Aandachtsgerelateerde effecten van de pulvinar op alfa oscillaties

Bachelorthese

Aandachtsgerelateerde Effecten van de Pulvinar

op Alfa Oscillaties

Student: L.C. Winder

Studenten nummer: 6151108

Begeleidster: M.E. Vissers MSc

Datum: 18 augustus 2014

Titelblad

Abstract Blz. 2

Inleiding Blz. 3

Rol van de pulvinar in modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie Blz. 5

Corticale mechanismen bij modulatie van verwerking van relevante versus irrelevante informatie Blz. 9

Rol pulvinar in aandachtsgerelateerde modulatie door alfa oscillaties Blz. 13

Conclusie en discussie Blz. 16

Literatuuroverzicht Blz. 19

Onderzoeksvoorstel Blz. 21

Abstract

Niet alle visuele informatie in de omgeving kan tegelijkertijd verwerkt worden, er wordt een onderscheid gemaakt tussen relevante en irrelevante informatie. Recent onderzoek lijkt een rol aan te geven in dit proces voor de pulvinar, een groep subthalamische kernen die deel uitmaken van visuele- en aandachtsnetwerken. In dit literatuuroverzicht wordt geprobeerd overeenstemming te vinden in de huidige literatuur over de precieze rol van de pulvinar bij de verwerking van relevante en irrelevante informatie en via welke mechanismen de pulvinar dit proces beïnvloedt. Besproken onderzoek toont aan dat de pulvinar een filterende functie lijkt te hebben, waarbij irrelevante informatie onderdrukt wordt. Uit een andere lijn van onderzoek naar de oscillatoire correlaten van het implementeren van een selectieve aandacht, blijkt voornamelijk activiteit in de alfa-band (8-12 Hz) geassocieerd te zijn met de verwerking van relevante en irrelevante visuele informatie. Uit besproken bevindingen omtrent alfa activiteit en de rol van de pulvinar in selectieve aandacht, zal duidelijk worden dat de pulvinar oscillatoire alfa activiteit reguleert door

synchronosatie en van daaruit invloeden uitoefent op de betrokken hersengebieden. Een beter inzicht in de functie van de pulvinar en hoe deze de synchronisatie beïnvloed waarmee corticale gebieden aangestuurd kunnen worden, zal leiden tot een beter begrip in de verwerking van relevante en irrelevante informatie.

Aandachtsgerelateerde Effecten van de Pulvinar op Alfa Oscillaties

Dagelijks worden onze hersenen overspoeld met informatie, veel van deze informatie is niet relevant om een

handeling te kunnen uitvoeren. Een belangrijke taak van de hersenen is om de relevante informatie van de irrelevante informatie te scheiden. Neem bijvoorbeeld het zoeken naar de fiets op het station, hier staan een heleboel fietsen naast de eigen fiets. De fiets wordt gevonden door de aandacht te richten op een selectief deel van de omgeving, waarbij de informatie die het meeste overeenkomt met het huidige doel wordt geselecteerd. Als er aandacht wordt besteed aan relevante informatie, wordt deze relevante informatie versterkt door onze aandacht. Zo zal er bij het zoeken naar de fiets bewust worden gezocht naar bepaalde kenmerken, zoals het zadel en de wielen, maar ook naar bijvoorbeeld het opvallende slot dat er omheen ligt. Objecten die niet aan deze kenmerken voldoen, zoals een houten bankje dat in de buurt staat, zullen op dit moment niet versterkt worden waargenomen. Hierdoor springt onze fiets nadat deze gesignaleerd is er voor ons gevoel uit, en andere fietsen die er omheen staan vallen vanaf dat moment minder op.

Uit recent onderzoek is naar voren gekomen dat deze modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie al op subcorticaal niveau plaatsvindt in een klein gebied in de thalamus, de pulvinar (Saalmann & Kastner, 2011). De pulvinar is onderdeel van de achterste kerngroep van de thalamus en bestaat uit een groep subthalamische kernen die deel uitmaken van de visuele- en aandachtsnetwerken. Er is lange tijd gedacht dat de rol van de pulvinar een passieve rol had in visuele aandacht en alleen zintuiglijke informatie doorgaf vanuit de cortex naar de betrokken gebieden. Om deze reden werd de pulvinar over het algemeen beschouwd als een doorgeef station dat geen actieve rol uitoefende op verwerking van de zintuiglijke informatie (Saalmann & Kastner, 2011). Echter, recent onderzoek laat zien dat de pulvinar een actieve en belangrijke rol speelt in filteren van irrelevante informatie van relevante informatie (Saalmann & Kastner, 2011). Momenteel bestaat er nog verdeeldheid over de functie van de pulvinar bij de

verwerking van relevante en irrelevante informatie. Zo stelt één model dat de pulvinar zorgt voor een verschuiving van de aandacht (Snow et al., 2009; Wilke et al., 2010) en dat hierdoor relevante informatie van irrelevante informatie kan worden onderscheden, en een ander model stelt dat de pulvinar zorgt voor het filteren van de irrelevante

informatie van de relevante informatie (Buchsbaum et al., 2006; Fischer et al., 2012). In de huidige literatuurstudie zal gekeken worden naar wat de precieze functie van de pulvinar is bij de verwerking van relevante en irrelevante

informatie en hoe de pulvinar dit proces beïnvloedt. Hier zal naar gekeken worden door allereerst te kijken of de pulvinar specifiek een rol speelt bij de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante visuele informatie, of dat deze een meer algemene functie heeft bij het verschuiven van de aandacht in het algemeen.

Bij filteren van irrelevante informatie van relevante informatie speelt niet alleen de pulvinar een rol, maar ook corticale gebieden (Saalmann & Kastner, 2011). Deze gebieden synchroniseren met elkaar met behulp van corticale mechanismen welke te onderzoeken zijn met behulp van EEG. Door gebruik te maken van EEG kunnen zeer nauwkeurige veranderingen in activatie over tijd worden weergeven, en kan gekeken worden naar specifieke frequentie banden. Door te kijken naar de frequentie banden kunnen relaties tussen gebieden worden gevonden. Om een beter idee te krijgen van de precieze corticale mechanismen die een rol spelen bij filteren van irrelevante

informatie van relevante informatie zal er vervolgens gekeken worden welke corticale mechanismen betrokken zijn bij de modulatie van verwerking van relevante versus irrelevante informatie met behulp van bevindingen uit

elektrofysiologisch onderzoek waarin tijd-frequentie analyse werd uitgevoerd op de data.

Recent onderzoek lijkt aan te tonen dat de pulvinar de belangrijkste corticale mechanismen aanstuurt die betrokken zijn bij de verwerking van visuele informatie (Saalmann & Kastner, 2011). De pulvinar regelt de

verwerking van visuele informatie naar de corticale gebieden aan de hand van aandacht. Momenteel heerst echter nog onduidelijkheid over de vraag hoe de pulvinar kan zorgen dat sommige informatie verder verwerkt wordt, en andere informatie juist niet verder verwerkt wordt (Saalmann & Kastner, 2011). Huidige technieken stellen ons in staat om de anatomie van de pulvinar steeds beter in kaart te brengen, maar de werking hiervan is tot op heden nog niet duidelijk. Tot slot zal daarom onderzocht worden welke rol de pulvinar speelt in de aandachts-gerelateerde modulatie van oscillatoire activiteit.

Rol van de pulvinar in modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie

Om te kunnen begrijpen hoe de pulvinar het proces van verwerking van relevante en irrelevante informatie beïnvloedt is het essentieel om eerst te kijken naar de rol die de pulvinar speelt bij de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie. Tot voor kort werden er twee verschillende modellen gehanteerd in onderzoek naar de precieze rol van de pulvinar bij aandachtsregulatie. In één model wordt aangenomen dat de pulvinar zorgt voor een

verschuiving van spatiële aandacht. Dit idee wordt voornamelijk ondersteund door laesie studies (Snow et al., 2009; Wilke et al., 2010). Een ander model stelt dat de pulvinar zorgt voor het filteren van afleidende informatie. Hierbij wordt ervanuit gegaan dat de irrelevante informatie wordt onderdrukt waardoor deze niet kan interfereren met de relevante informatie. Dit model wordt veelal ondersteund door o.a. fMRI onderzoek bij gezonde mensen (Strumpf et al., 2013). Tot op heden worden beide modellen aangehouden in verschillende studies. Pas als er meer duidelijkheid is over de functie van de pulvinar, kan worden gekeken hoe dit gebied kan samenwerken met andere hersengebieden om de dagelijkse aandachtstaken te vervullen.

