Måling af Neurofysiologiske Signaler af Ignorerer og Deltage Processer i Attention Kontrol
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
Opmærksomhed kontrol guider adfærd ved at rette vores neurale og kognitive ressourcer mod udvalgte indgangssignaler, mens begrænse adgangen til andre signaler, baseret på en given adfærdsmæssige mål 1. For eksempel, når du læser en bog, de visuelle signaler svarende til bogen er målet signaler, der skal forbedres, mens andre sensoriske signaler – såsom TV i det næste rum – er distraktoren signaler, der skal dæmpes. Optagelser i både menneskelige og ikke-menneskelige primater 1-4, viser, at neurale reaktioner i sensoriske cortex forstærkes for deltog mål i forhold til ignorerede distraktorer under selektiv opmærksomhed, hvilket indikerer, at styrken af sensoriske input i hjernen moduleres som en funktion af, hvorvidt de er klassificeret som mål eller distraktorer 5-7. Vi henviser til denne forskel i signalstyrke når deltage versus ignorere som den opmærksomhed graduering effekt.
Stigende interesse erSpørgsmålet om, hvorvidt og hvordan de neurale processer deltage bidrage til opmærksomhed kontrol og dens nedskrivninger, adskilt fra de neurale processer ignorere. Det er mere og mere klart, at evnen til at ignorere distraktioner kan blive forringet uafhængigt af vores evne til at deltage i mål. For eksempel kan distraktoren-undertrykkelse forringes med øget opgave belastning 8, kognitiv aldring 9 og søvnmangel 10, uden en dekrement i mål ekstraudstyr. Det er i øjeblikket ikke vides, om en dekrement i mål ekstraudstyr også kan eksistere uden et underskud i distraktør undertrykkelse. Måske endnu vigtigere, er det ikke løst, om underskud på enten deltage eller ignorere, men ikke begge, kan belyse neuropsykiatriske tilstande, hvor opmærksomheden kontrollen er nedsat. Som sådan er det værdifuldt for bedre at forstå, om at deltage og ignorerer opstå adskillelige kortikale veje, om og hvordan de adskiller sig i neurale dynamik. Ved at måle deltage ogignorerer processer hver for sig, kan løses sådanne spørgsmål.
Her beskriver vi metode til at måle de neurofysiologiske signaler for at deltage i og ignorere hver for sig, men samtidig, i vedvarende opmærksomhed. Denne tilgang bygger på den opmærksomhed modulationseffekt: forskellen i amplituden af en neural sensorisk respons, når den enkelte deltager versus ignorere på stimuli i den sensoriske stream. Den opmærksomhed modulationseffekt er et kraftfuldt værktøj til at detektere opmærksomhed modulation i sensoriske signaler, men det udelukker evnen til at vurdere de forskellige dynamik deltage og ignorerer processer. Nemlig en forskel i neurale sensoriske responser når deltage versus ignorerer kunne opstå, fordi processen med opmærksomhed forbedrer sensoriske målsignaler, eller fordi ignorere dæmper sensoriske sårspærre signaler, eller begge dele. For at teste mellem disse alternativer er anvendelsen af en yderligere kontrol forhold kræves i hvilken én kvantificerer strength sensoriske input på deres naturlige baseline, når de er hverken deltog eller ignoreres. Dette svarer til at gå ned en travl gade fuld af biler, men hverken aktivt ser (fx for en taxa) eller aktivt ignorerer (f.eks, ikke-taxi biler og busser) de forbipasserende biler. Ved at vurdere sensoriske signaler, der deltog eller ignoreres, i forhold til en passiv henvisning tilstand, størrelsen og timingen af forfald og ignorere processer kan kvantificeres separat.
Effektiv brug af sådan en passiv kontrol i måling deltager og ignorerer processer er tidligere blevet rapporteret i studier af foregribende opmærksomhed 11-13 og hukommelse-opmærksomhed interaktioner 9,10,14-17. Her beskriver vi brug af denne fremgangsmåde i forbindelse med vedvarende opmærksomhed, i en ikke-cued, kontinuerlig, intermodal (dvs., auditiv-visuelle) opmærksomhed opgave (IMAT) 18. Med andre ord, denne metode er hensigtsmæssig til studiet af igangværende Rathis end forberedende kontrolprocesser, der giver mulighed for sporing af disse processer på tværs af tid. Denne metode kvantificerer også kontrolprocesser, der modulerer sensoriske reaktioner på tværs af forskellige sensoriske modaliteter (dvs. auditive versus visuelle), og dermed fokus på processer, der ikke er specialiserede inden for en bestemt sensorisk eller indhold domæne. I modsætning til tidligere funktionel magnetisk resonans undersøgelser 15,19,20, denne metode spor deltage og ignorerer processer ved hjælp af midlertidigt løst neurofysiologiske signaler (elektroencefalografi, EEG), hvilket giver millisekund beslutning om de tidsmæssige profiler af forfald og ignorerer processer. Vores repræsentative resultater demonstrere brugen af teknikken med at identificere direkte bevis for adskillelige kortikale kilder og tidsmæssige dynamik de neurale processer i forfald og ignorere, og unikke bidrag til den opmærksomhed graduering effekt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Processer relateret til forfald og ignorerer i opmærksomhed kontrol kan indebære forskellige nervebaner og tidsforløb. Det er derfor af værdi til at måle disse processer separat. Den IMAT er et værktøj, hvormed man kan fange neurofysiologiske signaler for at deltage i og ignorere hver for sig, men samtidig, i vedvarende opmærksomhed. De kritiske skridt omfatter måling af sensoriske neurofysiologiske svar, når deltageren er deltager, ignorerer eller passivt opfatte stimuli præsenteret i en given modalitet – en…
Divulgations
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).
