Systems-level neural mechanisms of conscious perception in health and schizophrenia

The interplay between senses and actions is one of the most crucial processes that takes place in the brain. The successful course from perception of a stimulus to a meaningful action requires coherent communication between different cortical areas. In humans, these events can be measured non- invasively outside the skull, for example by recording electric or magnetic fields that are produced by neuronal population activity on the cortex, with electroencephalography and magnetoencephalography (EEG and MEG). By combining MEG and EEG with simultaneous behavioural experiments, it is possible to extract neuronal activities that are correlated with perception and action. In this thesis, MEG recordings combined with advanced data-analysis techniques were used to study the role of cortical oscillations –brain rhythms – in coordinating conscious perception and action as well as their deficits in chronic schizophrenia. In Study I and Study II, I investigated what the local and large-scale neuronal correlates of conscious somatosensory perception are, respectively. Healthy subjects were stimulated at their index fingers with somatosensory stimuli, adjusted individually at the threshold of detection, so that around half of the time the stimulus was detected. Concurrent MEG recordings and subsequent source-modelling revealed in Study I that perceived trials were correlated with strengthened evoked responses (ERs), phase-locking to stimulus onset (SL), and induced oscillation amplitude modulations. The most robust and widespread of these was SL that was sustained in the low-alpha (6-10 Hz) band. The strength of SL and to a lesser extent that of ER predicted conscious perception in the somatosensory, lateral and medial frontal, posterior parietal, and in the cingulate cortex. In Study II, I investigated the role of large-scale synchronization in the conscious somatosensory perception. Perceiving and reporting of weak somatosensory stimuli were correlated with sustained strengthening of large-scale synchrony, concurrently in delta/theta- (3-7 Hz) and gamma- (40-60 Hz) frequency bands. In a data-driven network localization, I found this synchronization to dynamically connect the task-relevant, i.e. the frontoparietal, sensory and motor systems. The strength and temporal pattern of interareal synchronization were also correlated with the response times. These data showed that a rapid phase-reorganization and concurrent oscillation amplitude modulations in the specific areas play a key role in the emergence of a conscious decision-making, and subsequent actions. Furthermore, this study showed that perception is dependent on transient large-scale phase synchronization in the delta/theta and gamma bands. In the third study, I investigated whether aberrant large-scale synchronization or dysconnectivity could underlie perceptual deficits in patients suffering from schizophrenia. To this end, I analysed MEG data from chronic schizophrenia patients and healthy control subjects recorded during a visual perception closure task. In schizophrenia patients, a reduction in gamma-band (30–120 Hz) oscillation amplitudes, accompanied by a pronounced deficit in large-scale synchronization at gamma-band frequencies characterized visual processing compared to healthy control subjects. Synchronization was reduced within visual regions, as well as between the visual and frontal cortex. Additionally, the reduction of synchronization correlated positively with clinical disorganization scores. Accordingly, these data imply that schizophrenia is associated with a profound disruption of transient synchronization. This observation provides critical support for the notion that the core aspect in the pathophysiology of schizophrenia arises from an impairment in coordination of