PSYC 330 - Lecture 7 - Orienting Attention in Space - March 11th, 2014 .docx

PSYC 330 March 11 , 2014 Lecture Seven: Orientating Attention in Space (Spatial Attention) The Spotlight Metaphor ­ A good account for moving attention around in space ­ The idea that we can look in one direction but paying attention somewhere else ­ Sometimes called “Peripheral vision” • E.g. Driving  ▯Looking ahead to the car in front of you but paying  attention to your surroundings (cars to beside you, pedestrians, signs and  etc.) • E.g. Social Situations  ▯Talking to someone and you’re looking straight at   them, but something else catches your eye and you don’t want to be rude  ­ The study of moving attention around in space  ▯Behaviorisms’ big no­no because it’s  not observable (behaviourism is dependent on where our eyes are pointing to  “observable”) Orienting ­ Distinguished between: • Shifts of attention that occur in synchrony with changes in body position • Shifts of attention that occur independently of body position Orienting of Attention ­ We can shift our attention slightly to the side of where our eyes are pointing • “Using peripheral vision” • “Looking out of the corner of the eye” • Common part of early introspective psychology (Wilhelm Wundt, 1912) • Aristotle also talked about it Studying Orienting Response ­ During the Behaviourist Era, when studying attention was not very popular ­ People studied the orienting responses of animals towards stimuli that capture their  attention (E.g. Pavlov’s Classical Condition Experiment with Dogs and Salivation) • Orienting is an adjustment of the animal’s position relative to the stimulus  in question • Involves either: body, head, and/or eye movement • Finding: When animals were confronted with a novel stimulus, they  usually show a strong orienting response towards it  BUT if the same stimulus is repeated continuously  ▯causes  habituation and orienting responses diminishes  Habituation  ▯reflects gradual decrease in responses causing  cortical arousal in the Reticular Activating System (RAS) Part I: What is Covert Orienting? Covert Orienting ­ The moving of attention that people can’t see  PSYC 330 March 11 , 2014 ­ It is something that is associated with moving our attention independently of where our  eyes are pointing  ­ Looking straight at something, but focusing (allocating) your attention elsewhere Covert vs. Overt Orienting ­ Covert Orienting • Shifts of attention not associated with any directly observable body  movements • Peripheral vision • E.g. Helmholtz covertly oriented his attention to locations within a  stimulus display while overtly maintaining the position of his eyes and  gaze toward the central fixation point • E.g. Looking at straight at one stimulus but actually focusing attention to  another stimulus in the background • Key Point: You covertly orienting attention way faster than overtly  orienting attention  Faster attentional shifting  Visual attention is suspended for a few milliseconds when shifting  attention  It is more efficient ­ Overt Orienting • Shifts of attention with detectable body movements • Other people can see what you are focusing your attention to • It is noticeable •  E.g. Saccadic Eye Movements  ▯Moving our eyes  Jump and Rest eye movements  We can only make 4 movements per second  We can covertly orient way faster than that   Eye movements are very slow processes relative to other brain  processes  It takes about 220­250 milliseconds to execute an eye movement  and then wait while you program the next eye movement before  you can actually move it again (slower process)   It is more efficient to focus our eyes in one direction and have  another attentional focal point somewhere else (like two areas of  visual processing) Hermann von Helmholtz ­ Credited with being the first to study attention shifts in a systematic manner ­ He had a gift of improvisation when constructing models  ▯enabled him to conduct a  study about our capacity to shift attention between different locations in visual field ­ Invented to forerunner to the tachistoscope in the 1930s (Leyden Jar, Dark box, Visual  Display with Letters) PSYC 330 March 11 , 2014 Helmholtz’s Demonstration of Covert Orienting ­ Landmark Study ­ He demonstrated that we have the capacity to concentrate attention on a different  portion of the visual field than where our eyes are pointing ­ Method: Constructed a stimulus display with large letter printed on it • Illuminated pinhole (in the centre of the display) = fixation point for the  eye Central Fixation (Attentional Focal Point “Pinhole”)  ▯ Shift of Attention (Focused part  of darkened display) ▯ Spark Illumination  ▯ After Image (Briefly viewed positive after­ image) ­ Findings: During the brief illumination, the letters in the area where attention had been  concentrated on  ▯were the most identifiable  • Notes: Letters in the near the area of the ocular fixation point were  difficult identify  ▯Surprising due to the