Dr. Nina Maria Hanning erforscht die neurokognitiven Prozesse, die der Blicksteuerung und visuellen Wahrnehmung während freier Augenbewegungen zugrunde liegen. Sie untersucht, wie das Gehirn trotz ständiger Augensakkaden ein stabiles, kontinuierliches Seheindruck erzeugt – obwohl die visuelle Information aus einer Abfolge einzelner Schnappschüsse besteht. Ihre Arbeiten sind Teil des Exzellenzclusters „Science of Intelligence" und tragen zu einem grundlegenden Verständnis von Intelligenz bei. Die Erkenntnisse sind relevant für die Entwicklung von Systemen mit verbesserter visueller Wahrnehmung, etwa in Robotik, autonomen Systemen oder Mensch-Maschine-Schnittstellen.
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Intelligenz zu verstehen zählt zu den großen wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Dennoch bleibt unser Verständnis von Intelligenz, trotz intensiver Forschung verschiedener Fachrichtungen, fragmentarisch und unvollständig. Das Exzellenzcluster „Science of Intelligence (SCIoI)“ wird maßgeblich dazu beitragen, Intelligenz als Ganzes besser zu verstehen. Hierzu sollen die bestehenden Erkenntnisse aus verschiedenen Disziplinen der Intelligenzforschung zusammengeführt werden. Gleichzeitig sollen den Disziplinen durch SCIoI wertvolle neue Forschungsimpulse zugeführt werden. Die Forschungsergebnisse werden außerdem dazu genutzt, neue intelligente Technologien zu schaffen, die zum gesellschaftlichen Nutzen in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden können. Das wissenschaftliche Ziel von SCIoI ist die Erforschung der Prinzipien von Intelligenz. Dieses Ziel soll mit Hilfe eines synthetischen Ansatzes erreicht werden, bei dem alle Theorien, Erkenntnisse, Konzepte und Methoden in technologische Artefakte, wie beispielsweise Roboter oder Computerprogramme, einfließen müssen. Diese Artefakte dienen als gemeinsame „Sprache“, die einen wissenschaftlichen Austausch über disziplinäre Grenzen hinweg ermöglicht. Dieser Austausch wiederum führt zu einer Validierung und Verknüpfung von Forschungsergebnissen sowie deren Übertragung und Erweiterung. Erkenntnisse, die über mehrere der beteiligten Disziplinen hinweg konsistent sind, liefern wertvolle Hinweise auf die gesuchten Prinzipien der Intelligenz, Widersprüche werden zu neuen Fragestellungen führen. Darüber hinaus erleichtert der verfolgte synthetische Ansatz die Überführung der gewonnenen Erkenntnisse in praktische Anwendungen. Mit dem Exzellenzcluster SCIoI wird ein interdisziplinärer Forschungsverbund geschaffen, der für in der Intelligenzforschung tätige Wissenschaftler*innen ideale Arbeitsbedingungen bietet. Das integrierte Graduiertenprogramm wird bei der Ausbildung einer neuen Generation interdisziplinärer Intelligenzforscher*innen eine zentrale Rolle spielen. Durch den interdisziplinären Ansatz sowie die Attraktivität und Relevanz der untersuchten Fragestellungen wird SCIoI langfristig den Frauenanteil insbesondere in den beteiligten MINT-Fächern erhöhen.
EXC 2002: Science of Intelligence (SCIoI)
Publikationen
25Auswahl der wichtigsten Publikationen — Quelle: OpenAlex.
Proceedings of the National Academy of Sciences · DOI
Covert endogenous (voluntary) attention improves visual performance. Human neuroimaging studies suggest that the putative human homolog of macaque frontal eye fields (FEF+) is critical for this improvement, whereas early visual areas are not. Yet, correlational MRI methods do not manipulate brain function. We investigated whether rFEF+ or V1/V2 plays a causal role in endogenous attention. We used transcranial magnetic stimulation (TMS) to alter activity in the visual cortex or rFEF+ when observers performed an orientation discrimination task while attention was manipulated. On every trial, they received double-pulse TMS at a predetermined site (stimulated region) around V1/V2 or rFEF+. Two cortically magnified gratings were presented, one in the stimulated region (contralateral to the stimulated area) and another in the symmetric (ipsilateral) nonstimulated region. Grating contrast was varied to measure contrast response functions (CRFs) for all attention and stimulation combinations. In experiment 1, the CRFs were similar at the stimulated and nonstimulated regions, indicating that early visual areas do not modulate endogenous attention during stimulus presentation. In contrast, occipital TMS eliminates exogenous (involuntary) attention effects on performance [A. Fernández, M. Carrasco, Curr. Biol. 30 , 4078–4084 (2020)]. In experiment 2, rFEF+ stimulation decreased the overall attentional effect; neither benefits at the attended location nor costs at the unattended location were significant. The frequency and directionality of microsaccades mimicked this pattern: Whereas occipital stimulation did not affect microsaccades, rFEF+ stimulation caused a higher microsaccade rate directed toward the stimulated hemifield. These results provide causal evidence of the role of this frontal region for endogenous attention.
