Switch-independent task representations in frontal and parietal cortex

Abstract

In order to adapt to the surrounding dynamic environment humans must be able to frequently switch between tasks. This switching requires cognitive control. It is effortful and impairs task performance which is reflected in behavioral switch costs. Task switching research has investigated the contributions of top-down and bottom-up processes on switch costs and there is an ongoing debate about the composition of the behavioral performance decrease present in switch trials. fMRI studies that investigated the underlying neural processes of task switching have mostly focused on regional activation differences. Frontal and parietal regions show increased activity for task switches and task repetitions, but investigation of activation differences yielded heterogeneous results. Recent multivoxel pattern analysis enables the investigation of neural task representations which are located in frontal and parietal brain regions. The question arises how these task representations might be subject to task switching processes: they might be strengthened by increased control demands during switching or be degraded by interference of the previous task set. Alternatively, task representations might not be affected by task switching processes and task representation might generalize across switched-to and repeated tasks. The present study cued participants to perform one of two tasks (with equally frequent task repetitions and switches). It compares the accuracy with which a linear classifier is able to decode the currently performed task from patterns of participants’ brain activity. This reflects the strength of a task representation. As expected, tasks were represented in frontal and parietal cortex. However, there was no difference of decoding accuracy between switch and repeat trials. Moreover, tasks are represented in a switching independent spatial pattern in these regions. There was no evidence for the decodable strength of task representations to account for the performance cost associated with task switching.

Um sich an die umgebene dynamische Umwelt anzupassen müssen Menschen in der Lage sein häufig zwischen Aufgaben zu wechseln. Diese Wechsel erfordern kognitive Kontrolle. Sie sind aufwendig und beeinträchtigen die Ausführung der Aufgaben, was sich in behavioralen Wechselkosten wiederspiegelt. Bisherige Forschung zu Aufgabenwechseln hat die Mitwirkung von Top-down und Bottom-up Prozessen an Wechselkosten untersucht und es besteht eine fortwährende Debatte um die Zusammensetzung der behavioralen Leistungsminderung in Wechselaufgaben. fMRT Studien, welche die zugrundeliegenden neuralen Prozesse untersuchten, haben sich überwiegend auf die regionalen Aktivierungsunterschiede konzentriert. Frontale und parieteale Regionen zeigen verglichen mit Aufgabenwiederholungen eine erhöhte Aktivität während Aufgabenwechseln. Die Untersuchungen dieser Aktivitätsunterschiede ergeben jedoch heterogene Ergebnisse. Jüngste Multivoxel-Muster-Analysen ermöglichen die Untersuchung von neuralen Aufgabenrepräsentationen, welche in frontalen und parietalen Hirnregionen lokalisiert sind. Es stellt sich die Frage in welcher Form diese Aufgabenrepräsentationen von Aufgabenwechselprozessen beansprucht werden: sie könnten von durch Aufgabenwechsel erhöhte Kontrollanforderungen verstärkt oder von interferierenden vorangehenden Aufgabensets geschwächt werden. Die vorliegende Studie wies Versuchsteilnehmer an eine von zwei Aufgaben auszuführen (mit insgesamt gleichfrequenten Aufgabenwechseln und Aufgabenwiederholungen). Sie vergleicht dabei die Genauigkeit mit welcher ein linearer Klassifikator in der Lage ist die aktuell ausgeführte Aufgabe auf Grundlage der Hirnaktivität des Teilnehmers zu dekodieren. Dies reflektiert die Stärke der Aufgabenrepräsentation. Wie zu erwarten waren die Aufgaben im frontalen und parietalen Kortex repräsentiert. Allerdings gab es keinen Unterschied der Dekodierungsgenauigkeit zwischen Wechsel- und Wiederholungsaufgaben. Darüber hinaus sind die Aufgaben in diesen Regionen durch ein vom Wechsel unabhängiges räumliches Muster repräsentiert. Es gibt keine Hinweise dafür, dass die dekodierbare Stärke der Aufgabenrepräsentationen zu den Leistungseinbußen beiträgt, welche mit Aufgabenwechsel assoziiert sind.