Electroencephalogram measured functional connectivity for delirium detection: a systematic review

ObjectiveDelirium is an acute alteration of consciousness marked by confusion, inattention, and changes in cognition. Some speculate that delirium may be a disorder of functional connectivity, but the requirement to lay still may limit measurement with existing functional imaging modalities in this population. Electroencephalography (EEG) may allow for a more feasible approach to the study of potential connectivity disturbances in delirium. We conducted a systematic review to investigate whether there are EEG-measurable differences in brain functional connectivity in the resting state associated with delirium.MethodsMedline, PubMed, PsychInfo, Embase and CINAHL were searched for relevant articles containing original data studying EEG functional connectivity measures in delirium.ResultsThe search yielded 1,516 records. Following strict inclusion criteria, four studies were included in the review. The studies used a variety of EEG measures including phase lag index, coherence, entropy, shortest path length, minimum spanning tree, and network clustering coefficients to study functional connectivity between scalp electrodes. Across connectivity measures, delirium was associated with decreased brain functional connectivity. All four studies found decreased alpha band connectivity for patients with delirium. None of the studies directly compared the different motor subtypes of delirium.SignificanceThis systematic review provides converging evidence for disturbances in oscillatory-based functional connectivity in delirium

Human Auditory Cortical Activation during Self-Vocalization

During speaking, auditory feedback is used to adjust vocalizations. The brain systems mediating this integrative ability have been investigated using a wide range of experimental strategies. In this report we examined how vocalization alters speech-sound processing within auditory cortex by directly recording evoked responses to vocalizations and playback stimuli using intracranial electrodes implanted in neurosurgery patients. Several new findings resulted from these high-resolution invasive recordings in human subjects. Suppressive effects of vocalization were found to occur only within circumscribed areas of auditory cortex. In addition, at a smaller number of sites, the opposite pattern was seen; cortical responses were enhanced during vocalization. This increase in activity was reflected in high gamma power changes, but was not evident in the averaged evoked potential waveforms. These new findings support forward models for vocal control in which efference copies of premotor cortex activity modulate sub-regions of auditory cortex

Oszillatorische Gamma-Band-Aktivität bei der Verarbeitung auditorischer Reize im Kurzzeitgedächtnis im MEG