Intelligenz zu verstehen zählt zu den großen wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Dennoch bleibt unser Verständnis von Intelligenz, trotz intensiver Forschung verschiedener Fachrichtungen, fragmentarisch und unvollständig. Das Exzellenzcluster „Science of Intelligence (SCIoI)“ wird maßgeblich dazu beitragen, Intelligenz als Ganzes besser zu verstehen. Hierzu sollen die bestehenden Erkenntnisse aus verschiedenen Disziplinen der Intelligenzforschung zusammengeführt werden. Gleichzeitig sollen den Disziplinen durch SCIoI wertvolle neue Forschungsimpulse zugeführt werden. Die Forschungsergebnisse werden außerdem dazu genutzt, neue intelligente Technologien zu schaffen, die zum gesellschaftlichen Nutzen in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden können. Das wissenschaftliche Ziel von SCIoI ist die Erforschung der Prinzipien von Intelligenz. Dieses Ziel soll mit Hilfe eines synthetischen Ansatzes erreicht werden, bei dem alle Theorien, Erkenntnisse, Konzepte und Methoden in technologische Artefakte, wie beispielsweise Roboter oder Computerprogramme, einfließen müssen. Diese Artefakte dienen als gemeinsame „Sprache“, die einen wissenschaftlichen Austausch über disziplinäre Grenzen hinweg ermöglicht. Dieser Austausch wiederum führt zu einer Validierung und Verknüpfung von Forschungsergebnissen sowie deren Übertragung und Erweiterung. Erkenntnisse, die über mehrere der beteiligten Disziplinen hinweg konsistent sind, liefern wertvolle Hinweise auf die gesuchten Prinzipien der Intelligenz, Widersprüche werden zu neuen Fragestellungen führen. Darüber hinaus erleichtert der verfolgte synthetische Ansatz die Überführung der gewonnenen Erkenntnisse in praktische Anwendungen. Mit dem Exzellenzcluster SCIoI wird ein interdisziplinärer Forschungsverbund geschaffen, der für in der Intelligenzforschung tätige Wissenschaftler*innen ideale Arbeitsbedingungen bietet. Das integrierte Graduiertenprogramm wird bei der Ausbildung einer neuen Generation interdisziplinärer Intelligenzforscher*innen eine zentrale Rolle spielen. Durch den interdisziplinären Ansatz sowie die Attraktivität und Relevanz der untersuchten Fragestellungen wird SCIoI langfristig den Frauenanteil insbesondere in den beteiligten MINT-Fächern erhöhen.
Neuro-cognitive processes underlying gaze control and perception across free-viewing eye movements (FREE-VIEW)
Wir bewegen unsere Augen ständig, um unsere Umgebung zu erkunden. Zwischen kurzen Fixationsphasen führen Sakkaden zu drastischen Veränderungen im visuellen Input – und dennoch erleben wir eine kontinuierliche und stabile Welt, obwohl unser Seheindruck aus einer ununterbrochenen Abfolge einzelner „Schnappschüsse“ besteht. Die perzeptuellen Konsequenzen sakkadischer Augenbewegungen sind vielfältig, doch die Experimente zu ihrer Untersuchung ähneln sich überraschend stark und tendieren paradoxerweise zu einer passiven Erforschung aktiver visueller Wahrnehmung. Anstelle isolierter, stereotypischer Augenbewegungen, die durch künstliche Reize ausgelöst werden, ist der Blick im Alltag dynamisch durch Szenenstatistiken und interne Ziele gesteuert. Um aktive Wahrnehmung über Augenbewegungen hinweg wirklich zu verstehen, müssen wir sie unter natürlichen, aber dennoch präzise kontrollierten Bedingungen untersuchen – was bislang durch methodische Einschränkungen erschwert wurde: Die flüchtige Natur perisakkadischer Phänomene erfordert Echtzeitwissen über die bevorstehende Sakkade, um die perzeptuelle Messung räumlich und zeitlich auf sie abzustimmen.
