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Blood oxygen level-dependent (BOLD) responses were measured in parts of primary visual cortex that represented unstimulated visual field regions at different distances from a stimulated central target location. The composition of the visual scene varied by the presence or absence of additional peripheral distracter stimuli. Bottom-up effects were assessed by comparing peripheral activity during central stimulation vs. no stimulation. Top-down effects were assessed by comparing active vs. passive conditions. In passive conditions subjects simply watched the central letter stimuli and in active conditions they had to report occurrence of pre-defined targets in a rapid serial letter stream. Onset of the central letter stream enhanced activity in V1 representations of the stimulated region. Within representations of the periphery activation decreased and finally turned into deactivation with increasing distance from the stimulated location. This pattern was most pronounced in the active conditions and during the presence of peripheral stimuli. Active search for a target did not lead to additional enhancement at areas representing the attentional focus but to a stronger deactivation in the vicinity. Suppressed neuronal activity was also found in the non distracter condition suggesting a top-down attention driven effect. Our observations suggest that BOLD signal decreases in primary visual cortex are modulated by bottom-up sensory-driven factors such as the presence of distracters in the visual field as well as by top-down attentional processes.
Eine wichtige Eigenschaft des menschlichen Gehirns besteht in der Fähigkeit, flexibel auf eintreffende Reize zu reagieren und sich den Anforderungen und Veränderungen der Umwelt anzupassen. Anpassung oder Adaptation lässt sich in vielen Situationen beobachten. Beispielsweise kommt es in der Retina beim Übergang von einer sehr hellen Umgebung in eine dunkle Umgebung zu Anpassungsleistungen. Neuronale Adaptation wird in den Neurowissenschaften genutzt, um Aussagen über die Funktion bestimmter Hirnareale machen zu können. In sogenannten Adaptationsexperimenten werden Stimuli wiederholt dargeboten und die dadurch erzeugten neuronalen Antworten in verschiedenen Hirnarealen miteinander verglichen. Nimmt das Signal in einem Areal ab, dann wird daraus geschlossen, dass die Zellen in diesem Bereich an der Verarbeitung des Stimulus beteiligt waren. Wiederholte Reizdarbietung führte in zahlreichen Untersuchungen zu einer Abnahme der neuronalen Antwort. Daneben wurde jedoch auch der gegenteilige Effekt, eine Verstärkung der neuronalen Antwort, bei Wiederholung eines Reizes nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Verarbeitung frequenzmodulierter Töne im auditorischen Kortex des Menschen mit Hilfe eines Wiederholungsparadigmas untersucht. Frequenzmodulationen sind eine beim Menschen noch wenig untersuchte Reizklasse, die in natürlichen Geräuschen und besonders in der menschlichen Sprache eine wichtige Rolle spielen. Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Frage, ob sich im auditorischen Kortex des Menschen eine Sensitivität für die Richtung einer Frequenzmodulation nachweisen lässt. Dieser Frage wurde mit drei Magnetenzephalographie-Studien nachgegangen. In Studie 1 wurde ein Zwei-Ton-Paradigma angewendet. Dabei wurde in jedem Durchgang ein frequenzmodulierter Ton jeweils zwei Mal präsentiert. Lediglich die Richtung, in der der Ton abgespielt wurde, also von den niedrigen zu den hohen oder von den hohen zu den niedrigen Frequenzen, wurde variiert. Die beiden frequenzmodulierten Töne in Studie 1 hatten eine Dauer von 500 ms und wurden in einem Abstand von 1 Sekunde präsentiert. Mit dieser Versuchsanordnung sollte untersucht werden, ob es bei Wiederholung der Frequenzrichtung zu einer Abnahme des neuronalen Signals kommt. Diese Abnahme wurde vor allem in der N1m-Komponente aber auch in späteren Komponenten wie der N2m erwartet. Der Vergleich der N1m-Amplitude für den zweiten Ton zeigte jedoch nur geringe Unterschiede zwischen den Bedingungen. Die Wiederholung derselben Frequenzrichtung bewirkte nur eine schwache Abnahme des Signals. Deutliche Adaptationseffekte konnten nicht gefunden werden. Daneben zeigten sich Hemisphärenunterschiede bei der Verarbeitung der frequenzmodulierten Töne. Über den Sensoren der rechten Hemisphäre war die Antwort signifikant stärker ausgeprägt als über der