Ondersteuning voor het model dat stelt dat de pulvinar verantwoordelijk is voor het verplaatsen van spatiële aandacht wordt veelal gevonden in laesie studies. Zo werd in een onderzoek bij apen een laesie aangebracht in de pulvinar om het verschil in de aandacht gerichtheid bij de apen voor en na de laesie te onderzoeken (Wilke en al., 2010). Terwijl de pulvinar geïnactiveerd was voerden de apen een visuele aandachtstaak uit waarbij de oogbewegingen geregistreerd werden naar stukken fruit die voor de aap op tafel lagen, waarvan er één naar eigen voorkeur opgepakt moest worden. Resultaten van onderzoek wezen uit dat oogbewegingen niet bleven rusten op het stuk fruit maar net zo vaak naar werd gericht op een willekeurige andere plek in de omgeving (Wilke et al., 2010). De oogbewegingen van de apen waren tijdens inactivatie van de pulvinar zeer langzaam en het stuk fruit werd met moeite vastgepakt. Dit laat zien dat de pulvinar een essentiële rol heeft bij het richten van de aandacht op relevante perceptuele informatie in de omgeving.

Het idee dat de pulvinar bij apen een essentiële functie heeft bij het doelgericht kunnen sturen van aandacht werd bevestigd in een laesie studie bij mensen met drie patiënten met chronische laesies in de pulvinar (Snow et al., 2009). De patiënten moesten twee taakjes uitvoeren om te bepalen of de pulvinar een rol speelt bij de doelgerichte selectie van informatie. Hierin werden targets alleen gepresenteerd of met opvallende afleiders. In het eerste experiment werd het contrast van de afleiders gevarieerd, in het tweede experiment werd het contrast van de target gevarieerd. Door het contrast van de afleiders te variëren, kon de rol van de pulvinar in de verplaatsing van aandacht afgeleid worden. Uit het eerste experiment bleek dat het bij de afleiders niet uitmaakte wat het contrast verschil was,

alle contrasten van de afleiders werden moeilijker onderscheden van de targets (Snow et al., 2009). Dit laat zien dat beschadiging aan de pulvinar zorgt voor een verstoring in de aandachtsverplaatsing waarbij opvallende irrelevante informatie de waarneming verstoort van de relevante informatie. In het tweede experiment werd gebruik gemaakt van matig opvallende afleiders en werd de target steeds opvallender gemaakt. Uit het tweede experiment bleek dat wanneer het contrast van de target hoger was dan het contrast van de afleider, er op een normale manier onderscheid werd gemaakt (Snow et al., 2009). Dit onderzoek laat zien dat de pulvinar een onderscheid maakt tussen relevante en irrelevante informatie door middel van aandachtsverplaatsing, en deze bepaald wordt door de mate waarin de

informatie opvalt. Er vindt dus geen selectie van informatie plaats op basis van relevantie, maar op basis van

opvallendheid. Dit onderzoek is daarom ook een argument in het voordeel van het model dat stelt dat de pulvinar zorgt voor een verschuiving van spatiële aandacht.

Er is echter ook bewijs gevonden voor het model waarin de pulvinar een actieve rol speelt in de modulatie van

verwerking van relevante en irrelevante informatie. In onderzoek naar de betrokkenheid van de pulvinar bij de selectie van relevante en irrelevante informatie in aanwezigheid van afleidende informatie (Buchsbaum et al., 2006) moesten deelnemers letter stimuli waarnemen, gepresenteerd met of zonder afleiders. Hierbij werd gebruik gemaakt van fMRI. Wanneer de vooraf geïnstrueerde stimuli voorbij kwamen moest er een knop worden ingedrukt. Hieruit bleek dat de pulvinar sterker geactiveerd werd wanneer stimuli werden gepresenteerd die geflankeerd werden door afleiders, dan wanneer stimuli niet werden gepresenteerd met afleiders (Buchsbaum et al., 2006). De sterke activatie wanneer een stimulus werd gepresenteerd met afleidende stimuli, vergeleken met situaties waarin de stimulus in isolatie werd getoond, vormt bewijs voor het idee de pulvinar een actieve rol speelt bij de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie.

Ander ondersteunend bewijs voor een rol van de pulvinar bij de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie werd gevonden in een onderzoek naar de filterende rol van de pulvinar bij irrelevante informatie (Fischer et al., 2012). Hiervoor werd de encodering van geattendeerde en genegeerde objecten onderzocht met behulp van fMRI. Aandacht van deelnemers werd gericht op een deel van een scherm waarop een object stond waar aandacht aan besteed moest worden en een object dat genegeerd moest worden. De contrasten van deze objecten werden gevarieerd. Deelnemers moesten aangeven of de linker of de rechterkant van het scherm vaker opviel door deze contrasten. Multi-voxel pattern analysis (MVPA) werd gebruikt om de blood oxygen level-dependent (BOLD)

informatie te analyseren, hiermee kunnen distributie patronen van zuurstofrijk bloed in de bloedbanen van de hersenen

worden gevonden. Actieve gebieden hebben een grotere bloed toevoer nodig van zuurstofrijk bloed, en door deze verplaatsing van zuurstofrijk bloed te meten kan de plaats van activatie in een hersengebied worden afgeleid. Er werd gevonden dat de pulvinar sterk activeerde bij geattendeerde stimuli, maar niet activeerde bij genegeerde stimuli. Relevante objecten werden met een grote precisie vastgelegd, terwijl irrelevante objecten niet waarneembaar in de pulvinar gedecodeerd werden (Fischer et al., 2012). Het feit dat alleen activatie van relevante informatie in de pulvinar kon worden teruggevonden in specifieke activatie patronen, terwijl dit niet het geval was voor irrelevante informatie, is sterk bewijs voor het model dat pleit voor de filterende rol van de pulvinar bij irrelevante informatie.

De rol van de pulvinar lijkt op basis van voorgaand onderzoek voornamelijk filteren van relevante informatie van irrelevante informatie. Het filteren lijkt zijn oorsprong te vinden in de pulvinar, welke invloeden uitoefent op corticale gebieden betrokken bij de verwerking van visuele informatie. Echter, het is tot op heden

onduidelijk hoe deze corticale gebieden synchroon actief kunnen zijn. In een onderzoek naar de rol van de pulvinar bij filteren van irrelevante informatie van relevante informatie (Saalmann., 2012), werd de hersenactiviteit van apen gemeten tijdens een variatie van de Eriksen flanker taak door elektrofysiologische eigenschappen te meten. Er werden bij de pulvinar en bij de V4 en temporo-occipitale gebied (TEO) chirurgisch elektroden ingebracht zodat hier

doelgericht de elektrofysiologische eigenschappen konden worden gemeten. Om zeker te weten dat de elektroden op de correcte locatie waren aangebracht werd er met Diffusion Tensor Imaging (DTI) de structurele basis van dit pulvino-corticale netwerk bekeken. Op de variatie van de Eriksen flanker taak werd de aandacht gericht op een punt van een scherm met een spatiële cue. Vervolgens verschenen er een vooraf geïnstrueerd object op het scherm, die wel of niet geflankeerd werd door afleidende stimuli. Wanneer de aap de aandacht op de juist spatiële locatie had gericht, nam de power in de pulvinar een klein beetje toe (Saalmann et al., 2012). Als de stimulus dan eenmaal verscheen in het gezichtsveld nam de power nog meer toe, dit in tegenstelling tot wanneer de stimulus buiten het gezichtsveld verscheen. In de periode tussen de presentatie van de spatiële cue en de target kon er ook een verhoogde activatie worden waargenomen bij de V4 en TEO (Saalmann et al., 2012). Deze verhoogde activatie lijkt een invloed van de pulvinar op deze visuele gebieden aan te geven bij filteren van irrelevante informatie van relevante informatie. Dit onderzoek lijkt te suggereren dat de pulvinar visuele gebieden voorbereid op mogelijk aankomende stimuli, dit wordt een anticiperend effect genoemd. Wederom geeft dit onderzoek ondersteuning voor het model dat stelt dat de pulvinar zorgt voor het filteren van irrelevante informatie. Irrelevante informatie wordt niet verder verwerkt terwijl de

verwerking van relevante informatie bespoedigd wordt door het anticiperende effect.

