Electrophysiological correlates of auditory awareness during distractor-induced deafness

Abstract

Task-relevant and distracting stimuli in all sensory modalities are in constant competition for selective attention and access to consciousness. If distractors and targets share features, target awareness can be impaired due to distractor-driven inhibitory processes. This transient “blindness” for the target has been demonstrated with the distractor-induced blindness (DIB) paradigm (Sahraie et al., 2001). In the DIB paradigm, a cue indicates the target and target-like distractors can occur preceding the cue. This experimental set-up allows a direct contrast between detected and missed targets under identical sensory stimulation, making it suitable for the investigation of neural correlates of consciousness. Consciousness research has tried to disentangle reliable neural markers of conscious perception since the 1990ies. While some progress has been made, no final answers have been found. The majority of research in the field of consciousness has been conducted in the visual modality. Likewise, the DIB task has never been applied outside of vision. This dissertation revolves around two main research questions. First, this thesis aims to adapt the DIB paradigm to auditory and cross-modal settings for the first time. The goal is to investigate whether the distractor effect on target detection is a phenomenon observable across sensory modalities. Second, this thesis aims to examine electrophysiological correlates of auditory awareness in auditory and cross-modal conditions using event-related brain potentials (ERPs). These research aims were investigated in three consecutive studies. In Study I, distractor-induced deafness (DID) was established by revealing that multiple distractors also hinder target detection in the auditory modality. Furthermore, an early frontal and a late centro-parietal (P3) neural signature of auditory awareness was observed. Study II examined to what extent the findings of Study I can be replicated in a cross-modal DID task, including an auditory target and a visual cue. Distractor-induced deafness persisted in this cross-modal setting and the early correlate of auditory awareness was successfully confirmed. A potential cross-modal marker of auditory target access succeeded the frontal negativity. In contrast to unimodal findings, the late P3 was correlated with the individual task performance, and did not indicate target awareness. In Study III, a cross-modal DIB effect was investigated. While this effect could consistently be stated throughout three behavioral experiments, the distractor effect showed a smaller magnitude than the visual DIB and the cross-modal effect for reversed modalities. Neither the auditory cue feature nor the visual target feature could account for this finding. This indicates that an auditory cue might be especially efficient in redirecting attention to a visual target. In summary, this dissertation shows that multiple preceding distractors, which share the target’s features, cannot only make an observer “blind”, but also “deaf” for a task-relevant stimulus. This inhibitory effect of distractors on target detection is not restricted to unimodal settings but extends to cross-modal stimulus conditions. In expansion of previous visual research, the findings therefore revealed a generality of the distractor-induced effect across sensory modalities. However, some modality-specific differences were observed and need to be considered. Furthermore, ERP results emphasized an early frontal negativity as reliable marker of auditory awareness. In contrast, the late P3 component and its underlying processes were not consistently linked to auditory target access. The electrophysiological findings provide a contribution to the ongoing search for signatures of consciousness and support a significant role of early processing for auditory consciousness.