fact that stimuli usually the easiest   to identify at the location that our eyes are pointing to  Explanation: When the locations do not overlap, visual analysis  required for object identification appears to depend on attentional  focus more than on ocular focus (Attentional focus > ocular focus,  when visual analysis is required)  Conclusion: We can voluntarily and selectively concentrate  attention on a stimulus at a particular location without making eye  movements (adjusting ocular locus) while at the same time  excluding attention from stimuli at other locations - The attention is free to direct itself by a conscious and  voluntary effort upon any selected portion of a dark field of  view - The attentional focal point can be shifted independently of  “ocular fixation” (where our eyes are pointing to) Ocular Focus and Attentional Focus ­ Ocular Focus: Focus that directs attention when pointing with our eyes. ­ Attentional Focus: Focus that directs attention covertly (without pointing with our  eyes) ­ There are two separate regions in the brain for ocular focus and attentional focus Summary of Helmholtz’s Discovery: ­ We can shift attention independently of ocular focus ­ Visual analysis depends more on where we are attending than where our eyes are  pointing ­ William James emphasized in his textbook “Principles of Psychology” (1890­1950)  ▯ this was “one of the most important observations for a future theory of attention” • Attention can be shifted voluntarily or captured involuntarily by external  sensory events PSYC 330 March 11 , 2014 • Voluntary shifts as part of the “intellectual domain” and involuntary shifts  are part of the “sensory domain” Peripheral Vision: ­ The vision area around you ­ You are attending to the side of your vision (looking through the corner of your eyes) Part II: Studying Covert Orienting Attention Shifts with Location Cueing ­ Tasks that involve some form of location cueing about impending the onset of target  item interest ­ Researchers were concerned about monitoring eye movements using location cueing to  study attention shifts  ▯it is difficult to verify if attention was shifted independently of eye   fixation How to study Covert Orienting? ­ Involves location cueing tasks ­ Require subjects to move their attention that is cued Experiments in the 1980s­1990s ­ People were not aware that it makes a big difference what type of cue you use ­ Our attention is like a spotlight • Idea was really accessible  ▯more understanding  • Attracted more questions and research:  Is the spotlight small or large?  Can we change the size of the spotlight if we need to?  When we move our attention – do we leave it turned on?  Is there only one spotlight or do we have multiple spotlights? Sperling Study: Example of Location Cue Task  ▯A Visual Memory (Iconic Memory)   Study ­ Subjects see 3 rows of letters (top, middle and bottom rows) with a t­scope  (tachistoscope) for a brief period time (200 ms­250 ms) followed by a blank screen  (duration varied) and then subjects heard an auditory cue (high, medium or low pitched  tone)  • Auditory cue told the subjects which row of letters to report on  (letters were already gone)  High pitched tone  ▯report top row of letters  Medium pitched tone  ▯report middle row of letters  Low pitched tone  ▯report the bottom row of letters • If the auditory cue was presented very shortly after the letters were  taken away  If the tone is presented 10 ms after the letters were taken away  ▯ Easy recall   Experimenter’s Goal: How long can we delay the auditory cue  before it is useless PSYC 330 March 11 , 2014  Point of Study: Even in the 1960s, people were using location cue  experiment (auditory cues) Location Cue Tasks ­ Michael Posner was credited for developing the location cueing task for studying the  orienting of attention Michael Posner ­ Developed a location cueing task ­ Used to study covert orienting ­ There are many variations, but most have: • A central fixation point that subjects must continually direct their eyes  toward throughout each experimental trial • A visually presented target item to which subjects must respond • A location cue that is presented to the left or to the right of the fixation  point The Posner “Cueing” Task: “Posner’s Location Cue Paradigm” ­ Simple tasks  ▯lot of different populations ( groups of people) who can do this task ­ Detection task (reaction­time)  ▯Subject has to press a button as soon as they see the  target ­ Method:  • Subjects are presented a screen with a fixation point in the centre that they  should direct their attention to • 1000 ms later they see the location cue (i.e. a horizontal line on the right  side of the screen) • 100 ms later they see a target (i.e. blue circle) ­ Findings: Presenting a location cue just before the target is presented, makes responses  to the onset of the target even faster (speeds up responses to the target) ­ Key Point of Experiment: Look at how people can move their