Places and regions in perception, route planning , and spatial memory

Abstract

Die Fähigkeit sich im Raum zu orientieren ist für die meisten Tiere von entscheidender Bedeutung. Die Orientierungsleistungen reichen von einfachem, stereotypen Verhalten bis hin zu komplexen, kognitiven Verhaltensleistungen. Eine Möglichkeit, die Vielzahl dieser Orientierungsleistungen zu klassifizieren, bietet das dem Verhalten zugrunde liegende Gedächtnis. Während z.B. Taxen, Orientierungsbewegungen als Antwort auf einen Sinnesreiz, ohne räumliches Gedächtnis möglich sind, sind Verhaltensleistungen wie die Planung und Navigation von Routen nur mit einer Repräsentation des Raumes, einem Ortsgedächtnis, möglich.

Sowohl in der Biologie als auch in den Kognitionswissenschaften ist das Ortsgedächtnis seit Jahrzehnten Gegenstand zahlloser Untersuchungen. Hauptaugenmerk wurde dabei meist auf die neuronalen Grundlagen und auf Eigenschaften des Ortsgedächtnisses, wie den Inhalt, das Format und die Organisation des im Ortsgedächtnis gespeicherten Wissens, gelegt. Die Pragmatik des Ortsgedächtnisses, dass heißt die Frage, wie räumliches Wissen für tatsächliche Navigtionsaufgaben genutzt wird, ist dagegen nur wenig untersucht. Die Planung von Routen zu Zielen, die sich außerhalb des sensorischen Horizontes befinden, ist eine der zentralen Aufgaben des Ortsgedächtnisses. Trotzdem ist sehr wenig darüber bekannt, wie wir Routen planen. Welche Mechanismen und Strategien erlauben es uns, scheinbar mühelos neue Routen durch bekanntes Terrain zu finden? Welche Gedächtnisinhalte nutzen wir während der Planung von Routen? Welche Eigenschaften des Ortsgedächtnisses beeinflussen unsere Auswahl von Wegen?

Diese Fragen waren Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit. Besonderes Interesse wurde dabei auf die Frage gelegt, welchen Einfluss die hierarchische Organisation des räumlichen Wissens auf die Planung von Routen hat. Die hierarchischen Theorien des Ortsgedächtnisses besagen, dass räumliches Wissen auf verschiedenen Detailebenen unterschiedlich stark abstrahiert wird. So werden z.B. benachbarte Plätze zu Regionen zusammengefasst. Diese Regionen und die räumlichen Beziehungen zwischen unterschiedlichen Regionen werden im Ortsgedächtnis auf einer höheren Abstraktionsebene repräsentiert. Hier werden fünf Navigationsexperimente vorgestellt, die den Einfluss dieser hierarchischen Struktur des Ortsgedächtnisses auf die Planung und Navigation von Routen untersuchen. Versuchspersonen erlernten verschiedene virtuelle Umgebungen, die in mehrere Regionen unterteilt waren, durch aktive Navigation. Anschließend wurden sie aufgefordert, möglichst optimale, d.h. kurze Wege zu finden, auf denen sie entweder einen oder mehrere Zielplätze ansteuern sollten.

Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der Regionen in den Umgebungen auf das Routenplanungs- und Navigationsverhalten auf. Versuchspersonen minimieren den Anzahl der Regionen, die sie während einer Navigationsaufgabe überschreiten; sie bevorzugen, unabhängig von der genauen Position des Zieles, Routen, auf denen sie die Zielregionen schnellstmöglich betreten können; und, wenn Versuchspersonen zwischen mehreren Zielen wählen, dann steuern sie zuerst das Ziel an, das in der nächstgelegenen Region liegt. Diese Ergebnisse sind konform mit den hierarchischen Theorien des räumlichen Wissens, da sie bestätigen, dass Regionen explizit im Ortsgedächtnis repräsentiert sind. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass die hierarchische Organisation des Ortsgedächtnisses eine funktionale Bedeutung bei der Planung von Routen hat.

Aufbauend auf den empirischen Befunden wird die fine-to-coarse Planungsheuristik, ein kognitives Model entwickelt, das den Einfluss der Regionen auf die Planung von Routen beschreiben kann. Das Model zeigt, wie sowohl der Rechen- als auch der Gedächtnisaufwand während der Routenplanung durch den Einsatz von groben, abstrahierten räumlichem Wissen reduziert werden kann.

The ability to orient in space is crucial for most animals. Orienting behaviors range from simple, stereotyped, behaviors to complex behaviors involving the use of cognitive functions. These different behaviors can be classified based on the extent to which they use different types of memory. For example, moving towards or away from a stimulus, can be performed without memory. Other orientation behavior, such as route planning, requires a spatial memory.

For decades, spatial memory has been studied in biology, psychology and in the cognitive sciences. The main focus concerned the neural basis of spatial memory and properties, such as the content, format and organization of the information stored in spatial memory. On the other hand, the pragmatics of spatial memory (the question of how spatial memory is used for navigation purposes) has been predominantly neglected. This is surprising, because planning a route towards a location that is beyond the sensory horizon is an everyday task that involves spatial memory. Yet, little is known about how such routes are planned. For example, which mechanisms and strategies allow humans to find novel routes through known territory? What information stored in spatial memory do we use during route planning? Which properties of spatial memory influence our selection of paths?

These questions were the starting point of this work. Special interest concerned the role of hierarchical organization in spatial memory for route planning and navigation behavior. Hierarchical theories of spatial representations propose that spatial memory contains nested levels of detail. For example, neighboring places are grouped together to form regions. These regions, as well as spatial relations between regions, are then represented at a super-ordinate level within the hierarchical representation of space. In this work five navigation experiments are reported that studied the influence of this hierarchical organization of spatial memory on human route planning and navigation. Subjects became familiar with different regions of virtual environments by active navigation. Subsequently, subjects were asked to navigate the shortest possible route connecting a start location with one or multiple target locations.

The results revealed a clear influence of the environmental regions on route planning and navigation behavior. Subjects minimized the number of region boundaries they had to cross along a route; subjects preferred routes that allowed them to enter a region containing a target sooner rather than later; and, in routes with multiple target regions, they chose to visit the closest target region first. These results are in line with the hierarchical theories of spatial representations, since they confirm that regions are explicitly represented in spatial memory. Moreover, the results demonstrate that the hierarchical organization of spatial memory has a functional role in human route planning and navigation.

Based on the empirical findings the fine-to-coarse planning heuristic, a cognitive model of region-based route planning, is developed. The model demonstrates how coarse, abstracted spatial knowledge can be used during route planning to reduce both computational effort and memory load.