The psychophysiology of heart-brain-interactions: how active information sampling is modulated across the cardiac cycle

Abstract

Our interaction with the environment relies on the dynamic relationship between body and brain. Experiments on body-brain coupling investigate how interoceptive signals, conveying information about the internal state of the body, contribute to cognition, perception, and behavior. Thereby, physiological visceral oscillations (e.g., the heartbeat) have been found to modulate mental phenomena: for example, visual perception, oculomotor activity, and memory performance vary across the cardiac cycle. Recent findings show facilitated visual processing of higher-level (behaviorally relevant) stimuli during early cardiac phases (i.e., systole), thus motivating the investigation of modulatory cardiac cycle effects on active (i.e., self-initiated) engagement with visual stimuli. For my doctoral project, I studied the cardiac modulation of active information sampling to investigate whether participants implicitly act upon their environment such that relevant information appears during prioritized cardiac phases. The core of this investigation consists of a psychophysiological experiment on the topic of visual memory. During its encoding period, 47 participants clicked through a set of emotional pictures to memorize them for a subsequent recognition task. Critically, by self-paced key press, participants actively triggered the onset of the next picture, which quickly appeared on-screen for 100 ms. Simultaneous electrocardiography was recorded to analyze the timing of the (self-initiated) stimulus onsets relative to the cardiac cycle. Following a 5-minute break, participants completed the recognition task, in which they were presented with 50% old and 50% new pictures and were asked to indicate for each picture whether or not they had seen it before. As main result, I find that self-initiated stimulus onsets varied with alternating cardiac phases, showing a significant increase during cardiac systole. However, there was no evidence that memory performance was influenced by the heartbeat. Based on the present findings, I conclude that active information sampling integrates heart-related signals, and thus extend previous results on the association between body-brain interactions and behavior. The interplay of body and brain, which enables us to optimally adapt to changing environments, ensures homeostasis and well-being of our organism. Further investigations of the underlying mechanisms by which interoceptive and behavioral processes interact are necessary for a comprehensive understanding of our health’s psychophysiological underpinnings.

Unsere Interaktion mit der Umwelt beruht auf dem dynamischen Wechselspiel zwischen Körper und Gehirn. Experimentelle Studien der Körper-Gehirn-Achse erforschen, wie interozeptive Signale, welche Informationen über innere Körperzustände vermitteln, zu Kognition, Wahrnehmung und Verhalten beitragen. Dabei ergab sich, dass physiologische Fluktuationen des Organismus (z.B. der Herzschlag) mentale Prozesse beeinflussen: beispielsweise unterscheiden sich visuelle Wahrnehmung, Okulomotorik und Gedächtnisleistung während verschiedener Phasen des Herzzyklus. Jüngste Ergebnisse zeigen eine erleichterte visuelle Verarbeitung von komplexen (verhaltensrelevanten) Reizen während früher Herzphasen (Systole) und motivieren die Untersuchung von Effekten des Herzzyklus auf aktive (d.h. selbst initiierte) Interaktion mit visuellen Reizen. Über die Zeit meiner Doktorarbeit untersuchte ich die Rolle des Herzschlags für aktives Information Sampling (d.h. selbst initiiertes Bereitstellen eines visuellen Reizes), mit der Frage, ob Probanden implizit derart mit ihrer Umwelt interagieren, dass relevante Informationen zu bevorzugten Herzphasen abgefragt werden. Den Kern dieser Arbeit bildete ein psychophysiologisches Experiment zur Untersuchung des visuellen Gedächtnisses. Hierbei klickten 47 Probanden während der Einprägungsphase durch eine Sammlung emotionaler Bilder, um sich diese für einen anschließenden Wiedererkennungstest einzuprägen. Dabei lösten sie aktiv durch Tastendruck die Präsentation des nächsten Bildes aus, welches unmittelbar darauf für 100 ms auf dem Bildschirm erschien. Die gleichzeitige Messung von Elektrokardiogrammen ermöglichte die zeitliche Analyse der (selbst initiierten) Bildpräsentationen relativ zum Herzzyklus. Nach einer 5-minütigen Pause erfolgte der Wiedererkennungstest, bei welchem 50% alte und 50% neue Bilder präsentiert wurden, und die Probanden für jedes Bild angeben sollten, ob sie es bereits gesehen hatten oder nicht. Als Hauptergebnis konnte gezeigt werden, dass selbst initiierte Bildpräsentationen mit dem Herzzyklus variieren, wobei ein signifikanter Anstieg in der kardialen Systole erkennbar war. Es wurden keine Hinweise darauf gefunden, dass die Gedächtnisleistung durch den Herzschlag beeinflusst wird. Auf Grundlage der vorliegenden Ergebnisse schlussfolgere ich, dass aktives Information Sampling vom Herz ausgehende Signale integriert und erweitere dadurch bisherige Befunde über die Verbindung von Körper-Gehirn-Interaktionen und Verhalten. Das Zusammenspiel von Körper und Gehirn, welches eine optimale Anpassung an sich ändernde Umgebungen ermöglicht, sichert die Homöostase und das Wohlbefinden unseres Organismus. Weitere Erforschung der zugrundeliegenden Mechanismen, durch welche interozeptive und Verhaltensprozesse miteinander interagieren, sind notwendig für ein umfangreiches Verständnis der psychophysiologischen Grundlagen menschlicher Gesundheit.