Recent studies have suggested an important role of cortical gamma oscillatory activity (30-100 Hz) as a correlate of encoding, maintaining and retrieving auditory, visual or tactile information in and from memory. It was shown that these cortical stimulus representations were modulated by attention processes. Gamma-band activity (GBA) occurred as an induced response peaking at approximately 200-300 ms after stimulus presentation. Induced cortical responses appear as non-phase-locked activity and are assumed to reflect active cortical processing rather than passive perception. Induced GBA peaking 200-300 ms after stimulus presentation has been assumed to reflect differences between experimental conditions containing various stimuli. By contrast, the relationship between specific oscillatory signals and the representation of individual stimuli has remained unclear. The present study aimed at the identification of such stimulus-specific gamma-band components. We used magnetoencephalography (MEG) to assess gamma activity during an auditory spatial delayed matching-to-sample task. 28 healthy adults were assigned to one of two groups R and L who were presented with only right- or left-lateralized sounds, respectively. Two sample stimuli S1 with lateralization angles of either 15° or 45° deviation from the midsagittal plane were used in each group. Participants had to memorize the lateralization angle of S1 and compare it to a second lateralized sound S2 presented after an 800-ms delay phase. S2 either had the same or a different lateralization angle as S1. After the presentation of S2, subjects had to indicate whether S1 and S2 matched or not. Statistical probability mapping was applied to the signals at sensor level to identify spectral amplitude differences between 15° and 45° stimuli. We found distinct gamma-band components reflecting each sample stimulus with center frequencies ranging between 59 and 72 Hz in different sensors over parieto-occipital cortex contralateral to the side of stimulation. These oscillations showed maximal spectral amplitudes during the middle 200-300 ms of the delay phase and decreased again towards its end. Additionally, we investigated correlations between the activation strength of the gamma-band components and memory task performance. The magnitude of differentiation between oscillatory components representing 'preferred' and 'nonpreferred' stimuli during the final 100 ms of the delay phase correlated positively with task performance. These findings suggest that the observed gamma-band components reflect the activity of neuronal networks tuned to specific auditory spatial stimulus features. The activation of these networks seems to contribute to the maintenance of task-relevant information in short-term memory.Ergebnisse aus aktuellen Studien legen nahe, dass kortikale oszillatorische Aktivität im Gamma-Bereich (30-100 Hz) eine wichtige Rolle für verschiedene kognitive Prozesse spielt. Dazu zählen das Kodieren, die Aufrechterhaltung und der Abruf auditorischer, visueller oder taktiler Informationen in das bzw. aus dem Gedächtnis. Es konnte gezeigt werden, dass diese kortikale Aktivität durch Aufmerksamkeitsprozesse beeinflusst wird. Gamma-Aktivität trat bei vorangegangenen Untersuchungen als induzierte Antwort ca. 200-300 ms nach Stimuluspräsentation auf. Es wird angenommen, dass diese nicht phasengebundenen kortikalen Reizantworten aktive kortikale Verarbeitungs-prozesse widerspiegeln. In früheren Studien wurde induzierte Gamma-Aktivität während der Aufrechterhaltung von Stimulusinformationen über Regionen gefunden, die an der Verarbeitung aufgabenrelevanter Reizmerkmale beteiligt sind. Diese Antworten im Gamma-Bereich spiegelten Unterschiede zwischen verschieden experimentellen Bedingungen wider, jedoch ist wenig über die Repräsentation spezifischer Stimuluseigenschaften durch Gamma-Aktivität bekannt. Mit der vorliegenden Studie haben wir versucht, solche stimulus spezifischen Gamma-Komponenten zu untersuchen. Dafür verwendeten wir Magnetenzephalographie (MEG) und eine auditorische räumliche “delayed matching-to-sample“ Aufgabe. 28 gesunde Erwachsene wurden dabei zwei verschiedenen Gruppen zugeordnet. Gruppe R bekam rechtslateralisierte Stimuli präsentiert, während diese in Gruppe L linkslateralisiert waren. Dabei unterschieden sich die Reize nur in ihrer räumlichen Charakteristik, die Klangmuster blieben unverändert. In beiden Gruppen wurden zwei Beispielstimuli S1 mit Lateralisierungswinkeln von 15° bzw. 45° verwendet. Die Probanden mussten sich den Lateralisierungswinkel von S1 merken und anschließend mit einem zweiten Stimulus S2, der nach einer Verzögerungsphase von 800 ms präsentiert wurde, vergleichen. S2 hatte dabei entweder den gleichen Lateralisierungswinkel wie S1, oder unterschied sich darin von dem ersten Stimulus. Nach der Präsentation von S2 mussten die Probanden signalisieren, ob die Lateralisierungswinkel der beiden Stimuli übereinstimmten oder nicht. Die Signale der einzelnen Sensoren wurden mit einem statistischen Wahrscheinlichkeitsmapping untersucht. Dabei wollten wir Unterschiede in der spektralen Amplitude für Stimuli mit 15° bzw. 45° Lateralisierungswinkel identifizieren. Wir konnten spezifische Gamma-Aktivität für alle Beispielstimuli nachweisen. Die Signale wurden im Bereich von 59-72 Hz gefunden und waren über dem parieto-okzipitalen Kortex jeweils kontralateral zur stimulierten Seite lokalisiert. Die maximalen Spektralamplituden dieser Oszillationen traten während der mittleren 200-300 ms der Verzögerungsphase auf und nahmen zu ihrem Ende hin ab. Zusätzlich haben wir Korrelationen zwischen der Aktivierungsstärke der Gamma-Komponenten und dem Abschneiden bei der Gedächtnisaufgabe untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Unterschied der oszillatorischen Antworten auf bevorzugte und nicht-bevorzugte Stimuli während der letzten 100 ms der Verzögerungsphase positiv mit der Leistung in der Gedächtnisaufgabe korrelierte. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass die beobachteten Gamma Komponenten die Aktivität neuronaler Netzwerke, die auf die Verarbeitung räumlicher auditorischer Information spezialisiert sind, widerspiegeln. Die Aktivierung dieser Netzwerke scheint zur Aufrechterhaltung aufgabenbezogener Information im Kurzzeitgedächtnis beizutragen

