Structural and functional brain organization underlying spontaneous and deliberate mind-wandering

Abstract

Every so often we find our minds wandering away from our current external environment. Understanding how this experience relates to cognitive control has become an important matter of psychological and neuroscientific debate. Opposing arguments include both the perspective that failures in cognitive control enable subsequent periods of mind-wandering, and that cognitive control helps stabilizing the self-generated mental content. One promising view that could clarify the controversial relationship between mind-wandering and executive control, however, might lie in considering the level of intentionality with which we engage in self-generated thought. By investigating the underlying structural and functional brain organization of spontaneous and deliberate forms of mind-wandering, the current thesis aims to disentangle the complex relationship between mind-wandering and the control of cognition. To this end, cortical thickness as well as seed-based functional connectivity analysis was related to a self-report measure that quantifies trait level tendencies to experience spontaneous and deliberate forms of mind- wandering. It specifically was examined (i) if interindividual differences in the two types of mind-wandering explain variance in cortical thickness, and (ii) how these types of mind-wandering modulate the functional connectivity profiles of key regions of the fronto-parietal network (FPN), which is implicated in executive control. With respect to higher rates of deliberate mind-wandering, increased cortical thickness and elevated functional connectivity from the inferior frontal sulcus was primarily observed in prefrontal regions. These regions overlap with areas of the FPN and default- mode network (DMN), the latter being commonly associated with mind-wandering. In contrast, elevated rates of spontaneous mind-wandering were associated with decreased cortical thickness in parietal and posterior temporal regions that fall at the intersection of the FPN and DMN. Functional connectivity was increased between intraparietal sulcus and ventral inferior frontal gyrus, which overlaps with limbic and default-mode regions. In conclusion, this thesis provides evidence that deliberate and spontaneous mind-wandering are differentiable in terms of their underlying structural and functional brain organization. Specifically, the results suggest that the extent of intentionality in the mind-wandering state is reflected by the level of integration between the FPN and DMN, such that higher integrity is associated with the experience of a higher degree of deliberation during the mind- wandering state. This not only underpins the importance of executive control in both adaptive externally and internally directed cognition but also calls for a nuanced perspective towards the mind-wandering state in general.

Immer wieder erleben wir, dass wir mit den Gedanken von unserer aktuellen äußeren Umgebung abschweifen. Gegenstand psychologischer und neurowissenschaftlicher Debatten ist dabei die Frage, inwiefern das auftretende Abschweifen der Gedanken in Beziehung zu kognitiver Kontrolle steht. Einander gegenüberstehende Positionen umfassen dabei sowohl die Perspektive, dass ein zeitweises Aussetzen kognitiver Kontrolle Perioden des Gedankenabschweifens ermöglicht, aber auch, dass kognitive Kontrolle bei der Stabilisierung selbst-generierter Gedankeninhalte hilfreich ist. Ein vielversprechender Ansatz, der zur Klärung der kontroversen Beziehung zwischen dem Gedankenabschweifen und exekutiver Kontrolle beitragen könnte, liegt in der Berücksichtigung des Ausmaßes an Intentionalität, mit dem das Gedankenabschweifen erlebt wird. Mittels der Untersuchung der strukturellen und funktionellen Gehirnorganisation, die den Arten des willkürlichen und spontanen Gedankenabschweifens zugrunde liegt, ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit, die komplexe Beziehung zwischen dem Gedankenabschweifen und kognitiver Kontrolle aufzuklären. Zu diesem Zweck wurden die kortikale Dicke und funktionelle Konnektivität im Zusammenhang mit Selbstauskunftsmaßen analysiert, welche die generelle Tendenz des erlebten willentlichen und spontanen Gedankenabschweifens quantifizieren. Konkret wurde dabei untersucht, (i) ob interindividuelle Unterschiede bezüglich der zwei Arten des Gedankenabschweifens Varianz in der kortikalen Dicke erklären und (ii) inwiefern die zwei Arten des Gedankenabschweifens die funktionellen Konnektivitätsprofile von Schlüsselregionen des fronto-parietalen Netzwerks (FPN) modulieren, welches eine zentrale Stellung in der exekutiven Kontrolle einnimmt. Im Zusammenhang mit einer erhöhten Tendenz zum willkürlich erlebten Gedankenabschweifen zeigte sich eine größere kortikale Dicke sowie erhöhte funktionelle Konnektivität vom inferioren frontalen Sulcus überwiegend in präfrontalen Regionen. Diese Regionen überlappen ihrerseits mit Arealen des FPNs und Default-Mode Netzwerks (DMN), wobei letzteres gemeinhin mit dem Gedankenabschweifen assoziiert ist. Im Gegensatz dazu waren höhere Neigungen zum spontanen Gedankenabschweifen mit einer geringer ausgeprägten kortikalen Dicke in parietalen und posterior-temporalen Regionen zu beobachten, insbesondere an den Schnittstellen zwischen FPN und DMN. Darüber hinaus zeigte sich eine erhöhte funktionelle Konnektivität zwischen dem intraparietalen Sulcus und dem ventralen inferioren frontalen Gyrus, der mit Regionen des DMNs und limbischen Netzwerks überlappt. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit, dass Formen des willkürlichen und spontanen Gedankenabschweifens auch auf Basis der zugrunde liegenden strukturellen und funktionellen Gehirnorganisation differenzierbar sind. Dabei legen die Ergebnisse nahe, dass sich das Ausmaß an Intentionalität in dem Integrationsgrad zwischen FPN und DMN widerspiegelt, wobei eine ausgeprägtere Integrität mit einem erhöhten Grad an Intentionalität während des Gedankenabschweifens assoziiert ist. Insofern heben die Resultate nicht nur die Relevanz exekutiver Kontrolle bezüglich adaptiver external und internal ausgerichteter Kognitionen hervor, sondern unterstreichen grundsätzlich auch die Notwendigkeit einer nuancierten Betrachtung des Phänomens des Gedankenabschweifens