Blindness (IB). The thesis opens with a review on the mechanisms mediating perceptual switches during BR. It presents a focused review on BR, a laboratory phenomenon that occurs when different stimuli are presented dichoptically and perception alternates between the two in a stochastic manner. After a long-lasting and rigorous debate on the nature of BR, there is a growing consensus that those alternations are the result of a dynamic competition occurring at multiple levels of the visual hierarchy. In this review, I discuss mainly the role of low- and high-level adaptation mechanisms in controlling these perceptual alternations, something that has been a key issue in the rivalry literature. Both types of adaptation are dispersed throughout the visual system and have an equally influential, or even causal, role in determining perception. Such an explanation of BR is also in accordance with the relationship between the latter and attention. However, an overall explanation of this intriguing perceptual phenomenon needs to also include noise as an equally fundamental process involved in the stochastic resonance of this perceptual bistability. The chapters, that follow, present experimental psychophysical evidence about the role awareness (Chapter 2) and attention (Chapter 3) have on the strength of the MAE. In the 2nd chapter the main issue has to do with unconscious processing and the ability to process information despite the lack of perceptual awareness. We have investigated the mechanisms of the motion aftereffect (MAE) using random dot displays of varying motion coherence as well as crowding, in order to modulate both the physical as well as the perceptual strength of the adaptation stimulus. Perceptual strength was quantitatively measured as the performance in a forced-choice direction-discrimination task. A motion-nulling technique was used to quantitatively measure the strength of the MAE. We show that the strength of the dynamic MAE is independently influenced by both the physical stimulus strength as well as the subjective perceptual strength, with the effect of the former being more prominent than that of the latter. We further show that the MAE still persists under conditions of subthreshold perception. Our results suggest that perceptual awareness can influence the strength of visual processing, but the latter is not fully dependent on the former and can still take place at its partial or even total absence. In the 3rd Chapter the focus turns on the way that attention affects the processing of visual information and once again motion adaptation served as the ideal experimental paradigm. We have manipulated attention during adaptation to translational motion generated by coherently moving random dots, in order to examine the effect of the distraction of attention on the strength of the peripheral dynamic motion after effect (MAE). A foveal rapid serial visual presentation (RSVP) task of varying difficulty was introduced during the adaptation period while the adaptation and test stimuli were presented peripherally. Furthermore, to examine the interaction between the physical characteristics of the stimulus and attention, we have manipulated the motion coherence level of the adaptation stimuli. Our results suggest that the removal of attention through an irrelevant task modulated the MAE’s magnitude moderately and