Attentional capture by emotional stimuli : evidence from saccade trajectories

Abstract

This thesis aims to investigate to what extent the human attention adapts to environmental changes of superior relevance, in particular the extent to which emotional stimuli capture human visual attention. Because emotional stimuli signal a potential threat or opportunity, they are of superior importance to the organism and should therefore be processed as fast as possible even when they are irrelevant for the observer’s current goal. Unfortunately, the paradigms typically used so far to address this question are associated with a number of important methodological issues. For this reason, this thesis employs a different paradigm and a different measure which allow to more validly interpret the effects in terms of attentional capture. The paradigm used in this thesis makes use of the saccade trajectories, which have been shown to curve away from a task-irrelevant stimulus and thus be highly sensitive to covert attentional shifts (Doyle & Walker, 2001). This curvature away effect has been attributed to inhibitory mechanisms operating on the neurons that code the saccade towards the task-irrelevant stimulus. Although few previous studies provided evidence for the existence of involuntary higher-order influences on saccade trajectories, the evidence is still very scarce. Moreover, it suggests that these influences take place only late in time. Therefore, this thesis aims to provide further evidence that saccade trajectories are influenced by the emotional content of task-irrelevant stimuli as well as to provide evidence that this influence can take place early in time. To this end, a series of five experiments was conducted, in which a saccade target appeared above or below fixation, while a task-irrelevant distractor face depicting an angry, happy, or neutral expression appeared in one of the four screen quadrants. The hypothesis is that due to their particular relevance, emotional facial distractors will appear more salient and therefore will produce more oculomotor activation than neutral faces. As a result, emotional distractors will compete with the target more strongly than neutral distractors (i.e., emotional distractors will more strongly inhibit the target and thus will more strongly prevent it from reaching the threshold). Thus, more inhibition will be required with emotional than with neutral distractors for the target to reach the threshold, leading to stronger trajectory curvature away with emotional than with neutral distractors. In addition, given previous studies showing stronger attentional bias towards negative than towards positive stimuli, a bigger curvature away with angry than with happy distractors is hypothesized. Experiment 1 successfully replicated the basic effect of saccade trajectories curving away from neutral distractors. Experiment 2 investigated saccade trajectories with schematic facial expressions of emotion. However, no effect of emotion was found in Experiment 2 possibly due to the limited complexity and variability of the schematic faces, which might have produced a habituation effect. Experiment 3, therefore, used pictures of natural emotional expressions as they are more variable and ecologically more valid than the schematic facial expressions and thus decrease the probability of habituation effect. As hypothesized, the emotional expression of the facial distractors modulated saccade trajectories, with angry faces producing stronger curvature away than happy faces. Importantly, this effect was not observed with inverted faces, ruling out the possibility that perceptual features drove the effect of emotion with upright faces. Experiment 4 aimed to provide an even more direct evidence for early involuntary attentional capture by emotional distractors. To this end, conditions were created that have been shown to favor very fast saccades and thus prevent inhibition from taking place. The conditions in Experiment 4 were not sufficient to prevent inhibition from taking place. Although the numerical pattern of the results in Experiment 4 was in line with the results in Experiment 3, the effect of emotion was not significant in Experiment 4 possibly due to the increased number of trials with fast saccades and the reduced curvature away effect. However, the effect of emotion was significant across both Experiment 3 and 4, and it did not differ between them, suggesting that the non-significant effect in Experiment 4 might have been due to statistical power limitations. Experiment 5 conceptually replicated the results from Experiment 3 using a more complex task and more complex target stimuli. Taken together, the present findings provide support for the hypothesis that the emotional content of a task-irrelevant stimulus captures human visual attention in an involuntary manner and very early in time. It seems therefore that the human cognitive system is equipped with highly sophisticated mechanisms that enable the organism to act in a very fast and adaptive manner.