Op basis van voorgaande onderzoeken kan nog niet met zekerheid gezegd worden welk model het meest

waarschijnlijk is, want voor beide modellen zijn bewijzen gevonden. Om meer duidelijkheid te kunnen verkrijgen over de precieze rol van de pulvinar bij het selecteren van relevante en irrelevante informatie hebben Strumpf et al. (2013) een onderzoek opgezet waarin beide modellen apart getest werden. Om de rol van de pulvinar in

aandachtsverplaatsing te onderzoeken voerden de onderzoekers een experiment uit waarin een vorm gezocht moest worden, die afstak of wegviel tegen de achtergrond. Wanneer het object wegviel tegen de achtergrond werd er meer verwacht van een verplaatsing van aandacht, en door deze condities met elkaar te vergeleken kan de activiteit van de aandachtverplaatsing worden afgeleid. Ondersteuning voor het model voor een rol van de pulvinar in het filteren van afleiders werd onderzocht door de deelnemers wederom te laten zoeken naar object op een afstekende of wegvallende ondergrond, maar moest nu de oriëntatie van het object worden gerapporteerd. Naast het lokaliseren van het object, dienden de deelnemers de afleidende oriëntaties van omliggende vormen te filteren. Resultaten van het onderzoek toonden aan dat alleen in het geval waarin er moest worden gefilterd, er een verhoogde activatie werd gevonden in de pulvinar en in de visuele cortex. Verplaatsing van de aandacht daarentegen, leidde niet tot een waarneembaar signaal in de pulvinar of visuele cortex (Strumpf et al., 2013). Dit onderzoek laat zien dat filteren van afleiders een

voornaamste aandacht gerelateerde taak vormt in de pulvinar, en niet het verschuiven van aandacht.

Voorgaand onderzoek geeft een sterke ondersteuning voor het model dat stelt dat de pulvinar een actieve rol speelt in de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie, aangezien de pulvinar alleen sterker geactiveerd was wanneer er moest worden gefilterd. Echter, uit deze voorgaande onderzoeken komt niet duidelijk naar voren hoe dit proces precies werkt. Momenteel zijn er meerdere onderzoeken die stellen dat er verschillende corticale mechanismen een rol spelen in de modulatie van verwerking van relevante versus irrelevante informatie (Saalmann., 2012). Voorgaand onderzoek van Saalmann (2012) had hier ook naar gekeken en stelde dat door middel van alfa oscillaties de pulvinar zorgt voor een activatie of een inhibitie in de betrokken visuele hersendelen. Hier zal in de volgende paragrafen verder naar gekeken worden.

Corticale mechanismen bij modulatie van verwerking van relevante versus irrelevante informatie

Naast de pulvinar zijn er nog verschillende andere gebieden betrokken bij de verwerking van visuele informatie. Dit zijn voornamelijk corticale gebieden (Saalmann et al., 2012 en Bonnefond et al., 2013). Deze corticale gebieden interacteren bij de verwerking van relevante of irrelevante stimuli (Saalmann et al., 2012). In deze paragraaf zal gekeken worden welke corticale netwerken betrokken zijn bij de modulatie voor verwerking van relevante versus irrelevante visuele informatie Hierbij zal selectief worden gekeken naar netwerken gemeten met behulp van EEG onderzoek, omdat veranderingen in hersenactiviteit hiermee zeer nauwkeurig in de tijd kunnen worden weergeven. Bij EEG onderzoek kan bovendien gebruik worden gemaakt van tijd-frequentie analyse van de data, om te kijken naar oscillatoire activiteit in een bepaald gebied of tussen verschillende gebieden. Oscillaties zijn golven die zich voordoen in hersenengebieden. Aan de hand van patronen van oscillatoire activiteit kan de activatie of inhibitie van een

hersengebied, of de communicatie tussen hersengebieden, afgeleid worden. In dit artikel zal gekeken worden naar de rol van alfa (8-12 Hz) oscillaties, bèta oscillaties (12-20 Hz) en gamma oscillaties (30-140 Hz) tijdens de selectie van relevante en irrelevante informatie, omdat deze oscillaties regelmatig in verband zijn gebracht met aandachtsregulatie (REF). Door inzicht te verwerven in deze voorgenoemde oscillaties bij aandachtsregulatie zal getracht worden een beeld te kunnen schetsen van belangrijke corticale mechanismen bij modulatie van verwerking van relevante versus irrelevante informatie.

Decennia lang dachten onderzoekers dat de alfa oscillaties in de hersenen alleen weergaven of de cortex actief was of in rust was. Echter, tegenwoordig wordt steeds vaker gevonden dat oscillatoire activiteit in de alfa band een doorslaggevende rol speelt spelen in verwerking van functionele informatie. (Bonnefond et al., 2013). Echter, uit sommige onderzoeken lijkt ook een actieve rol voor gamma (30-140 Hz) en bèta (12-20 Hz) oscillaties naar voren te komen (Wróbel et al., 2007; Bonnefond et al., 2013). In deze paragraaf zal gekeken worden welk corticaal

mechanisme de beste indicator lijkt te zijn voor de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie.

In een onderzoek naar de invloed van alfa oscillaties op selectieve onderdrukking bij aandacht werd gekeken naar de inhiberende functie van alfa oscillaties bij het filteren van afleidende informatie (Bonnefond et al., 2013). Deelnemers moesten vier letters onthouden die achter elkaar op een scherm werden gepresenteerd en moesten aangeven of een later getoonde letter er hier één van was. Tussen de presentatie van de te onthouden letters en de laatste letter werd een afleidende letter getoond. Wanneer deze afleidende letter werd verwacht, werd toegenomen alfa activiteit in de

posterior cortex en dorsolaterale prefrontale cortex, wat zorgde voor toegenomen inhibitie van deze gebieden

(Bonnefond et al., 2013). Dit impliceert dat er vanuit de prefrontale cortex een top-down invloed wordt uitgeoefend op de sensorische gebieden door synchronisatie in de alfa band. De alfa activiteit wordt hierdoor vergroot, wat zorgt voor inhibitie in de sensorische gebieden. Daarnaast werd gekeken naar gamma oscillaties in de occipito-temporele cortex omdat deze ook vaak in verband worden gebracht met functionele aandachtsprocessen. Voor de presentatie van de afleidende letter werd geen significant verschil gevonden in gamma activiteit (Bonnefond et al., 2013). Er werd dus gevonden dat alfa activiteit een sterke indicator is voor de sterkte waarop gefilterd wordt wanneer de aandacht juist gericht is, terwijl gamma oscillaties hiervoor een minder sterke indicator lijken te zijn.

Ondersteuning voor het resultaat dat alfa activiteit een sterke indicator is voor de mate waarin gefilterd wordt (Bonnefond et al., 2013), werd ook gevonden in onderzoek naar het verband tussen aandacht en filteren (Payne et al., 2013). Voor dit onderzoek kregen deelnemers twee figuren achter elkaar te zien, waarvan er één relevant was en de andere irrelevant. De relevantie werd aangegeven met een cue. Na presentatie van cues die irrelevante stimuli signaleerden werd een verhoogde posteriore activiteit waargenomen. Ook hier werd per sessie gevonden dat de activiteit groter was wanneer er aandacht was besteed aan de cue. Dit laat zien dat wanneer er aandacht wordt besteed aan een cue die aangeeft dat de opvolgende informatie niet onthouden hoeft te worden, en er een verhoogde alfa activiteit wordt waargenomen in de betrokken gebieden. Dit zorgt voor een onderdrukking van deze betrokken hersengebieden waardoor deze irrelevante informatie niet verder verwerkt zal worden. Wanneer mensen zich dus tijdig bewust zijn van de noodzaak tot filteren kan posteriore activiteit vergroot worden waardoor de afleidende informatie geïnhibeerd wordt.