linken Hemisphäre. Als mögliche Erklärung für die schwach ausgeprägten Adaptationseffekte in Studie 1 wurde der zeitliche Aufbau des Paradigmas herangezogen. In der zweiten Studie wurde daher sowohl die Dauer der präsentierten Stimuli als auch der zeitliche Abstand zwischen den beiden Tönen reduziert. Dieses Paradigma führte zu signifikanten Unterschieden in der Reaktion auf den zweiten Reiz. Entgegen der Erwartung einer Adaptation bei Reizwiederholung bewirkte die Wiederholung derselben Frequenzrichtung eine signifikant höhere neuronale Antwort im Vergleich zu der Präsentation einer abweichenden Frequenzrichtung. Diese Unterschiede traten auf der rechten Hemisphäre über einen Zeitraum von 150 bis 350 ms nach Beginn des zweiten Stimulus auf, während sich auf der linken Hemisphäre 200 bis 300 ms nach Beginn des zweiten Tons signifikante Unterschiede zwischen gleichen und unterschiedlichen Frequenzrichtungen zeigten. In der N1m-Amplitude zeigten sich dagegen keine Wiederholungseffekte. Ähnlich wie in Studie 1 traten auch in Studie 2 Hemisphärenunterschiede auf. Für die Sensoren der rechten Hemisphäre waren die Verstärkungseffekte stärker und über einen längeren Zeitraum zu beobachten. Das unerwartete Ergebnis von Studie 2 stellte die Motivation für den Aufbau der dritten Studie dar. Mithilfe dieser Studie sollte überprüft werden, welche Rolle das Inter-Stimulus-Intervall auf die Verarbeitung eines nachfolgenden Stimulus hat. Zu diesem Zweck wurde in Studie 3 die Länge des ISIs zwischen 100 und 600 ms variiert. Damit sollte zum einen überprüft werden, innerhalb welchen zeitlichen Bereichs es zu einer Verstärkung des Signals kommt und wann beziehungsweise ob es ab einem bestimmten zeitlichen Abstand zwischen den Stimuli zu Adaptationsprozessen kommt. Bei dem kürzesten ISI von 100 ms führte die Wiederholung derselben Frequenzrichtung zu einer signifikant stärkeren N1m-Amplitude als bei der Präsentation einer abweichenden Frequenzrichtung. Bei ISIs > 100 ms zeigte sich keine höhere N1m-Amplitude mehr bei Wiederholung derselben Frequenzrichtung. Deutliche späte Effekte wie sie in Studie 2 über einen Zeitbereich von 150 bis 300 ms nachgewiesen wurden, traten in Studie 3 nicht auf. Bei einem ISI von 300 bis 500 ms waren leichte Verstärkungseffekte in einem Zeitbereich von 200 bis 400 ms zu beobachten. Bei einem ISI von 600 ms zeigten sich keine Unterschiede zwischen den Bedingungen. Durch Studie 3 konnte der in Studie 2 gefundene Effekt in einen größeren Zusammenhang gestellt werden. Zu einer Verstärkung der N1m-Komponente kommt es lediglich bei einem ISI von 100 ms. Liegen die Stimuli 200 ms auseinander, findet eine Verstärkung der späteren Komponenten statt, die bei ISIs > 200 ms immer weiter abnimmt. Offen bleibt, welche Abläufe zu der Verstärkung des Signals bei Wiederholung der Frequenzrichtung geführt haben. Um die dem Verstärkungseffekt zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen, sind weitere Studien nötig.
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.
Background: Decoding of frequency-modulated (FM) sounds is essential for phoneme identification. This study investigates selectivity to FM direction in the human auditory system. Methodology/Principal Findings: Magnetoencephalography was recorded in 10 adults during a two-tone adaptation paradigm with a 200-ms interstimulus-interval. Stimuli were pairs of either same or different frequency modulation direction. To control that FM repetition effects cannot be accounted for by their on- and offset properties, we additionally assessed responses to pairs of unmodulated tones with either same or different frequency composition. For the FM sweeps, N1m event-related magnetic field components were found at 103 and 130 ms after onset of the first (S1) and second stimulus (S2), respectively. This was followed by a sustained component starting at about 200 ms after S2. The sustained response was significantly stronger for stimulation with the same compared to different FM direction. This effect was not observed for the non-modulated control stimuli. Conclusions/Significance: Low-level processing of FM sounds was characterized by repetition enhancement to stimulus pairs with same versus different FM directions. This effect was FM-specific; it did not occur for unmodulated tones. The present findings may reflect specific interactions between frequency separation and temporal distance in the processing of consecutive FM sweeps.