The role of cortical oscillations in the estimation and maintenance of sensory and duration information in working memory

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2858-4
Title: The role of cortical oscillations in the estimation and maintenance of sensory and duration information in working memory
Author: Kulashekhar, Shrikanth
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Department of Physiology and Neuroscience
Neuroscience Center, University of Helsinki BioMag Laboratory, HUS Medical Imaging Center, Helsinki University Central Hospital
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Working memory is used to maintain information for cognitive operations, and its deficits are associated with several neuropsychological disorders. Human functional magnetic resonance imaging (fMRI) f isolated key brain areas associated with the maintenance of sensory and duration information. However, the systems-level mechanisms coordinating the collective neuronal activity in these brain areas have remained elusive. It has been suggested that synchronized oscillations could regulate communication in neuronal networks and could hence serve such coordination, but their role in the maintenance of sensory and duration information has remained largely unknown. In this thesis, combined magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) together with minimum norm estimate (MNE) based source modelling was used to study the oscillatory dynamics underlying visual and temporal working memory. In Publication I, we developed a neuro-informatics approach to understand the anatomical and dynamic structures of network synchrony supporting visual working memory (VWM). VWM was associated with a sustained and stable inter-areal phase synchrony among frontoparietal and visual areas in alpha- (10 13 Hz), beta- (18 24 Hz), and gamma- (30 40 Hz) frequency bands. In this study, the subjects' individual behavioural VWM capacity was predicted by synchrony in a network in which the intraparietal sulcus was the most central hub. In Publication II, we characterised the oscillatory amplitude dynamics associated with the VWM maintenance. Increasing VWM load was associated with strengthened oscillation amplitudes in the occipital and occipitotemporal cortical areas, in the alpha (8 14 Hz) beta- (15 30 Hz), gamma- (30-50 Hz), and high-gamma- (50 150 Hz) frequency bands. In Publication III, we addressed the functional significance of local neuronal synchronization, as indexed by the amplitudes of cortical oscillations, in the estimation and maintenance of duration information. The estimation of durations in the seconds range was associated with stronger beta-band (14 30 Hz) oscillations in cortical regions that have earlier been associated with temporal processing. The encoding of duration information was associated with strengthened gamma- (30 120 Hz), and the retrieval and comparison with alpha-band (8 14 Hz) oscillations. Further, the maintenance of stimulus duration was associated with stronger theta- and alpha-band (5 14Hz) frequencies. These data suggested that both local and large-scale phase synchrony in the alpha-, beta-, and gamma-frequency bands in the frontoparietal and visual regions could be a systems level mechanism for coordinating and regulating the maintenance of visual information in VWM. In addition, it suggested that beta-band oscillations may provide a mechanism for estimating short temporal durations, while gamma, alpha and theta-alpha oscillations support their encoding, retrieval, and maintenance in working memory, respectively.Työmuisti ylläpitää kognitiivisia toimintoja ja sen häiriöt ovat usein yhteydessä neuropsykologisiin sairauksiin. Toiminnallisen magneettikuvauksen (functional magnetic resonance imaging, fMRI) avulla voidaan erotella aivoalueita, jotka osallistuvat aistiedon sekä sen kestoon liittyvän tiedon ylläpitoon. Järjestelmätason mekanismit, jotka koordinoivat kollektiivista hermosolujen aktiivisuutta näillä aivoalueilla ovat kuitenkin huonosti tunnettuja. On ehdotettu, että aivoaktiivisuuden synkroniset oskillaatiot säätelevät ja koordinoivat informaation kulkua hermoverkoissa, mutta oskillaatioiden rooli aistitiedon sekä sen keston ylläpidossa on edelleen suurelta osin tuntematon. Tämä työ selvittää visuaaliseen työmuistiin sekä aikatiedon tallennukseen vaikuttavien oskillaatioden dynamiikkaa yhdistämällä magnetoenkefalografiaa (MEG) ja elektroenkefalografiaa (EEG) sekä lähdemallinnusta (minimum norm estimate, MNE). Artikkelissa I kehitimme neuroinformatiikkaan liittyvää lähestymistapaa, ja selvitimme sen avulla visuaalisen työmuistin hermoverkkojen synkronista aktiivisuutta tukevia anatomisia ja dynaamisia rakenteita. Visuaalisen työmuistin aktiivisuus oli yhteydessä frontoparietaalisten ja visuaalisten aivoalueiden väliseen synkroniaan alfa- (10-13 Hz), beta- (18-24 Hz), ja gamma- (30-40 Hz) taajuuksilla. Tässä tutkimuksessa havaittiin myös, että koehenkilöiden visuaalisen työmuistin kapasiteettia voitiin ennustaa erityisesti intraparietaalisessa uurteessa (intraparietal sulcus) mitattujen oskillaatioiden synkronian avulla. Artikkelissa II tutkimme visuaalisen työmuistin ylläpitoon liittyvien oskillaatioiden amplitudien dynamiikkaa. Ylläpidettävän tiedon määrän kasvaessa oskillaatioiden amplitudit kasvoivat sekä takaraivolohkon (occipital) että takaraivolohkon ja ohimolohkon välisillä (occipitotemporal) aivokuoren alueilla, alfa- (8-14 Hz) beta- (15-30 Hz), gamma- (30-50 Hz), ja korkea-gamma (50-150 Hz) taajuuksilla. Artikkelissa III, tutkimme aivoalueiden paikkalisten oskillaatioiden amplitudien synkronian toiminnallista merkitystä aikatiedon keston arvioimisen ja ylläpidon yhteydessä. Aikatiedon keston arviointi sekuntien tarkkuudella oli yhteydessä voimakkaampiin beta- (14-30 Hz) oskillaatioihin niillä aivokuoren alueita, jotka osallistuvat aikatiedon käsittelyyn. Ajan kestoon liittyvän tiedon tallennus oli yhteydessä voimakkaampiin gamma- (30-120 Hz) oskillaatioihin, kun taas kestoon liittyvän tiedon palautus ja vertailu oli yhteydessä alfa- (8-14 Hz) oskillaatioihin. Lisäksi aikatiedon keston ylläpito oli yhteydessä voimakkaampiin theta- ja alfa- (5-14Hz) oskillaatioihin. Tämä työ osoittaa, että frontoparietaalisten ja visuaalisten aivoalueiden paikallinen sekä näiden alueiden välinen oskillaatioiden vaihesynkronia alfa-, beta- ja gamma-taajuusalueilla voivat toimia järjestelmätason mekanismina, joka koordinoi ja säätelee tiedon ylläpitoa visuaalisessa työmuistissa. Lisäksi beta-oskillaatiot ovat mahdollinen mekanismi, jonka avulla arvioidaan lyhyitä ajallisia kestoja, kun taas gamma, alfa ja theta-alfa oskillaatiot vastaavat aikatiedon tallennuksesta, palautuksesta ja ylläpidosta työmuistissa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-2858-4
http://hdl.handle.net/10138/173348
Date: 2017-01-20
Subject: Physiology and Neuroscience
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Theroleo.pdf 5.122Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record