In onderzoek bij mensen wordt voornamelijk een rol voor alfa oscillaties gevonden bij de verwerking van relevante en irrelevante informatie . Echter, bij dieren is er sterker bewijs voor een rol van bèta oscillaties. Dit werd voornamelijk gevonden in apen en katten. In een onderzoek naar bèta oscillaties bij een discriminatietaak werd gekeken naar de modulatie van verwerking van aandachtsgerelateerde visuele informatie. Dit is onderzocht door katten een spatiële discriminatietaak te laten uitvoeren (Wróbel et al., 2007). Getrainde katten kregen een spatiële cue te zien en moesten aangeven of met de cue links of rechts werd bedoeld. Tijdens deze aandachtstaken werd een verhoogde bèta activiteit gevonden in de lateraal gelegen posterior-pulvinar complex van de thalamus. Ook werd er verhoogde activiteit waargenomen in de corticale gebieden 17 en 18, en de middelste suprasylvian sulcus. Deze verhoogde bèta activiteit werd alleen gevonden wanneer de kat de juiste keuze maakte, wat laat zien dat de oscillatoire activiteit samenhangt met het proces voor visuele aandacht. In dit onderzoek werd ook regelmatig een vergrote activiteit in de gamma band

aangetroffen. Verhoging in activiteit van bèta oscillaties werden bij elke juiste keuze gevonden bij de katten, terwijl verhoging in gamma activiteit niet elke keer werd waargenomen. Bij katten lijken voornamelijk bèta oscillaties dus iets te zeggen over hoe visuele informatie verwerkt wordt.

Ook bij mensen is ondersteuning gevonden voor het idee dat bèta oscillaties meespelen bij aandachtsregulatie (Kaminski et al., 2012). In dit onderzoek werd geen gebruik gemaakt van afleiders, maar werd alleen gekeken naar de focus van aandacht. Vlak achter elkaar werden twee figuren getoond waarna de deelnemer moest aangeven welk figuur er als eerste was gepresenteerd. Er werd een hogere bèta activiteit gemeten in de pariëtale gebieden, wat een snellere reactietijd opleverde bij het aangeven van de volgorde van de figuren. Bij een snellere reactietijd werd een lagere bèta activiteit waargenomen in de occipitale gebieden. De pariëtale gebieden worden vaak in verband gebracht met aandacht processen. Kaminski et al. (2012) gaven zelf geen verklaring voor de resultaten maar vonden deze overeenkomen met resultaten uit een vergelijkbare studie met apen (Zhang et al., 2008). Hierin wordt voorgesteld dat bèta oscillaties lijken te dienen als een mechanisme dat zorgt voor spreiding van aandachtsgerelateerde activatie in de betrokken corticale gebieden. Ook zou bèta oscillaties een inhiberende functie kunnen uitoefenen naar de occipitale gebieden. Waar alfa oscillaties zorgen voor een inhiberende functie bij irrelevante informatie, lijken bèta oscillaties voornamelijk te zorgen voor een activerende functie bij relevante informatie.

Voorgaande onderzoeken suggereren zowel een rol voor alfa als bèta oscillaties bij de modulatie voor verwerking van relevante versus irrelevante visuele stimuli. Momenteel is er geen onderzoek gedaan naar filteren van relevante en irrelevante informatie waarbij zowel in de alfa band, bèta band als de gamma band is gemeten. Wel is er onderzoek gedaan waarin zowel in de alfa, bèta en gamma band werd gemeten bij een aandachtstaak (Sauseng et al., 2005). In dit onderzoek naar inhibitie door alfa oscillaties werd gekeken naar de synchronisatie van alfa oscillaties in corticale gebieden bij waarnemingen in verschillende visuele velden. Dit werd onderzocht door middel van een gecuede spatiële aandachtstaak. Deelnemers moesten de aandacht richten op een plek aangegeven door een spatiële cue. Deze cue kon juist of onjuist zijn. In 75% van de gevallen verscheen de stimulus op de juist aangegeven visuele veld, en in 25% van de gevallen in het andere visuele veld. Wanneer de cue het juiste visuele veld had aangegeven werd er een vergrote alfa activiteit waargenomen op de parieto-occipitale gebieden contralateraal gelegen van het aangegeven visuele veld, vergeleken met wanneer de cue niet het juiste visuele veld aangaf. De vergrote activiteit in de contralateraal gelegen hemisfeer vond 200 ms voor de presentatie van de stimulus plaats, wat laat zien dat er

onderdrukking plaats vond van de activatie en verdere informatie verwerking van de contralateraal gelegen hemisfeer.

Deze vergrote alfa activiteit werd niet waargenomen in de ipsilateraal gelegen hemisfeer. In de bèta en gamma oscillatiebanden werd geen waarneembaar verschil in activatie gevonden in beide hemisferen. Hoewel dit onderzoek geen filteren vereiste van relevante en irrelevante informatie, laat dit onderzoek wel zien dat er een verschil in verwerking plaatsvind tussen informatie waar wel of niet aandacht aan moest worden besteed. Dat hier naar voren komt dat alfa oscillaties hiervoor de sterkste indicator is, onderbouwt het idee dat alfa oscillaties ook de belangrijkste indicator zal zijn in de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie.

Vooralsnog worden er vaak verschillende gebieden aangewezen die belangrijk zouden zijn bij de verwerking van relevante en irrelevante informatie. Zo vonden zowel Bonnefond (2013) als Saalmann (2012) een versterkte activatie in het temporo-occipitale gebied, en vonden zowel Sauseng (2005) als Kaminski et al. (2012) een versterkte activatie in de parieto-occipitale gebieden. Een mogelijke verklaring hiervoor zou zijn gevonden door Snyder (2010), deze stelde voor dat verschillende taken ook verschillend verwerkt worden. Snyder (2010) vond dat aandacht naast de spatiële locatie ook toegepast kon worden op de niet-spatiële eigenschappen van het object waar wel of niet aandacht aan moet worden besteed. Zo zou er ook worden verwerkt op o.a. kleur en bewegingsvector. Met deze twee niet-spatiële eigenschappen is een onderzoek uitgevoerd, omdat bekend is dat deze eigenschappen in verschillende corticale gebieden worden verwerkt en door mensen gemakkelijk uit elkaar worden gehouden. Wanneer de

bewegingsvector moest worden genegeerd, en dus de aandacht moest worden gericht op de kleur, werd er een vergrote alfa activiteit waargenomen in de dorsale gebieden. Wanneer kleur moest worden genegeerd, en dus de aandacht moest worden gericht op de bewegingsvector, werd een vergrote alfa activiteit waargenomen in de ventrale gebieden. Dit laat dus zien dat alfa suppressie niet alleen werkt op spatiële kenmerken, maar er ook eigenschappen zoals kleur en bewegingsvector verder worden verwerkt. Wanneer dan met deze nieuwe informatie nogmaals wordt gekeken naar de onderzoeken van Saalmann (2012), Bonnefond (2013), Sauseng (2005) en Kaminski et al. (2012), kan hiertussen een groot verschil worden gevonden. De onderzoeken van Saalmann (2012) en Bonnefond (2013) presenteerden het object waarop gereageerd moest worden tegelijk met de afleidende objecten, terwijl Sauseng (2005) en Kelly (2006) deze achter elkaar liet zien en deze dus niet allemaal tegelijkertijd verwerkt moesten worden. Mogelijk speelt niet alleen de aard van de stimulus, maar ook de presentatie van de stimuli een rol in de mechanismen die betrokken zijn bij modulatie van verwerking van relevante en irrelevante stimuli.

