Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2021, T. 71, № 6, стр. 830-845

Фазовая когерентность ритмической активности мозга как показатель различения звуковых стимулов в oddball-парадигме

Л. Б. Шестопалова 1*, Е. А. Петропавловская 1

1 Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: shestopalovalb@infran.ru

Поступила в редакцию 28.01.2021
После доработки 16.02.2021
Принята к публикации 02.03.2021

Аннотация

Исследовалось влияние акустического контекста на вызванную ритмическую активность мозга человека, лежащую в основе различения неподвижных и движущихся звуковых стимулов в условиях oddball-парадигмы. Изменение контекста создавалось путем перестановки местами стандартных и девиантных стимулов в разных сериях. Проанализированы вызванное спектральное возмущение (event-related spectral perturbation, ERSP) и фазовая когерентность (inter-trial phase coherence, ITC), вычисленные на основе частотно-временного разложения записи ЭЭГ. Движущийся стандартный стимул вызывал большую когерентность альфа- и тета-колебаний по сравнению с неподвижным стандартом. Предъявление движущегося стимула в качестве девианта приводило к дополнительному росту когерентности вызванных колебаний. В прямой конфигурации при предъявлении девиантов наблюдалась синхронизация, а в обратной – десинхронизация медленных колебаний. Предположительно, степень фазовой когерентности можно считать объективным показателем различения движущихся и неподвижных звуковых стимулов.

Ключевые слова: движение звукового стимула, негативность рассогласования, вызванное спектральное возмущение, фазовая когерентность

Список литературы

  1. Альтман Я.А., Вайтулевич С.Ф., Варфоломеев А.Л., Петропавловская Е.А., Шестопалова Л.Б. Негативность рассогласования как показатель различительной локализационной способности слуховой системы человека. Физ. Чел. 2007. 33 (5): 22–30.

  2. Шестопалова Л.Б., Петропавловская Е.А. Негативность рассогласования и пространственный слух. Успехи физиологических наук. 2019. 50 (3):14–33.

  3. Шестопалова Л.Б., Петропавловская Е.А., Вайтулевич С.Ф., Никитин Н.И. Активное и пассивное различение движущихся звуковых стимулов: суммарные реакции мозга человека. Росс. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2015. 101 (9): 1079–1091.

  4. Шестопалова Л.Б., Петропавловская Е.А., Семенова В.В., Никитин Н.И., Вайтулевич С.Ф. Влияние акустического контекста на перцептивные различия пространственных звуковых сигналов. Физ. Чел. 2017. 43 (6): 1–11.

  5. Шестопалова Л.Б., Петропавловская Е.А., Семенова В.В., Никитин Н.И. Ритмическая активность мозга человека, связанная с движением звуковых стимулов. Журнал высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2020. 70 (5): 616–634. https://doi.org/10.31857/S0044467720050111

  6. Barcelo F., Escera C., Corral M.J., Periáñez J.A. Task switching and novelty processing activate a common neural network for cognitive control. J Cognitive Neurosci. 2006. 18: 1734–1748.

  7. Bendixen A., SanMiguel I., Schröger E. Early electrophysiological indicators for predictive processing in audition: a review. Int J Psychophysiol. 2012. 83: 120–131.

  8. Bishop D.V.M., Hardiman M.J. Measurement of mismatch negativity in individuals: a study using single-trial analysis. Psychophysiology. 2010. 47: 697–705.

  9. Canolty R.T., Edwards E., Dalal S.S., Soltani M., Nagarajan S.S., Kirsch H.E., Berger M.S., Barbaro N.M., Knight R.T. High gamma power is phase-locked to theta oscillations in human neocortex. Science. 2006. 313: 1626–1628.