that such an effect depends on the stimulus strength. We also show that the MAE still persists with subthreshold as well as unattended stimuli, suggesting that perhaps attention is not required for its complete development. We have manipulated awareness and attention using a modulatory/parametric design to make the adaptation stimuli as ‘invisible’ as possible, in order to unravel the separate contribution of perceptual and physical stimulus attributes on the final perceptual outcome (evident on the strength of the MAE). In simpler words, during the adaptation phase, we removed awareness through crowding and attention through an irrelevant task, while at the same time we could make the stimuli ‘weaker’ by adjusting their motion signal level as well. In this way, we were able to trace relatively moderate effects of the absence of awareness and attention on the MAE strength, the latter being also modulated by the motion coherence of the adaptation stimulus. Finally, the last chapter (Chapter 4) presents a study on Inattentional Blindness (IB) in preschool children. It is a phenomenon which shows the close relationship between attention and awareness. IB refers to the lack of the ability to notice a salient unexpected event when attentional resources are employed in another task (Mack & Rock, 1998), depicting the selective nature of attention. Previous researches have studied the developmental differences in IB in children and adolescents but the phenomenon has been only scarcely studied in early childhood. In the present study we enrolled 126 preschoolers (4- and 5 years old) to take part in the experiment. We created and used a video based on the gorilla paradigm by Simons and Chabris (1999) that was appropriately adapted to the age of the participants, a novel approach for the target age group of interest. We found high IB rates compared to that of adult population, suggesting that preschoolers experience great difficulty in perceiving unexpected objects. One could think that this high rate might be due to their immature attentional mechanisms. Nonetheless, IB rates were not related to their attentional tracking skills tested in another way, given that performance in the attentional primary task was not depended on whether they had seen the unexpected stimulus or not. As for the role of age in this group, IB rates were similar for 4- and 5-years-old preschoolers, showing that either IB is not sensitive enough to reveal developmental differences in attention for preschoolers or that age does not affect IB performance at least in this age range. Further studies that employ other tasks related with attention could be used, in order to cast some light to the attentional process involved in the phenomenon of IB. To end up, in this thesis I sought out to investigate the role that awareness and attention might play in the characteristics of visual perception. Through my experiments on the phenomena of MAE and IB, which are only a small fragment of the ways these processes have been studied experimentally in the past, I offer the following conclusion based on solid experimental methodology, carefully designed and conducted: awareness and attention do make a difference in the final visual perceptual outcome. However, they are neither necessary nor sufficient for visual processing and its effects to occur. Furthermore, evidence