Rol pulvinar in aandachtsgerelateerde modulatie door alfa oscillaties

De hiervoor besproken onderzoeken laten zien dat bij modulatie van verwerking van relevante versus irrelevante informatie de pulvinar een belangrijke rol speelt en dat alfa oscillaties de verwerking van visuele informatie kunnen beïnvloeden door bepaalde gebieden te activeren of te inhiberen. Eerder besproken onderzoek heeft laten zien dat bij visuele aandachtstaken de pulvinar een belangrijke rol speelt (Saalmann et al., 2010) en dat alfa oscillaties de grootste rol speelt in de modulatie voor verwerking van relevante versus irrelevante stimuli. Om nu meer duidelijkheid te verkrijgen in de manier waarop de pulvinar en alfa oscillaties samen zorgen voor een modulatie van verwerking van relevante en irrelevant informatie, zal nu gekeken worden naar welke rol de pulvinar speelt in de

aandachtsgerelateerde modulatie door alfa oscillatoire activiteit. Momenteel is hier nog weinig onderzoek naar uitgevoerd, maar het kleine aantal studies waarin deze vraag is onderzocht lijkt een belangrijke rol voor de pulvinar in de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie te suggereren.

In een onderzoek werd verkennend gekeken naar de functionele organisatie van dieper gelegen subcorticale gebieden betrokken bij de modulatie van alfa oscillaties. Specifiek werd er gekeken hoe alfa oscillaties thalamo-corticale verbindingen beïnvloed. Hier werd gevonden dat alfa oscillaties gemoduleerd werden in de pulvinar (Attal et al., 2010). Hierbij werd gebruik gemaakt van MEG, waarmee zowel corticale als subcorticale gebieden gemeten konden worden door toepassing van specifieke spatiele filters (voor details, zie Attal et al.,2010). Data werd verkregen door deelnemers de ogen te laten openen of te sluiten. De ogen moesten gesloten worden omdat bekend is dat alfa oscillaties dominant zijn in een rustende conditie waarbij de ogen gesloten zijn, maar de deelnemer niet in slaap is (Attal et al., 2010). Er werd een sterke modulatie van alfa power gevonden. Op het moment dat de ogen gesloten werden nam de alfa af in frequentie en trad er dus een inhiberend effect op in de pulvinar. Modulatie van de amplitude van de alfa oscillaties trad met name op in de pulvinar, maar kwam ook voor in de posterior pariëtale en occipitale gebieden. Van de gebieden waar modulatie optrad in dit onderzoek werd in voorgaande paragraaf aangetoond dat deze betrokken zijn bij de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie. Dat deze gebieden aan de hand van dit onderzoek in verband worden gebracht met alfa oscillaties levert bewijs dat alfa oscillaties betrokken zijn bij de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie.

In eerder besproken onderzoek naar de rol van de pulvinar bij selectieve onderdrukking bij aandacht werd gevonden dat er voorafgaand aan de presentatie van een target in de pulvinar een toename van alfa activiteit waar te nemen is. Wanneer de target eenmaal verschenen is neemt deze weer af (Saalmann, 2012). Saalmann (2012) denkt dat

deze verhoogde activatie ervoor zorgt dat het pad naar de visuele cortex alvast geactiveerd wordt waardoor deze betrokken gebieden paraat staan en sneller informatie kunnen verwerken wanneer de target eenmaal gepresenteerd wordt. Om dit te onderzoeken is gekeken naar de synchroniciteit tussen corticale gebieden betrokken bij de modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie. Voor dit onderzoek werden bij de pulvinar en bij de V4 en temporo-occipitale gebied (TEO) chirurgisch elektroden ingebracht zodat hier doelgericht de elektrofysiologische eigenschappen konden worden meten. Om zeker te weten dat de elektroden op de correcte locatie waren aangebracht werd er met Diffusion Tensor Imaging (DTI) de structurele basis van dit pulvino-corticale netwerk bekeken. Op de variatie van de Eriksen flanker taak werd de aandacht gericht op een punt van een scherm met een spatiële cue. Vervolgens verschenen er een vooraf geïnstrueerd object op het scherm, die wel of niet geflankeerd werd door afleidende stimuli. Door te kijken naar de coherentie van de verkregen data van de ingebrachte elektroden kon synchroniciteit worden afgeleid tussen verschillende hersengebieden. In de periode tussen presentatie van de spatiële cue en het object kon er een versterkte synchronisatie worden waargenomen tussen V4 en TEO in de alfa en gamma frequentiebanden, wanneer de aandacht op de juiste plek gericht was geweest. In de alfaband was er coherentie tussen V4 en TEO, pulvinar en V4 en tussen pulvinar en TEO. Dit laat zien dat de pulvinar onderdeel is van het aandacht netwerk van de hersenen en de alfaband gebruikt als manier van opereren. Deze modulatie lijkt zijn oorsprong te vinden in de pulvinar, die op basis van aandacht de alfa synchronie reguleert. Deze pulvinar gecontroleerde alfa activiteit lijkt de gamma activiteit te moduleren, de fase van de gamma activiteit past zich naar de fase van de alfa activiteit aan (Saalmann et al., 2012). Dit onderzoek toont dus aan dat er synchronisatie tussen de pulvinar en visuele gebieden plaatsvindt door zowel alfa als gamma oscillaties en dat de pulvinar een centrale rol speelt bij het uitfilteren van irrelevante informatie.

Voorgaande onderzoeken genoemd in deze paragraaf laten een duidelijk verband zien tussen de pulvinar en alfa oscillaties. Zo is er duidelijkheid geschept over de betrokkenheid van de pulvinar in de modulatie van alfa oscillaties (Attal et al., 2010) . Er kan dus met enige zekerheid gezegd worden dat de pulvinar een rol speelt in de modulatie voor verwerking van relevante versus irrelevante informatie. Deze rol wordt mogelijk vervuld door corticale gebieden betrokken bij deze modulatie te activeren of te inhiberen. Het onderzoek van Saalmann et al. (2012) laat zien dat er mogelijk sprake is van een modulatie effect van de alfa oscillaties op de gamma oscillaties vanuit de pulvinar. Over dit mogelijke modulatie effect uit de pulvinar is momenteel geen onderzoek beschikbaar waarin ondersteuning wordt gezicht voor de resultaten gevonden door Saalmann et al. (2012). Wel is er in het algemeen gekeken naar de

modulerende invloeden van alfa oscillaties op gamma oscillaties (Roux et al., 2013). De onderzoekers suggereren hierin wel een actieve rol van de pulvinar, maar dit is niet specifiek onderzocht.

In een onderzoek naar de invloed van alfa oscillaties op gamma oscillaties werd door Roux et al. (2013) gevonden dat de sterkte van gamma activiteit in posteriore mediale parietale gebieden gemoduleerd werd door de sterkte van de thalamische alfa oscillaties. Gamma activiteit in de visuele gebieden werd echter gemoduleerd door corticale alfa oscillaties. Net is in de studie van Saalmann et al. (2012) werd gevonden dat de fase van de gamma oscillaties moduleren naar de fase van de alfa oscillaties (Roux et al., 2013). Dit werd gemeten met MEG, gedurende een opname waarbij de ogen gesloten moesten worden en de deelnemer in rust was. Roux et al. (2010) suggereren dat de pulvinar door middel van alfa oscillaties de gamma activiteit in gerelateerde corticale gebieden kan beïnvloeden. Momenteel is dit nog niet specifiek onderzocht.

