Effortless attention as a biomarker for experienced mindfulness practitioners

Objective: The present study aimed at comparing frontal beta power between long-term (LTM) and first-time meditators (FTM), before, during and after a meditation session. We hypothesized that LTM would present lower beta power than FTM due to lower effort of attention and awareness. Methods: Twenty one participants were recruited, eleven of whom were long-term meditators. The subjects were asked to rest for 4 minutes before and after open monitoring (OM) meditation (40 minutes). Results: The two-way ANOVA revealed an interaction between the group and moment factors for the Fp1 (p<0.01), F7 (p = 0.01), F3 (p<0.01), Fz (p<0.01), F4 (p<0.01), F8 (p<0.01) electrodes. Conclusion: We found low power frontal beta activity for LTM during the task and this may be associated with the fact that OM is related to bottom-up pathways that are not present in FTM. Significance: We hypothesized that the frontal beta power pattern may be a biomarker for LTM. It may also be related to improving an attentive state and to the efficiency of cognitive functions, as well as to the long-term experience with meditation (i.e., life-time experience and frequency of practice)

Dynamics of EEG rhythms support distinct visual selection mechanisms in parietal cortex: A simultaneous transcranial magnetic stimulation and EEG study

Using repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), we have recently shown a functional anatomical distinction in human parietal cortex between regions involved in maintaining attention to a location [ventral intraparietal sulcus (vIPS)] and a region involved in shifting attention between locations [medial superior parietal lobule (mSPL)]. In particular, while rTMS interference over vIPS impaired target discrimination at contralateral attended locations, interference over mSPL affected performance following shifts of attention regardless of the visual field (Capotosto et al., 2013). Here, using rTMS interference in conjunction with EEG recordings of brain rhythms during the presentation of cues that indicate to either shift or maintain spatial attention, we tested whether this functional anatomical segregation involves different mechanisms of rhythm synchronization. The transient inactivation of vIPS reduced the amplitude of the expected parieto-occipital low-alpha (8 - 10 Hz) desynchronization contralateral to the cued location. Conversely, the transient inactivation of mSPL, compared with vIPS, reduced the high-alpha (10 - 12 Hz) desynchronization induced by shifting attention into both visual fields. Furthermore, rTMS induced a frequency-specific delay of task-related modulation of brain rhythms. Specifically, rTMS over vIPS or mSPL during maintenance (stay cues) or shifting (shift cues) of spatial attention, respectively, caused a delay of alpha parieto-occipital desynchronization. Moreover, rTMS over vIPS during stay cues caused a delay of delta (2-4 Hz) frontocentral synchronization. These findings further support the anatomo-functional subdivision of the dorsal attention network in subsystems devoted to shifting or maintaining covert visuospatial attention and indicate that these mechanisms operate in different frequency channels linking frontal to parieto-occipital visual regions

Stimulus Presentation at Specific Neuronal Oscillatory Phases Experimentally Controlled with tACS: Implementation and Applications

In recent years it has become increasingly clear that both the power and phase of oscillatory brain activity can influence the processing and perception of sensory stimuli. Transcranial alternating current stimulation (tACS) can phase-align and amplify endogenous brain oscillations and has often been used to control and thereby study oscillatory power. Causal investigation of oscillatory phase is more difficult, as it requires precise real-time temporal control over both oscillatory phase and sensory stimulation. Here, we present hardware and software solutions allowing temporally precise presentation of sensory stimuli during tACS at desired tACS phases, enabling causal investigations of oscillatory phase. We developed freely available and easy to use software, which can be coupled with standard commercially available hardware to allow flexible and multi-modal stimulus presentation (visual, auditory, magnetic stimuli, etc.) at pre-determined tACS-phases, opening up a range of new research opportunities. We validate that stimulus presentation at tACS phase in our setup is accurate to the sub-millisecond level with high inter-trial consistency. Conventional methods investigating the role of oscillatory phase such as magneto-/electroencephalography can only provide correlational evidence. Using brain stimulation with the described methodology enables investigations of the causal role of oscillatory phase. This setup turns oscillatory phase into an independent variable, allowing innovative and systematic studies of its functional impact on perception and cognition

