Visual Attention Saccadic Models Learn to Emulate Gaze Patterns From Childhood to Adulthood

International audienceHow people look at visual information reveals fundamental information about themselves, their interests and their state of mind. While previous visual attention models output static 2-dimensional saliency maps, saccadic models aim to predict not only where observers look at but also how they move their eyes to explore the scene. In this paper, we demonstrate that saccadic models are a flexible framework that can be tailored to emulate observer's viewing tendencies. More specifically, we use fixation data from 101 observers split into 5 age groups (adults, 8-10 y.o., 6-8 y.o., 4-6 y.o. and 2 y.o.) to train our saccadic model for different stages of the development of human visual system. We show that the joint distribution of saccade amplitude and orientation is a visual signature specific to each age group, and can be used to generate age-dependent scanpaths. Our age-dependent saccadic model does not only output human-like, age-specific visual scanpaths, but also significantly outperforms other state-of-the-art saliency models. We demonstrate that the computational modelling of visual attention, through the use of saccadic model, can be efficiently adapted to emulate the gaze behavior of a specific group of observers

Attachment-related attention bias plays a causal role in trust in maternal support

The current study was designed to test whether children's ability to flexibly shift their attention (from their mother during distress to peers during exploration and vice versa) causally increases children's trust in the mother's support. We trained attention flexibility using a gaze-contingent music reward design. A total of 85 children (9-13 years of age; 46% boys) were randomly assigned to this training or a comparable yoked control condition. Attentional preferences were measured via eye tracking. Before and after the manipulation, we measured self-reported trust. Results showed that the training condition increased children's attention flexibility. Training-related increased attentional focus on the mother during distress was linked with increased trust. (C) 2019 Elsevier Inc. All rights reserved

Paradigm shift: A live real-world attention bias task to predict social anxiety and depressive symptoms in adolescent girls

Rates of depression and social anxiety increase dramatically during adolescence, particularly in girls. Cognitive models of depression and anxiety have implicated attention biases, or preferential attention toward negative stimuli, as a possible mechanism by which individuals develop depression and anxiety. Yet, little is understood about how attention biases operate in social anxiety and depression during adolescent development. Furthermore, most research on attention biases have used computer paradigms (e.g., the dot probe task) to study attention; however, such tasks may be limited in their applicability to real-world settings. To examine attention biases in a live, socially evaluative environment, 123 adolescent girls (aged 11-13) gave a speech in front of a potentially critical judge and a positive judge while wearing mobile eye-tracking glasses. To compare this new task to a more traditional measure of attention, participants also completed a stationary, eye-tracking version of the dot-probe task. Clinician and self-report measures of social anxiety and depressive symptoms were collected. Results revealed that attentional bias indices from the live task demonstrated stronger reliability than those from the dot-probe task. Attention indices from the live attention task were not found to be comparable to indices from the dot probe task, suggesting these tasks tap into unique attentional processes. Overall, girls with greater sustained attention to negative compared to neutral stimuli reported higher levels of social anxiety, and girls who were faster to disengage attention from negative compared to neutral stimuli reported higher levels of depressive symptoms in the dot-probe task. Additionally, girls who spent less time dwelling on the positive judge in the live attention task reported higher depressive symptoms, in line with previous research, suggesting attention patterns in the live attention task may be an important marker for depressive symptoms in adolescence. Future research may benefit from using a prospective, longitudinal research design to examine how attention bias in multiple contexts may be associated with the onset of social anxiety and depressive disorders in order to improve current mechanistic prevention and intervention efforts

Attentional Control in Infancy: The Role of Sociodemographic Risk, Cortisol, and the Home Environment