Aufgabenrelevante und ablenkende Reize aus allen Sinnesmodalitäten befinden sich in ständigem Wettstreit um selektive Aufmerksamkeit und den Zugang zum Bewusstsein. Falls Distraktoren und Zielreize Merkmale teilen, kann die bewusste Wahrnehmung des Zielreizes aufgrund von durch die Distraktoren ausgelösten inhibitorischen Prozessen beeinträchtigt sein. Diese vorübergehende „Blindheit“ für den Zielreiz wurde mit dem Paradigma der distraktor-induzierten Blindheit (DIB) (Sahraie et al., 2001) demonstriert. In dem DIB Paradigma wird ein Zielreiz durch einen Hinweisreiz angezeigt und zielreizgleiche Distrakoren können vor dem Hinweisreiz auftreten. Dieser Versuchsaufbau ermöglicht die direkte Kontrastierung von erkannten und verpassten Zielreizen unter identischer sensorischer Stimulation, wodurch er geeignet ist, neuronale Korrelate des Bewusstseins zu untersuchen. Die Bewusstseinsforschung versucht seit den 1990er Jahren neuronale Marker der bewussten Wahrnehmung zu identifizieren. Obwohl schon einige Fortschritte erzielt werden konnten, fehlt es bislang noch an abschließenden Antworten. Die Mehrheit der Bewusstseinsstudien wurde in der visuellen Sinnesmodalität durchgeführt. Ebenso wurde auch die DIB Aufgabe bislang niemals außerhalb der visuellen Wahrnehmung eingesetzt. Diese Dissertation widmet sich zwei zentralen Forschungsfragen. Erstens soll das DIB Paradigma erstmals an auditive und cross-modale Reizbedingungen angepasst werden. Es soll somit untersucht werden, ob der Effekt von Distraktoren auf die Zielreizerkennung ein modalitätsübergreifend zu beobachtendes Phänomen ist. Zweitens zielt diese Arbeit darauf ab, elektrophysiologische Korrelate des auditiven Bewusstseins in auditiven und cross-modal Bedingungen mittels ereigniskorrelierter Potentiale (EKPs) zu identifizieren. Diese Forschungsziele wurden in drei aufeinander aufbauenden Studien untersucht. In Studie I konnte eine distraktor-induzierte Taubheit (DID) etabliert werden, indem gezeigt wurde, dass multiple Distraktoren die Zielreizerkennung auch in der auditiven Modalität behindern. Darüber hinaus konnte eine frühe frontale und eine späte zentro-parietale (P3) neuronale Signatur des auditiven Bewusstseins festgestellt werden. Studie II untersuchte, inwiefern die Ergebnisse von Studie I in einer cross-modalen DID Aufgabe, welche einen auditiven Zielreiz und einen visuellen Hinweisreiz beinhaltete, repliziert werden können. Die distraktor-induzierte Taubheit persistierte in diesen cross-modal Gegebenheiten und das frühe Korrelate der bewussten auditiven Wahrnehmung konnte erfolgreich bestätigt werden. Diese frontale Negativität wurde gefolgt von einem potentiellen cross-modalen Marker des auditiven Zielreizzugriffs. Im Gegensatz zu unimodalen Befunden war die späte P3 mit der individuellen Performanz in der Aufgabe korreliert, und bildete nicht die bewusste Wahrnehmung des Zielreizes ab. In Studie III wurde der cross-modale DIB-Effekt untersucht. Dieser Effekt konnte konsistent in allen drei Verhaltensexperimenten beobachtet werden, jedoch war die Größe des Distraktoreffektes kleiner als die visuelle DIB und der cross-modale Effekt für umgekehrte Sinnesmodalitäten. Weder das Merkmal, das den auditiven Hinweisreiz definierte, noch das Merkmal, welches den visuellen Zielreiz definierte, konnten diesen Befund erklären. Dies deutet darauf hin, dass ein auditiver Hinweisreiz besonders effektiv darin ist, die Aufmerksamkeitsausrichtung auf den visuellen Zielreiz zu fördern. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass die wiederholte Darbietung von Distraktoren, welche Zielreizmerkmale teilen, nicht nur „blind“, sondern auch „taub“ für aufgabenrelevante Reize machen kann. Dieser hemmende Effekt von Distraktoren auf die Zielreizerkennung ist nicht auf unimodale Reizumgebungen beschränkt, sondern lässt sich auch auf cross-modale Bedingungen übertragen. In Erweiterung früherer visueller Studien zeigen die Befunde folglich eine Allgemeingültigkeit des Effektes über sensorische Modalitäten hinweg. Jedoch wurden modalitätsspezifische Unterschiede beobachtet, welche berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus verdeutlichten die EKP Befunde die Bedeutung einer frühen frontalen Negativität als zuverlässigen Marker auditiven Bewusstseins. Die späte P3 Komponente und ihre zugrundeliegenden Prozesse zeigte dagegen keinen konsistenten Zusammenhang mit dem auditiven Zielreizzugriff. Die elektrophysiologischen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zur anhaltenden Suche nach Signaturen des Bewusstseins und unterstützen eine tragende Rolle früher Verarbeitungsprozesse für das auditive Bewusstsein.