How Brain Rhythms Guide Memory and Decisions

Abstract

In our daily lives we are faced with thousands of decisions: from complex ‘should I cross while it’s on a red light?’, to abstract ‘do I spell color with o or ou?’, to sensory dominated questions like ‘did my phone just vibrate?’. To navigate all of these different types of decisions, the brain has to incorporate a plethora of information from sensory and memory systems, requiring many neuronal populations from distinct cortical areas to work together. Neuroscientists posit that cortical oscillations play an important part in this process. I investigated the role of such cortical rhythms for the short retention of information in working memory and decision making with three experimental studies. In all experiments, participants were asked to compare two sequentially presented stimuli. To solve this task, the first stimulus has to be kept in memory for a short while and is then compared to the second. While participants held the first stimulus in memory, magnetoand electroencephalographic recordings revealed a parametric modulation of parietal and prefrontal beta oscillations with the to-be-remembered stimulus feature. At the same time, we observed a previously unknown prefrontal gamma power decrease that was negatively correlated with the beta band effects. Therefore we suspect that there is a fronto-parietal network that communicates in these two frequency bands during working memory. In addition, we found decision-related activity in premotor beta power that encoded participants’ choices 0.7 seconds before they enacted their responses. Moreover, we also found a well-known parietal signal, which tracked the evolution of the decision over time. Interestingly, this signal was modulated by the difficulty of the decisions, indicating that present theories about perceptual decision making need to be extended.

Der Mensch trifft täglich tausende Entscheidungen, von komplexen (”Gehe ich über die rote Ampel?“), über abstrakte (”Buchstabiere ich Foto mit F oder Ph?“), zu sensorisch geprägten (”Hat mein Telefon gerade vibriert?“). Das Gehirn muss dabei flexibel auf eine Vielzahl von sensorischen Reizen und Entscheidungstypen reagieren. Um dies zu ermöglichen, arbeiten viele Neurone in ganz unterschiedlichen kortikalen Arealen zusammen. Neurowissenschaftlervermuten, dass kortikale Oszillationen dabei eine zentrale Rolle spielen.Sie reflektieren das Zusammenwirken vieler Neurone und werden zur Kommunikationneuronaler Populationen genutzt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle einzelnerRhythmen für das kurzfristige Speichern von Informationen im Arbeitsgedächtnis, sowie das Treffen von Entscheidungen untersucht. Dieser Dissertation liegen drei Studien zugrunde, im Rahmen derer Versuchspersonen zwei nacheinander dargebotene Stimuli vergleichen sollten. Um diese Aufgabe zu bewältigen, muss der erste Stimulus kurz im Ged¨achtnis behalten werden. Dann kommt es zur eigentlichenEntscheidung, dem Abgleich der beiden Stimuli. Bei diesem Versuch konnten wir mit Hilfe von Magneto- und Elektroenzephalographie Oszillationen messen, die sich mit den Stimuluseigenschaften veränderten. Arbeitsgedächtnisprozesse waren dabei mit Beta-Oszillationen assoziiert. Insbesondere zeigten sich parietale und präfrontale Beta-Oszillationen, die mit Gamma-Oszillationen im präfrontalen Kortex zusammenspielten. Daher vermuten wir, dass ein fronto-parietales Netzwerk für das Behalten von Stimulus-Information von Bedeutung ist und diskutieren im Folgenden zugrundeliegende Mechanismen. Außerdem konnten wir während des Treffens von Entscheidungen prämotorischeBeta-Oszillationen messen, die 0,7 Sekunden vor der Antwort der Versuchsteilnehmer die Entscheidung reflektierten. Darüber hinaus zeigten sich auch bekannte parietale Signale, die den Prozess der Entscheidungsfindung abbildeten. Interessanterweise waren diese Signale vom Schwierigkeitsgrad der Aufgabe abhängig. Dies spricht dafür, dass aktuelleTheorien zu neuronalen Grundlagen der Entscheidungsfindung ergänzt werden müssen.