Rhythmic interactions between the mediodorsal thalamus and prefrontal cortex precede human visual perception

The thalamus is much more than a simple sensory relay. High-order thalamic nuclei, such as the mediodorsal thalamus, exert a profound influence over animal cognition. However, given the difficulty of directly recording from the thalamus in humans, next-to-nothing is known about thalamic and thalamocortical contributions to human cognition. To address this, we analysed simultaneously-recorded thalamic iEEG and whole-head MEG in six patients (four female, two male; plus MEG recordings from twelve healthy controls) as they completed a visual detection task. We observed that the phase of both ongoing mediodorsal thalamic and prefrontal low-frequency activity was predictive of perceptual performance. Critically however, mediodorsal thalamic activity mediated prefrontal contributions to perceptual performance. These results suggest that it is thalamocortical interactions, rather than cortical activity alone, that is predictive of upcoming perceptual performance and, more generally, highlights the importance of accounting for the thalamus when theorising about cortical contributions to human cognition

The COGs (context, object, and goals) in multisensory processing

Our understanding of how perception operates in real-world environments has been substantially advanced by studying both multisensory processes and “top-down” control processes influencing sensory processing via activity from higher-order brain areas, such as attention, memory, and expectations. As the two topics have been traditionally studied separately, the mechanisms orchestrating real-world multisensory processing remain unclear. Past work has revealed that the observer’s goals gate the influence of many multisensory processes on brain and behavioural responses, whereas some other multisensory processes might occur independently of these goals. Consequently, other forms of top-down control beyond goal dependence are necessary to explain the full range of multisensory effects currently reported at the brain and the cognitive level. These forms of control include sensitivity to stimulus context as well as the detection of matches (or lack thereof) between a multisensory stimulus and categorical attributes of naturalistic objects (e.g. tools, animals). In this review we discuss and integrate the existing findings that demonstrate the importance of such goal-, object- and context-based top-down control over multisensory processing. We then put forward a few principles emerging from this literature review with respect to the mechanisms underlying multisensory processing and discuss their possible broader implications

Осознанное восприятие: дискретность vs непрерывность

Аннотация: Введение. Является ли восприятие дискретным или непрерывным? Этот вопрос имеет давнюю историю, но в свете полученных в последние годы экспериментальных данных снова обретает актуальность. Имеющиеся модели опираются на разное понимание дискретности, и в них выделяются разные единицы дискретного восприятия. Теоретическое обоснование. В статье рассматривается развитие дискретных моделей восприятия и разбираются различные теоретические обоснования дискретности. Результаты и их обсуждение. Приводится обзор экспериментальных исследований, поддерживающих дискретные модели, обсуждаются основные направления их критики. Результаты новых исследований поддерживают идею о том, что дискретно именно осознаваемое восприятие, тогда как неосознаваемая обработка информации может быть непрерывной или осуществляться с бо́льшим временны́м разрешением. Сравниваются два популярных современных подхода к дискретному восприятию. В рамках одного из них предполагается, что дискретная единица восприятия относительно невелика и связана с временны́м разрешением, при этом она не является универсальной – дискретизация может осуществляться с разной частотой, например, для разных модальностей. В рамках второго подхода дискретизация связывается с необходимостью вычисления наилучшей осмысленной интерпретации поступающих данных. Дискретная единица в этом подходе (временно́е окно неосознаваемой обработки) является универсальной, но ее длительность не фиксирована и зависит от характера поступающих данных. Также предлагается альтернативный подход, опирающийся на положения концепции негативного выбора В. М. Аллахвердова, из которой также следует существование окна неосознаваемой обработки, длительность которого не является постоянной. Новизна данного подхода в том, что длительность окна связывается со сложностью операций контроля, задачей которого является отбор информации для поступления в сознание. Обсуждается возможность использования этого подхода для объяснения временно́й динамики эффектов прайминга и мигания внимания, за непостоянством временны́х границ которой мы видим проявление общей логики дискретизации

