Working memory and attention-related EEG oscillations and the impact of a physical exercise on the brain

Abstract

Understanding the underlying neural mechanisms between visual working memory and visual attention has been of great interest in Neuroscience. Evidence shows that neural oscillations from an electroencephalogram (EEG) have a distinct activity pattern during specific cognitive processes. This dissertation’s overarching purpose was to contribute to our growing understanding of the neural basis of visual working memory (WM) and visual attention, with an emphasis on measuring the impact of physical exercise on such processes. Specifically, if an increase in aerobic fitness extends to changes in theta and alpha power, and in turn, to WM integrity and attention in the context of 4-month physical exercise training in sedentary young adults. In Chapter 2, I examined the changes in time-frequency power and how they relate to working memory and visual attention. Forty-three participants (19 - 34 years) performed both a delayed-match-to-sample (DMS) WM task and a visual attention-search (VAS) task. The DMS task required mnemonic discrimination of similar visual stimuli, akin to pattern separation, while the VAS task required detecting the presence of a spherical object (i.e., target) in an image. Results showed an increase in frontal midline theta (fm-theta) power during the VAS task and a decrease during the DMS task. The latter correlated with behavioral performance displaying a stronger decrease in fm-theta power during the maintenance phase associated with better mnemonic discrimination and faster response time (RT) during lure trials. Alpha power, on the other hand, decreased for both tasks displaying a greater decrease during the DMS task than during the VAS task, demonstrating its sensitivity to attentional demands. Alpha power also correlated with behavioral performance, where faster response time during the VAS task exhibited a stronger decrease in alpha power. Overall, these findings provide further evidence that theta and alpha power display a unique pattern of activity during specific cognitive processes and were also proportional to behavioral performance in both the DMS task and the VAS task. Working memory (WM) and attention have shown behavioral and structural benefits due to physical exercise (Cassilhas, Tufik, & De Mello, 2016). Quantifying the EEG neural activity in specific frequency bands from a longitudinal perspective can provide further insight into exercise-induced benefits in the brain. In Chapter 3, I investigated whether four months of physical exercise training modulated theta and alpha power. Behavioral and EEG data were acquired during a DMS task and VAS task before and after the intervention period. The same forty-three participants from the experiment in Chapter 2 were pseudorandomly assigned to an exercise group (indoor treadmill, n = 20) or a control group (n = 23). Behaviorally, there were no exercise-related effects on behavioral performance in either task. Although, compared to the pre intervention baseline, the exercise group showed an increase in frontal alpha power (9 - 12 Hz) during the VAS task after the intervention. Also, changes in alpha power positively correlated with changes in aerobic fitness and behavioral performance (RT - VAS task). These findings substantiate that physical exercise may influence neural dynamics underlying visual attention rather than visual WM and mnemonic discrimination in sedentary young adults (Chaire, Becke, & Düzel, 2020). In Chapter 4, I investigated the neural mechanisms of WM interference, generated from the clash between an internal (i.e., a number or color word) and an external representation (i.e., a Stroop-like distractor) presented during the maintenance phase. Specifically, I compared two dual-task paradigms that elicited different types of interference. That is, the trials could be more or less demanding (i.e., incongruent vs. congruent) and having the interference within the same or different feature domain than the memoranda (i.e., overlapping or non-overlapping features). Behavioral and neural differences were measured during retrieval as a function of prior congruency in a group of healthy young adults (n = 33). Behavioral results revealed higher accuracy and faster RT during the congruent trials of the domain-overlapping (DO) WM task, indicating a facilitation effect. Moreover, the P300 amplitude was larger on trials following a congruent distractor regardless of the task. On the other hand, theta power during WM retrieval was significantly larger for the incongruent trials during the DO WM task only, which may be reflective of the need for greater allocation of cognitive resources to tackle conflict resolution during WM retrieval. Overall, fmtheta revealed to be a more sensitive indicator of facilitating effects than the P300. Finally, in Chapter 5, I summarized the findings of the dissertation and discussed how EEG measures are used to infer the underlying mechanisms of physical exercise on visual attention, WM, and attention as a shared mechanism. I also add some recommendations for the use of EEG measures to answer future questions.