Diese Arbeit untersuchte, inwiefern emotionale Reize die menschliche visuelle Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Da sie potenzielle Gefahren und Gelegenheiten signalisieren, sind emotionale Reize von übergeordneter Relevanz für den Beobachter und müssen deswegen so schnell wie möglich verarbeitet werden, auch wenn sie irrelevant für das momentane Ziel des Beobachters sind. Die für die Untersuchung dieser Fragestellung typisch verwendeten Paradigmen sind mit mehreren methodologischen Kritikpunkten assoziiert. Aus diesem Grund wurde hier ein auf Sakkadentrajektorien beruhendes Paradigma verwendet (Doyle & Walker, 2001), da diese sehr sensibel zu verdeckter Aufmerksamkeitsausrichtung auf aufgabenirrelevante Reize sind und somit eine validere Interpretation im Sinne von schneller und unwillkürlicher Aufmerksamkeitsausrichtung zulassen. Obwohl jüngste Studien unwillkürliche Einflüsse von Faktoren höherer Ordnung auf die Sakkadentrajektorien zeigten, ist die Evidenz immer noch spärlich. Das Ziel dieser Arbeit ist, weitere Evidenz für den Einfluss höherer Faktoren auf die Sakkadentrajektorien zu liefern sowie zu untersuchen, ob dieser Einfluss zu einem frühen Zeitpunkt stattfinden kann. Es wurde eine Reihe von fünf Experimenten durchgeführt, in denen ein Sakkadentarget oberhalb oder unterhalb des Fixationskreuzes erschien, während das Bild von einem aufgabenirrelevanten Gesicht (Distraktor), das einen wütenden, fröhlichen oder neutralen Ausdruck zeigte, in einem der vier Bildschirmquadranten erschien. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass aufgrund ihrer übergeordneten Relevanz emotionale Distraktoren salienter erscheinen und somit mehr okulomotorische Aktivierung erzeugen werden als neutrale Distraktoren. Als Folge davon werden emotionale Distraktoren stärker mit dem Sakkadentarget konkurrieren als neutrale Distraktoren (d.h. die emotionalen Distraktoren werden das Sakkadentarget stärker inhibieren und es somit stärker davon abhalten, den Schwellenwert zu erreichen). Mehr Inhibition wird somit mit emotionalen als mit neutralen Distraktoren benötigt werden, damit das Sakkadentarget den Schwellenwert erreicht, was zu einer größeren Trajektorienwölbung weg von den emotionalen als den neutralen Distraktoren führen wird. In Anbetracht früherer Studien, die einen größeren Aufmerksamkeitsbias mit negativen als mit positiven Reizen fanden, wurde eine größere Trajektorienwölbung weg von den wütenden als von den fröhlichen Distraktoren postuliert. Experiment 1 replizierte den Basiseffekt mit neutralen Reizen. Experiment 2 untersuchte Sakkadentrajektorien mit schematischen Gesichtsausdrücken, fand jedoch keinen Emotionseffekt. Dies ist möglicherweise auf die beschränkte Komplexität und Variabilität der schematischen Gesichter zurückzuführen, was einen Habituationseffekt erzeugt haben könnte. Aus diesem Grund wurden in Experiment 3 natürliche Gesichtsausdrücke verwendet, da sie variabler und ökologisch valider sind als schematische Gesichtsausdrücke und somit die Wahrscheinlichkeit für eine Habituation reduzieren. Im Einklang mit der Hypothese modulierte der Gesichtsausdruck der Distraktoren die Sakkadentrajektorien, so dass sich die Sakkadentrajektorien stärker von den wütenden als von den fröhlichen Distraktoren wölbten. Dieser Effekt wurde nicht mit invertierten Distraktoren gefunden, was die Alternativerklärung ausschließt, dass perzeptuelle Eigenschaften den Emotionseffekt bei den aufrechten Distraktoren verursachten. Der Zweck von Experiment 4 war, direktere Evidenz für die frühe unwillkürliche Aufmerksamkeitsausrichtung auf emotionale Distraktoren zu liefern. Dazu wurden Bedingungen geschaffen, die sehr schnelle Sakkaden begünstigen und somit die Inhibition verhindern. Diese Bedingungen reichten jedoch nicht aus, um die Inhibition zu verhindern. Obwohl das numerische Ergebnismuster in Experiment 4 im Einklang mit den Ergebnissen von Experiment 3 war, war der Emotionseffekt in Experiment 4 nicht signifikant möglicherweise aufgrund der gestiegenen Anzahl an Trials mit schnellen Sakkaden und des verringerten Wölbungseffekts. Der Emotionseffekt war jedoch signifikant über Experiment 3 und 4 hinweg und unterschied sich nicht zwischen den beiden Experimenten. Dies legt nahe, dass der nicht signifikante Emotionseffekt in Experiment 4 auf eingeschränkte statistische Teststärke zurückzuführen ist. Experiment 5 replizierte konzeptuell die Ergebnisse von Experiment 3, indem komplexere Targetreize und eine komplexere Aufgabe verwendet wurden. Zusammengefasst unterstützen die vorliegenden Ergebnisse die Hypothese, dass der emotionale Gehalt eines aufgabenirrelevanten Reizes die visuelle Aufmerksamkeit sehr früh auf eine unwillkürliche Art und Weise auf sich zieht. Das menschliche kognitive System scheint somit mit hochentwickelten Mechanismen ausgestattet zu sein, die ein schnelles und anpassungsfähiges Handeln ermöglichen.