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Previous magnetoencephalography (MEG) studies have revealed gamma-band activity at sensors over parietal and fronto-temporal cortex during the delay phase of auditory spatial and non-spatial match-to-sample tasks, respectively. While this activity was interpreted as reflecting the memory maintenance of sound features, we noted that task-related activation differences might have been present already prior to the onset of the sample stimulus. The present study focused on the interval between a visual cue indicating which sound feature was to be memorized (lateralization or pitch) and sample sound presentation to test for task-related activation differences preceding stimulus encoding. MEG spectral activity was analyzed with cluster randomization tests (N = 15). Whereas there were no differences in frequencies below 40 Hz, gamma-band spectral amplitude (about 50–65 and 90–100 Hz) was higher for the lateralization than the pitch task. This activity was localized at right posterior and central sensors and present for several hundred ms after task cue offset. Activity at 50–65 Hz was also increased throughout the delay phase for the lateralization compared with the pitch task. Apparently cortical networks related to auditory spatial processing were activated after participants had been informed about the task.
Neuronale Repräsentation intrinsischer cochleärer Signale im Colliculus inferior der Wüstenrennmaus
(2008)
Die vorliegende Arbeit untersucht die neuronale Repräsentation von cochleären Verzerrungsprodukten im auditorischen Mittelhirn der Wüstenrennmaus. Die hohe Sensitivität und die gute Frequenzauflösung des Hörorgans der Säugetiere basiert auf einer aktiven mechanischen Verstärkung der schallinduzierten Basilarmembranschwingung im Innenohr. Die äußeren Haarsinneszellen, die während des Transduktionsprozesses zyklisch ihre Länge ändern und dabei zusätzliche Schwingungsenergie in das System zurückführen, sind der zugrunde liegende Motor des aktiven cochleären Verstärkers. Die stark nichtlinearen Eigenschaften dieses Verstärkers führen allerdings bei gleichzeitiger Verstärkung mehrerer Frequenzkomponenten zur Generierung von Kombinationsschwingungen, welche im Ursprungssignal nicht vorhanden sind. Wird das Ohr beispielsweise durch zwei Töne mit den Frequenzen f1 und f2 stimuliert (f1<f2), so entstehen verschiedene Kombinationsschwingungen, deren prominenteste das quadratische (f2-f1) und das cubische (2 f1-f2) Verzerrungsprodukt sind. Diese Verzerrungen des Ursprungssignals breiten sich von ihrem Entstehungsort im Innenohr, dem Überlappungsbereich der Stimuluswanderwellen, im Flüssigkeitsraum der Cochlea aus und werden über das Mittelohr in den Gehörgang übertragen. Im Gehörgang sind sie mit Hilfe eines sensitiven Mikrophons als otoakustische Emissionen (DPOAE - distortion product otoacoustic emissions) messbar. Zusätzlich bilden sie an ihrem Resonanzort auf der Basilarmembran, vergleichbar mit einem externen Stimuluston gleicher Frequenz, eine eigene Wanderwelle aus und aktivieren den Transduktionsprozess. Die neuronalen Korrelate der cochleären Verzerrungsprodukte sind auf verschiedenen Stationen der Hörbahn messbar und cochleäre Verzerrungsprodukte können als separate Töne wahrgenommen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die neuronalen Korrelate und otoakustischen Emissionen von cochleären Verzerrungsprodukten erstmals simultan bestimmt. Durch den direkten Vergleich der neuronalen Aktivität mit der peripheren Emissionsmessung sollen eventuelle zentralnervöse Veränderungen der Repräsentation der cochleären Verzerrungsprodukte untersucht werden. Dazu wurde die elektrische Aktivität von 91 Neuronen des Colliculus inferior der Wüstenrennmaus während der Stimulation durch zwei hochfrequente Stimulustöne gemessen. Die Frequenzen der Stimulustöne waren so gewählt, dass die Frequenz eines, durch sie evozierten Verzerrungsproduktes, mit der charakteristischen Frequenz des jeweiligen Neurons übereinstimmte. In 95 % aller Messungen konnte eine robuste neuronale Aktivität während Zweitonstimulation gemessen werden, die sich auf die Stimulation durch ein spezifisches cochleäres Verzerrungsprodukt zurückführen lässt. Bei einem Teil der Versuche wurden die