Het onthouden en transformeren van informatie zonder perceptuele input, om voor te bereiden op toekomstige acties, is een fundamentele eigenschap van het (menselijke) brein. Sinds 1971, toen Fuster & Alexander (1971) de eerste werkgeheugen (WG) cellen beschreven, is er een voordurende discussie over de neurale basis van werkgeheugen en hoe informatie precies opgeslagen wordt. In de gebruikelijke onderzoeksopzetten wordt gekeken hoe de WG condities of WG inhoud gerepresenteerd worden in de geheugenperiode. Het is de consensus geweest dat onafgebroken neurale activiteit de informatie ‘online’ houdt. Dit werd geconcludeerd aan de hand van een hoeveelheid studies die dit suggereert maar ook gezien het feit dat meetbare neurale activiteit noodzakelijk is voor hersenscan onderzoek; het vinden van geen neurale activiteit tijdens WG is praktisch gezien een nul resultaat en is lastig te interpreteren.
Recentelijk is echter het idee dat WG niet afhankelijk is van een onaangebroken golf van neurale activiteit steeds meer populair geworden. Studies hebben aangetoond dat als aandacht niet naar de WG objecten gericht wordt er weinig tot geen neurale activiteit te meten is (Larocque et al., 2014; Lewis-Peacock et al., 2011; Watanabe & Funahashi, 2014) wat suggereert dat WG alleen het actief herhalen van informatie reflecteert. Verder is er gesuggereerd dat schijnbaar onafgebroken WG activiteit tijdens een geheugen periode een artefact is van het middelen over verschillende repetities en dat WG in werkelijkheid wordt gemoduleerd door korte vlagen van activiteit afgewisseld door activiteits-loze perioden (Lundqvist et al., 2016), die overbrugt worden door tijdelijke veranderingen in de connectiviteit tussen neuronen (Mongillo et al., 2008; Stokes, 2015).
In deze doctorale scriptie wordt het gebruikelijke beeld van onafgebroken neurale activiteit tijdens de geheugenperiode getest. De hypothese is dat de neurale reactie een interactie is op externe stimulatie en de huidige staat van het netwerk. Dit is te vergelijken met een sonarsysteem waar de echo de stimulatie van verborgen structuren teweeg brengt. In deze scriptie testen we deze hypothese en gebruiken we de methode om WG te onderzoeken. In verschillende studies wordt aangetoond dat de neurale ‘impuls’ reactie op een externe ‘ping’ gebruikt kan worden om verborgen WG herinneringen. Hoofdstuk 2 demonstreert dat magnetoencephalografie (MEG) rijke spatiele informatie bevat, wat de oriëntatie kolommen in de vroege visuele cortex betreft (Cichy et al., 2015). Dit impliceert dat MEG een belangrijke speler kan zijn op het gebied van multivariate methoden die gebruik maken van het gehele spatiele patroon van activatie om ‘uit te lezen’ welke informatie op dat moment wordt waargenomen, verwerkt, of onthouden wordt in het brein. Dit laat zien dat zelfs informatie uit dezelfde kleine brein regio tot
een heel ander neuraal patroon kan leiden wanneer we activiteit meten over de gehele schedel. Hetzelfde geldt voor EEG, een bijna net zo robuuste multivariate techniek als MEG (Cichy & Pantazis, 2017).
In hoofdstuk 3 wordt niet alleen aangetoond dat EEG daadwerkelijk sensitief is wanneer het komt tot het uitlezen van oriëntaties van zogenoemde Gabor patches maar het principe van een neurale ‘ping’ wordt voor het eerst beschreven. Door middel van tijdpunt-bij-tijdpunt analyses van het EEG signaal kan onderscheid gemaakt worden tussen verschillende oriëntaties van gepresenteerde Gabor gratings. Verder onthult de presentatie van een neurale ‘impuls’ stimulus tijdens de geheugenperiode een neuraal signaal dat onderscheid maakt tussen de verschillende oriëntaties. Dit is bewijs voor de hypothese dat de neurale impuls de huidige staat van het WG netwerk representeert, in dit geval het nabeeld van de voorheen gepresenteerde oriëntatie.
Hoofdstuk 4 is een uitbreiding op hoofdstuk 3 en laat in een retro-cue design zien dat de impuls daadwerkelijk geheugeninhoud laat zien. Dit suggereert dat irrelevante informatie verwijderd kan worden van werkgeheugen en geen herleidbaar spoor achter laten, wat de impuls betreft. In een tweede experiment laat hoofdstuk 4 zien dat zowel items in geheugen waar aandacht wel of niet op gericht wordt uitgelezen kunnen worden na een impuls. Dit levert bewijs voor de hypothese dat WG staat alle relevante informatie bevat, afhankelijk van aandacht. In beide experimenten van dit hoofdstuk voorspelde de trial-bij-trial uitleesbaarheid van WG inhoud na de impuls de precisie van de geheugen taak.
