מדידה של אותות חשמליים מהתעלמות והשתתפות בתהליכי בקרת קשב
Summary
Attention control comprises enhancement of target signals and attenuation of distractor signals. We describe an approach to measure separately but concurrently, the neurophysiology of attending and ignoring in sustained intermodal attention, utilizing a passive control condition during which neither process is continuously engaged.
Abstract
Attention control is the ability to selectively attend to some sensory signals while ignoring others. This ability is thought to involve two processes: enhancement of sensory signals that are to be attended and the attenuation of sensory signals that are to be ignored. The overall strength of attentional modulation is often measured by comparing the amplitude of a sensory neural response to an external input when attended versus when ignored. This method is robust for detecting attentional modulation, but precludes the ability to assess the separate dynamics of attending and ignoring processes. Here, we describe methodology to measure independently the neurophysiological signals of attending and ignoring using the intermodal attention task (IMAT). This task, when combined with electroencephalography, isolates neurophysiological sensory responses in auditory and visual modalities, when either attending or ignoring, with respect to a passive control. As a result, independent dynamics of attending and of a ignoring can be assessed in either modality. Our results using this task indicate that the timing and cortical sources of attending and ignoring effects differ, as do their contributions to the attention modulation effect, pointing to unique neural trajectories and demonstrating sample utility of measuring them separately.
Introduction
התנהגות מדריכי שליטת תשומת לב על ידי הפניית המשאבים העצביים והקוגניטיבי שלנו כלפי אותות קלט בחרו, תוך הגבלת גישה לאותות אחרים, המבוסס על מטרת התנהגות נתון 1. לדוגמא, בעת קריאת ספר, האותות החזותיים המתאימים לספר הם אותות היעד להיות משופרים, ואילו אותות חושיים אחרים – כגון הטלוויזיה בחדר הסמוך – הם אותות מסיח שנחלשו. הקלטות בשני קופי אדם ושאינם בני אדם 1-4, מצביעות על כך שתגובות עצביות בקליפת המוח התחושתית משופרות למטרות השתתפו ביחס למסיחים התעלמו במהלך קשב סלקטיבי, מצביעים על כך שהכח של תשומות חושיות במוח מווסת כפונקציה של האם הם מסווגים כיעדים או מסיחים 5-7. אנו מתייחסים לזה הבדל בעוצמת אות כאשר השתתפות לעומת התעלמות כהשפעת אפנון תשומת לב.
של הגדלת ריבית היאהשאלה אם וכיצד התהליכים העצביים של השתתפות לתרום לשליטת תשומת לב וליקוייה, בנפרד מהתהליכים העצביים של התעלמות. זה ברור יותר ויותר כי היכולת להתעלם הסחות דעת יכולה להיפגע באופן עצמאי מהיכולת שלנו להשתתף במטרות. לדוגמא, מסיח-דיכוי יכול להיפגע עם עומס מוגבר משימה 8, הזדקנות קוגניטיבית 9 ומניעת שנת 10, ללא הפחתה בשיפור היעד. לא ידוע כרגע אם הפחתה בשיפור היעד יכול להתקיים גם ללא גירעון בדיכוי מסיח. אולי חשוב יותר, היא לא נפתרה אם גירעונות של שני המטפלים או התעלמות, אבל לא את שניהם, יכול להבהיר תנאי נוירו-פסיכיאטריים שבו שליטת תשומת לב הינה פגומה. ככזה, הוא בעל ערך כדי להבין טוב יותר אם השתתפות והתעלמות נובע ממסלולים בקליפת המוח להפרדה, אם ואיך הם שונים בדינמיקה עצבית. על ידי מדידת השתתפות והתעלמות תהליכים בנפרד, ניתן לטפל שאלות כאלה.