distributed neural activity.Aistien ja liikkeiden välinen vuorovaikutus on yksi aivojen tärkeimmistä toiminnoista. Mielekkäiden liikkeiden tuottaminen vasteena ärsykkeen tietoiselle havainnolle vaatii useiden aivokuoren alueiden välistä toimivaa yhteydenpitoa. Ihmisillä näitä hermostollisia tapahtumia voidaan mitata turvallisesti kallon ulkopuolelta esimerkiksi tallentamalla hermosolujoukkojen tuottamaa sähkö- tai magneettikenttää aivosähkö- ja aivomagneettikäyrinä (EEG ja MEG). Kun aivotoimintaa mitataan EEG:llä tai MEG:llä samaan aikaan kun koehenkilö suorittaa kokeellista tehtävää, on mahdollista eristää ne hermostolliset ilmiöt, jotka liittyvät kiinteästi yhteen tietoiseen havaintoon ja liikkumiseen. Tässä väitöskirjatyössä MEG-mittaukset on yhdistetty edistyneisiin data-analyysimenetelmiin, jotka mahdollistavat aivokuoren hermostollisten oskillaatioiden eli aivorytmien merkityksen selvittämisen tietoisessa aistihavainnossa, sitä seuraavien liikkeiden synnyssä sekä skitsofrenian aiheuttamissa puutteissa. Väitöskirjaani liittyvissä tutkimuksissa I ja II selvitin mitkä aivokuoren paikalliset ja pitkän matkan hermostolliset ilmiöt liittyvät tietoiseen tuntoärsykehavainnointiin. Näihin tutkimuksiin liittyvissä kokeissa terveille koehenkilöille annettiin etusormenpäihin niin heikkoja ärsykkeitä, että toisinaan he havaitsivat ne ja toisinaan eivät, vaikka ärsykkeen vahvuus oli aina sama. Kokeen kanssa yhtäaikaisesti mitattu MEG ja sitä seuraava lähdemallinnus osoittivat, että ärsykkeiden havainnointi oli yhteydessä samanaikaisesti vahvistuneeseen herätevasteeseen ja vaihelukitukseen kuin myös värähtelylaajuudenmuutoksiin. Kaikkein selkein näistä reaktioista oli oskillaatioiden vaihelukittuminen alfa-taajuuskaistassa (6-10 Hz). Vaihelukituksen vahvuus ja vähemmissä määrin myös herätevasteiden suuruus aivokuoren tuntoaisti-, etulohkon lateraali- ja mediaalipinnoilla sekä päälaenlohkon takaosissa että aivovyössä olivat selvästi yhteydessä ärsykkeen tietoisen havaitsemisen kanssa. Lisäksi ärsykkeen havaitseminen ja sen kertominen käden liikkeellä oli olennaisesti yhteydessä pitkän matkan synkronian pysymisessä delta/teeta- (3-7 Hz) ja gamma- (40-60 Hz) taajuuskaistoilla. Datapohjaisen verkostoanalyysin avulla sain selville, että tämä synkronia yhdisti dynaamisesti tehtävissä olennaiset verkostot aivojen etuotsalohkoilla, päälaella ja aisti- sekä liikeaivoalueilla. Lisäksi tämän eri aivokuoren alueiden välisen synkronian vahvuus ja ajallinen muoto korreloivat koehenkilöiden vastausaikojen kanssa. Nämä tulokset näyttivät toteen sen, että nopea oskillaatiovaiheiden uudelleenjärjestäytyminen ja samanaikaiset amplitudien muutokset tietyillä aivoalueilla ovat merkittävässä roolissa tietoisen päätöksenteon ja sitä seuraavien liikkeiden synnyssä. Näiden ohella tuloksista kävi ilmi, että tietoinen aistihavainto on riippuvainen pitkän matkan synkroniasta delta/teeta- ja gamma-taajuuskaistoissa. Tämän väitöskirjan kolmannessa tutkimuksessa tutkin, voisivatko puutteet aivokuoren pitkän matkan synkroniassa olla taustalla skitsofreniasta kärsivien potilaiden vaikeuksissa havaita epäyhtenäisten näköärsykekuvioiden kokonaisia rakenteita. Tätä varten analysoin sekä terveiden koehenkilöiden että skitsofreniasta kärsivien potilaiden MEG-dataa, joka on mitattu epäyhtenäisistä kasvoista koostuvan kuva-arvoitus tehtävän ratkaisemisen yhteydessä. Tiedetään, että skitsofreniasta kärsivien on hankala erottaa kasvoja vaillinaisista piirteistä. Aivokuoren pitkän matkan oskillaatiosynkronia oli potilailla oleellisesti heikompi kuin terveillä koehenkilöillä eritoten gamma-taajuuskaistassa näköaivokuorella sekä etuotsalohkon että päälaen tarkkaavaisuudesta vastaavilla alueilla. Kaiken lisäksi synkronia oli sitä heikompi mitä vakavammasta sairaudenkuvasta oli kyse. Näin ollen nämä väitöskirjani tulokset osoittavat, että suuret puutteet aivokuoren eri