Infants’ ability to channel their cognitive resources by controlling their visual attention allows them to be active agents in their learning and development. Individual differences in attentional control have been linked to a wide variety of developmental outcomes including disparities between social classes in cognitive functioning. However, it is yet unknown when in development differences in attentional control related to sociodemographic factors emerge, or how factors of the home environment and the infant’s stress response relate to this effect. Accordingly, Experiment 1 examined whether certain sociodemographic factors, such as socioeconomic and minority status, predict 3.5-month-old infants’ (N = 102) ability to control their attention, as indexed by their average fixation durations. The results of this study not only suggest that average fixation duration is a viable metric for studying individual differences in cognitive development early in life, but are also, to my knowledge, the first demonstration of associations between sociodemographic risk and attentional control as early as 3.5 months of age. Next, in Experiment 2, an additional sample of 3.5-month-olds (N = 96) was recruited to determine the roles of home stability (i.e., home chaos and adherence to routines) and infant’s physiological response to stress (i.e., cortisol) in the relationship between attentional control and sociodemographic factors. A sub-sample of these infants were tested again at 5 months of age (N = 60) to examine changes over time in the relationship between sociodemographic risk, cortisol, and home stability. Two theoretical models were tested, the first being that instability in the home and maladaptive child rearing practices cause dysregulation of infants’ stress responses (indexed by heightened basal cortisol levels), which, in turn, disrupts their attentional control abilities. No empirical support for this model was found. The second model tested assumed that attentional control serves as a protective factor such that infants with more robust attentional control abilities show a less pronounced association between instability in the home and cortisol levels. Support for this model was found whereby only infants with poorer attentional control, indexed via average fixation durations, showed elevated cortisol levels in the context of poorer adherence to routines. The results of this project indicate that associations between attentional control and sociodemographic factors emerge very early in life. Therefore, intervention efforts aiming to reduce the gap in developmental outcomes between minority and low-SES infants and children and their peers may be beneficial beginning in early infancy. Furthermore, attentional control may be useful as a screening tool to determine which infants may be more susceptible to adverse home environments, and training attentional control may be one pathway to promote resilience early in life

Becoming a written word: eye movements reveal order of acquisition effects following incidental exposure to new words during silent reading

We know that from mid-childhood onwards most new words are learned implicitly via reading; however, most word learning studies have taught novel items explicitly. We examined incidental word learning during reading by focusing on the well-documented finding that words which are acquired early in life are processed more quickly than those acquired later. Novel words were embedded in meaningful sentences and were presented to adult readers early (day 1) or later (day 2) during a five-day exposure phase. At test adults read the novel words in semantically neutral sentences. Participants’ eye movements were monitored throughout exposure and test. Adults also completed a surprise memory test in which they had to match each novel word with its definition. Results showed a decrease in reading times for all novel words over exposure, and significantly longer total reading times at test for early than late novel words. Early-presented novel words were also remembered better in the offline test. Our results show that order of presentation influences processing time early in the course of acquiring a new word, consistent with partial and incremental growth in knowledge occurring as a function of an individual’s experience with each word

The longitudinal investigation of infants’ attentional control and its associations with self-regulatory functions in toddlerhood and maternal mental distress