  10. Clouter A., Shapiro K.L, Hanslmayr S. Theta Phase Synchronization Is the Glue that Binds Human Associative Memory. Curr Biol. 2017. 27 (20): 3143–3148. https://doi.org/10.1016/j.cub.2017.09.001

  11. Deiber M.-P., Hasler R., Colin J., Dayer A., Aubry J.-M., Baggio S., Perroud N., Ros T. Linking alpha oscillations, attention and inhibitory control in adult ADHD with EEG neurofeedback. NeuroImage: Clinical. 2020. 25: 1021–45. https://doi.org/10.1016/j.nicl.2019.102145

  12. Delorme A., Sejnowski T., Makeig S. Enhanced detection of artifacts in EEG data using higher-order statistics and independent component analysis. Neuroimage. 2007. 34 (4): 1443–1449. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2006.11.004

  13. Demiralp T., Bayraktaroglu Z., Lenz D., Junge S., Busch N.A., Maess B., Ergen M., Herrmann C.S. Gamma amplitudes are coupled to theta phase in human EEG during visual perception. Int J Psychophysiol. 2007. 64: 24–30.

  14. Friedman D., Cycowicz Y.M., Gaeta H. The novelty P3: an event-related brain potential (ERP) sign of the brain’s evaluation of novelty. Neurosci Biobehav R. 2001. 25: 355–373.

  15. Fuentemilla L., Marco-Pallare’s J., Münte T.F., Grau C. Theta EEG oscillatory activity and auditory change detection. Brain Res. 2008. 1220: 93–101.

  16. Granados D., Lugo S.Z., Morales P.T., Castañeda-Villa N. Time-frequency analysis of Mismatch Negativity (MMN) in healthy Mexican preschool children. Revista Mexicana de Neurociencia. 2018. 20 (3): 21–34. https://doi.org/10.31190/rmn.2018.19.3.21.34

  17. Hanslmayr S., Staresina B.P., Bowman H. Oscillations and Episodic Memory: Addressing the Synchronization/Desynchronization Conundrum. Trends Neurosci. 2016. 39 (1):16–25. https://doi.org/10.1016/j.tins.2015.11.004

  18. Herrmann C.S., Busch N.A., Grigutsch M. EEG oscillations and wavelet analysis. In: Handy T.C. (ed.) Event-related potentials: a methods handbook. 2005. MIT Press, Cambridge. 229–259.

  19. Herrmann C.S., Rach S., Vosskuhl J., Strüber D. Time–Frequency Analysis of Event-Related Potentials: A Brief Tutorial. Brain Topogr. 2014. 27: 438–450.

  20. Hsiao F.J., Wu Z.A., Ho L.T., Lin Y.Y. Theta oscillation during auditory change detection: An MEG study. Biol. Psychol. 2009. 81: 58–66.

  21. Kaiser J., Lutzenberger W. Human gamma-band activity: a window to cognitive processing. NeuroReport. 2005. 16: 207–211.

  22. Klimesch W., Sauseng P., Hanslmayr S. EEG alpha oscillations: the inhibition-timing hypothesis. Brain Res. Rev. 2007. 53: 63–88.

  23. Ko D., Kwon S., Lee G.-T. Im C.H., Kim K.H., Jung K.-Y. Theta oscillation related to the auditory discrimination process in mismatch negativity: oddball versus control paradigm. J Clin Neurol. 2012. 8: 35–42.

  24. Lenartowicz A., Mazaheri A., Jensen O., Loo S.K. Aberrant modulation of brain oscillatory activity and attentional impairment in ADHD. Biol Psychiatry Cogn Neurosci Neuroimaging. 2018. 3 (1): 19–29. https://doi.org/10.1016/j.bpsc.2017.09.009

  25. Lin Y.-Y., Hsiao F.-J., Shih Y.-H., Yiu C.-H., Yen D.-J., Kwan S.-Y., Wong T.-T., Wu Z.-A., Ho L.-T. Plastic phase-locking and magnetic mismatch response to auditory deviants in temporal lobe epilepsy. Cereb Cortex. 2007. 17: 2516–2525.

