Object perception in early infancy: the role of attentional and perceptual processes

One central issue in developmental cognitive science is to understand how infants detect the meaningful units in the flow of perceptual information and integrate these units into a coherent structure. Actually, at any given moment the infant is confronted with a visual field that must be differentiated into objects and from which one of these objects must be selected as the next focus of attention. Perceptual binding and selective spatial attention are two fundamental processes that help to perceive the outside world. Binding is necessary to link the different features of a single object. Selective attention serves to focus onto small subset of incoming information. The selection and binding of the various parts of an object in the correct combination pose little difficulty for adults, who readily report veridical object perception under most viewing conditions (Kellman & Shipley, 1991). It is still not clear however how exactly these two mechanisms operate and interact in early infancy. Using real and illusory figures and habituation and visual search tasks, the purpose of this thesis was to study the role of perceptual and attentional processes affect object processing from birth to early infancy. In Study 1, using the habituation technique, a first set of experiments has investigated whether newborns were able to link together spatially separated fragments to perceive the unity of a moving rod partly occluded by a moving Kanizsa-type illusory box (Experiment 1, 2 and 3). Recent evidence demonstrated that 1- to 3-day old babies can fill in spatial gaps when they are asked to perceive the unity of a partly occluded object (i.e. amodal completion, Valenza, Leo, Gava, & Simion, 2006), or when they are asked to perceive an illusory object composed from a number of spatially separate elements (i.e. modal completion, Valenza & Bulf, 2007). In the present study, both modal (illusory box) and amodal (occluded rod) visual completions had to be simultaneously used to solve the perceptual task. Results showed that newborns perceived the partly occluded rod and the illusory box as complete objects, providing evidence that, at least when motion information was used, newborn infants were able to utilize simultaneously modal and amodal completions to perceive object unity. These findings support also the hypothesis that dynamic displays facilitate the solution of many perceptual tasks because motion triggers infant’s attention toward the visual information that must be integrated. In other words, the results of the first three experiments reported in my thesis suggest that, beside perceptual binding, even attention has a crucial role in perceiving veridical object during early infancy. Using an eye tracker system, in a subsequent experiment (Experiment 4) saccades latency, which is a standard variable to measure orienting of attention in infancy (Cohen, 1972), was measured to determine whether a Kanizsa illusory figure triggers 6-month-old infants attention over a control stimulus. Results showed that infants detected the illusory figure faster than the illusory one, showing that the Kanizsa figure was able to orient infants’ visual spatial attention. Overall, this outcome demonstrates that both perceptual binding (Experiments 1,2 and 3) and selective spatial attention (Experiment 4) support the perception of an illusory figure in early infancy. In Study 2, it was investigated the relation between perceptual binding and selective spatial attention, to determine how selective attention drives the binding of the single features of an object. Using an eye tracker system, adults’ and 6-month-old infants’ visual search behaviour was compared in a visual search task of an illusory figure. Visual search of illusory figures is usually used in adults’ literature to assess whether the binding of different fragments of an illusory object is independent of selective spatial attention or, on the contrary, whether perceptual binding requires spatial attention to be performed (e.g., Driver & Davis, 1994). The eye tracker system allowed us to use the same stimuli and procedure for adults and infants and, as a consequence, to directly compare adults’ and infants’ visual behavior. Participants were presented with an illusory figure and a real figure embedded in a display of competing stimuli (Experiments 5-9). The illusory figure was clearly seen due to the visual binding of its inducing elements, although a large part of their contour was not present. The analysis of the visual scanning patterns showed that both the illusory figures and the real figures automatically trigger visual spatial attention in adults (i.e. pop out effect), providing evidence that adults’ perceptual binding of separate elements to perceive an illusory object does not require spatial attention. In contrast to adult’s data, infants show a pop out effect only when a high salient real target has to be detected (Experiment 7). Conversely, when an illusory target (Experiments 7 and 9) was used, or when the real target-distractors similarity was increased (Experiment 9), infants spread out their attention within the display in a casual manner, showing that in early infancy the binding processes involved in the perception of an illusory figure do not operate in an adult-like manner. Overall these data demonstrate that, although perceptual (Experiments 1-3) and attentional (Experiment 4) processes in supporting the binding of an illusory figure are functional very early during the development, infants are not able to automatically bind an illusory figure when it is presented in among competing stimuli, as found in adults (Experiment 5-9). This outcome suggests that selective attention is determinant to affect the way in which perceptual binding operates during early infancy, leading to the ability to perform binding automatically, as found in the adults’ visual system.