Magnetenzephalographie-Studien zu antizipatorischen Aktivitäten im auditorischen Kurzzeitgedächtnis

Die aktuelle neurowissenschaftliche Forschung legt nahe, dass die kortikale Verarbeitung akustischer Sinneseindrücke über getrennte Verarbeitungspfade verläuft, die als ventraler „Was“- und dorsaler „Wo“-Pfad bezeichnet werden. Spektral-auditorische Muster-Informationen werden dabei in ventralen bzw. inferior-frontalen und anterior-temporalen Hirnregionen verarbeitet, wohingegen die auditorisch-räumliche Informationsverarbeitung in dorsalen bzw. posterior-parietalen und superior-frontalen Kortexregionen stattfinden soll. Bei der Aufrechterhaltung akustischer Informationen im auditorischen Kurzzeitgedächtnis scheinen zusätzlich zu den genannten Regionen frontal-exekutive Netzwerke eine wichtige Rolle zu spielen. Kognitive Prozesse der Wahrnehmung und Gedächtnisbildung wurden in der Vergangenheit häufig mit hochfrequenten Oszillationen im Bereich des Gammabandes (> 30 Hz) in Verbindung gebracht. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass kortikale Oszillationen durch Aufmerksamkeitsprozesse moduliert und beeinflusst werden. Ebenso könnte die Gammabandaktivität (GBA) bei Vorbereitungsprozessen, bzw. während Zuständen der Erwartungshaltung, eine funktionelle Rolle auf der kortikalen Ebene spielen. Dieses Phänomen wird zurzeit durch zahlreiche kognitive Studien untersucht und konnte auch bereits in früheren auditorischen Kurzzeitgedächtnisstudien der Arbeitsgruppe beobachtet werden. Hierbei hatten die Probanden die Aufgabe, zwei aufeinanderfolgende akustische Stimuli (Merkreiz und Testreiz) miteinander zu vergleichen, die durch zeitlich variable Behaltensphasen voneinander getrennt waren. Unabhängig von der Länge der Behaltensphase zeigte sich eine erhöhte oszillatorische GBA, die etwa ~450 ms vor der Darbietung des Testreizes ihr Maximum erreichte. Dieser Befund ließ vermuten, dass der dem Testreiz vorgelagerte Anstieg der GBA als aufgabenrelevante Voraktivierung dienen könnte, die in Antizipation des Testreizes auftritt. Möglicherweise könnten antizipatorische Aktivitäten auch bereits im Vorfeld des Merkreizes zu verzeichnen sein, wenn die Probanden vorab darüber in Kenntnis gesetzt werden, welche Aufgabe sie bearbeiten sollen. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurde in der vorliegenden Dissertation zum auditorischen Kurzzeitgedächtnis mit Hilfe von aufgabenbezogenen Hinweisreizen eine Erwartungshaltung im Vorfeld der jeweiligen Aufgabe induziert. Auf diese Weise sollte der Frage nachgegangen werden, ob es antizipatorische oszillatorische Signale gibt, die während der Vorbereitung auf eine auditorische Aufgabe spezifisch für die Art der zu leistenden Verarbeitung auftreten. Hierfür wurde bei gesunden Probanden die Gehirnaktivität mittels Magnetenzephalographie (MEG) aufgezeichnet. Um zu untersuchen, ob auch antizipatorische Aktivitäten gemäß der auditorischen „Was“- und „Wo“-Pfade zu verzeichnen sind, wurden zwei Studien konzipiert, die beide mittels einer delayed-matching-to-sample Aufgabe den Abgleich von zwei aufeinanderfolgenden akustischen Stimuli (Merkreiz (S1) und Testreiz (S2)) erforderten. In der Lateralisationsaufgabe (LAT) hatten die Probanden die Aufgabe, S1 und S2 hinsichtlich ihres interauralen Zeitversatzes (räumlich-auditorisch) zu vergleichen. Die Frequenzaufgabe (FREQ) erforderte hingegen zwischen S1 und S2 den Abgleich der zentralen Frequenz (spektral-auditorisch). Hier wurden die Aufgaben in unterschiedlichen Messblöcken dargeboten, und die Probanden wurden zu Beginn jedes Messblocks über die Aufgabe informiert. In der zweiten Studie wurden die Aufgaben dagegen in pseudorandomisierter Abfolge von Durchgang zu Durchgang wechselnd dargeboten. Hier wurde ein visueller Hinweisreiz