Conclusie en discussie

In deze literatuurstudie werd gekeken naar de functie van de pulvinar bij de verwerking van relevante en irrelevante informatie en hoe de pulvinar dit proces beïnvloedt. Hiervoor werden bevindingen over de precieze rol van de pulvinar is bij modulatie van verwerking van relevante en irrelevante informatie besproken. De pulvinar lijkt voornamelijk een filterende functie te hebben, wanneer aandacht wordt besteed aan irrelevante informatie zorgt de pulvinar ervoor dat deze informatie niet verder verwerkt kan worden, terwijl tegelijkertijd de verdere verwerking van relevante informatie bespoedigd wordt (Buchsbaum et al., 2006; Fischer et al., 2012; Saalmann et al., 2012). Dit laat zien dat de pulvinar een invloed uitoefent op andere corticale gebieden, informatie wordt wel of niet verder verwerkt. Vervolgens werd gekeken welke corticale mechanismen betrokken waren bij de modulatie van verwerking van relevante versus irrelevante informatie met bevindingen uit EEG-onderzoek. De frequentieband die het meeste leek te zeggen over de verwerking van visueel relevante of irrelevante informatie bleek de alfaband te zijn. Informatie die niet verder verwerkt diende te worden ging gepaard met een sterke inhibitie van het betrokken visuele gebied. Alfa lijkt dus vooral een inhiberende functie te hebben (Fischer et al., 2012; Bonnefond et al., 2013; Payne et al., 2013; Sauseng et al., 2005). Om te kunnen begrijpen hoe de pulvinar en alfa oscillaties samenwerking in de modulatie van

verwerking van relevante en irrelevante informatie werd er als laatste gekeken welke rol de pulvinar speelt in de aandachtsgereguleerde modulatie van oscillatoire activiteit. De alfa oscillaties lijken door de pulvinar aangestuurd te worden, en van daaruit de andere corticale gebieden te beïnvloeden.

De voorgenoemde literatuur laat dus een duidelijke rol van de pulvinar zien, deze is essentieel wanneer het aankomt op modulatie van verwerking van relevante versus irrelevante informatie en maakt hierbij gebruik van alfa oscillaties.

Er is momenteel echter nog belangrijke informatie die ontbreekt. Zo is er geen onderzoek naar voren gekomen waarin zowel alfa, bèta als gamma oscillaties werden gemeten in eenzelfde onderzoeksopzet om te kijken naar de cognitieve verwerking van relevante en irrelevante informatie. Mogelijk speelt gamma oscillaties wel een belangrijke rol maar geeft deze een veel langzame oscillaties af dan alfa oscillaties waardoor deze wegvalt, of wordt de gamma oscillaties beïnvloed door de veel snellere alfa oscillaties zoals Saalmann er al. (2012) en Roux et al. (2013) voorstelden. Om hier meer duidelijkheid in te scheppen zou activiteit in deze drie verschillende frequentiebanden in één onderzoek bekeken kunnen worden met EEG of MEG bij de verwerking van relevante en irrelevante informatie. Met deze

informatie zouden de rollen van de verschillende oscillatoire mechanismen of een interactie tussen de oscillatoire mechanismen wellicht aangetoond kunnen worden

Op de vraag wat de precieze functie van de pulvinar is, werd in deze literatuurstudie gevonden dat de pulvinar zorgt voor de filtering van irrelevante informatie van relevante informatie en niet de verschuiving van aandacht. Mogelijk is dit antwoord niet zo zwart-wit als gegeven in deze studie. Een voorwaarde voor het filteren was telkens dat de aandacht wel juist gericht moest zijn, anders trad het filerende effect niet op. Het richtten van aandacht kan mogelijk alleen optreden door een verschuiving van de aandacht. Om hier meer zekerheid over te krijgen zal hier onderzoek naar uitgevoerd moeten worden. Mocht het zo zijn, dan kloppen in zekere mate beide modellen.

Daarnaast worden nu vaak oscillaties gevonden in verschillende hersengebieden betrokken bij de verwerking van relevante en irrelevante informatie. Wanneer wordt uitgegaan van het idee van Snyder et al. (2010) dat de pulvinar niet alleen filtert op spatiële cues maar ook niet-spatiële cues, kan hier mogelijkerwijs een verklaring gevonden worden voor de uiteenlopende hersengebieden die worden geactiveerd in de verschillende onderzoeken genoemd in dit onderzoek. Één mogelijk verschil zou kunnen zijn dat onderzoek de ene keer het filteren bekijkt door de relevante informatie tegelijkertijd aan te bieden met de irrelevante informatie, en een andere keer de relevante informatie en de irrelevante informatie achter elkaar laat zien. Mocht hier verder onderzoek naar gedaan worden, kunnen er misschien verschillende paden voor verschillende niet-spatiële eigenschappen worden gevonden waarmee meer duidelijkheid geschept kan worden op dit gebied. Hiermee kunnen mogelijk de verschillend geactiveerde gebieden die naast de pulvinar worden gevonden worden verklaren die momenteel veelal gevonden zijn in oscillatoir onderzoek naar aandachtsregulatie. Momenteel is er namelijk maar één overeenkomst en dat is de betrokkenheid van de pulvinar in deze paden. Onderzoek hiernaar zou mogelijk kunnen aangeven wat de rol van de pulvinar is bij het filteren van niet-spatiële cues.

De pulvinar is maar een klein deel van de thalamus in de subcortex en is er moeilijk te bereiken met

meetapparatuur doordat deze zo diep weggestopt ligt. De meeste meetapparatuur krijgen hierdoor geen goede meting van de pulvinar doordat ruis van andere omliggende gebieden wordt opgevangen. Dit zou een verklaring kunnen zijn voor het huidige gebrek aan veel onderzoek rondom de pulvinar. De suggestie van Roux et al. (2010) dat de pulvinar door middel van alfa oscillaties de gamma activiteit in bepaalde corticale gebieden kan beïnvloeden is echter een zeer interessant idee en zou onze kennis over zowel de pulvinar als de werking van oscillaties vergroten. Door te

onderzoeken hoe deze synchronisatie tussen de frequentiebanden werkt kan meer duidelijkheid worden verworven

over hoe verschillende gebieden in onze hersenen samen kunnen werken zonder direct met elkaar in verbinding te staan.

Deze literatuurstudie biedt verdere ideeën voor onderzoek, zodat hopelijk meer inzicht in oscillaties en de werking van de pulvinar gevonden kan worden. Mogelijk kan er nog uitgebreider onderzoek gedaan worden naar de precieze werking van oscillaties en of er sprake is van interactie in situaties zoals bij aandacht. Daarnaast kan nog gekeken worden naar de rol van de pulvinar wanneer er niet alleen sprake in van filteren op basis van spatiële cues, maar ook van niet-spatiële cues. Als al deze informatie bekend is, zullen we meer kennis hebben over de neurale basis van het fenomeen waarbij onze fiets er voor het gevoel uitspringt op het station, terwijl er talloze andere objecten en fietsen omheen staan.

Literatuuroverzicht

Attal, Y., Yelnik, J., Bardinet, E., Chupin, M., & Baillet, S. (2010, January). MEG detects alpha-power modulations in pulvinar. In 17th International Conference on Biomagnetism Advances in Biomagnetism–Biomag2010 (pp. 211-214). Springer Berlin Heidelberg.

Bonnefond, M., & Jensen, O. (2013). The role of gamma and alpha oscillations for blocking out distraction. Communicative & integrative biology, 6(1).

Buchsbaum, MS. "Thalamocortical circuits: fMRI assessment of the pulvinar and medial dorsal nucleus in normal volunteers." Neuroscience Letters 404(2006):282-287.

Fischer, J., & Whitney, D. (2012). Attention gates visual coding in the human pulvinar. Nature communications, 3, 1051.

Kamiński, J., Brzezicka, A., Gola, M., & Wróbel, A. (2012). Beta band oscillations engagement in human alertness process. International Journal of Psychophysiology, 85(1), 125-128.

Payne, L., Guillory, S., & Sekuler, R. (2013). Attention-modulated alpha-band oscillations protect against intrusion of irrelevant information. Journal of cognitive neuroscience, 25(9), 1463-1476.

Roux, F., Wibral, M., Singer, W., Aru, J., & Uhlhaas, P. J. (2013). The phase of thalamic alpha activity modulates cortical gamma-band activity: evidence from resting-state MEG recordings. The Journal of Neuroscience, 33(45), 17827-17835.

Saalmann, Y. B., & Kastner, S. (2011). Cognitive and perceptual functions of the visual thalamus. Neuron, 71(2), 209-223.

Saalmann, Y. B., Pinsk, M. A., Wang, L., Li, X., & Kastner, S. (2012). The pulvinar regulates information transmission between cortical areas based on attention demands. Science, 337(6095), 753-756.