Hoofdstuk 5 laat zien dat de impuls techniek ook toepasbaar is in het auditieve domein. Als een neutrale auditieve stimulus gepresenteerd wordt tijdens de geheugen periode resulteert dat in een neurale respons die de toon in geheugen reflecteert. Dit spiegelt de resultaten in het visuele domein en indirect impliceert dit dat de sensorische cortex betrokken zijn in het onthouden van informatie in WG (Christophel et al., 2017; Kumar et al., 2016; Serences, 2016). Verder wordt aangetoond dat een cross-modale (bijv. auditief) impuls tijdens visuele WG perioden niet inhoud specifiek is. Dit suggereert dat het visuele WG netwerk los staat van de brein regios die de auditieve informatie verwerken en dat bottom-up auditieve reacties het niet verstoren. Vice-versa is dit echter niet het geval; visuele gebieden zijn wel betrokken bij het herinneren van auditieve informatie. Dit kan direct zijn, door visualisatie, of indirect, door inhoud- specifieke connectiviteit in het auditieve WG netwerk.
Hoofdstuk 6 gebruikt de impuls aanpak om de relatie tussen neurale WG representatie en gedragsmatige variabele te onderzoeken. Dit levert neurofysiologisch bewijs voor de hypothese dat neurale representaties of continue WG concepten (bijv. oriëntaties of locaties) willekeurig variëren over tijd, wat resulteert in inaccurate gedragsmatige data. De impuls respons kon deze verschuiving van de neurale representatie van een oriëntatie in WG tegen het einde van de trial en de bijkomstige gedragsmatige reacties voorspellen. Verder werd gevonden dat het brein informatie contant representeert, zelfs wanneer de neurale reacties op de impulsen erg variëren over
de geheugenperiode. Dit suggereert dat de coding schemes stabiel zijn, ongeacht neurale dynamica die varieert over tijd (Murray et al., 2017).
Kortom, deze thesis laat de bruikbaarheid zien van een relatief simple ‘ping’ aanpank om voorheen verborgen neurale WG staten te onderzoeken.
Acknowledgments
First off, I would like to thank my day-to-day supervisor Elkan Akyürek, for enabling me to do my PhD and for the guidance and wisdom you have offered throughout it. You have been incredibly supportive and patient over these years. I appreciate the extreme flexibility and openness you have shown not only towards new research ideas but also towards my personal situation, as well as your practical and professional approach towards science in general.
Likewise, I would like to thank my promoter Monicque Lorist for the continued support and dedication to the successful completion of my thesis.
Of course, I want to thank my collaborator Mark Stokes, without whom this thesis would have looked completely different! Thank you very much for making me a member of your lab and for the extensive collaboration, great new research ideas, mentorship and general support throughout my PhD.
Thank you to all my collaborators in Oxford, Groningen, and elsewhere, all of whom played a major role in the completion of this thesis. Thanks to Eelke Spaak and Nick Myers, for always being ready to help and always being able to give smart advice, no matter the question or problem. Thank you, Janina Jochim, for your incredible help and effort. Thank you, Güven Kandemir, for your diligence and going above and beyond! Thank you, Jacqueline Ding, for having been a bright and motivated undergrad that I got to co-supervise. And thank you Tim Buschman for a fruitful collaboration across the pond. Thank you also to my undergraduate supervisor, Candice Morey, for sparking my interest in working memory research.
I would also like to thank the whole Experimental Psychology Department in Groningen, which has a great atmosphere, and has generally been a great place to work. In particular Rob, Aytaç, and Edyta (thank you for your support, patience, and for keeping me sane), my office mates Michael and Florian (thank you for always being helpful) as well as all other fellow PhD students: Nadine, Berry, Wisnu, Atser, Jefta, Sanne, Tineke, Erik and Marlon as well as Steffen, Wanja, and Nico.
I also want to thank my friends and colleagues in Oxford, who made me feel at home whenever I visited. Thank you, Maryann and Ben for showing me the ropes in my early days in Oxford. And thank you to Dante, Frida, Sam, Ilenia, Freek, Paul, Darinka, Jasper, Andrea, Lev, Emilia, Edwin, Michal, Alex, Sofia, and all former lab members for the great camaraderie and for providing such a stimulating environment.
Thank you to my old friends, Jul, Nick, and Anna-Sophia for staying in touch for all these years.
Thank you to my family, especially my parents and my siblings, Bettina and Alexander, for the support and interest in my research, and my grandmother for cheering me on. And of course, thank you to Helen, who has been nothing but supportive and understanding for the entirety of my PhD.