Mätning av neurofysiologisk signaler att ignorera och Delta Processer i uppmärksamhet kontroll
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
Attention styrskenor beteende genom att rikta våra neurala och kognitiva resurser mot utvalda insignaler, medan begränsa tillgången till andra signaler, baserat på en viss beteende mål 1. Till exempel, när man läser en bok, de visuella signaler som motsvarar boken är målsignalerna förbättras, medan andra sensoriska signaler – som TV i nästa rum – är irrelevanta signaler som skall dämpas. Inspelningar i både mänskliga och icke-mänskliga primater 1-4, visar att neurala svar i sensoriska cortex förbättras för deltog mål i förhållande till ignoreras distraktorer under selektiv uppmärksamhet, vilket tyder på att styrkan i sensoriska ingångar i hjärnan moduleras som en funktion av huruvida de är klassificerade som mål eller distraktorer 5-7. Vi hänvisar till denna skillnad i signalstyrka när de deltar kontra ignorera den uppmärksamhet moduleringseffekt.
Av ökande intresse ärFrågan om huruvida och hur de neurala processer för deltagande bidra till uppmärksamhet kontroll och dess funktionsnedsättningar, separat från de neurala processer ignorera. Det står alltmer klart att förmågan att ignorera distraktioner kan försämras oberoende av vår förmåga att delta i mål. Till exempel kan distraktorn-suppression försämras med ökad uppgift belastning 8, kognitivt åldrande 9 och sömnbrist 10, utan en minskning i mål förbättring. Det är för närvarande inte känt om en minskning i mål förbättring även kan existera utan ett underskott i distraktor förtryck. Kanske ännu viktigare, är det inte löst om underskott av antingen delta eller ignorera, men inte båda, kan belysa neuropsykiatriska tillstånd där uppmärksamhet kontroll är nedsatt. Som sådan, är det värdefullt att bättre förstå om att delta och ignorerar härrör från skilj kortikala vägar, om och hur de skiljer sig åt neurala dynamik. Genom att mäta delta ochignorera processer separat, kan sådana frågor lösas.
Här beskriver vi metoder för att mäta neurofysiologiska signaler om att delta och ignorera separat, men samtidigt, i ihållande uppmärksamhet. Detta tillvägagångssätt bygger på den uppmärksamhet moduleringseffekt: skillnaden i amplitud av ett neuralt sensorisk respons när individen deltar kontra ignorera på stimuli i det sensoriska ström. Uppmärksamhet moduleringseffekt är ett kraftfullt verktyg för att upptäcka uppmärksamhet modulering över sensoriska signaler, men det utesluter möjligheten att bedöma de olika dynamiken i att delta och ignorerar processer. Nämligen, en skillnad i neurala sensoriska svar när de deltar i kontra ignorera skulle kunna uppstå på grund av att processen uppmärksamhet ökar sensoriska målsignaler, eller för att ignorera dämpas sensoriska irrelevanta signaler, eller bådadera. För att testa mellan dessa alternativ, krävs användning av en ytterligare kontroll tillstånd där en kvantifierar strength av sensoriska ingångar på deras naturliga baslinjen, när de varken deltog inte heller ignoreras. Detta liknar gå ner en trafikerad gata full av bilar, men inte heller aktivt tittar på (t.ex. för en taxi) eller aktivt ignorera (t.ex. icke-taxibilar och bussar) passerande bilar. Genom att utvärdera sensoriska signaler som är närvarande eller ignoreras, i förhållande till en passiv referenstillstånd, magnituden och tidpunkten för behandlande och ignorera processer kan kvantifieras separat.
Effektiva användningsområden för en sådan passiv kontroll mäta deltar och ignorerar processer har tidigare rapporterats i studier av föregripande uppmärksamhet 11-13 och minnes uppmärksamhet interaktioner 9,10,14-17. Här beskriver vi användningen av denna metod inom ramen för ihållande uppmärksamhet, i en icke-cued, kontinuerlig, intermodal (dvs, auditiv och video) uppmärksamhet uppgift (IMAT) 18. Med andra ord, är det lämpligt att studiet av pågående rath denna metoder än förberedande kontrollprocesser, vilket möjliggör spårning av dessa processer över tid. Denna metod kvantifierar också kontrollprocesser som modulerar sensoriska svar på olika sensoriska modaliteter (dvs. auditiva kontra visuell), vilket innebär en fokusering på processer som inte är specialiserade inom ett särskilt sensorisk eller innehåll domän. Till skillnad från tidigare funktionell magnetisk resonanstomografi studerar 15,19,20, denna metod spår deltar och ignorerar processer med hjälp av tidsmässigt lösas neurofysiologiska signaler (elektroencefalografi, EEG), vilket ger millisekund resolution om tidsprofiler för att delta och ignorerar processer. Våra representativa resultat visar användningen av tekniken för att identifiera direkta bevis för skilj kortikala källor och tids dynamiken i neurala processer för att delta och ignorera och unika bidrag till den uppmärksamhet moduleringseffekt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Processer i samband med att delta och att ignorera uppmärksamhet kontroll kan innebära olika nervbanor och tidsförlopp. Därför är det av värde att mäta dessa processer var för sig. Den IMAT är ett verktyg, genom vilken man kan fånga neurofysiologiska signaler för att delta och ignorera separat, men samtidigt, i ihållande uppmärksamhet. De kritiska steg omfatta mätning av sensoriska neurofysiologiska reaktioner när deltagaren deltar, ignorera eller passivt uppfatta stimuli presenteras i en given modalitet…
Declarações
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. |
Referências
- 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).
