Gamma-Aktivität und vaskuläre Antwort im visuellen Kortex des Menschen: Einfluss von Kontrast und Aufmerksamkeit

Abstract

Eine schnelle behaviorale Antwort auf einen Stimulus ist zum einen von der Salienz des Stimulus und zum anderen von der Bereitschaft der Versuchsperson abhängig. Die neuronale Synchronisation im Gammaband sollte also von Stimuluseigenschaften (extern) und kognitiven Faktoren wie z. B. Aufmerksamkeit (intern) beeinflusst werden. Um Stimulusverarbeitung mittels nichtinvasiver Bildgebung eingehender zu erforschen, muss geklärt werden, inwiefern beide Arten der Gammaband-Synchronisation eine hämodynamische Antwort mitverursachen können. Diese Arbeit zeigt, dass Stimulusstärke und interner Zustand der Probanden die Gammaband-Aktivität und hämodynamische Antwort übereinstimmend modulieren. Die Gammaband-Aktivität stieg systematisch mit dem Stimuluskontrast an, wenn die Probanden Geschwindigkeitswechsel eines kontrastvariierten Musters detektieren sollten. Bei konstantem Stimuluskontrast hingegen, war die Synchronisation im Gammaband vor einem Geschwindigkeitswechsel invers mit der Latenz der behavioralen Antwort korreliert. Das weist darauf hin, dass die Gammaband-Aktivität auch einen generellen Aufmerksamkeitsgrad wiederspiegelt. Für beide Quellen der Varianz (extern und intern) war die Gammaband-Aktivität eng an die hämodynamische Antwort gekoppelt, welche optisch synchron gemessen wurde. Die Arbeit zeigt, dass sich extern und intern getriggerte Fluktuationen im Gammaband in der vaskulären Antwort widerspiegeln und somit der funktionellen Bildgebung zugänglich werden, die auf cerebralen Durchblutungsänderungen basiert.

A prompt behavioral response to a stimulus depends both on the salience of the stimulus as well as the subject's preparedness. Thus, both stimulus properties and cognitive factors, such as attention, may determine the strength of neuronal synchronization in the gamma range. For a comprehensive investigation of stimulus-response processing through noninvasive imaging, it is, however, a crucial issue whether both kinds of gamma modulation elicit a hemodynamic response. Here, we show that, in the human visual cortex, stimulus strength and internal state modulate sustained gamma activity and hemodynamic response in close correspondence. When participants reported velocity changes of gratings varying in contrast, gamma activity (35-70 Hz) increased systematically with contrast. For stimuli of constant contrast, the amplitude of gamma activity before the behaviorally relevant velocity change was inversely correlated to the behavioral response latency. This indicates that gamma activity also reflects an overall attentive state. For both sources of variance, gamma activity was tightly coupled to the hemodynamic response measured through optical topography. Because of the close relationship between high-frequency neuronal activity and the hemodynamic signal, we conclude that both stimulus-induced and state-dependent gamma activity trigger a metabolic demand and are amenable to vascular-based imaging.