Das Verständnis der neuronalen Mechanismen, die dem visuellen Arbeitsgedächtnis und der visuellen Aufmerksamkeit zugrunde liegen, ist für die Neurowissenschaften von großem Interesse. Es gibt Hinweise darauf, dass neuronale EEG-Oszillationen während bestimmter kognitiver Prozesse ein einzigartiges Aktivitätsmuster aufweisen. Das übergreifende Ziel dieser Dissertation ist es, einen Beitrag zu unserem wachsenden Verständnis der neuronalen Grundlagen des visuellen Arbeitsgedächtnisses (WM) und der visuellen Aufmerksamkeit zu leisten, wobei der Schwerpunkt auf der Messung der Auswirkungen von körperlicher Bewegung auf entsprechende Prozesse lag. Insbesondere wird im Rahmen eines 4-monatigen körperlichen Bewegungstrainings bei sitzenden jungen Erwachsenen untersucht, ob vermehrte aerobe Fitness zu Veränderungen in Theta und Alpha Stärke führt und sich somit auf die WM-Integrität und Aufmerksamkeit auswirkt. In Kapitel 2 untersuche ich die Veränderungen der Zeit-Frequenz-Leistung und wie sie sich auf das Arbeitsgedächtnis und die visuelle Aufmerksamkeit auswirken. Dreiundvierzig Teilnehmer (19 - 34 Jahre) führten sowohl eine delayed-match-to-sample (DMS) WM-Aufgabe als auch eine Aufgabe zur visuellen Aufmerksamkeitssuche (VAS) durch. Die DMS-Aufgabe erforderte die mnemonische Unterscheidung ähnlicher visueller Stimuli, was einer Mustertrennung ähnelt, während die VAS-Aufgabe die Erkennung eines kugelförmigen Objekts (d.h. eines Ziels) in einem Bild erforderte. Die Ergebnisse zeigten einen Anstieg der frontalen Mittellinien-Theta (fm-theta) Stärke während der VAS-Aufgabe und einen Rückgang während der DMS-Aufgabe. Letzteres korrelierte mit der Verhaltensleistung, die einen stärkeren Abfall der fm-Theta- Stärke während der Erhaltungsphase zeigte, verbunden mit einer besseren mnemonischen Unterscheidung und einer schnelleren Reaktionszeit (RT) während des Versuches. Die Alpha-Stärke hingegen nahm bei beiden Aufgaben ab, wobei sie bei der DMS-Aufgabe stärker abnahm als bei der VAS-Aufgabe, was ihre Sensibilität für Aufmerksamkeitsanforderungen beweist. Die Alpha- Stärke korrelierte auch mit der Verhaltensleistung, wobei die schnellere Reaktionszeit während der VAS-Aufgabe einen stärkeren Abfall der Alpha-Stärke zeigte. Insgesamt liefern diese Ergebnisse weitere Belege dafür, dass Theta und Alpha-Stärken ein einzigartiges Aktivitätsmuster während spezifischer kognitiver Prozesse aufweisen und auch proportional zur Verhaltensleistung sowohl bei der DMS-Aufgabe als auch bei der VAS-Aufgabe waren. Das Arbeitsgedächtnis (WM) und die Aufmerksamkeit haben durch körperliche Betätigung verhaltensbezogene und strukturelle Verbesserungen gezeigt (Cassilhas, Tufik, & De Mello, 2016). Auch frühere Querschnittsstudien zeigten Leistungsmodulationen auf mehreren Frequenzbändern, die mit kognitiven Verbesserungen bei jungen Erwachsenen zusammenhingen (Chang, Chu, Wang, Song, & Wei, 2015; Wang et al., 2015). Die Quantifizierung der neuronalen EEG-Aktivität in bestimmten Frequenzbändern aus einer Längsschnittperspektive kann weitere Einblicke in belastungsinduzierte