כאן אנו מתארים מתודולוגיה למדוד את אותות neurophysiological של השתתפות והתעלמות בנפרד, אבל במקביל, בקשב מתמשך. גישה זו מתבססת על אפקט אפנון תשומת לב: ההבדל במשרעת של תגובה חושית עצבית כאשר הפרט הוא השתתפות לעומת התעלמות לגירויים שבזרם חושי. השפעת אפנון תשומת לב היא כלי רב עוצמה לאיתור תשומת לב אפנון על אותות חושיים, אבל זה מונע את היכולת להעריך את הדינמיקה נפרדת של השתתפות והתעלמות תהליכים. כלומר, הבדל בתגובות חושיות עצביות כאשר השתתפות לעומת ההתעלמות עלולה להתעורר בגלל התהליך של תשומת לב משפר אותות יעד חושיים, או בגלל התעלמות מדלדלת את אותות מסיח חושיים, או שניהם. כדי לבחון בין חלופות אלה, השימוש במצב שליטה נוסף נדרש בי אחד מכמת את החוזק,שעות של תשומות חושיות בתחילת המחקר הטבעית שלהם, כאשר הם לא השתתפו ולא להתעלם ממנה. זה דומה להליכה ברחוב סואן מלא במכוניות, אך לא באופן פעיל צופה (למשל, למונית) ולא באופן פעיל תוך התעלמות (למשל, מכוניות שאינן מונית ואוטובוסים) מכוניות החולפות. לפי הערכת אותות חושיים ההשתתפו או להתעלם ממנו, ביחס למצב פסיבי התייחסות, הגודל ועיתוי של השתתפות והתעלמות תהליכים ניתן לכמת בנפרד.
שימושים יעילים של שליטה כזאת פסיבית במדידת תהליכי השתתפות ומתעלמים כבר דווחו בעבר במחקרים של תשומת לב מקדימה 11-13 ואינטראקציות זיכרון-לב 9,10,14-17. כאן אנו מתארים את השימוש בגישה זו בהקשר של קשב מתמשך, ברמז שאינו, רציף, intermodal משימת תשומת לב (כלומר, שמיעתית-חזותית) (IMAT) 18. במילים אחרות, שיטה זו היא מתאימה ללימוד ראט המתמשךאה מ תהליכי בקרת הכנה, המאפשר מעקב אחר התהליכים אלה על פני זמן. שיטה זו גם מכמתת תהליכי בקרה שלווסת תגובות חושיות על פני שיטות חושיות שונות (כלומר, שמיעתיות לעומת חזותי), ובכך מתמקדת בתהליכים שאינם מתמחים בתחום חושי או תוכן מסוים. בניגוד להדמיה בתהודה מגנטית תפקודית קודמת לומדת 15,19,20, מסלולים בשיטה זו השתתפות והתעלמות תהליכים באמצעות איתותי neurophysiological זמנית נפתרו (electroencephalography, EEG), ובכך לספק רזולוציה אלפית שנייה בפרופילים זמניים של השתתפות והתעלמות תהליכים. תוצאות הנציג שלנו להדגים את השימוש בטכניקה בזיהוי ראיות ישירות למקורות להפרדה קליפת המוח ודינמיקה זמנית של התהליכים העצביים של השתתפות והתעלמות, ותרומות ייחודיות להשפעת אפנון תשומת לב.
Protocol
Representative Results
Discussion
תהליכים הקשורים להשתתפות ולהתעלמות בשליטת לב עשויים להיות כרוכים במסלולים עצביים שונים וקורסי זמן. לכן, זה הוא בעל ערך למדידת תהליכים אלה בנפרד. IMAT הוא כלי, שבאמצעותו ניתן ללכוד אותות neurophysiological של השתתפות והתעלמות בנפרד, אבל במקביל, בקשב מתמשך. השלבים הקריטיים כוללי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to thank Jyoti Mishra for useful discussions regarding the paradigm. This research was supported by NIH grants R33DA026109 and R21MH096329 to MSC.
Materials
| NetStation Software | Electrical Geodesic, Inc. | version 4.5.1 | Alternate recording software may be used. |
| Matlab Software | The MathWorks, Inc. | 7.10.0 (R2010a) | Alternate analysis and presentation software may be used. |
| PsychToolbox Software | http://psychtoolbox.org/ | v3.0.8 (2010-03-06) | Open-source software. Alternate stimulus presentation software may be used. |
| Netstation Amplifier | Electrical Geodesic, Inc. | 300 | Alternate amplifier may be used. |
| EEG Net | Electrical Geodesic, Inc. | HCGSN130 | Alternate EEG cap may be used. |
| Saline-Based Electrolyte (Potassium Chloride) | Electrical Geodesic, Inc. | n/a | Electrolyte used in soaking of net for this high-impedance EEG system. Alternate electrolyte mediate can be used. |
References
- Desimone, R., Duncan, J. Neural Mechanisms of Selective Visual-Attention. Annu. Rev. Neurosci. 18, 193-222 (1995).
- Hillyard, S. A. Electrophysiology of Human Selective Attention. Trends Neurosci. 8, 400-405 (1985).
- Kastner, S., Ungerleider, L. G. The neural basis of biased competition in human visual cortex. Neuropsychologia. 39, 1263-1276 (2001).
- Mangun, G. R. Neural Mechanisms of Visual Selective Attention. Psychophysiology. 32, 4-18 (1995).
