From choice to action : neural activity tracking decision making

Abstract

Wahrnehmungsbasierte Entscheidungsfindung ist eine komplexe Aufgabe, die sich aus mehreren Teilprozessen zusammensetzt, von der Wahrnehmung von Reizen über die Berechnung von Entscheidungen bis hin zur Ausführung der Handlung. An diesen vielfältigen Prozessen sind verschiedene Gehirnregionen und -netzwerke beteiligt. In dieser Arbeit habe ich mich auf die Beta-Power- Lateralisierung (BPL) konzentriert. Dieses Elektroenzephalogramm(EEG)- Signal resultiert aus einer asymmetrischen Beta-Power Reduktion, die in der kontralateralen Hemisphäre stärker ist als in der ipsilateralen, bezogen auf die kommende Bewegung. Dieses Signal baut sich robust an Elektroden über dem motorischen Kortex vor einer unimanuellen Reaktion auf. Hier habe ich untersucht, inwieweit diese Lateralisierung mit der Entscheidungsverarbeitung zusammenhängt. Dabei habe ich den zeitlichen Verlauf des Signals in Abhängigkeit von Entscheidungsvariablen wie den Antwortzeitpunkt und die Evidenzstärke untersucht. Insbesondere habe ich dabei erwartet, dass ein neuronales Korrelat der Entscheidungsfindung zeitlich von einem eher handlungsvorbereitenden Signal abgekoppelt werden kann. Des Weiteren habe ich die Hypothese aufgestellt, dass sich die Dringlichkeit einer Entscheidung in den Schwankungen der Signalamplitude widerspiegelt, die notwendig ist, um eine Entscheidung zu treffen. Außerdem habe ich angenommen, dass ein entscheidungsverarbeitendes Signal die Stärke der Evidenz abbildet, die zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Verarbeitung gesammelt wurde. Um diese Annahmen zu testen, habe ich drei Verhaltensexperimente mit gesunden Teilnehmern durchgeführt während ein 64-Kanal-EEG abgeleitet wurde. Dreißig Probanden haben zunächst die "Random-Dot-Motion" (RDM) Aufgabe in zwei Sitzungen (unmittelbare Antworten vs. forcierte Antwortverzögerung) ausgeführt. Die Reize variierten zufällig zwischen sechs Evidenz-Stufen (1,6 % - 51,2 % Bewegung in eine kohärente Richtung). In einem weiteren Experiment führten dreißig Teilnehmer ein einfaches Reaktionszeitparadigma mit variabler Antwortverzögerung (300-1300 ms) durch. Die Probanden mussten auf einen direktiven Pfeilreiz reagieren sobald ein Reaktionshinweis erschien. Weitere 34 Teilnehmer haben zweimal die "Token-Aufgabe" bearbeitet. Diese Aufgabe präsentiert schrittweise Evidenz und erlaubt Antworten zu selbstbestimmten Zeitpunkten, wobei schnellere Antworten in einigen Bedingungen mit Zeitersparnissen oder monetär belohnt wurden. Mithilfe von Regressionen auf Einzeldurchgangsebene fand ich heraus, dass sich der Startzeitpunkt der BPL von dem eines motorischen Vorbereitungssignals unterscheidet und auch nicht durch eine erzwungene Handlungsverzögerung beeinflusst wird. Insbesondere bei der Token-Aufgabe, aber teilweise auch bei der RDM, zeigte sich, dass die BPL mit der Menge der gesammelten Evidenz für die zukünftige Entscheidung einige Zeit vor Beginn der motorischen Vorbereitung variierte. Schließlich zeigte sich, dass Entscheidungen unter Zeitdruck durch einen veränderte BPL-Verlauf gekennzeichnet waren. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die BPL eine wichtige Rolle bei der Entscheidungsfindung spielt. Sie scheint entscheidungsrelevante Variablen während der gesamten Verarbeitung online zu kodieren und die gewählte Option mit der bevorstehenden Handlung zu verknüpfen. Somit könnte die BPL möglicherweise als Auslesesignal für die Entscheidungsentwicklung dienen.

Perceptual decision-making is a complex task that consists of several subprocesses from the perception of stimuli to the deliberation process to the implementation of the action. A wide range of brain regions and networks are involved in these diverse processes. In this work, I focused on beta-power lateralization (BPL), an electroencephalogram (EEG) signal that results from asymmetric beta power reduction, which is stronger over the contra- than the ipsilateral hemisphere with respect to the movement. This signal robustly builds up at motor cortical electrodes prior to a unimanual response. Here, I investigated the extent to which this lateralization is related to decision processing. I examined its variability as a function of decision variables such as timing and evidence. In particular, I expected that a neural correlate of decision making can be temporally disentangled from a more action-related signal. Furthermore, I hypothesized that the urgency of a decision would be reflected in the variation in signal amplitude necessary to commit to a choice. Finally, I expected that a decision-tracking signal encodes the amount of evidence accumulated at a given time during processing. To test these assumptions, I conducted three decision-making experiments with healthy human participants and 64-channel EEG recordings. First, thirty participants performed the 'random dot motion' task in two sessions (immediate responses vs. fixed response delay). The dot stimuli varied randomly between six levels of evidence (1.6 % { 51.2 % motion into a coherent direction). Second, thirty humans performed a simple delayed response paradigm with variable response delay latencies (300 - 1300 ms). They had to respond to a directive arrow stimulus as soon as the imperative response cue occurred. Third, 34 participants were asked to perform the 'Token Task' twice (without vs. with monetary reward). This task presented evidence in a discrete manner and allowed responses at self-determined times with fast responses being rewarded in certain conditions. I explored the relevance of the manipulations as well as reaction times for the dynamics of the BPL by using a novel single-trial regression approach. Using single-trial regression analyses, I found that BPL differed from a motor preparation signal in onset times and was not affected by a forced response delay (fixed and variable). In particular, in the Token Task, but also to some extent in the RDM, BPL was found to vary with the amount of accumulated evidence for the `choice to-be' some time before motor preparation began. Finally, I found that urgent decision making was re ected by altered BPL dynamics related to response timing. Overall, these results suggest that BPL plays a crucial role in decision making. It appears to encode decision-related variables throughout processing and to link the choice to the upcoming action. Thus, the BPL could potentially serve as an online read-out of decision development.