A spatiotemporal characterization of the relationship between ongoing and evoked activity in the human brain

Abstract

The combined use of electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) aims at non-invasively acquiring spatially and temporally highly resolved neuronal signatures in the human brain. In this respect, one promising field of EEG-fMRI research concerns the issue whether ongoing activity as reflected by spontaneously fluctuating EEG rhythms such as alpha or mu rhythm may affect evoked responses, or, in other words, whether it influences processing of sensory input. In addition to animal studies, recent EEG and fMRI studies in humans have increasingly challenged the notion of spontaneous, ongoing activity as just being noise by showing that ongoing EEG activity covaries with evoked activity in EEG and with fMRI background activity during rest. Furthermore this background (or ongoing) fMRI activity has been demonstrated to delineate functionally connected systems and to be linearly superimposed on the evoked fMRI response. Further, both EEG and fMRI ongoing activity has been demonstrated to be related to behavior. Ongoing - or intrinsic - activity is thought to reflect top-down processes such as attention, vigilance, motivation or preparedness, which explains why it covaries with evoked responses and behaviour. Concerning EEG, several concepts about the interaction of ongoing and evoked activity exist, ranging from strict independence (i.e. no interaction) to indirect modulations to strong and even causative relationships as realized for example by a phase reset of ongoing rhythms generating evoked potentials (EPs). In the present thesis, I will demonstrate how ongoing EEG activity interacts with evoked activity in EEG and fMRI. To this end, methodological issues such as the artifacts arising from the combination of these two imaging techniques, namely the ballistocardiogram (BCG) and the MR image acquisition artifact (IAA), will be approached. I will demonstrate the necessary steps for developing a robust EEG-fMRI setup capable of performing online monitoring of ongoing EEG activity and selective triggering of stimulation in the MR environment. Also, I will delineate how integrating different methodological approaches contributes to the resolution of a single question: How do ongoing EEG rhythms and evoked responses relate to each other in terms of their spatio-temporal properties? The methodological approaches comprise 1) empirical EEG studies that investigate how ongoing alpha and mu rhythms relate to EPs, 2) theoretical modelling and comparison of model predictions to real data and 3) multimodal imaging using EEG-fMRI. Evidence was obtained for an interaction between ongoing and evoked activity with regard to variation of prestimulus alpha- and mu-activity in EEG. A phase reset of ongoing EEG activity as a possible mechanism was discarded, demanding for other mechanisms of interaction which are discussed. Furthermore, results from the EEG-fMRI study supported the theory of a neuronal origin of fMRI stimulus response variability. Summarizing, this thesis demonstrates the diverse mechanisms of how large- scale ongoing neuronal activity explains stimulus-response variability in both EEG and fMRI, supporting the concept of a functional role of ongoing activity in the human brain.

Die kombinierte Anwendung von Elektroenzephalographie (EEG) und funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) zielt auf eine nicht-invasive Erhebung räumlich und zeitlich hochaufgelöster neuronaler Signaturen innerhalb des meschlichen Gehirns ab. Unter diesem Aspekt ist ein vielversprechendes Forschungsfeld mit Hilfe von EEG-fMRT die Frage, ob spontane Aktivität - wie sie durch spontan fluktuierende Rhythmen wie zum Beispiel den Alpha- oder Mu- Rhythmus im EEG reflektiert wird - evozierte Antworten prägt, oder in anderen Worten ausgedrückt, die Stimulusverarbeitung beeinflusst. In Ergänzung zu Tierdaten haben neuere EEG und fMRT-Studien zunehmend die Interpretation von spontaner Aktivität als Rauschen in Frage gestellt, in dem sie zeigten, dass spontane EEG-Aktivität mit evozierter Aktivität im EEG und mit fMRT- Hintergrundaktivität kovariiert. Weiterhin wurde gezeigt, dass diese Hintergrund- oder spontane fMRT-Aktivität funktionell verbundene Systeme abbilden kann und dass sie sich linear auf die evozierte fMRT-Antwort aufaddiert. Dazu wurde auch gezeigt, dass sowohl EEG- als auch fMRT- Hintergrund-Aktivität mit Verhalten korreliert ist. Es wird angenommen, dass spontane - oder intrinsische - Aktivität Top-Down-Prozesse wie Aufmerksamkeit, Vigilanz, Motivation oder Bereitschaft reflektiert, was erklärt, warum sie mit evozierten Antworten und Verhalten kovariiert. Was das EEG angeht, existieren verschiedene Konzepte bezüglich der Interaktion von spontaner und evozierter Antwort, die von strikter Unabhängigkeit (d.h. keine Interaktion) über indirekte Modulationen bis hin zu starken und sogar kausalen Zusammenhängen reichen, wie sie zum Beispiel durch ein Phasen-Reset spontaner Rhythmen realisiert werden könnten, welches in der Lage ist, evozierte Potentiale (EPs) erzeugen. In der vorliegenden Arbeit werde ich demonstrieren, wie spontane EEG-Aktivität mit evozierter Aktivität im EEG und im fMRT-Signal interagiert. Dafür werden methodologische Fragestellungen wie das Problem von Artefakten, welche durch die Kombination der beiden Bildgebungstechniken entstehen - das Ballistokardiogramm und das MR-Bildaquisitionsartefakt - bearbeitet. Ich werde ich notwendigen Schritte aufzeigen, um ein funktionierendes EEG-fMRT-Setup aufzubauen, welches fähig ist, ein Monitoring von spontaner EEG-Aktivität zu gewährleisten und ein selektives Auslösen von Stimuli innerhalb der MR- Umgebung. Ich werde auch aufzeigen, wie das Integrieren verschiedener methodologischer Ansätze zum Lösen einer einzelnen Frage führt: Wie verhalten sich spontane Rhythmen und evozierte Antworten zueinander in Bezug auf ihre spatiotemporalen Eigenschaften? Die methodologischen Ansätze umfassen 1) empirische EEG-Studien, die untersuchen, wie sich spontane Alpha- und Mu- Rhythmen zu EPs verhalten, 2) theoretische Modelle und der Vergleich der Vorhersagen der Modelle in Bezug auf echte Daten und 3) multimodale Bildgebung d.h. EEG-fMRT. Wir fanden Evidenz für eine Interaktion zwischen spontaner und evozierter Aktivität als Folge der Variation von Prästimulus-Alpha- und -Mu- Aktivität im EEG. Ein Phasen-Reset des spontanen EEGs als möglicher Mechanismus wurde verworfen, was andere Mechanismen der Interaktion als Erklärung erforderlich machte, die dann diskutiert werden. Weiterhin untersützten die Ergebnisse der EEG-fMRT-Studie die Theorie eines neuronalen Ursprungs der Variabilität von fMRT-Stimulusantworten. Zusammengefasst, demonstriert diese Arbeit die diversen Mechanismen, wie spontane neuronale Large-Scale-Aktivität die Variabilität der Stimulusantwort sowohl im EEG wie auch im fMRT-Signal erklärt und damit das Konzept einer funktionellen Bedeutung von spontaner Aktivität im Gehirn des Menschen unterstützt.