from the motion adaptation experiments showed that both awareness and attention should be best treated as parametrical variables, rather than in a dichotomous (all or none) way, thus making it possible to unravel the separate contribution of the perceptual and physical stimulus attributes on perception. The IB experiment, mostly underlines the need to study also younger children in the studies about visual attention, the way it works and develops in the course of time. As a final remark, in the present dissertation I had the opportunity to study perceptual alternations during BR, the effects of perceptual and physical stimulus attributes and of attentional manipulations on the MAE strength, IB in preschool children. They are all instances of the fascinating and complicated organization of the visual system which allow us to better appreciate and interpret the richness of visual experience.

Τα βασικά ερωτήματα που σκοπεύει να απαντήσει η παρούσα διατριβή αφορούν στον τρόπο με τον οποίο η επίγνωση (awareness) και η προσοχή (attention) επηρεάζουν την οπτική αντίληψη (visual perception). Πιο συγκεκριμένα, αποσκοπεί στο να μελετήσει τον τρόπο με τον οποίο η απουσία τους ενδέχεται να επηρεάζει την επεξεργασία της οπτικής πληροφορίας. Προκειμένου να εξυπηρετηθεί αυτός ο σκοπός, η μελέτη αυτή εστιάζει σε φαινόμενα που παραδοσιακά έχουν συνδεθεί με τη μελέτη αυτών των διεργασιών (επίγνωση και προσοχή) όπως ο διοφθάλμιος ανταγωνισμός (ΔΑ – binocular rivalry), ο συνωστισμός (crowding), η κινητική μετεπίδραση (KM-motion aftereffect) και η απρόσεκτη τύφλωση (AT- Inattentional Blindness). Η διατριβή ξεκινάει με μια εστιασμένη ανασκόπηση (focused review) για τους μηχανισμούς που διαμεσολαβούν τις αντιληπτικές εναλλαγές κατά τον ΔΑ. O ΔΑ είναι ένα εργαστηριακό φαινόμενο που συμβαίνει όταν διαφορετικά ερεθίσματα παρουσιάζονται με διχοπτική διέγερση. Σε αυτή τη περίπτωση η αντίληψη εναλάσσεται ανάμεσα στα δύο με στοχαστικό τρόπο. Μετά από μια χρόνια και έντονη διαμάχη για τη φύση και τον εντοπισμό του φαινομένου, πλέον υπάρχει συναίνεση για το ό,τι ο ΔΑ προκύπτει από δυναμικές διεργασίες που συμβαίνουν σε πολλαπλά επίπεδα της οπτικής ιεραρχίας, στον οποίο συμμετέχουν τόσο ανώτερες όσο και κατώτερες διεργασίες προσαρμογής (adaptation), που παίζουν πολύ βασικό ρόλο στη ρύθμιση των αντιληπτικών εναλλαγών. Σε αυτήν την ανασκόπηση, συζητώ κυρίως τον ρόλο των μηχανισμών της προσαρμογής, είτε σε τοπικό (local) και κατώτερο (low) είτε σε καθολικό (global) ανώτερο (higher) επίπεδο, o ρόλος της οποίας αποτελεί ένα πολύ βασικό ζήτημα στη σχετική βιβλιογραφία για τον ΔΑ. Δεδομένης της πολυεπίπεδης και διάχυτης φύσης της προσαρμογής στο οπτικό σύστημα, είναι πιθανόν και τα δύο είδη προσαρμογής να ευθύνονται και αιτιακά για τις αντιληπτικές εναλλαγές. Μια τέτοια ερμηνεία του φαινομένου μπορεί να εξηγήσει και τον ρόλο της προσοχής στο φαινόμενο του ΔΑ. Μια πλήρης όμως εξήγηση των εναλλαγών οφείλει να συμπεριλάβει εξίσου και τον θόρυβο (neuronal noise), ο οποίος δύναται να εξηγήσει καλύτερα τον στοχαστικό χαρακτήρα (stochastic resonance) του φαινομένου. Τα κεφάλαια που ακολουθούν παρουσιάζουν στοιχεία από πειράματα ψυχοφυσικής σχετικά με τον ρόλο της επίγνωσης (Κεφάλαιο 2) και προσοχής (Κεφάλαιο 3) στην ένταση της ΚΜ. Στο 2ο κεφάλαιο το βασικό θέμα έχει να κάνει με τη μη συνειδητή επεξεργασία (unconscious processing) οπτικών πληροφοριών και τη δυνατότητα