alueiden yhteydenpidossa luonnehtivat skitsofreniaa hermostollisena oskillopaattisena sairautena.Samspelet mellan sinnen och rörelser är en av de mest centrala processerna som sker i hjärnan. Förloppet från varseblivning av en retning till en meningsfull rörelse kräver en sammanhängande förbindelse mellan olika områden i hjärnbarken. Hos människan kan dessa processer uppmätas icke-invasivt utanför skallen, till exempel genom att registrera förändringarna i det magnetfält som alstras av jonrörelser inuti nervcellerna i hjärnbarken. Genom att kombinera hjärnavbildning i form av MEG och EEG med beteendeexperiment som utförs samtidigt, kan man urskilja olika egenskaper hos hjärnvågornas oscillationer, såsom frekvens, amplitud och fas, samt deras grad av synkronisering med olika områden i hjärnbarken. Dessa neurala korrelat som ligger till grund för företeelser som medveten varseblivning och initiering av påföljande rörelser, har oftast olika värden för friska människor jämfört med patienter som lider av en psykisk sjukdom, som till exempel schizofreni. Detaljer rörande dessa korrelat är emellertid dåligt kända och för närvarande föremål för intensiv forskning. För denna avhandling studerades de processer i hjärnbarken som ligger bakom medveten varseblivning och de påföljande rörelserna, i två skilda experiment. I den första delen stimulerades friska försökspersoners pekfingertoppar med somatosensoriska retningar, vilka justerades individuellt vid detektionsgränsen. Detta innebar att försökspersonerna varseblev retningen omkring hälften av tiden. MEG-uppmätningarna och efterföljande källmodellering avslöjade att varseblivning av en retning var förknippad med förstärkta oscillationsmoduleringar. Den kraftigaste och mest utbredda av dessa var faslåsningen till startpunkten för en retning (SL), vilken bibehölls i låg-alfa (6-10 Hz) bandet. Styrkan på SL och i mindre utsträckning också den i amplitud, förebådade medveten varseblivning i den sensomotoriska hjärnbarken, samt i flera områden som bidrar till uppmärksamhet och förnimmelse. Därtill var medveten varseblivning och rapporteringen av svaga, somatosensoriska retningar korrelerad med en fortsatt förstärkning av storskalig synkronisering, såväl i delta/theta- (3-7 Hz) som gamma- (40-60 Hz) frekvensbanden. Resultaten visar att denna synkronisering dynamiskt kopplade samman det kontralaterala sensorimotoriska området och det ipsilaterala frontoparietala nätverk som styr vår objektsigenkänning och varseblivning. Styrkan, respektive det tidsbestämda mönstret i synkronisationen mellan de olika områdena, korrelerades också med responstiderna. Dessa data visar att en snabb fasomsättning och samtidiga oscillationsamplitudmoduleringar i de specifika områdena spelar en nyckelroll i framväxten av en medveten varseblivning och därpåföljande handlingar. Dessutom finns det en koppling till storskalig, dynamisk fassynkronisering i delta/theta- och gammaoscillationsbanden. I den andra delen av studierna associerade med denna avhandling fick patienter drabbade av schizofreni och friska kontrollpersoner utföra en bildtolkningsuppgift, samtidigt som en hjärnavbildning gjordes med MEG. Hjärnvågorna hos schizofrenipatienterna kännetecknades av en minskning av oscillationsamplitud på gamma-bandet (30-120 Hz). Därtill iakttogs en tydlig brist på storskalig synkronisation vid gammabandfrekvenser. Synkroniseringen var svagare inom områden som berör synen, såväl som mellan visuell och frontal hjärnbark. Dessutom fanns en positiv korrelation mellan denna minskade synkronisering och sjukdomens grad. Följaktligen låter dessa data påskina att schizofreni är förknippat med en djup störning av flyktig synkronisering. Denna observation ger viktigt stöd för uppfattningen att den grundläggande aspekten i patofysiologin rörande schizofreni beror på en försämring av koordinationen av utspridd neural aktivitet