Sauseng, P., Klimesch, W., Stadler, W., Schabus, M., Doppelmayr, M., Hanslmayr, S., ... & Birbaumer, N. (2005). A shift of visual spatial attention is selectively associated with human EEG alpha activity. European Journal of

Neuroscience, 22(11), 2917-2926.

Strumpf, H., Mangun, G. R., Boehler, C. N., Stoppel, C., Schoenfeld, M. A., Heinze, H. J., & Hopf, J. M. (2013). The role of the pulvinar in distractor processing and visual search. Human brain mapping, 34(5), 1115-1132.

Snyder, A. C., & Foxe, J. J. (2010). Anticipatory attentional suppression of visual features indexed by oscillatory alpha-band power increases: a high-density electrical mapping study. The Journal of Neuroscience, 30(11), 4024-4032.

Snow, J. C., Allen, H. A., Rafal, R. D., & Humphreys, G. W. (2009). Impaired attentional selection following lesions to human pulvinar: evidence for homology between human and monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(10), 4054-4059.

Wilke M, Turchi J, Smith K, Mishkin M, Leopold DA ( 2010): Pulvinar inactivation disrupts selection of movement plans. J Neurosci 30:8650–8659.

Wróbel, A., Ghazaryan, A., Bekisz, M., Bogdan, W., & Kamiński, J. (2007). Two Streams of Attention-Dependent β Activity in the Striate Recipient Zone of Cat's Lateral Posterior–Pulvinar Complex. The Journal of neuroscience,27(9), 2230-2240.

Zhang, Y., Wang, X., Bressler, S. L., Chen, Y., & Ding, M. (2008). Prestimulus cortical activity is correlated with speed of visuomotor processing. Journal of cognitive neuroscience, 20(10), 1915-1925.

Onderzoeksvoorstel Bachelorthese

Beïnvloeding gamma oscillaties door pulvinar

gereguleerde alfa oscillaties

Samenvatting

In deze studie zal gekeken worden naar de beïnvloeding van gamma oscillaties door pulvinar gereguleerde alfa oscillaties. Alfa oscillaties vinden hun oorsprong in de pulvinar en hebben een inhiberende werking in gebieden waar irrelevante informatie wordt verwerkt wanneer aan de relevante informatie aandacht wordt besteed. In dit onderzoek zal gekeken worden of de alfa oscillatie de gamma oscillatie beïnvloed, wat zorgt voor een versterking van gebieden betrokken bij de verwerking van relevante informatie, en welke rol de pulvinar hierin speelt.

Onderzoeksvraag

Dagelijks worden onze hersenen voorzien van een heleboel informatie. Veel van deze informatie is echter niet relevant voor het correct uitvoeren van een taak. Denk bijvoorbeeld aan het autorijden. Hierbij komt een enorme lading informatie op ons af; details over de auto’s om ons heen, de weg, de verkeersborden, maar ook komt er informatie binnen over een vliegtuig dat overvliegt, een reiger in het weiland of die vlieg die per ongeluk mee de auto is ingekomen. In dit soort situatie is het belangrijk om een onderscheid te kunnen maken tussen wat de relevante

informatie in deze situatie is, en wat de irrelevante informatie is (Klimesch et al., 2007). Mocht er iets gebeuren op de weg dat de aandacht trekt, zal de vlieg in de auto snel vergeten worden. Dit is een voorbeeld van hoe de hersenen de irrelevante informatie heeft gefilterd van de relevante informatie.

Er lijkt in de hersenen inhibitie plaats te vinden in de modulatie van verwerking van irrelevante informatie (Foxe et al., 2010). Wanneer er meerdere visuele stimuli tegelijkertijd bij mensen binnenkomen wordt er door de hersenen een onderscheid gemaakt tussen relevante en irrelevante informatie, afhankelijk van waar de aandacht op gericht is. Door het richten van de aandacht kan er door de hersenen geanticipeerd worden op relevante informatie en hierdoor kan op

deze informatie sneller gereageerd worden. Deze anticipatie vind in de hersenen plaats in de pulvinar, een

subthalamische kern. De pulvinar reguleert het anticiperende effect door middel van alfa oscillaties (8-13 Hz), deze alfa oscillaties kunnen gerelateerde visuele gebieden in de cortex activeren of inhiberen door de alfa sterkte in deze gebieden te verkleinen of te vergroten (Foxe et al., 2010). Hoe sterker de alfa in een gebied, hoe groter de inhibitie van dat gebied is. Wanneer een gebied geïnhibeerd is, zal deze geen informatie kunnen verwerken. Alfa oscillaties vinden dus de oorsprong in de pulvinar en vanuit daar wordt de modulatie voor verwerking van relevante en irrelevante informatie beïnvloed door activatie of inhibitie van relevante visuele gebieden.

Recentelijk lijkt steeds meer het idee te ontstaan dat de gehele modulatie voor verwerking van relevante en irrelevante informatie niet alleen door alfa oscillaties wordt aangestuurd (Jensen et al., 2014). Alfa oscillaties beïnvloeden

waarschijnlijk gamma oscillaties (30-150 Hz). Van alfa oscillatie wordt vaak gezegd dat deze betrokken is bij de modulatie van aandachtsprocessen, en gamma oscillatie zou betrokken zijn bij sensorische verwerking. Een interactie tussen deze twee processen zou voor een optimale verwerking van visuele informatie bij het richten van aandacht zorgen. Oscillaties treden op in pulsen, Jensen et al. (2010) vonden dat daardoor de inhibitie van een hersengebied ook in pulsen optreedt. Het ene moment is de inhibitie heel sterk, het volgende moment is de inhibitie zwakker, gevolgd door weer een hele sterke inhibitie etc. Op de momenten dat de inhibitie het sterkste is treed er een verandering op in de gamma oscillatie, deze oscilleert in het ritme van de alfa band mee tot het moment dat de inhibitie het zwakst is (Jensen et al., 2010). Een mogelijke verklaring is dat de anticipatie van de alfa oscillatie wordt vergeleken met de sensorische informatie die binnenkomt, wat zorgt voor een versterking van de relevante informatie. Alfa oscillatie zorgt dus voor inhibitie van de irrelevante informatie, en door een combinatie van alfa en gamma oscillaties kan relevante informatie mogelijk sterker geactiveerd worden. In het onderzoek van Jensen et al. (2010) werd gekeken naar de verwerking van gezichten, wat op een andere manier verwerkt wordt dan visuele spatiële informatie. Er wordt gesuggereerd dat de pulvinar mogelijk een rol speelt in de verwerking van visuele spatiële informatie.

Eenzelfde resultaat van alfa oscillatie op gamma oscillatie kwam ook naar voren in een onderzoek waar deelnemers de ogen open of dicht moesten doen (Osipova et al., 2008). Ook hier werd gevonden dat de fase van de alfa oscillatie de fase van gamma oscillatie beïnvloed, en dat de gamma oscillatie qua fasen vrijwel hetzelfde gaat lopen. De fase van de gamma oscillatie trok het sterkste naar de alfa oscillatie toe boven de occipitale gebieden, dit werd niet gevonden bij gebieden die niet betrokken waren bij de verwerking van visuele informatie. Wanneer alleen naar gamma activiteit wordt gekeken in de occipitale gebieden valt deze verandering niet op, pas wanneer naar deze veranderingen wordt

gekeken in vergelijking met alfa oscillaties (Osipova et al., 2008). Ook in dit onderzoek komt naar voren dat gamma activiteit alleen veranderd bij specifieke fase in de alfa oscillatie. In een vergelijkbaar onderzoek werd bij het openen en sluiten van de ogen gemeten met MEG welke modulaties van activiteit er optraden in de dieper gelegen corticale gebieden (Attal et al., 2010). Hier werd activiteit waargenomen in de alfa band bij parietale-occipitale gebieden en de pulvinar. Helaas werd in dit onderzoek niet gekeken naar de gamma band. Toch geeft de techniek die voor dit

onderzoek gebruikt is de mogelijkheid voor ander onderzoek om met MEG sub-corticale gebieden te meten, wat hiervoor niet goed mogelijk was.