Uno dei problemi fondamentali nello studio dello sviluppo cognitivo è quello di comprendere in che modo i bambini riescono a segmentare il flusso continuo di informazioni che ricevono dall’ambiente in unità percettive discrete e ad integrare tali unità in strutture percettive coerenti. Infatti, l’ambiente che ci circonda è generalmente costituito da un insieme complesso e strutturato di oggetti presenti simultaneamente nel campo visivo. Di conseguenza, fin dalle prime settimane di vita il nostro sistema visivo deve selezionare e integrare l’informazione proveniente dall’ambiente per percepire gli oggetti come separati e distinti. Il processo percettivo che permette di integrare le singole caratteristiche di un oggetto è indicato in letteratura con il termine figural binding. Il binding percettivo e l’attenzione selettiva sono due processi fondamentali per percepire gli oggetti come unità discrete. Il binding percettivo permette al sistema visivo di integrare le singole parti di un oggetto. L’attenzione selettiva permette di selezionare le informazioni rilevanti per la percezione di oggetti unitari e di focalizzarsi sui singoli oggetti all’interno della scena visiva. Negli adulti, tali processi operano in modo estremamente rapido ed efficace (Kellman & Shipley, 1991). Tuttavia, non è chiaro come il binding percettivo e l’attenzione selettiva interagiscono nel supportare l’integrazione delle diverse caratteristiche di un oggetto nei primi mesi di vita. Lo scopo della mia tesi era quello di indagare il ruolo dei processi attentivi e percettivi nella percezione di oggetti alla nascita e nei primi mesi di vita, in situazioni sperimentali in cui sono state presentate sia figure reali che figure illusorie e in cui i bambini sono stati testati attraverso compiti di abituazione visiva e di ricerca visiva. Nel primo studio, utilizzando la tecnica dell’abituazione, sono stati condotti tre esperimenti per indagare la capacità di bambini neonati di percepire una barra verticale parzialmente occlusa da una barra orizzontale costituita da contorni illusori quali quelli di Kanizsa. Sia la barra verticale che la barra orizzontale sono state presentate in movimento (Esperimenti 1, 2 e 3). Recentemente è stato dimostrato che, fin dalla nascita, i bambini sono in grado di percepire un oggetto parzialmente occluso (i.e., completamento amodale, Valenza, Leo, Gava, e Simion, 2006), e di percepire una figura illusoria di Kanizsa (i.e., completamento modale, Valenza e Bulf, 2007). In questo studio la percezione dell’oggetto occluso era possibile solamente grazie al contemporaneo completamento amodale della barra verticale e al completamento modale dell’occusore illusorio. I risultati hanno dimostrato che, i neonati hanno percepito la barra occlusa e l’occlusore illusorio come oggetti unitari, dimostrando così che fin dalla nascita, almeno quando gli stimoli sono presentati in movimento, il nostro sistema visivo è in grado di utilizzare contemporaneamente i processi di completamento modale e amodale per integrare l’informazione visiva e, di conseguenza, percepire gli oggetti come unitari. Inoltre, questi risultati supportano l’ipotesi che l’informazione cinetica facilita la percezione di oggetti alla nascita, attirando l’attenzione del bambino verso gli elementi visivi che devono essere integrati per la soluzione del compito percettivo. In altre parole, i risultati dei primi tre esperimenti del presente lavoro di tesi suggeriscono che, oltre a processi di completamento percettivo, nella prima infanzia l’attenzione selettiva è un processo fondamentale per veicolare la percezione di oggetti unitari. Utilizzando un sistema per la registrazione dei movimenti oculari (i.e., eye tracker), è stato verificato se una figura di Kanizsa catturava l’attenzione di bambini di 6 mesi di vita in un compito di preferenza visiva in cui la figura illusoria era presentata assieme ad una figura di controllo. L’eye tracker ha permesso di registrare la latenza della prima saccade verso i due stimoli, una variabile standard per misurare l’orientamento attentivo nei primi mesi di vita (Cohen, 1972). I risultati hanno dimostrato che i bambini hanno selezionato più velocemente la figura di Kanizsa rispetto allo stimolo di controllo, dimostrando che l’attenzione è stata catturata dalla figura di Kanizsa. Complessivamente, i risultati di questo primo studio hanno dimostrato che, nei primi mesi di vita, sia i processi di binding percettivo (Esperimenti 1, 2 e 3), che i processi di attenzione selettiva (Esperimento 4) supportano la percezione di un oggetto illusorio. Nel secondo studio è stata indagata la relazione tra i processi di binding percettivo e i processi di attenzione selettiva nell’integrare le singole caratteristiche di un oggetto. Utilizzando l’eye tracker, adulti e bambini di 6 mesi di vita sono stati testati in un compito di ricerca visiva di una figura illusoria. Tale procedura è comunemente utilizzata negli adulti per indagare se il binding percettivo degli elementi induttori di una figura illusoria sono indipendenti dall’attenzione selettiva spaziale o se, al contrario, il binding percettivo richiede l’intervento dell’attenzione (Davis & Driver, 1994). L’utilizzo di un eye tracker permette di utilizzare gli stessi stimoli e la stessa procedura per gli adulti e i bambini e, di conseguenza, di confrontare direttamente il comportamento visivo nelle due diverse età. Ai partecipanti sono state presentate una figura illusoria e una figura reale inserite in un display di elementi distrattori (Esperimenti 5-9). La percezione della figura illusoria era possibile solamente grazie al binding degli elementi induttori. L’analisi dei movimenti oculari ha permesso di evidenziare che sia la figura illusoria che la reale catturavano automaticamente l’attenzione degli adulti (i.e. effetto pop out), dimostrando così che il binding percettivo degli elementi induttori di una figura illusoria non richiede attenzione selettiva spaziale. Al contrario, i bambini hanno mostrato un effetto pop out solo quando un target reale percettivamente saliente è stato presentato all’interno del display (Esperimento 7). Invece, quando la ricerca visiva ha implicato la selezione di un target illusorio (Esperimenti 7 e 9), o quando è stato presentato un display in cui il target reale era percettivamente più simile ai distrattori, i bambini hanno orientato l’attenzione all’interno del display in maniera casuale, dimostrando che nei primi mesi di vita il binding percettivo di una figura illusoria non opera in modo analogo agli adulti. Complessivamente, i dati dimostrano che, sebbene i processi di binding percettivo (Espermenti 1-3) e di attenzione selettiva (Esperimento 4) supportino la percezione di una figura illusoria molto precocemente nel corso dello sviluppo, nei bambini di pochi mesi di vita il binding percettivo non opera in modo automatico come avviene negli adulti (Esperimenti 5-9). Questo risultato suggerisce che, nella prima infanzia, l’attenzione selettiva è un processo fondamentale per il binding percettivo delle caratteristiche di un oggetto, e che il modo in cui tale processo opera influisce sulla capacità del sistema visivo di raggruppare gli elementi di un oggetto in modo automatico, come dimostrato negli adulti.