Aufmerksamkeit ist eine wichtige kognitive Operation, die mehrere Prozesse betrifft, zu welchen Konzentration, Orientierung, Filterung und Verarbeitung von Inputs, das Aufrechterhalten des Fokus und endogene Kontrolle gehören (Colombo, 2001; Hendry et al., 2019). Es wird angenommen, dass Aufmerksamkeit die Allokation von kognitiven Ressourcen, die Priorisierung und Aktualisierung eintreffender Informationen und die Regulierung von Verhalten in der frühkindlichen Entwicklung unterstützen kann (Colombo et al., 2011; Esterman & Rothlein, 2019). Die Fähigkeit zur Steuerung von Aufmerksamkeit in frühen Jahren wird häufig als entscheidend für die spätere Entwicklung von Selbstregulation angesehen (Posner et al., 2016; Rueda, Posner, et al., 2005), welche verbunden ist mit der akademischen Leistung und Lernleistung im späteren Leben (Best et al., 2011; Morgan et al., 2019). Beeinträchtigungen von Aufmerksamkeit und Selbstregulation sind oft mit neurologischen Entwicklungsstörungen verbunden, wie beispielsweise einer Aufmerksamkeitsdefizits- oder einer Hyperaktivitätsstörung (Barkley, 1997; Sjöwall et al., 2013; Sonuga-Barke et al., 2010) oder einer Autismus-Spektrum-Störung (Gilotty et al., 2002; Matson et al., 2013; Samson et al., 2014). Der Blick nach vorn – vom Säugling zum Kleinkind Die Entwicklungsliteratur verlässt sich zur Messung der Aufmerksamkeitssteuerung stark auf die Messung unterschiedlichen Blickverhaltens (Bornstein, 1985; Colombo et al., 1999; Gredebäck et al., 2009). Verschiedene Parameter des Blickverhaltens wurden verwendet, um unterschiedliche Aspekte der Aufmerksamkeitssteuerung zu erfassen, wie beispielsweise die Latenz der Ausrichtung zu Stimuli (Pyykkö et al., 2020), die Blickdauer auf Stimuli (Johansson et al., 2015) oder die Verarbeitungsgeschwindigkeit visueller Stimuli (Blankenship et al., 2019). Obwohl berichtet wurde, dass verschiedene Aspekte der Entwicklung der Aufmerksamkeitssteuerung über die ersten 2 Lebensjahre stabil sind (Brandes-Aitken et al., 2019; Colombo et al., 2004; Rose & Feldman, 1987; Rose et al., 2001), basieren die meisten Ergebnisse auf einem einzelnen und kurzen Beobachtungszeitraum (z. B. 5 Minuten). In dieser Arbeit wird eine datengetriebene Methodik eingesetzt, um einen longitudinalen Datensatz zu untersuchen, der Daten zum Blickverhalten im Alter von 6, 10 und 18 Monaten enthält. Auf diese Weise sind wir im Stande, Entwicklungsänderungen der Aufmerksamkeitssteuerung aus verschiedenen Perspektiven zu beobachten. Vor allem konnte auf diese Weise eine stabile und robuste Messgröße identifiziert und etabliert werden, die verwendet werden kann, um zu anderen Variablen in Bezug gesetzt zu werden, beispielsweise in der vorliegenden Arbeit zur Selbstregulation und zur mütterlichen psychischen Gesundheit. Aufmerksamkeit im Säuglingsalter wird oft als Frühindikator oder Prädiktor für Selbstregulationsfunktionen genutzt. Selbstregulationsfunktionen wiederum, häufig unter Betonung von Effortful Control und exekutiven Funktionen (Posner & Rothbart, 2000; Rothbart & Rueda, 2005; Rothbart, Sheese, et al., 2011), korreliert mit individuellen akademischen Leistungen, der Lebenszufriedenheit und dem Arbeitsmarkterfolg (Ahmed et al., 2019; Best et al., 2011; Brock et al., 2009; Morgan et al., 2019). Es wurde vorgeschlagen, dass Aufmerksamkeit grundlegend für die Entwicklung von Selbstregulationsfunktionen ist (Colombo & Cheatham, 2006; Posner & Rothbart, 2009; Rueda, Posner, et al., 2004). Auf dieser Basis haben mehrere jüngere Studien einen positiven Zusammenhang zwischen