De invloed van alfa op gamma oscillaties is lange tijd niet duidelijk geweest, er waren vele onderzoeken die geen significante verhoging in activatie konden waarnemen in de gamma band (Klimesch et al., 2007). Door te kijken naar de cross-correlatie tussen de alfa en gamma oscillaties kan de verhoogde gamma activatie pas duidelijk worden waargenomen. Een verklaring hiervoor zou kunnen zijn dat alfa oscillaties zorgen voor de communicatie tussen hersengebieden op een lange afstand. Terwijl de gamma oscillaties alleen voor een lokale communicatie zorgen, die geen invloeden uitoefenen op de lange afstand (Von Stein & Sarnthein, 2000). In onderzoek naar een invloed van alfa oscillaties op gamma oscillaties moet rekening gehouden worden met deze cross-correlatie zodat er ook daadwerkelijk een significant resultaat gevonden kan worden.

Hiervoor genoemde onderzoeken hebben het verband tussen de alfa en gamma oscillaties voornamelijk onderzocht met EEG. Een reden hiervoor is dat de pulvinar een zeer moeilijk te bereiken gebied is met de moderne niet-invasieve meettechnieken. Een techniek die wel invasief is, maar waarmee de pulvinar wel gemeten kan worden, is de

implantatie van elektroden. In een onderzoek naar de invloed van alfa op gamma oscillaties bij een visuele taak werd gebruik gemaakt van geïmplanteerde elektroden bij epilepsie patiënten (Voytek et al., 2010). Ook hier werd gevonden dat de fase van de gamma oscillatie zich vormde naar de fase van de alfa oscillatie. Echter is er niet gekeken naar de invloed van de thalamus of pulvinar in deze modulatie.

Voorgaande onderzoeken ondersteunen het idee dat gamma oscillaties beïnvloed worden door alfa oscillaties bij visuele aandachtstaken, maar zeggen weinig over de invloed van de thalamus of pulvinar hierin. Onderzoek naar de invloed van de pulvinar bij deze modulatie vergroot de huidige kennis over hoe verschillende hersengebieden, die niet direct met elkaar in verbinding staan, toch met elkaar kunnen communiceren over lange afstanden. In dit onderzoek zal daarom gekeken worden naar de beïnvloeding van gamma oscillaties door pulvinar gereguleerde alfa oscillaties bij visuele aandachtstaken.

Onderzoeksmethoden

Voor dit onderzoek wordt gebruik gemaakt van 5 deelnemers die getest worden met MEG. Deze deelnemers variëren in leeftijd tussen de 18 en 35 jaar, en hebben geen neurologische afwijkingen. De deelnemers voerden een spatiële aandachtstaak uit terwijl er wordt gemeten met MEG. Bij de MEG wordt gebruik gemaakt van de methode van Attel et al. (2010). Hierbij worden ondersteunende elektroden op de schedel geplaatst, die ervoor zorgden dat in de verdere analyse van de verkregen data er een onderscheid kon worden gemaakt tussen corticale en sub-corticale activiteit (voor meer informatie zie Attal et al., 2010).

Als spatiële aandachtstaak moeten de deelnemers naar een scherm kijken, waarop met een spatiële cue word

aangegeven waar op het beeldscherm de aandacht moet worden gefocust. De spatiële cue is voor 100 ms zichtbaar. Dit word gevolgd door een leeg scherm voor 400-800 ms. Voorafgaand aan de spatiële cue werd een target waar op gelet moest worden, zoals een vierkantje (dit varieerde per keer). Vervolgens verschijnt op het scherm gedurende 700 ms meerdere figuren, waaronder de target, die geflankeerd word door afleidende figuren. De target staat dan of aan de kant die vooraf werd aangegeven door de spatiële cue, of aan de andere kant van het scherm. De deelnemers moeten op een knop drukken om aan te geven aan welke kant de target werd waargenomen, hiervoor is één knop beschikbaar voor de linkerkant en één knop beschikbaar voor de rechterkant.

Bij de MEG wordt er gemeten in het 8-13 Hz bereik voor de alfa en in het 30-150 Hz bereik voor gamma oscillaties.

De deelnemers worden vooraf ingelicht over het doel van het onderzoek en word verzocht een informed consent formulier te ondertekenen waarmee de deelnemer instemt met het onderzoek en het gebruik van de resultaten. Gedurende het onderzoek zaten de deelnemers met het hoofd in de MEG en werden de elektroden op de schedel geplaatst, en konden plaatsnemen voor een beeldscherm. De deelnemers krijgen twee knoppen voor zich waar gemakkelijk op gedrukt kan, met de instructie om ze stil mogelijk te blijven zitten zodat er zo min mogelijk verstoringen zullen komen in de data. Wanneer de deelnemer eenmaal comfortabel zit kan er getest worden. De deelnemers zullen dezelfde spatiële aandachtstaak uitvoeren gedurende 10 minuten.

Data analyse

De verkregen data zal worden gefilterd en gecorrigeerd voor bewegingen (knipperen, verzitten etc.). Aan de hand van de verkregen informatie van de elektroden, zal door middel van de methoden van Attal et al. (2010) de data zo worden gefilterd dat er een duidelijker beeld van de plaatselijke activiteiten in de alfa en gamma band kan worden weergeven. Daarna wordt er gekeken of er interactie heeft plaatsgevonden tussen de alfa en gamma oscillaties, door te kijken naar de cross-correlatie.

Interpretatie van mogelijke resultaten

Als de cross-correlatie laat zien dat er een interactie plaatsvindt tussen alfa en gamma oscillaties en deze beïnvloed worden door de pulvinar, is dit bewijs voor het idee dat de pulvinar gerelateerde alfa oscillaties de fase van de gamma oscillaties beïnvloed, en de gamma oscillaties vervormen naar de alfa oscillaties in fase. Dit zou betekenen dat het mechanisme dat betrokken is bij de verwerking van visuele relevante en irrelevante informatie uitgebreider en ingewikkelder is dan nu vaak wordt aangenomen. Verschillende oscillaties zouden dat dus elk een eigen functie hebben, en een eigen gebied waarin deze functie wordt uitgevoerd. Mocht dit onderzoek geen significant resultaat geven voor de invloed van de pulvinar op de alfa en gamma oscillaties, dan is het interessant om post hoc te kijken of er wellicht een ander gebied kan worden aangewezen van waaruit de oscillaties beïnvloed worden. In dat geval is de pulvinar mogelijk alleen betrokken bij de verwerking van relevante en irrelevante informatie als tussenstation, en speelt het niet een hoofdrol zoals wordt aangenomen in dit onderzoek

Literatuur

Attal, Y., Yelnik, J., Bardinet, E., Chupin, M., & Baillet, S. (2010, January). MEG detects alpha-power modulations in pulvinar. In17th International Conference on Biomagnetism Advances in Biomagnetism–Biomag2010(pp. 211-214). Springer Berlin Heidelberg.

Foxe, J. J., & Snyder, A. C. (2011). The role of alpha-band brain oscillations as a sensory suppression mechanism during selective attention.Frontiers in psychology,2.

Jensen, O., Gips, B., Bergmann, T. O., & Bonnefond, M. (2014). Temporal coding organized by coupled alpha and gamma oscillations prioritize visual processing.Trends in neurosciences.

Klimesch, W., Sauseng, P., & Hanslmayr, S. (2007). EEG alpha oscillations: the inhibition–timing hypothesis. Brain

research reviews, 53(1), 63-88.

Osipova, D., Hermes, D., & Jensen, O. (2008). Gamma power is phase-locked to posterior alpha activity.PLoS One,3(12), e3990.

Von Stein, A., & Sarnthein, J. (2000). Different frequencies for different scales of cortical integration: from local gamma to long range alpha/theta synchronization.International Journal of Psychophysiology,38(3), 301-313.

Voytek, B., Canolty, R. T., Shestyuk, A., Crone, N. E., Parvizi, J., & Knight, R. T. (2010). Shifts in gamma phase– amplitude coupling frequency from theta to alpha over posterior cortex during visual tasks.Frontiers in human neuroscience,4.