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Understanding causal relationships, or effective connectivity, between parts of the brain is of utmost importance because a large part of the brain’s activity is thought to be internally generated and, hence, quantifying stimulus response relationships alone does not fully describe brain dynamics. Past efforts to determine effective connectivity mostly relied on model based approaches such as Granger causality or dynamic causal modeling. Transfer entropy (TE) is an alternative measure of effective connectivity based on information theory. TE does not require a model of the interaction and is inherently non-linear. We investigated the applicability of TE as a metric in a test for effective connectivity to electrophysiological data based on simulations and magnetoencephalography (MEG) recordings in a simple motor task. In particular, we demonstrate that TE improved the detectability of effective connectivity for non-linear interactions, and for sensor level MEG signals where linear methods are hampered by signal-cross-talk due to volume conduction.
Natural sounds convey perceptually relevant information over multiple timescales, and the necessary extraction of multi-timescale information requires the auditory system to work over distinct ranges. The simplest hypothesis suggests that temporal modulations are encoded in an equivalent manner within a reasonable intermediate range. We show that the human auditory system selectively and preferentially tracks acoustic dynamics concurrently at 2 timescales corresponding to the neurophysiological theta band (4–7 Hz) and gamma band ranges (31–45 Hz) but, contrary to expectation, not at the timescale corresponding to alpha (8–12 Hz), which has also been found to be related to auditory perception. Listeners heard synthetic acoustic stimuli with temporally modulated structures at 3 timescales (approximately 190-, approximately 100-, and approximately 30-ms modulation periods) and identified the stimuli while undergoing magnetoencephalography recording. There was strong intertrial phase coherence in the theta band for stimuli of all modulation rates and in the gamma band for stimuli with corresponding modulation rates. The alpha band did not respond in a similar manner. Classification analyses also revealed that oscillatory phase reliably tracked temporal dynamics but not equivalently across rates. Finally, mutual information analyses quantifying the relation between phase and cochlear-scaled correlations also showed preferential processing in 2 distinct regimes, with the alpha range again yielding different patterns. The results support the hypothesis that the human auditory system employs (at least) a 2-timescale processing mode, in which lower and higher perceptual sampling scales are segregated by an intermediate temporal regime in the alpha band that likely reflects different underlying computations.
Die Adoleszenz, d.h. die Reifungsphase des Jugendlichen zum Erwachsenen, stellt einen zentralen Abschnitt in der menschlichen Entwicklung dar, der mit tief greifenden emotionalen und kognitiven Veränderungen verbunden ist. Neure Studien (Bunge et al., 2002; Durston et al., 2002; Casey et al., 2005; Crone et al., 2006; Bunge and Wright, 2007) machen deutlich, dass sich die funktionelle Architektur des Gehirns während der Adoleszenz grundlegend verändert und dass diese Veränderungen mit der Reifung höherer kognitiven Funktionen in der Adoleszenz assoziiert sein könnten. Messungen des Gehirn-Volumens mit Hilfe der Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) zum Beispiel zeigen eine nicht-lineare Reduktion der grauen und eine Zunahme der weißen Substanz während der Adoleszenz (Giedd et al., 1999; Sowell et al., 1999, 2003). Des weiteren treten in dieser Zeit Veränderungen in exzitatorischen und inhibitorischen Neurotransmitter-Systemen auf (Tseng and O’Donnell, 2005; Hashimoto et al., 2009). Zusammen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass während der Adoleszenz ein Umbau der kortikalen Netzwerke stattfindet, der wichtige Konsequenzen für die Reifung neuronaler Oszillationen haben könnte. Im Anschluss an eine Einführung im Kapitel 2, fasst Kapitel 3 der vorliegenden Dissertation die Vorbefunde bezüglich entwicklungsbedingter Veränderungen in der Amplitude, Frequenz und Synchronisation neuronaler Oszillationen zusammen und diskutiert den Zusammenhang zwischen der Entwicklung neuronaler Oszillationen und der Reifung höhere kognitiver Funktionen während der Adoleszenz. Ebenso werden die anatomischen und physiologischen Mechanismen, die diesen Veränderungen möglicherweise zu Grunde liegen könnten, theoretisch vorgestellt. Die in Kapitel 4-6 vorgestellten eigenen empirischen Arbeiten untersuchen neuronale Oszillationen mit Hilfe der Magnetoencephalographie (MEG), um die Frequenzbänder und die funktionellen Netzwerke zu charakterisieren, die mit höheren kognitiven Prozessen und deren Entwicklung in der Adoleszenz assoziiert sind. Hierzu wurden drei Experimente durchgeführt, bei denen MEG-Aktivität während der Bearbeitung einer Arbeitsgedächtnisaufgabe und im Ruhezustand aufgezeichnet wurde. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen, dass Alpha Oszillationen und Gamma-Band Aktivität sowohl task-abhängig als auch im Ruhezustand gemeinsam auftreten. Darüber hinaus ergänzen die vorliegenden Untersuchungen Vorarbeiten, indem sie eine Wechselwirkung zwischen beiden Frequenzbändern aufgezeigt wird, die als ein Mechanismus für das gezielte Weiterleiten von Informationen dienen könnte. Die in Kapitel 6 vorgestellten Entwicklungsdaten weisen weiterhin darauf, dass in der Adoleszenz späte Veränderungen im Alpha und Gamma-Band stattfinden und dass diese Veränderungen involviert sind in die Entwicklung der Arbeitsgedächtnis-Kapazität und die Entwicklung der Fähigkeit, Distraktoren zu inhibieren. Abschliessend werden in Kapitel 7, die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten, aus einer übergeordneten Perspektive im Gesamtzusammenhang diskutiert.
Working memory and conscious perception are thought to share similar brain mechanisms, yet recent reports of non-conscious working memory challenge this view. Combining visual masking with magnetoencephalography, we investigate the reality of non-conscious working memory and dissect its neural mechanisms. In a spatial delayed-response task, participants reported the location of a subjectively unseen target above chance-level after several seconds. Conscious perception and conscious working memory were characterized by similar signatures: a sustained desynchronization in the alpha/beta band over frontal cortex, and a decodable representation of target location in posterior sensors. During non-conscious working memory, such activity vanished. Our findings contradict models that identify working memory with sustained neural firing, but are compatible with recent proposals of ‘activity-silent’ working memory. We present a theoretical framework and simulations showing how slowly decaying synaptic changes allow cell assemblies to go dormant during the delay, yet be retrieved above chance-level after several seconds.