Aufmerksamkeit und Selbstregulation in den frühen Lebensjahren festgestellt (Blankenship et al., 2019; Cuevas & Bell, 2014; Geeraerts et al., 2019; Papageorgiou et al., 2014). In der vorliegenden Arbeit wurde die Literatur gesichtet, die diesen Zusammenhang aufstellt, und die Gesamtevidenz geprüft. Obwohl zwar empirische Hinweise darauf existieren, die diese Feststellung unterstützen, sind die Ergebnisse nicht konsistent. Des Weiteren werden basierend auf den gleichen Annahmen experimentelle Ergebnisse präsentiert, welche den Zusammenhang zwischen Messgrößen der Aufmerksamkeit im Säuglingsalter (auf Basis der datengetriebenen Methodik) und der Selbstregulationsfunktionen im Alter von 18 und 30 Monaten untersuchen. Die vorliegenden Resultate, ebenso wie der Literaturüberblick unterstützen die Behauptung eines Zusammenhangs zwischen Aufmerksamkeit und Selbstregulation nicht, zumindest nicht im Kleinkindalter. Der Blick zurück – vom Säugling zu Schwangerschaft und Kindheit der Mutter Vor dem Hintergrund der Wichtigkeit von Aufmerksamkeit im Säuglingsalter und der zuvor beschriebenen Rolle in der späteren Entwicklung haben Studien zu Säuglingsalter und Kindheit versucht, diejenigen Risikofaktoren zu identifizieren, welche die Aufmerksamkeitsentwicklung beeinträchtigen könnten. Dies legt den nachträglichen Fokus der Betrachtung auf die In-Utero-Periode und sogar Kindheitserfahrungen der Mutter. Es existieren substantielle Hinweise darauf, dass mütterliche Stressfaktoren kortikale und subkortikale Verknüpfungen von Säuglingen beeinflussen (Rifkin-Graboi et al., 2013; Scheinost et al., 2020) und negative Auswirkungen auf die kognitive Entwicklung von Kindern haben kann (Keim et al., 2011; Kingston et al., 2015; Laplante et al., 2004; Tarabulsy et al., 2014). Des Weiteren wurde in jüngeren Studien berichtet, dass negative mütterliche Kindheitserfahrungen einen kumulativen Effekt auf die mütterliche psychische Gesundheit haben kann (Sacchi et al., 2020; Weltz et al., 2016) und wiederum zu strukturellen Konsequenzen für die neuronale Entwicklung in-utero führen kann (Andescavage et al., 2017; Moog et al., 2018). Im Einklang mit diesen Ergebnissen haben mehrere umfangreiche Studien einen negativen Zusammenhang zwischen mütterlichem Stress und Kindheitstraumata, aufmerksamkeitsbezogenen Problemen (Ross et al., 2020; Wang & Dix, 2017), Aufmerksamkeitsdefizits-/Hyperaktivitätssymptomen (Moon et al., 2021; Mulraney et al., 2019; Vizzini et al., 2019) und einem erhöhten Autismusrisiko (Roberts et al., 2013) ihrer Kinder gezeigt. Obgleich eine umfangreiche Literatur zeigt, dass mütterlicher Stress die Aufmerksamkeit von Kindern beeinflusst, sind die zugrundeliegenden Mechanismen weiterhin unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden die theoretischen Erklärungsansätze und die empirische Beweislage zum Zusammenhang von mütterlichen Stressfaktoren und Aufmerksamkeit des Nachwuchses untersucht. Im nächsten Schritt wurden, um ein besseres Verständnis für die zugrundeliegenden Mechanismen zu entwickeln, verschiedene Aspekte der mütterlichen psychischen Gesundheit (z. B. depressive Symptome, Symptome von Angstgefühlen und negative mütterliche Kindheitserfahrungen) und ihr Zusammenhang mit der Aufmerksamkeit von Säuglingen untersucht, basierend auf der gleichen Stichprobe anhand der Aufmerksamkeitsmessgrößen und unter Hinzufügen mütterlichen Daten von der Schwangerschaft bis 12 Monate nach der Geburt. Im Gesamten behandelt die vorliegende Arbeit drei Hauptthesen, welche in zwei verbundenen Veröffentlichungen untersucht