zur Festlegung der Aufgabe vor jedem einzelnen Durchgang präsentiert. Basierend auf den zuvor geschilderten Befunden wurde eine antizipatorische GBA vor dem Merk- und Testreiz erwartet, die gemäß den kortikalen Verarbeitungspfaden topographische Unterschiede für spektral- und räumlich-auditorische Informationen aufweist. In der ersten Studie konnte mittels des angewandten Blockdesigns kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden aktiven Aufgaben (LAT und FREQ) ermittelt werden. Der Vergleich beider Aufgaben mit der passiven Kontrollbedingung (PASS) zeigte jedoch eine erhöhte Beta-Synchronisation über sensomotorischen Arealen. Dieser Befund wurde als Beta-Rebound interpretiert, der auf die motorische Aktivität im vorangehenden Durchgang folgte. Dieser Effekt konnte auf Sensor- und Quellenebene nachgewiesen werden. Im Vergleich zu PASS konnte für LAT eine signifikant erhöhte Alpha-Aktivität (8-14 Hz) sowie eine verringerte Gamma-Aktivität in Sensoren über posterioren Regionen beobachtet werden. Dies könnte als Deaktivierung von nicht aufgabenrelevanten (visuellen) kortikalen Arealen interpretiert werden. Auf der Quellenebene konnten diese Beobachtungen jedoch nicht repliziert werden. Hierbei zeigten sich eine verminderte Gamma-Aktivität im rechten Cerebellum sowie eine erhöhte Gamma-Aktivität im rechten Frontalkortex. Die Aktivitätsverminderung im Cerebellum stellt vermutlich eine gezielte Unterdrückung nicht benötigter Netzwerke dar, die mit der LAT interferieren könnten. Die Aktivitätssteigerung im Frontalkortex könnte hingegen mit exekutiven Funktionen in Verbindung gebracht werden. Eine aufgabenabhängige Vorbereitungsaktivität in Bereichen der auditorischen „Was“- und „Wo“-Pfade wurde demnach nicht gefunden. Höchstwahrscheinlich war dies der blockweisen Aufgabendarbietung geschuldet, die vermutlich zu einer Abschwächung der aufgabenspezifischen antizipatorischen Aktivitäten führte. Um dieser Vermutung nachzugehen, wurde in der zweiten Studie ein pseudorandomisiertes Design verwendet. Der Vergleich von LAT und FREQ auf der Sensorebene zeigte diesmal in der Vorbereitungsphase einen signifikanten Unterschied, der in einer erhöhte GBA für LAT über rechts präfrontalen Regionen bestand. Dieser Effekt könnte mit einem räumlichen Aufmerksamkeitsprozess in Verbindung stehen, der bereits im Vorfeld einer auditorisch-räumlichen Aufgabenbearbeitung zu beobachten ist. In der Behaltensphase wurde ebenfalls eine erhöhte GBA für LAT über präfrontalen Bereichen beobachtet, die diesmal allerdings von einer erhöhten GBA über posterior-parietalen Regionen begleitet war. Vermutlich wurde zusätzlich zum präfrontalen Aufmerksamkeitsnetzwerk der dorsale „Wo“-Pfad in posterior-parietalen Regionen aktiviert, der zur Aufrechterhaltung der räumlich-auditorischen Gedächtnisrepräsentation gedient haben könnte. Diese Befunde ließen sich auch auf der Quellenebene in den entsprechenden Regionen beobachten. Allerdings zeigte sich weder auf der Sensor- noch auf der Quellenebene eine signifikant erhöhte GBA bei FREQ. Weshalb für FREQ kein signifikanter Unterschied gefunden werden konnte, lässt sich nicht eindeutig sagen. Eventuell könnte FREQ im Vergleich zu LAT eine niedrigere Salienz bzw. eine zu geringe Aufgabenanforderung dargestellt haben, die eine geringere neuronale Aktivierung nach sich zog. Als Fazit lässt sich festhalten, dass mittels der pseudorandomisierten Studie das Vorliegen antizipatorischer Aktivitäten während auditorischen Kurzzeitgedächtnisaufgaben nachgewiesen werden konnte. Die Zuordnung gemäß der auditorischen „Was“- und „Wo“-Pfade konnte jedoch nur partiell für den „Wo“-Pfad erbracht werden. Das pseudorandomisierte Design scheint einen vielversprechenden Ansatz zur Untersuchung antizipatorischer Aktivitäten darzustellen