- Chadick, J. Z., Gazzaley, A. Differential coupling of visual cortex with default or frontal-parietal network based on goals. Nat Neurosci. 14, 830-832 (2011).
- Ruff, C. C., Driver, J. Attentional preparation for a lateralized visual distractor: behavioral and fMRI evidence. J Cogn Neurosci. 18, 522-538 (2006).
- Serences, J. T., Yantis, S., Culberson, A., Awh, E. Preparatory activity in visual cortex indexes distractor suppression during covert spatial orienting. J Neurophysiol. 92, 3538-3545 (2004).
- Rissman, J., Gazzaley, A., D’Esposito, M. The effect of non-visual working memory load on top-down modulation of visual processing. Neuropsychologia. 47, 1637-1646 (2009).
- Gazzaley, A., Cooney, J. W., Rissman, J., D’Esposito, M. Top-down suppression deficit underlies working memory impairment in normal aging. Nat Neurosci. 8, 1298-1300 (2005).
- Kong, D. Y., Soon, C. S., Chee, M. W. L. Functional imaging correlates of impaired distractor suppression following sleep deprivation. NeuroImage. 61, 50-55 (2012).
- Luck, S. J., et al. Effects of Spatial Cueing on Luminance Detectability – Psychophysical and Electrophysiological Evidence for Early Selection. J Exp Psychol Human. 20, 887-904 (1994).
- Posner, M. I. Orienting of Attention. QJ Exp Psychol. 32, 3-25 (1980).
- Posner, M. I., Nissen, M. K., Ogden, W. C., Pick, H., Saltzmann, E. . Modes of Perceiving and Processing Information. , 137-157 (1978).
- Gazzaley, A. Influence of early attentional modulation on working memory. Neuropsychologia. 49, 1410-1424 (2011).
- Johnson, J. A., Zatorre, R. J. Attention to simultaneous unrelated auditory and visual events: Behavioral and neural correlates. Cereb Cortex. 15, 1609-1620 (2005).
- Johnson, J. A., Zatorre, R. J. Neural substrates for dividing and focusing attention between simultaneous auditory and visual events. NeuroImage. 31, 1673-1681 (2006).
- Zanto, T. P., Gazzaley, A. Neural Suppression of Irrelevant Information Underlies Optimal Working Memory Performance. J Neurosci. 29, 3059-3066 (2009).
- Lenartowicz, A., Simpson, G. V., Haber, C. M., Cohen, M. S. Neurophysiological Signals of Ignoring and Attending Are Separable and Related to Performance during Sustained Intersensory Attention. J Cogn Neurosci. , 1-15 (2014).
- Daffner, K. R., et al. Does modulation of selective attention to features reflect enhancement or suppression of neural activity. Biol Psychol. 89, 398-407 (2012).
- Weissman, D. H., Warner, L. M., Woldorff, M. G. Momentary reductions of attention permit greater processing of irrelevant stimuli. NeuroImage. 48, 609-615 (2009).
- Shams, L., Kamitani, Y., Shimojo, S. Visual illusion induced by sound. Cognitive Brain Res. 14, 147-152 (2002).
- Di Luca, M., Machulla, T. K., Ernst, M. O. Recalibration of multisensory simultaneity: Cross-modal transfer coincides with a change in perceptual latency. J Vision. 9, (2009).
- Makeig, S., Jung, T. P., Bell, A. J., Ghahremani, D., Sejnowski, T. J. Blind separation of event-related brain response components. Psychophysiology. 33, S58-S58 (1996).
- Baillet, S., Mosher, J. C., Leahy, R. M. Electromagnetic brain mapping. IEEE Signal Processing Mag. 18, 14-30 (2001).
- Garcia-Perez, M. A. Forced-choice staircases with fixed step sizes asymptotic and small-sample properties. Vision Res. 38, 1861-1881 (1998).
- Picton, T. W., Bentin, S., Berg, P., Donchin, E., Hilllyard, S. A., Johnson, R. J. R., Miller, G. A., Ritter, W., Ruchkin, D. S., Rugg, M. D., Taylor, M. J. Guidelines for using human event-related potentials to study cognition: Recroding standards and publication criteria. Psychophysiology. 37 (2), 127-152 (2000).
- Keil, A., Debener, S., Gratton, G., Junghofer, M., Kappenman, E. S., Luck, S. J., Luu, P., Miller, G. A., Yee, C. M. Committee Report: Publication guidelines and recommendations for studies using electroencephalography and magnetoencephalography. Psychophysiology. 51 (1), 1-21 (2014).