Hermostollisen skaalauslain ja psykofyysisten korrelaattien neuroanatomiset representaatiot jatkuvassa audiovisuaalisessa ärsykekynnyksen tarkkaavaisuustehtävässä ja levossa

Tässä pro gradu -tutkielmassa on tarkasteltu aivosähkö- ja aivomagneettikäyrien amplitudien vaihteluiden vastaavuussuhteita koehenkilön suoriutumiseen audiovisuaalisten ärsykkeiden tarkkaavaisuustehtävissä. Aikaisemmista tutkimuksista tiedetään, että koehenkilön osumatarkkuus ei pysy vakiona koko tehtävän ajan, vaan on monesti jaksottunut valppauden ja herpaantumisen jaksoihin. Lisäksi osumatarkkuus koko kokeen ajalta on alhaisempi kuin lyhyen kalibraatiojakson ajalta mitattuna. Tämän intuitiiviseltä tuntuvan keskittymiskyvyn järkkymisen taustalla on esitetty olevan henkilön introspektiiviset ja mielenvaelteluun liittyvät kognitiiviset toiminnot. Ennen tätä tutkimusta on jäänyt kuitenkin osoittamatta osumatarkkuuden ailahtelun yhteys aivokuoren hermostollisen aktiivisuuden pitkällä ajalla autokorreloiviin muutoksiin lähdemallintamisella. Tämän pro gradun tutkimustulokset osoittavat, että näiden kahden lajin välillä on olemassa merkittävä korrelaatioyhteys. Lisäksi lepovaiheen aivotoiminnasta modaliteettispesifeillä tarkkaavaisuus- ja oletustilan verkoston alueilla voidaan ennustaa psykofyysisen suoriutumisen vaihteluja jatkuvan audiovisuaalisen ärsykekynnyksen tarkkaavaisuustehtävän aikana. Keskittymiskyvyn vaihtelun muutoksia hermostollisella tasolla ja näitä mahdollisesti ilmentäviä käyttäytymisen ailahteluja psykofyysisinä parametreinä, kuten osumatarkkuutena ja reaktionopeutena, voidaan luonnehtia skaalauslakianalyysilla. Ilmiön skaalaton käyttäytyminen heijastelee monimutkaisen järjestelmän taipumusta luoda sisäisiä vastaavuussuhteita eli autokorrelaatioita, jotka heikkenevät hitaammin ja ulottuvat kauemmaksi ajassa ja/tai paikassa kuin mitä alla piilevistä mekanismeista voidaan suoraan ennustaa. On havaittu, että osumatarkkuuden jaksottuminen ja spontaani aivotoiminta noudattavat potenssilain skaalauskäyttäytymistä ajan suhteen. Psykofyysisen ja hermostollisen skaalauslain mukaisen käyttäytymisen kvantifioimiseksi tässä opinnäytetyössä on käytetty vaihtelun ikkunallista autokorrelaatioanalyysiä, DFA:ta. DFA paljastaa ilmiön sisällä olevien peräkkäisten tapahtumien autokorrelaatioiden kestävyyden tarkasteluvälin kasvaessa. Skaalausluvut eli DFA-eksponentit on johdettu tässä kokeessa jatkuvan audiovisuaalisen ärsykekynnyksen tarkkaavaisuustehtävän ja levon aikana rekisteröidyistä aivosähkö- ja aivomagneettikäyräsignaalien verhokäyrästä sekä psykofyysisen osuma/huti -binäärisekvenssistä rakennetusta keinotekoisesta satunnaiskulun kaltaisesta käyrästä. Jatkuvat ärsykekynnystehtävät soveltuvat hyvin tarkkaavaisuuden top-down mekanismien tutkimiseen, koska heikoista, vain juuri ja juuri havaintokyvyn säteellä olevista ärsykkeistä seuraa verraten heikko bottom-up hermostovaste. Näin keskittymiskykyyn vaikuttavat top-down säätelymekanismit kuten motivaatio, päämäärät tai mielenvaeltelu eli spontaanilta vaikuttava aivotoiminta edustuu selkeämmin aivosähkö- ja -magneettikäyrissä. Aivokuoren kokonaisvaltaisen skaalautumisen lisäksi ollaan kiinnostuneita psykofyysisten ja hermostollisten vastaavuussuhteiden jakaumamallista tietyille aivoalueille. Mitattujen hermostollisten signaalien paikantaminen tarkalleen tietyille aivokuoren alueille aiheuttaa käänteisen ongelman, joka on ratkaistu tässä MNE -lähdemallintamisella. Lähdemallintamisen algoritmit tuottavat todennäköisimmän mallin aivokuoren alueista, joiden aktiivisuudella voidaan selittää mitatut MEEG signaalit. Mallintaminen on työn kriittinen vaihe, koska sillä yhdistetään neuroanatominen tieto fysiologisen ja psykofyysisen tiedon kanssa. Yksilötason data on käsitelty lopuksi ryhmätasolla tilastollisin menetelmin korrelaatiotulosten merkittävyyksien arvioimiseksi