Evoked Patterns of Oscillatory Activity in Mean-Field Neuronal Networks

Oscillatory behaviors in populations of neurons are oberved in diverse contexts. In tasks involving working memory, a form of short-term memory, oscillations in different frequency bands have been shown to increase across varying spatial scales using recording methods such as EEG (electroencephalogram) and MEG (magnetoencephalogram). Such oscillatory activity has also been observed in the context of neural binding, where different features of objects that are perceived or recalled are associated with one another. These sets of data suggest that oscillatory dynamics may also play a key role in the maintenance and manipulation of items in working memory. Using similar recording techniques, including EEG and MEG, oscillatory neuronal activity has also been seen to occur when certain images that cause aversion and headaches in healthy human subjects or seizures in those with pattern-sensitive epilepsy are presented. The images most likely to cause such responses are those with dominant spatial frequencies near 3--5 cycles per degree, the same band of wavenumbers to which normal human vision exhibits the greatest contrast sensitivity. We model these oscillatory behaviors using mean-field, Wilson-Cowan-type neuronal networks. In the case of working memory and binding, we find that including the activity of certain long-lasting excitatory synapses in addition to the usual inhibitory and shorter-term excitatory synaptic activity allows for bistability between a low steady state and a high oscillatory state. By coupling several such populations together, both in-phase and out-of-phase oscillations arise, corresponding to distinct and bound items in working memory, respectively. We analyze the network's dynamics and dependence on biophysically relevant parameters using a combination of techniques, including numerical bifurcation analysis and weak coupling theory. In the case of spatially resonant responses to static simtuli, we employ Wilson-Cowan networks extended in one and two spatial dimensions. By placing the networks near Turing-Hopf bifurcations, we find they exhibit spatial resonances that compare well with empirical results. Using simulations, numerical bifurcation analysis, and perturbation theory, we characterize the observed dynamics and gain mathematical insight into the mechanisms that lead to these dynamics

Linguistic Representation and Processing of Copredication

This thesis addresses the lexical and psycholinguistic properties of copredication. In particular, it explores its acceptability, frequency, crosslinguistic and electrophysiological features. It proposes a general parsing bias to account for novel acceptability data, through which Complex-Simple predicate orderings are degraded across distinct nominal types relative to the reverse order. This bias, Incremental Semantic Complexity, states that the parser seeks to process linguistic representations in incremental stages of semantic complexity. English and Italian acceptability data are presented which demonstrate that predicate order preferences are based not on sense dominance but rather sense complexity. Initial evidence is presented indicating that pragmatic factors centred on coherence relations can impact copredication acceptability when such copredications host complex (but not simple) predicates. The real-time processing and electrophysiological properties of copredication are also presented, which serve to replicate and ground the acceptability dynamics presented in the thesis