werden. Erstens wurde die Entwicklung von Aufmerksamkeit im Alter von 6, 10 und 18 Monaten unter Verwendung von etwa 0,5 Millionen Fixierungen von Eye-Tracking-Messungen untersucht und mittels einer datengetriebenen Methode analysiert. Nach der Entwicklung von stabilen und robusten Aufmerksamkeitsmessgrößen, wurde das zweite Ziel umgesetzt, den Zusammenhang mit Selbstregulationsfunktionen zu untersuchen. Drittens wurde unter Verwendung der robusten Aufmerksamkeitsmessgrößen untersucht, ob rückblickend negative mütterliche Kindheitserfahrungen und mütterliche Stressfaktoren während der Schwangerschaft die Aufmerksamkeit von Säuglingen beeinflussen (Tu et al., 2021). Im Ergebnis zeigt sich (1) ein hoher Grad an Stabilität und interne Konsistenz zweier Aspekte der Aufmerksamkeitssteuerung von 6 bis 18 Monaten unter Verwendung einer datengetriebenen Methodik; (2) die Abwesenheit eines signifikanten Zusammenhangs zwischen Aufmerksamkeitssteuerung im Säuglingsalter und Selbstregulation im Kleinkindalter, welche eine weithin angenommene Verbindung zumindest im Kleinkindalter nicht bestätigt; und (3) einen signifikanten Einfluss von mütterlichen psychologischen Stressfaktoren, die in Verbindung zu negativen mütterlichen Kindheitserfahrungen stehen, auf die dauerhafte Aufmerksamkeit von Säuglingen. Zusammenfassend bietet die vorliegende Arbeit tiefere Einblicke in die Entwicklung von Aufmerksamkeit im Säuglingsalter und trägt zu einer wachsenden Literatur bei, die nahelegt, dass Prävention und Intervention sowohl für Mütter als auch für Säuglinge bereits vor der Schwangerschaft ansetzen sollten. Gleichzeitig zeigt die vorliegende Arbeit auf, dass das Forschungsfeld dringend weitere Untersuchungen zu den Entwicklungspfaden benötigen, die zu Selbstregulation führen. Dies unterstreicht die mehrstufige Natur von Entwicklungsprozessen. Zum jetzigen Zeitpunkt besteht nur wenig Evidenz, dass Aufmerksamkeit im frühen Säuglingsalter stark und auf besondere Weise mit Selbstregulation in der Kindheit in Zusammenhang stünde. Eine Theoriebasis und überprüfbare Modelle, die spezifisch für die Bewertung von früh entstehenden Grundlagen der Selbstregulation entwickelt werden, wären essenzielle Modelle, die der Komplexität der Aufgabe gerecht werden können.:1. Introduction p.7 1.1 Attentional Control in Infancy p.10 1.1.1 Development of Attentional Control in Infancy p.10 1.1.2 The Application of a Data-driven Method for Attention Measures Using Eye-tracking Data p.13 1.2 Attention and Self-regulatory Functions p.19 1.2.1 Distinct yet Approximate Aspects of Self-regulatory Functions in Early Years of Life p.19 1.2.2 The Relation between Attentional Control and Self-regulatory Functions p.20 1.3 Maternal Distress and Infants’ Attention p.26 1.3.1 Cross-generational Effects on Offspring’s Attention p.26 1.3.2 A Multi-dimensional Investigation of the Impact of Maternal Distress on Infants’ Attention p.27 2. Experimental Work p.33 2.1 Publication 1 – Experimental Work: Tu et al., (2022) p.35 2.2 Publication 2 – Experimental Work: Tu et al., (2021) p.51 3. General Discussion and Outlook p.67 3.1 Implications and Questions from the Experimental Work p.67 3.2 Optimizing the Design for Future Studies p.70 4. Summary p.73 3.1 English Summary p.73 3.2 Deutsche Zusammenfassung p.76 References p.80 Appendix p.96 A.1 Supplementary Information p.96 A.2 Author Contributions to the Publications p.97 A.3 Declaration of Authenticity p.99 A.4 Curriculum Vitae p.100 A.5 List of Publications p.102 A.6 Conference Contributions p.102 A.7 Acknowledgements p.10