Detecting Unattended Stimuli Depends on the Phase of Prestimulus Neural Oscillations

Neural oscillations appear important for perception and attention processes because stimulus detection is dependent upon the phase of 7-11 Hz oscillations before stimulus onset. Previous work has examined stimulus detection at attended locations, but it is unknown whether unattended locations are also subject to phasic modulation by ongoing oscillatory activity, as would be predicted by theories proposing a role for neural oscillations in organizing general neural processing. Here, we recorded brain activity with EEG while human participants of both sexes detected brief visual targets preceded by a spatial cue and determined whether performance for cued (attended) and uncued (unattended) targets was influenced by oscillatory phase across a range of frequencies. Detection of both attended and unattended targets depended upon an ∼5 Hz theta rhythm and an ∼11-15 Hz alpha rhythm. Critically, detection of unattended stimuli was more strongly modulated by the phase of theta oscillations than was detection of attended stimuli, suggesting that attentional allocation involves a disengagement from ongoing theta sampling. There was no attention-related difference in the strength of alpha phase dependence, consistent with a perceptual rather than attentional role of oscillatory phase in this frequency range. These results demonstrate the importance of neural oscillations in modulating visual processing at both attended and unattended locations and clarify one way in which attention may produce its effects: through disengagement from low-frequency sampling at attended locations.SIGNIFICANCE STATEMENTPast work on the interaction between oscillatory phase and neural processing has shown the involvement of posterior ∼7-11 Hz oscillations in visual processing. Most studies, however, have presented stimuli at attended locations, making it difficult to disentangle frequencies related to attention from those related to perception. Here, we compared the oscillatory frequencies involved in the detection of attended and unattended stimuli and found that ∼11-15 Hz oscillations were related to perception independently of attention, whereas ∼5 Hz oscillations were more prominent for the detection of unattended stimuli. This work demonstrates the importance of neural oscillations for mediating stimulus processing at both attended and unattended locations and clarifies the different oscillatory frequencies involved in attention and perception

Осознанное восприятие: дискретность vs непрерывность

Аннотация: Введение. Является ли восприятие дискретным или непрерывным? Этот вопрос имеет давнюю историю, но в свете полученных в последние годы экспериментальных данных снова обретает актуальность. Имеющиеся модели опираются на разное понимание дискретности, и в них выделяются разные единицы дискретного восприятия. Теоретическое обоснование. В статье рассматривается развитие дискретных моделей восприятия и разбираются различные теоретические обоснования дискретности. Результаты и их обсуждение. Приводится обзор экспериментальных исследований, поддерживающих дискретные модели, обсуждаются основные направления их критики. Результаты новых исследований поддерживают идею о том, что дискретно именно осознаваемое восприятие, тогда как неосознаваемая обработка информации может быть непрерывной или осуществляться с бо́льшим временны́м разрешением. Сравниваются два популярных современных подхода к дискретному восприятию. В рамках одного из них предполагается, что дискретная единица восприятия относительно невелика и связана с временны́м разрешением, при этом она не является универсальной – дискретизация может осуществляться с разной частотой, например, для разных модальностей. В рамках второго подхода дискретизация связывается с необходимостью вычисления наилучшей осмысленной интерпретации поступающих данных. Дискретная единица в этом подходе (временно́е окно неосознаваемой обработки) является универсальной, но ее длительность не фиксирована и зависит от характера поступающих данных. Также предлагается альтернативный подход, опирающийся на положения концепции негативного выбора В.&nbsp;М.&nbsp;Аллахвердова, из которой также следует существование окна неосознаваемой обработки, длительность которого не является постоянной. Новизна данного подхода в том, что длительность окна связывается со сложностью операций контроля, задачей которого является отбор информации для поступления в сознание. Обсуждается возможность использования этого подхода для объяснения временно́й динамики эффектов прайминга и мигания внимания, за непостоянством временны́х границ которой мы видим проявление общей логики дискретизации