Glücklicherweise sind freie Sakkaden nicht zufällig, sondern werden durch auffällige und relevante Merkmale in der Szene gelenkt. Mein Team und ich werden eine Methodik einführen, die diese Faktoren in Echtzeit bewertet, um Sakkaden während der freien Exploration in dynamischem visuellen Rauschen vorherzusagen. Um aktive Wahrnehmung mithilfe blickkontingenter Messungen unter unbegrenztem Sehen zu untersuchen, kombiniert mein Ansatz hochpräzise, aber starre Techniken der klassischen Wahrnehmungsforschung mit flexibleren, aber gröberen Methoden der Szenenbetrachtung, bei denen subtile perisakkadische Prozesse traditionell nicht berücksichtigt werden.
Durch die Verbindung modernster psychophysikalischer, computergestützter und neurowissenschaftlicher Expertise wird FREE-VIEW neue Wege zum Verständnis tatsächlich aktiver Wahrnehmung und Blicksteuerung eröffnen, die Aussagekraft von Befunden aus atypischen, instruierten Sakkaden bewerten und ein vielseitiges Werkzeug zur Verfügung stellen, das auch in Populationen eingesetzt werden kann, denen es schwerfällt, strikte Anweisungen zu erlernen oder einzuhalten – etwa bei Kindern, älteren Menschen, Patient*innen oder nicht-menschlichen Primaten.
Visual perception is limited by spatial resolution, the ability to discriminate fine details. Spatial resolution not only declines with eccentricity but also differs for polar angle locations around the visual field, also known as 'performance fields'. To compensate for poor peripheral resolution, we make rapid eye movements-saccades-to bring peripheral objects into high-acuity foveal vision. Already before saccade onset, visual attention shifts to the saccade target location and prioritizes visual processing. This presaccadic shift of attention improves performance in many visual tasks, but whether it changes resolution is unknown. Here, we investigated whether presaccadic attention sharpens peripheral spatial resolution; and if so, whether such effect interacts with performance fields asymmetries. We measured acuity thresholds in an orientation discrimination task during fixation and saccade preparation around the visual field. The results revealed that presaccadic attention sharpens acuity, which can facilitate a smooth transition from peripheral to foveal representation. This acuity enhancement is similar across the four cardinal locations; thus, the typically robust effect of presaccadic attention does not change polar angle differences in resolution.
With every saccadic eye movement, humans bring new information into their fovea to be processed with high visual acuity. Notably, perception is enhanced already before a relevant item is foveated: During saccade preparation, presaccadic attention shifts to the upcoming fixation location, which can be measured via behavioral correlates such as enhanced visual performance or modulations of sensory feature tuning. The coupling between saccadic eye movements and attention is assumed to be robust and mandatory, and considered a mechanism facilitating the integration of pre- and post-saccadic information. However, until recently it had not been investigated as a function of saccade direction. Here, we measured contrast response functions during fixation and saccade preparation in male and female observers and found that the pronounced response gain benefit typically elicited by presaccadic attention is selectively lacking before upward saccades at the group level – some observers even showed a cost. Individual observers’ sensitivity before upward saccades was negatively related to their amount of surface area in primary visual cortex representing the saccade target, suggesting a potential compensatory mechanism that optimizes the use of the limited neural resources processing the upper vertical meridian. Our results raise the question how perceptual continuity is achieved and upward saccades can be accurately targeted despite the lack of –theoretically required– presaccadic attention. Significance Statement When we make a saccadic eye movement to a target location in the visual field, perception improves at the saccade target, already before the eyes start moving. This benefit afforded by presaccadic attention is thought to be mandatory and independent of eye movement direction. We show that this is not the case; moving our eyes horizontally or downwards, but not upwards, enhances contrast sensitivity. At the neural level, however, humans with less V1 cortical tissue representing the target location for upwards saccades have some presaccadic enhancement. The finding that presaccadic attention is dependent upon eye movement direction challenges the view that the presaccadic benefit is automatic and mandatory in nature.
