Relationships of ongoing activity, stimulus response variability, and behavioral performance in the human brain

Abstract

The question of the function and meaning of brain rhythms, especially in the processing of stimuli and generation of stimulus–based (evoked) brain signals, has long been and still is a topic of great interest and debate. We tested different aspects of putative interactions between ongoing activity, evoked activity, and behavioral performance, using electroencephalography (EEG) and, partly, simultaneous functional magnetic resonance imaging (fMRI). We employed novel, online data analysis approaches allowing to maximize the signal of interest and the difference across conditions in a noisy, artefact–prone en- vironment. We discovered interactions between ongoing α and μ rhythms and the re- spective evoked potentials (EPs) in the examined sensory systems, indicating their involvement in stimulus processing and higher cognitive functions. Furthermore, we found effects of α rhythm power on evoked fMRI responses, both by linear superposition and by more complex, non–linear relationships, helping to explain the source of trial–by–trial variance in functional neuroimaging data and cast further light on the origin and nature of these rhythms. Finally, we observed increased spatial acuity and changes in resting–state functional connectivity of the μ rhythm after a specific form of high–frequency repetitive somatosensory stimulation, showing that this form of stimulation changes intrinsic network properties of distant brain regions without the need for active participation of the subject. These data might provide a neurophysiological basis for the previously observed improvements in sensorimotor training in response to that stimulation, which make it a candidate for rehabilitation paradigms for e.g. stroke patients. Importantly, it also shows that assessment of functional connectivity might be used as a tool to study the efficacy of different sensory and motor training paradigms.

Die Frage nach der Funktion und Bedeutung von Hintergrundrhythmen, insbesondere in Bezug auf die Verarbeitung von Reizen und die Entstehung stimulusbezogener (evozierter) Hirnsignale, ist seit langem Gegenstand wissenschaftlichen Interesses. Wir haben mittels Elektroenzephalographie (EEG) sowie funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) verschiedene Aspekte der Interaktion von Hintergrundaktivität, evozierter Aktivität, und Verhalten untersucht. Dabei wurde ein neuartiger Echtzeit-Datenanalyse-Ansatz gewählt, um in einer artefaktanfälligen Umgebung die Signalstärke sowie den Unterschied zwischen experimentellen Bedingungen zu maximieren. Wir fanden Interaktionen von spontanen α- und μ-Rhythmen und den jeweiligen evozierten Potentialen (EPs) der untersuchten sensorischen Systeme. Diese Interaktionen deuten auf eine Beteiligung der Rhythmen an der Verarbeitung von Reizen und an höheren kognitiven Funktionen hin. Weiterhin fanden wir Effekte des α-Rhythmus auf evozierte fMRT-Antworten, sowohl durch lineare Superposition als auch durch nicht-lineare Interaktion. Diese Ergebnisse helfen, die hohe Variabilität neuronaler Antworten auf konstante Reize zu erklären, und ermöglichen weitere Einsicht in die Herkunft und Funktion von Hintergrundrhythmen. Ausserdem konnten wir zeigen, dass eine bestimmte Art hochfrequenter, somatosensorischer Stimulation, neben einer Verbesserung taktiler Diskriminationsfähigkeit Veränderungen in der funktionellen Konnektivität des μ-Rhythmus im Ruhezustand bewirkt. Diese Stimulation verändert Netzwerkeigenschaften von Hirnregionen ohne die Notwendigkeit aktiver Teilnahme des Probanden. Diese geänderten Netzwerkeigenschaften sind möglicherweise die Grundlage für die beschriebenen behavioralen Verbesserungen, die diese Art der Stimulation als mögliche Behandlung für z.B. durch Schlaganfall bedingte sensomotorische Ausfälle erscheinen lässt. Auch könnte funktionelle Konnektivität herangezogen werden, um die Effektivität verschiedener sensomotorischer Trainingsprotokolle zu beurteilen.