Vorteile im Gehirn liefern. In Kapitel 3 untersuche ich, ob vier Monate körperlichen Trainings Thetaund Alpha-Stärke modulieren. Es wurden Verhaltens- und EEG- Daten während einer DMS-Aufgabe und einer VAS-Aufgabe vor und nach der Interventionsperiode erfasst. Dieselben dreiundvierzig Teilnehmer aus dem Experiment in Kapitel 2 wurden pseudozufällig einer Übungsgruppe (Indoor- Laufband, n = 20) oder einer Kontrollgruppe (n = 23) zugeordnet. Verhaltensmäßig gab es bei keiner der beiden Aufgaben bewegungsbedingte Effekte auf die Verhaltensleistung. Obwohl die Übungsgruppe im Vergleich zur Basislinie vor der Intervention einen Anstieg der frontalen Alpha-Stärke (9-12 Hz) während der VAS-Aufgabe nach der Intervention zeigte. Außerdem korrelierten Veränderungen der Alpha-Stärke positiv mit Veränderungen der aeroben Fitness und der Verhaltensleistung (RT - VAS-Aufgabe). Diese Ergebnisse belegen, dass körperliche Bewegung die neuronale Dynamik, die der visuellen Aufmerksamkeit zugrunde liegt, eher beeinflussen kann als das WM und die mnemonische Unterscheidung bei sitzenden jungen Erwachsenen (Chaire, Becke, & Düzel, 2020). In Kapitel 4 untersuche ich die neuronalen Mechanismen der Arbeitsgedächtnisinterferenz, die aus dem Aufeinandertreffen zwischen einer internen (d.h. einer Zahl oder einem Farbwort) und einer externen Repräsentation (d.h. einem Stroop-ähnlichen Distraktor) entsteht, die während der Erhaltungsphase präsentiert werden. Konkret vergleiche ich zwei Dual-Task- Paradigmen, die unterschiedliche Arten von Interferenzen hervorrufen. Das heißt, die Versuche können mehr oder weniger anspruchsvoll sein (d.h. inkongruent vs. kongruent) und die Interferenz innerhalb desselben oder eines anderen Merkmalsbereichs als die Memoranden haben (d.h. überlappende oder nicht überlappende Merkmale). Verhaltens- und neuronale Unterschiede wurden während des Abrufs als Funktion der früheren Kongruenz in einer Gruppe gesunder junger Erwachsener (n = 33) gemessen. Die Verhaltensergebnisse zeigten eine höhere Genauigkeit und schnellere RT während der kongruenten Versuche der domänenübergreifenden (DO) WM-Aufgabe, was auf einen Erleichterungseffekt hinweist. Außerdem war die P300-Amplitude in den Studien nach einem kongruenten Distraktor unabhängig von der Aufgabe größer. Andererseits war die Theta-Stärke während des WM-Abrufs nur bei den inkongruenten Versuchen während der DO-WM-Aufgabe signifikant größer, was auf die Notwendigkeit einer stärkeren Allokation kognitiver Ressourcen zur Konfliktlösung während des WM-Abrufs hindeuten könnte. Insgesamt erwies sich fm-Theta als ein empfindlicherer Indikator für erleichternde Wirkungen als die P300. Schließlich fasse ich in Kapitel 5 die Ergebnisse der Dissertation zusammen und erörtere, wie EEG-Messungen verwendet werden, um auf die zugrunde liegenden Mechanismen der körperlichen Betätigung auf die visuelle Aufmerksamkeit, das WM und die Aufmerksamkeit als gemeinsamen Mechanismus zu schließen. Ich füge auch einige Empfehlungen für den Einsatz von EEG-Messungen zur Beantwortung künftiger Fragen hinzu.