attention around  independently to where their eyes are pointing Types of Location Cueing Tasks: • Two Categories: Direct Location Cues and Symbolic Location Cues Different types of Location Cues ­ Direct Cue vs. Symbolic Cue ­ Symbolic Cue: A type of symbol that prepares us to be exposed to a target stimulus  (can be valid or invalid) • E.g. An arrow pointing to the location of the cue (valid), an arrow pointing  to the opposite location of a cue (invalid) ­ Neutral Cue: Cue for a target that is coming but not specifying the direction or location  “Get ready cue”  Response is faster when cue is aligned with target (valid cue) PSYC 330 March 11 , 2014  Response is slower when cue is not aligned with target (invalid  cue) • Cue Validity “No Cues/Neutral Cues”: Comparing a neutral response  time cue to a base line valid response time cue  ▯beneficial to comparing  response times of conditions with no location cue with conditions with  valid location cue • Neutral Location Cues and Mean Response Times: Slower than valid  cue (benefit cueing) but faster than invalid cue (cost cueing)  • Invalid cue slows us down, and valid cues speed us up  Key Point: We get significant decrease in response time to the  target when presented with valid response cues  ▯Becomes faster  when presented with a valid cue Mean Invalid Cue Response Time vs. Mean Valid Cue Response Time ­ Finding: It shows how much benefit you get when presenting a location cue prior to a  target ­ Mean Valid Cues: 270 ms ­ Mean Invalid Cues: 290 ms Summary of Types of Location Cues ­ Cost­Benefit Cueing Analysis: • When location cues are valid, response time is faster, more accurate and  more efficient, relative to the neutral cue condition (Benefit Cueing) • When location cues are invalid, response time is slower, less accurate and  less efficient, relative to the neutral cue condition (Cost Cueing) Variations of the Posner Task: ­ Sometimes the location cue can be misleading (invalid cue), the target doesn’t appear  where the location cue says it will appear ­ Method: Like the original task, except the symbolic location cues presented could  either be valid, neutral or invalid symbols • Target shows where the cue was shown (Valid Cue Trial) • Target may not show where the cue was shown (Invalid Cue Trial)  Fixation point  ▯1000 milliseconds  ▯Fixation Point + Location Cue    ▯100 milliseconds  ▯Fixation Point + Target  ▯Response is made  (Pushing the button every time you see the target) ­ Point of Study: To study how fast subjects can shift their attention and react in  response to seeing the target  ­ Result: When there is symbolic cue, it takes more mental capacity compared to direct  cues because you have to shift your attention to where the symbol is pointing The Lamp Light Theory of Vision ­ Philosopher Alcmaeon “Emission Theory” (450 BCE) • Proposed: Optic nerves function as light­bearing paths to the brain  because, when he got hit in the head he saw bright spots (“Phosphene”)  ▯ PSYC 330 March 11 , 2014 therefore, the eyes must contain light (fire), and that this light is necessary  for vision (the idea of light in the eye was the basis for theories of vision  beyond the Renaissance) • Suggests that we have light inside our heads/eyes that illuminates what we  are looking at  • Although theory was proven wrong  ▯it gave “ light” to the idea of an  attentional metaphor “The Spotlight Metaphor of Attention”  ▯Hernandez­ Peon 1964 Spotlight Metaphor of Attention ­ Metaphor: Conceptualizes the notion of focused attention and how it might be shifted  sequentially to different locations in the visual field ­ In the 1960s and 1970s, people started to look at spatial attention  ▯thought that we  might have an attentional spotlight and it moves within a map in a brain area • Maps = mental representations  • We have many spatial maps in our heads – in different areas (visual areas:  parietal cortex and etc.) • We have more than 40 different spatial representations of our visual world ­ Proposed Idea: Some of these maps used for attentional processing, might be a  spotlight that gets moved around  • We have attentional focal point that moves around as we direct our eyes  “shifting attention” • Shifting attention from one location to another is equivalent to moving a  light beam from one place to another Study (Same as Posner’s Task):  ­ “Spotlight” moves faster when cue is valid with target and moves slower when cues is  invalid with target ­ Focused attention can be shifted to cued locations like a moving spotlight ­ The shift of the spotlight of attention might be cued to locations much like a moving  spotlight  ▯the shift of the spotlight of attention might be initiated to the expected target  location before the target appears there, and thereby produce a response time benefit on  valid­cue trials • Valid Cue Trial: When there is a location cue that is present we get a  “head start” before we even notice it because of the attentional spotlight  ▯ attentional shift is faster • Invalid Cue Trial: Cue is presented, subject believes the cue and shifts  attention to that area, but the target is presented in the other side  ▯need to  do a time consuming shift of their attentional focal point all the way to the  correct side  ▯takes more time “ false start” Lawrence Ward (UBC) ­ Replicated the experiment using auditory location and visual location cues  ­ Combined auditory cue with visual target ­ Combined visual cue with auditory target PSYC 330 March 11 , 2014 ­ Findings: Can get the same pattern of data with visual cues and auditory targets or  auditory cues and visual targets • If you cue a location with an auditory stimulus at a location and then  present a visual target close to that location  ▯beneficial cueing effect ( a  sound can be a beneficial cue for speeding up responses to visual targets) • If you cue a location with a visual stimulus at a location and then present  an auditory target close to that location  ▯beneficial cueing effect ( a visual  stimulus can be a beneficial cue for speeding up responses to auditory  targets) • Cross Modal Posner Task:   2 Different Sensory Modalities: Vision and Hearing   Stimuli from the visual modality and the auditory modality can be  used as cues for each other  Auditory location cues can affect responses to visual targets and  visual location cues can affect responses to auditory targets  How are they mediated and are they separate? - There is only one kind of attention, there isn’t a separate visual  attention or auditory attention because the same set of brain  areas are active whether the stimuli is visual or auditory ­ Key Point: There’s only one kind of attentional resource pool because visual and  auditory attention have the same brain areas  • The brain has a common attention orienting network for all types of  sensory inputs • It works as a single attention system Part III: Direct Location and Symbolic Location Cueing Effects Voluntary and Reflexive Attentional Shifts ­ Direct Cues are close to the expected target location; they trigger stimulus attention  shifts, which are more sensory and less cognitive (usually underlines, outline boxes, or  bar markers that are presented in close proximity to the expected target location • Peripheral, pull, or exogenous cues • When a sudden event catches your attention, causing you to reflexively  shift your attention to that stimulus  ­ Symbolic Cues are used to initiate goal­driven attention shifts, initiated by cognitive  operations and are voluntary (usually presented as arrows or digits that subjects  understand to indicate expected target location) • Central, push, or endogenous cues • When you decide to do something that causes you to dependently shift  your attention • They are both different because they have different cues (symbolic vs.  direct) ­ Gaze Cues: A form of symbolic cue that operates and produces the same data as  arrows, digits and etc.  PSYC 330 March 11 , 2014 • The data from this source of experiment can be analyzed using cost­ benefit analysis, if you include a neutral cue condition • E.g. Using “eyes to direct picture” as a cue to check if it would have the  same results as the arrows • E.g. Babies are sensitive to gaze­location cues, always attending to  mother’s gaze. ­ Stimulus driven (involuntary “reflexive” attention shift) vs. Goal driven (voluntary  attention shift) Experiment One: Posner Task + Memory Task ­ Method: Subjects who used direct cues sometimes: • Did a Posner task involving only direct cues • Did the direct cueing (Posner task) and a concurrent task (holding some  information, i.e. digits, in memory)  ▯Extra cognitive load ( memory load  component to concurrent task) ­ Results: • In the direct cue condition, when holding digits in memory at the same  time  ▯made no difference, had the same beneficial effect of location  cueing even when there was extra cognitive load from doing the  concurrent task • When people are doing the symbolic cueing task, if they are doing it alone   ▯get the same beneficial effect of location cueing from valid cues  (symbolic or direct cues) • BUT! If people are doing the symbolic cueing task and have extra  cognitive load in the concurrent task  ▯the benefit of symbolic cues  decreases (this means that symbolic cues are more cognitive) • Direct cue and memory load (sensory effects)  ▯Big benefit from direct  cue • Symbolic cue and memory load (cognitive effects)  ▯Less benefit from  symbolic cue (requires cognitive resource) Experiment Two: Delays between Cue Onset and Target Onset (CTOA = Cue Target  Onset Asynchrony) ­ Method: Subjects are required to make a simple decision response as quickly as  possible after noticing the target’s appearance  ­ Researcher’s Goal: Playing around with the delay when the cue is presented and target  is presented to see how long it will take for the subjects to react • Increase delay will decrease benefit of direct cue • Increase delay will