Logics with probabilistic team semantics and the Boolean negation

We study the expressivity and the complexity of various logics in probabilistic team semantics with the Boolean negation. In particular, we study the extension of probabilistic independence logic with the Boolean negation, and a recently introduced logic FOPT. We give a comprehensive picture of the relative expressivity of these logics together with the most studied logics in probabilistic team semantics setting, as well as relating their expressivity to a numerical variant of second-order logic. In addition, we introduce novel entropy atoms and show that the extension of first-order logic by entropy atoms subsumes probabilistic independence logic. Finally, we obtain some results on the complexity of model checking, validity, and satisfiability of our logics

Dynamic large-scale network synchronization from perception to action

Sensory-guided actions entail the processing of sensory information, generation of perceptual decisions, and the generation of appropriate actions. Neuronal activity underlying these processes is distributed into sensory, fronto-parietal, and motor brain areas, respectively. How the neuronal processing is coordinated across these brain areas to support functions from perception to action remains unknown. We investigated whether phase synchronization in large-scale networks coordinate these processes. We recorded human cortical activity with magnetoencephalography (MEG) during a task in which weak somatosensory stimuli remained unperceived or were perceived. We then assessed dynamic evolution of phase synchronization in large-scale networks from source-reconstructed MEG data by using advanced analysis approaches combined with graph theory. Here we show that perceiving and reporting of weak somatosensory stimuli is correlated with sustained strengthening of large-scale synchrony concurrently in delta/theta (3-7 Hz) and gamma (40-60 Hz) frequency bands. In a data-driven network localization, we found this synchronization to dynamically connect the task-relevant, that is, the fronto-parietal, sensory, and motor systems. The strength and temporal pattern of interareal synchronization were also correlated with the response times. These data thus show that key brain areas underlying perception, decision-making, and actions are transiently connected by large-scale dynamic phase synchronization in the delta/theta and gamma bands.Peer reviewe

Long-range phase synchronization of high-gamma activity in human cortex

AbstractInter-areal synchronization of neuronal oscillations below 100 Hz is ubiquitous in cortical circuitry and thought to regulate neuronal communication. In contrast, faster activities are generally considered to be exclusively local-circuit phenomena. We show with human intracerebral recordings that 100–300 Hz high-gamma activity (HGA) may be synchronized between widely distributed regions. HGA synchronization was not attributable to artefacts or to epileptic pathophysiology. Instead, HGA synchronization exhibited a reliable cortical connectivity and community structures, and a laminar profile opposite to that of lower frequencies. Importantly, HGA synchronization among functional brain systems during non-REM sleep was distinct from that in resting state. Moreover, HGA synchronization was transiently enhanced for correctly inhibited responses in a Go/NoGo task. These findings show that HGA synchronization constitutes a new, functionally significant form of neuronal spike-timing relationships in brain activity. We suggest that HGA synchronization reflects the temporal microstructure of spiking-based neuronal communication per se in cortical circuits

Cortical localization of phase and amplitude dynamics predicting access to somatosensory awareness

Neural dynamics leading to conscious sensory perception have remained enigmatic in despite of large interest. Human functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have revealed that a co‐activation of sensory and frontoparietal areas is crucial for conscious sensory perception in the several second time‐scale of BOLD signal fluctuations. Electrophysiological recordings with magneto‐ and electroencephalography (MEG and EEG) and intracranial EEG (iEEG) have shown that event related responses (ERs), phase‐locking of neuronal activity, and oscillation amplitude modulations in sub‐second timescales are greater for consciously perceived than for unperceived stimuli. The cortical sources of ER and oscillation dynamics predicting the conscious perception have, however, remained unclear because these prior studies have utilized MEG/EEG sensor‐level analyses or iEEG with limited neuroanatomical coverage. We used a somatosensory detection task, magnetoencephalography (MEG), and cortically constrained source reconstruction to identify the cortical areas where ERs, local poststimulus amplitudes and phase‐locking of neuronal activity are predictive of the conscious access of somatosensory information. We show here that strengthened ERs, phase‐locking to stimulus onset (SL), and induced oscillations amplitude modulations all predicted conscious somatosensory perception, but the most robust and widespread of these was SL that was sustained in low‐alpha (6–10 Hz) band. The strength of SL and to a lesser extent that of ER predicted conscious perception in the somatosensory, lateral and medial frontal, posterior parietal, and in the cingulate cortex. These data suggest that a rapid phase‐reorganization and concurrent oscillation amplitude modulations in these areas play an instrumental role in the emergence of a conscious percept

Whole-Brain Source-Reconstructed MEG-Data Reveal Reduced Long-Range Synchronization in Chronic Schizophrenia.

Peer reviewe

Phase and amplitude correlations in resting-state activity in human stereotactical EEG recordings

Inter-areal interactions of neuronal oscillations may be a key mechanism in the coordination of anatomically distributed neuronal processing. In humans, invasive stereo-electroencephalography (SEEG) is emerging as a reference method for electrophysiological recordings because of its excellent spatial and temporal resolution. It could thus be also considered an optimal method for mapping neuronal inter-areal interactions. However, the common bipolar (BP) referencing of SEEG data may both confuse signals from distinct sources and suppress true neuronal interactions whereas the alternative monopolar (MP) reference yields data contaminated by volume conduction. We advance here a novel referencing scheme for SEEG data where electrodes in grey matter are referenced to closest white-matter (CW) electrodes. Using a 22 subject cohort and these three referencing schemes, we observed that both inter-areal phase and amplitude correlations decayed as function of distance and frequency but remained significant and stable across distances up to 10. cm. Furthermore, we found that deep and superficial cortical laminae exhibit distinct spectral profiles of oscillation power as well as distinct patterns of inter-areal phase and amplitude interactions. These effects were qualitatively similar in MP and CW but distorted with BP referencing. Importantly CW was not influenced by the apparent large-scale volume conduction inherent to MP. We thus demonstrate here that with CW referencing, the superior anatomical accuracy of SEEG can be leveraged to yield accurate quantification and qualitatively novel insight into phase and amplitude interactions in human brain activity

Neuronal long-range temporal correlations and avalanche dynamics are correlated with behavioral scaling laws

Scale-free fluctuations are ubiquitous in behavioral performance and neuronal activity. In time scales from seconds to hundreds of seconds, psychophysical dynamics and the amplitude fluctuations of neuronal oscillations are governed by power-law-form long-range temporal correlations (LRTCs). In millisecond time scales, neuronal activity comprises cascade-like neuronal avalanches that exhibit power-law size and lifetime distributions. However, it remains unknown whether these neuronal scaling laws are correlated with those characterizing behavioral performance or whether neuronal LRTCs and avalanches are related. Here, we show that the neuronal scaling laws are strongly correlated both with each other and with behavioral scaling laws. We used source reconstructed magneto- and electroencephalographic recordings to characterize the dynamics of ongoing cortical activity. We found robust power-law scaling in neuronal LRTCs and avalanches in resting-state data and during the performance of audiovisual threshold stimulus detection tasks. The LRTC scaling exponents of the behavioral performance fluctuations were correlated with those of concurrent neuronal avalanches and LRTCs in anatomically identified brain systems. The behavioral exponents also were correlated with neuronal scaling laws derived from a resting-state condition and with a similar anatomical topography. Finally, despite the difference in time scales, the scaling exponents of neuronal LRTCs and avalanches were strongly correlated during both rest and task performance. Thus, long and short time-scale neuronal dynamics are related and functionally significant at the behavioral level. These data suggest that the temporal structures of human cognitive fluctuations and behavioral variability stem from the scaling laws of individual and intrinsic brain dynamics