Verzerrungsprodukte durch direkte intracochleäre Auslöschung mit einem dritten Tonstimulus eindeutig als Quelle der neuronalen Aktivität bestätigt. Für Verzerrungsproduktfrequenzen oberhalb 1,3 kHz lassen sich die Antworten der Neurone im schwellennahen Bereich gut mit den simultan im Gehörgang bestimmten DPOAE-Pegeln erklären, was einen engen Zusammenhang zwischen intracochleärem Verzerrungsproduktpegel und DPOAE-Pegel nahe legt. Bei höheren Stimuluspegeln konnten die maximalen neuronalen Antworten auf den intracochleären Verzerrungsproduktstimulus signifikant von der Einzeltonantwort abweichen, wobei sowohl eine Erhöhung als auch eine Reduktion der Maximalantwort möglich war. Ein inhibitorischer bzw. verstärkender Einfluss der Stimulustöne auf die neuronale Verzerrungsproduktantwort wird als mögliche Ursache der Unterschiede diskutiert. Für Verzerrungsproduktfrequenzen unterhalb 1,3 kHz wurde ein deutlicher Unterschied zwischen dem intracochleären Verzerrungsproduktpegel und dem im Gehörgang gemessenen Emissionspegel deutlich. Ein Teil der getesteten tieffrequenten Neurone antwortete während Zweitonstimulation bereits für Stimuluspegel, die unterhalb der Reintonschwelle des Neurons lagen. Eine frequenzspezifische Verschlechterung der Mittelohrübertragungsleistung bei tiefen Frequenzen wird als mögliche Ursache für die unterschwelligen Antworten der Neurone diskutiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass cochleäre Verzerrungsprodukte einen substanziellen Anteil an der neuronalen Repräsentation von komplexen Stimuli haben können. Im Besonderen machen die vorgestellten Daten deutlich, dass die neuronalen Repräsentation der Grundfrequenz eines komplexen Klangs wesentlich von cochleären Verzerrungsprodukten beeinflusst sein kann. Dies bedeutet, dass bereits im Innenohr Tonhöheninformation extrahiert werden kann und damit die Relevanz in der Literatur diskutierter neuronaler Mechanismen zur Berechnung von Tonhöhe relativiert wird.
Temporal predictability is thought to affect stimulus processing by facilitating the allocation of attentional resources. Recent studies have shown that periodicity of a tonal sequence results in a decreased peak latency and a larger amplitude of the P3b compared with temporally random, i.e., aperiodic sequences. We investigated whether this applies also to sequences of linguistic stimuli (syllables), although speech is usually aperiodic. We compared aperiodic syllable sequences with two temporally regular conditions. In one condition, the interval between syllable onset was fixed, whereas in a second condition the interval between the syllables’ perceptual center (p-center) was kept constant. Event-related potentials were assessed in 30 adults who were instructed to detect irregularities in the stimulus sequences. We found larger P3b amplitudes for both temporally predictable conditions as compared to the aperiodic condition and a shorter P3b latency in the p-center condition than in both other conditions. These findings demonstrate that even in acoustically more complex sequences such as syllable streams, temporal predictability facilitates the processing of deviant stimuli. Furthermore, we provide first electrophysiological evidence for the relevance of the p-center concept in linguistic stimulus processing.
Moderate physical activity improves various cognitive functions, particularly when it is applied simultaneously to the cognitive task. In two psychoneuroendocrinological within-subject experiments, we investigated whether very low-intensity motor activity, i.e. walking, during foreign-language vocabulary encoding improves subsequent recall compared to encoding during physical rest. Furthermore, we examined the kinetics of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in serum and salivary cortisol. Previous research has associated both substances with memory performance.In both experiments, subjects performed better when they were motorically active during encoding compared to being sedentary. BDNF in serum was unrelated to memory performance. In contrast we found a positive correlation between salivary cortisol concentration and the number of correctly recalled items. In summary, even very light physical activity during encoding is beneficial for subsequent recall.