  26. Makeig S., Debener S., Onton J., Delorme A. Mining event-related brain dynamics. Trends Cogn. Sci. 2004. 8 (5): 204–210. https://doi.org/10.1016/j.tics.2004.03.008

  27. Näätänen R., Paavilainen P., Rinne T., Alho K. The mismatch negativity (MMN) in basic research of central auditory processing: A review. Clin. Neurophysiol. 2007. 118: 2544–2590.

  28. Polich J. Updating P300: an integrative theory of P3a and P3b. Clin Neurophysiol. 2007. 118: 2128–2148.

  29. Roberts B.M., Clarke A., Addante R.J., Ranganath C. Entrainment enhances theta oscillations and improves episodic memory. Cogn. Neurosci. 2018. 9 (3–4): 181–193. https://doi.org/10.1080/17588928.2018.1521386

  30. Saberi K., Hafter E.R. In: Binaural and spatial hearing in real and virtual environments. Gilkey R.H., Anderson T.R. (Eds.). NJ. Erlbaum Publ. 1997. 315.

  31. Sauseng P., Griesmayr B., Freunberger R., Klimesch W. Control mechanisms in working memory: A possible function of EEG theta oscillations. Neurosci. Biobehav. Rev. 2010. 34: 1015–1022.

  32. Schadow J., Lenz D., Dettler N., Fründ I., Herrmann C.S. Early gamma-band responses reflect anticipatory top-down modulation in the auditory cortex. Neuroimage. 2009. 47: 651–658.

  33. Schadow J., Lenz D., Thaerig S., Busch N.A., Fründ I., Herrmann C.S. Stimulus intensity affects early sensory processing: sound intensity modulates auditory evoked gamma-band activity in human EEG. Int. J. Psychophysiol. 2007. 65: 152–161.

  34. Shestopalova L.B., Petropavlovskaia E.A., Semenova V.V., Nikitin N.I. Lateralization of brain responses to auditory motion: A study using single-trial analysis. Neuroscience Research. 2020. https://doi.org/10.1016/j.neures.2020.01.007

  35. Shestopalova L.B., Petropavlovskaia E.A., Vaitulevich S.Ph., Nikitin N.I. Contextual effects on preattentive processing of sound motion as revealed by spatial MMN. Int. J. Psychophysiol. 2015. 96: 49–56. https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2015.02.021

  36. Shestopalova L.B., Petropavlovskaia E.A., Vaitulevich S.Ph., Vasilenko Yu.A., Nikitin N.I., Altman J.A. Discrimination of auditory motion patterns: mismatch negativity study. Neuropsychologia. 2012. 50: 2720–2729. http://dx.doi.org/.neuropsychologia.2012.07.043.https://doi.org/10.1016/j

  37. Yabe H., Sutoh T., Matsuoka T., Asai R., Hiruma T., Sato Y., Iwasa H., Kaneko S. Transient gamma-band response is dissociated from sensory memory as reflected by MMN. Neurosci Lett. 2005. 380: 80–82.

  38. Yan T., Feng Y., Liu T., Wang L., Mu N., Dong X., et al. Theta oscillations related to orientation recognition in unattended condition: A vMMN study. Frontiers in Behav. Neurosci. 2017. 11: 166. https://doi.org/10.3389/fnbeh.2017.00166

  39. Yordanova J., Kolev V., Kirov R. Brain oscillations and predictive processing. Front Psychol. 2012. 3: 416.

  40. Wang D., Clouter A., Chen Q., Shapiro K.L., Hanslmayr S. Single-Trial Phase Entrainment of Theta Oscillations in Sensory Regions Predicts Human Associative Memory Performance. J. Neurosci. 2018. 38 (28): 6299–6309. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0349-18.2018

  41. Zhang Z., Guo G., Zhang J., Li C., Huang Q., Go R., Fukuyama H., Funahashi S., Yan T., Wu J. Do theta oscillations explain the somatosensory change detection mechanism? Biol. Psychol. 2019. 143: 103–112. https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2019.02.001

Дополнительные материалы отсутствуют.