να επεξεργαζόμαστε πληροφορίες παρά την απουσία επίγνωσης. Μελετήσαμε τους μηχανισμούς της ΚΜ χρησιμοποιώντας ως ερεθίσματα τυχαία κινούμενες κουκίδες (Random Dot Displays) σε διαφορετικά επίπεδα συνοχής (motion coherence) καθώς και συνωστισμό για να χειριστούμε ταυτόχρονα την αντιληπτική και φυσική ισχύ του ερεθίσματος προσαρμογής. Η αντιληπτική ισχύς (perceptual strength) μετρήθηκε ποσοτικά βάσει της επίδοσης ένα απλό ψυχοφυσικό έργο διπλής υποχρεωτικής επιλογής (two alternative forced choice task) που εξέταζε την ευαισθησία στην κατεύθυνση κίνησης. Μια τεχνική εκμηδενισμού/ακύρωσης της κίνησης (motion nulling technique) χρησιμοποιήθηκε για να ποσοτικοποιηθεί το μέγεθος της ΚΜ. Δείξαμε ότι η ΚΜ εξαρτάται και από την φυσική και από την υποκειμενική αντιληπτική ισχύ του ερεθίσματος, με τη φυσική ισχύ να είναι ισχυρότερος προβλεπτικός παράγοντας της έντασης της ΚΜ. Επιπλέον, δείξαμε ότι η ΚΜ εξακολουθεί να υφίσταται ακόμη και όταν το ερέθισμα προσαρμογής είναι υπό τον αντιληπτικό ουδό (subthreshold). Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι οπτική επεξεργασία επηρεάζεται από την επίγνωση, αλλά δεν εξαρτάται αποκλειστικά από αυτήν, μιας και συμβαίνει ακόμα και όταν απουσιάζει μερικά ή ολικά η αντιληπτική επίγνωση. Στο 3ο κεφάλαιο το ενδιαφέρον μετατοπίζεται στην προσοχή και στον τρόπο με τον οποίο επιδρά στην επεξεργασία της οπτικής πληροφορίας. Το σκεπτικό παραμένει το ίδιο και αντικείμενο μελέτης ήταν πως η απουσία της προσοχής ενδέχεται να επηρεάσει την ΚΜ. Χειριστήκαμε την προσοχή κατά τη διάρκεια της προσαρμογής σε γραμμική κίνηση παραγόμενη από ερεθίσματα με τυχαίες κουκίδες σε διάφορα επίπεδα συνοχής κίνησης. Ένα έργο ταχείας σειριακής παρουσίασης ερεθισμάτων (rapid serial visual presentation task) διαβαθμιζόμενης δυσκολίας εμφανιζόταν στο κέντρο της οθόνης αποσπούσε την προσοχή από το ερέθισμα προσαρμογής που εμφανιζόταν περιφεριακά. Για να εξετάσουμε την αλληλεπίδραση της επίδρασης της προσοχής με τα φυσικά χαρακτηριστικά του ερεθίσματος, χειριστήκαμε το επίπεδο συνοχής κίνησης των ερεθισμάτων προσαρμογής. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η απόσπαση της προσοχής έχει μάλλον μια ήπια (moderate) επίδραση στο μέγεθος της ΚΜ, η οποία αλληλεπιδρά με τα φυσικά χαρακτηριστικά του ερεθίσματος. Επίσης, δείξαμε ότι η ΚΜ μπορεί να προκύψει από ερεθίσματα προσαρμογής χωρίς προσοχή και υπό τον ουδό, κάτι που ενδεχομένως σημαίνει ότι η προσοχή δεν είναι απαραίτητη για την πλήρη ανάπτυξη της ΚΜ. Εν ολίγοις, χειριστήκαμε την προσοχή και την επίγνωση σαν ποσοτικές μεταβλητές ξεπερνώντας τη διχοτομική λογική του όλα ή τίποτα σχεδιασμού (all-or-none) με σκοπό να μπορέσουμε να εξετάσουμε ξεχωριστά την συμβολή των αντιληπτικών και φυσικών χαρακτηριστικών των ερεθισμάτων στο τελικό αντιληπτικό αποτέλεσμα (όπως αυτό απεικονίζεται στο μέγεθος της ΚΜ). Με πιο απλά λόγια, κατά τη φάση της προσαρμογής αφαιρέσαμε την επίγνωση μέσω του συνωστισμού και την προσοχή μέσω ενός άσχετου έργου, ενώ ταυτόχρονα κάναμε τα ερεθίσματα πιο αδύναμα προσαρμόζοντας το επίπεδο συνοχής της κίνησης. Με αυτό τον τρόπο, μπορέσαμε να εντοπίσουμε σχετικά μέτριες επιδράσεις της απουσίας της επίγνωσης ή της προσοχής στο μέγεθος της ΚΜ, σχέση που προσδιορίζεται και από το επίπεδο συνοχής της κίνησης των ερεθισμάτων προσαρμογής. Τέλος το τελευταίο κεφάλαιο (4ο) παρουσιάζει μια μελέτη πάνω στην ΑΤ σε παιδιά προσχολικής ηλικίας. Η ΑΤ είναι ένα φαινόμενο που αναδεικνύει την στενή σχέση μεταξύ προσοχής και επίγνωσης. Αναφέρεται στην αποτυχία να συνειδητοποιήσουμε την ύπαρξη ενός έντονου (salient) και απρόσμενου ερεθίσματος όταν οι πόροι της προσοχής μας είναι στραμμένοι σε κάποιο άλλο έργο (Mack and Rock, 1998), υπογραμμίζοντας έτσι τον επιλεκτικό χαρακτήρα της προσοχής. Προηγούμενες έρευνες έχουν μελετήσει τις αναπτυξιακές διαφορές στην ΑΤ σε παιδιά και εφήβους αλλά το φαινόμενο δεν έχει μελετηθεί επαρκώς σε παιδιά προσχολικής ηλικίας. Στην παρούσα μελέτη συμμετείχαν 126 παιδιά προσχολικής ηλικίας (4 και 5 ετών). Φτιάξαμε ένα καινούριο βίντεο βασισμένο στο κλασσικό βίντεο με τον γορίλλα των Simons and Chabris (1999), το οποίο προσαρμόστηκε στις ανάγκες και ικανότητες της ηλικίας των συμμετεχόντων. Πρόκειται για μια καινούρια προσέγγιση σε παιδιά αυτής της ηλικίας. Βρήκαμε αρκετά υψηλά ποσοστά ΑΤ σε σχέση με αυτά που έχουν καταγραφεί σε ενήλικο πληθυσμό, γεγονός που ίσως δείχνει ότι τα παιδιά προσχολικής ηλικίας έχουν μια δυσκολία να προσέξουν απρόσμενα ερεθίσματα. Ενδεχομένως, να μπορούσε να ερμηνευθεί ένα τέτοιο εύρημα βάσει του γεγονότος ότι οι μηχανισμοί προσοχής σε αυτήν την ηλικία δεν έχουν ακόμα ωριμάσει επαρκώς. Ωστόσο τα ποσοστά της ΑΤ δεν σχετίζονται με τις ικανότητες ανίχνευσης (attentional tracking skills) εν γένει, μιας και αυτοί που είδαν το απρόσμενο ερέθισμα είχαν παρόμοια επίδοση με αυτούς που δεν το είδαν. Σχετικά με τον ρόλο της ηλικίας, οι επιδόσεις στην ΑΤ ήταν παρόμοιες και για τα παιδιά 4 και 5 χρονών. Αυτό μπορεί να σημαίνει είτε ότι η ΑΤ δεν είναι αρκετά ευαίσθητο εργαλείο να αναδείξει αναπτυξιακές διαφορές σχετικές με την προσοχή, τουλάχιστον για αυτές τις ηλικίες, ή ότι η ηλικία δεν επηρεάζει την επίδοση στην ΑΤ. Ολοκληρώνοντας, σε αυτή τη διατριβή θέλησα να μελετήσω το ρόλο της προσοχής και της επίγνωσης στην οπτική αντίληψη. Μέσα από τα προσεκτικά σχεδιασμένα και υλοποιημένα πειράματα, στα φαινόμενα της ΚΜ και ΑΤ, που είναι ένα μικρό δείγμα από τους τρόπους με τους οποίους έχουν μελετηθεί πειραματικά αυτές οι διεργασίες στο παρελθόν, προσφέρω το ακόλουθο συμπέρασμα: η προσοχή και η επίγνωση διαφοροποιούν το τελικό αντιληπτικό αποτέλεσμα, ωστόσο δεν είναι αναγκαίες και επαρκείς για την ολοκληρωμένη επεξεργασία της οπτικής πληροφορίας. Επιπλέον, στοιχεία από τα πειράματά μου στην προσαρμογή σε κίνηση έδειξαν ότι είναι προτιμώτερο να χειριζόμαστε την προσοχή και την επίγνωση σαν ποσοτικές μεταβλητές με διαβαθμισμένα επίπεδα, παρά με μια διχοτομική λογική, κάτι που μας επέτρεψε να διαχωρίσουμε την ξεχωριστή συμβολή των φυσικών και αντιληπτικών χαρακτηριστικών των ερεθισμάτων στην αντίληψη. Το πείραμα στην ΑΤ κυρίως υπογραμμίζει την αναγκαιότητα να μελετούμε και παιδιά νεώτερης ηλικίας για πληρέστερη κατανόηση μηχανισμών και διεργασιών της προσοχής, πως λειτουργούν και πως εξελίσσονται στο πέρασμα του χρόνου. Σαν ένα τελικό σχόλιο θα ήθελα να πω ότι η παρούσα διατριβή μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ εκτενώς με τις αντιληπτικές εναλλαγές κατά τον ΔΑ, τις επιδράσεις των αντιληπτικών και φυσικών χαρακτηριστικών των ερεθισμάτων και των χειρισμών της προσοχής στο μέγεθος της ΚΜ, καθώς και την ΑΤ σε παιδιά προσχολικής ηλικίας. Όλα αυτά είναι εκφάνσεις της γοητευτικής και πολύπλοκης οργάνωσης του οπτικού συστήματος που μας επιτρέπουν να ερμηνεύσουμε και να εκτιμήσουμε καλύτερα τον πλούτο της οπτικής εμπειρίας.