Investigating spatial reference frames for reaching in a naturalistic scenario

Abstract

Humans perform numerous interactions with objects in the environment, like reaching for a mug on the breakfast table, in everyday live. Even though these interactions can be done without bigger cognitive effort, the underlying mechanisms are fairly complex. One crucial mechanism is to code the location of the object that we want to act on (target), which is done by using so called reference frames. These reference frames provide coordinate systems and origins to which targets can be related to. In the egocentric reference frames, any body part can serve as the origin of the coordinate system whereas in the allocentric reference frame, any object in the environment could serve as the origin. The use of these reference frames for coding a target location to perform an action was research question of several studies in the past. However, these studies manly used rather artificial stimuli like dots and bars on black screens, lacking ecological validity. Moreover, in some studies participants were biased to prefer one reference frame over the other.In the present thesis, I aimed to overcome these limitations by using naturalistic and complex stimuli which provide multiple potential allocentric cues for coding a target location without biasing participants coding behavior. To this end, I applied a paradigm in which participants had to perform a memory-guided reaching movement to a target location that was represented by an object in a breakfast scene that was presented either on a computer screen or in virtual reality. By conducting four studies, I was able to provide novel insights into the integration of the two reference frames in complex environments. First, I confirmed that both reference frames are used for coding a target location for memory-guided reaching. Second, I revealed several factors that determine the use of objects as allocentric cues in a complex environment, such as the task-relevance of objects, the distance between a target and task-relevant objects and the reliability of the allocentric information. Third, I have shown that the use of the allocentric information is higher for coding target locations in depth compared to coding a target location in the horizontal plane. And fourth, I found that object size is an important depth cue for allocentric coding of object locations in depth. In unserem alltäglichen Leben führen wir eine Vielzahl unterschiedlicher Handlungen mit Objekten in unserer Umgebung aus, wie beispielsweise der Griff nach der Kaffeetasse am Frühstückstisch. Wiewohl diese Handlungen ohne größeren kognitiven Aufwand erfolgen, erweisen sich die zugrunde liegenden Mechanismen als durchaus komplex. Einer dieser Mechanismen ist die Kodierung der Position jenes Objekts, welches Ziel unserer Handlung sein soll. Diese Kodierung erfolgt in sogenannten Referenzsystemen, welche Koordinatensysteme sowie -ursprünge darstellen, zu welchen die Objektpositionen in Bezug gesetzt werden können. Man unterscheidet hierbei zwischen dem egozentrischen Referenzsystem, bei welchem jeder Teil des Körpers als Koordinatenursprung fungieren kann, und dem allozentrischen Referenzsystem, in welchem jedes Objekt in der Umgebung diese Funktion übernehmen kann. Die Nutzung dieser Referenzsysteme war Gegenstand vieler Untersuchungen in der Vergangenheit. Jedoch wurde in diesen Studien meist auf abstrakte Stimuli wie Punkte oder Balken, die auf einem ansonsten schwarzen Bildschirm präsentiert wurden, zurückgegriffen, was an der Übertragbarkeit der Ergebnisse ins tägliche Leben zweifeln lässt. Darüber hinaus wurden Probanden in einigen Studien dahingehend beeinflusst, dass sie das eine oder andere Referenzsystem bevorzugt anwandten.Ziel der vorliegenden Arbeit war es diese Mängel durch die Nutzung natürlicher und komplexer Stimuli zu überwinden ohne dabei die Probanden zum Gebrauch eines bestimmten Referenzsystems zu verleiten. Hierfür nutzte ich ein experimentelles Paradigma in welchem die Probanden gedächtnisbasierte Zeigebewegungen auf ein Zielobjekt innerhalb einer komplexen Frühstücksszene ausführen sollten, welche auf einem Computerbildschirm oder in virtueller Realität dargeboten wurde. Auf Basis von vier Studien war ich in der Lage neue Einblicke in die Integration der beiden Referenzsysteme zum Kodieren von Objektpositionen in einer komplexen Umgebung zu geben. Erstens bestätigte ich die Nutzung beider Referenzsysteme zur Kodierung der Position eines Zielobjekts für gedächtnisbasierte Zeigebewegungen. Zum Zweiten, konnte ich einige Faktoren aufdecken, welche die Nutzung von Objekten als allozentrische Hinweisreize bedingen, wie die Aufgabenrelevanz von Objekten, die Distanz zwischen einem Zielobjekt und aufgabenrelevanten Objekten sowie die Reliabilität der allozentrischen Information. Zum Dritten konnte ich zeigen dass die allozentrischeInformation zu einem stärkeren Grad zum Kodieren von Zielposition in die Tiefe verglichen mit Zielpositionen in der horizontalen Ebene genutzt wird. Und zum Vierten habe ich herausgefunden, dass die Objektgröße ein wichtiger Tiefenreiz für die allozentrische Kodierung von Objektpositionen in die Tiefe darstellt.