Korrelate der verdeckten Verschiebung visueller Aufmerksamkeit im Alpha-Band des menschlichen EEG

Abstract

Visuelle Aufmerksamkeit kann ohne Augenbewegungen auf einen bestimmten Punkt im Raum ausgerichtet werden. Solche verdeckten Aufmerksamkeitsverschiebungen führen auf Verhaltensebene zu einer präferentiellen Verarbeitung von Stimuli an attendierten Positionen. Bereits vor Eintreffen eines visuellen Reizes lassen sich Korrelate der Aufmerksamkeitsausrichtung als Modulation neuronaler Grundaktivität in frühen visuellen Arealen darstellen. Aktivitätsänderungen im Alpha-Frequenzband (8-14 Hz) des Elektroenzephalogramms (EEG) werden dabei als ein Mechanismus selektiver Aufmerksamkeit diskutiert. In Erwartung eines visuellen Stimulus zeigen Studien lateralisierte Veränderungen oszillatorischer Alpha-Aktivität über posterioren Hirnregionen je nach Lage des Aufmerksamkeitsfokus im linken oder rechten Gesichtsfeld. Eine niedrige Alpha-Aktivität wird hierbei als Ausdruck gesteigerter neuronaler Aktivität und hohe Alpha-Amplituden als inhibitorischer Mechanismus interpretiert. In der vorliegenden Arbeit wurde die EEG-Ableitung mit einer Messung von manuellen Reaktionszeiten und Entdeckungsraten für visuelle Stimuli innerhalb eines räumlichen „Cueing-Paradigmas“ kombiniert. Hierdurch sollte der bislang nur unvollständig verstandene Zusammenhang zwischen der Modulation neuronaler Aktivität und behavioralen Effekten genauer untersucht werden. Die verdeckte Ausrichtung von Aufmerksamkeit auf bestimmte Positionen im rechten und linken Gesichtsfeld führte zu seitendifferenten Veränderungen oszillatorischer Alpha- Aktivität über posterioren Hirnregionen bereits vor Erscheinen eines visuellen Stimulus. Diese Modulationen wurden durch eine erniedrigte Alpha-Aktivität kontralateral zu der aufmerksam beachteten Raumposition bestimmt. Bei einer Zusammenfassung der Alpha-Amplituden-Werte über beiden Hemisphären in Form eines Lateralisierungsindex zeigten sich signifikante Unterschiede in Abhängigkeit von der Richtung der Aufmerksamkeitsverlagerung. Negative Indexwerte, die einer relativ stärkeren Alpha-Aktivität über der linken Gehirnhälfte entsprechen, zeigten hierbei eine linksgerichtete Aufmerksamkeitslage an, während positive Indexwerte, die bei vergleichsweise höherer Alpha-Aktivität über der rechten Hemisphäre entstehen, einer Verlagerung der Aufmerksamkeit nach rechts zugeordnet wurden. Darüber hinaus war dieser Alpha-Lateralisierungsindex prädiktiv für die Verarbeitungsgüte nachfolgend präsentierter visueller Stimuli. Eine Mittelung über alle Versuchsdurchgänge ergab einen Verarbeitungsvorteil für links präsentierte Stimuli, was im Einklang steht mit durchgängig negativen Indexwerten. Reaktionszeiten auf linke Stimuli waren am kürzesten, wenn vorausgehende Indexwerte besonders negativ ausgeprägt waren. Die Entdeckung rechtsseitig präsentierter Stimuli war am schnellsten in Versuchsdurchgängen mit den positivsten Indexwerten. Diese Ergebnisse zeigen einen engen Zusammenhang zwischen der lateralisierten Modulation oszillatorischer Alpha-Aktivität über posterioren Hirnregionen, der momentanen Ausrichtung von Aufmerksamkeit und der nachfolgenden Verarbeitung visueller Stimuli. Es wird postuliert, dass ein Lateralisierungsindex basierend auf posteriorer Alpha-Aktivität als Indikator für die momentane Ausrichtung visuell-räumlicher Aufmerksamkeit angesehen werden kann und einen Vorhersagewert für behaviorale Reizverarbeitung besitzt.

Human beings can voluntarily deploy their attention toward a visual location without moving their eyes or head. These covert attention shifts improve stimulus detection at the locus of attention, at the cost of stimuli located elsewhere. The neuronal correlates of these attention shifts involve modulation of neuronal “baseline” activity in early visual areas, even in the absence of visual attention. Previous studies have shown that changes in alpha band (8–14 Hz) activity may be an important mechanism of selective visual attention. Anticipation of forthcoming visual events leads to lateralized modulations of oscillatory alpha band activity over the posterior cortex, depending on the position of the attentional focus in the left or right visual field. Decreases of alpha activity have been interpreted to reflect enhanced cortical excitability. Alpha increases potentially reflect an active “inhibitory” process. In this study, we used electroencephalography and recorded reaction time and detection rates to visual stimuli in order to study the largely unknown relationship between these neuronal modulations and behavioral outcome in an attention orienting paradigm. Covert visuospatial attention shifts to either a left or right peripheral position in the absence of visual stimulation resulted in differential modulations of oscillatory alpha band activity over left versus right posterior sites. These changes were driven by varying degrees of alpha decreases being maximal contralateral to the attended position. When expressed as a lateralization index, these alpha changes differed significantly between attention conditions, with negative values (alpha left  alpha right) indexing leftward and more positive values (alpha right  alpha left) indexing rightward attention. Moreover, this index appeared deterministic for processing of forthcoming visual targets. Collapsed over trials, there was an advantage for left target processing in accordance with an overall negative bias in alpha-index values. Across trials, left targets were detected most rapidly when preceded by negative index values. Detection of right targets was fastest in trials with most positive values. Our data indicate that collateral modulations of posterior alpha activity, the momentary bias of visuospatial attention, and imminent visual processing are linked. They suggest that the momentary direction of attention, predicting spatial biases in imminent visual processing, can be estimated from a lateralization index of posterior alpha activity.