At the edge of the external world : the physiological basis of mind wandering and its impact on attentional resources

Abstract

During a colleague’s presentation, we often catch ourselves thinking about unrelated topics. We might notice that we ran out of milk and mentally make a grocery shopping list. This spontaneous memory retrieval is called mind wandering and comes with costs like decrease of performance and dampened brain responses. These results led to the notion that during mind wandering people are perceptually decoupled. But what is the neurophysiological basis of spontaneous memory retrieval and are we really decoupled from the environment during this process? This thesis focused on information propagation to early visual cortex and on visual attentional processes, like the selection of a target among distractors, to test the perceptual decoupling hypothesis using non-invasive brain recordings. Furthermore, cortical response patterns in the high-frequency activity (HFA; 80 - 150 Hz) were analyzed during mind wandering in healthy human subjects. The first two studies of this thesis tested whether either the first visual feedforward sweep, or feedback information to the visual cortex is affected by mind wandering. The HFA has so far mainly been studied in primate research, with results suggesting that it reflects both feedforward and feedback information. My studies demonstrated that the HFA in humans reflects feedback information and is reduced during the mind wandering. In contrast, the initial input to the visual cortex remained unaffected. The subsequent three studies investigated whether the HFA serves as a marker for selective attention and how mind wandering affects the neural correlates of selective attention. My results show that the HFA acts as an indicator for distractor suppression and starts earlier than established neural correlates of selective attention. In addition, I found neural correlates of distractor suppression to be enhanced during mind wandering. Overall, this thesis established the HFA in non-invasive brain recordings as an important component of visual information processing, representing feedback information and distractor suppression, among others. Furthermore, mind wandering has no influence on the initial visual input, but impairs feedback processes.

Während des Vortrags eines Kollegen erwischen wir uns oft, wie wir über Themen nachdenken, die nichts mit dem Vortrag zu tun haben. Beispielsweise könnte uns auffallen, dass wir keine Milch mehr zuhause haben und fangen an im Kopf eine Einkaufsliste zu erstellen. Diesen spontanen Gedächtnisabruf nennt man Mind Wandering. Mind Wandering wird häufig von behavioralen Kosten (reduzierter Performance) und reduzierten Gehirnantworten begleitet. Diese Ergebnisse haben zu der Annahme geführt, dass Menschen während Mind Wandering perzeptuell von der Umwelt entkoppelt sind. Aber was sind die neurophysiologischen Grundlagen des spontanen Gedächtnisabrufs und sind wir währenddessen wirklich perzeptuell von der Außenwelt abgekoppelt? Die vorliegende Thesis beschäftigt sich mit der Informationsweiterleitung zum visuellen Cortex und mit visuellen Aufmerksamkeitsprozessen, wie der Auswahl eines Zielstimulus unter Distraktoren, um die Annahmen der perzeptuellen Entkopplungstheorie mithilfe nicht-invasiver Gehirnaufnahmen zu untersuchen. Des Weiteren wurde kortikales Antwortverhalten in Form von hochfrequenter Aktivität (HFA, 80-150 Hz) während Mind Wandering in gesunden Probanden untersucht. In den ersten beiden Studien dieser Thesis wurde untersucht, ob Mind Wandering die feedforward- oder feedback-Informationsverarbeitung zum visuellen Cortex beeinträchtigt. Die HFA wurde bislang vorwiegend in der Primatenforschung untersucht, wobei angenommen wird, dass sie sowohl feedforward- als auch feedback-Informationen widerspiegelt. Meine Studien zeigen, dass die HFA feedback-Informationen widerspiegelt und während Mind Wandering reduziert ist. Im Gegensatz dazu blieb der initiale Input zum visuellen Cortex unbeeinflusst. Die drei weiteren Studien untersuchten, ob die HFA als Marker selektiver Aufmerksamkeit dient und welchen Einfluss Mind Wandering auf neuronale Korrelate selektiver Aufmerksamkeit hat. Die Ergebnisse zeigen, dass die HFA die Unterdrückung von Distraktoren widerspiegelt und zeitlich früher auftritt als etablierte neuronale Korrelate selektiver Aufmerksamkeit. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass neuronale Mechanismen der Distraktorunterdrückung während Mind Wandering verstärkt sind. In dieser Thesis wurde die HFA in non-invasiven Gehirnmessungen als eine wichtige Komponente der visuellen Informationsverarbeitung etabliert, die unter anderem feedback-Informationen und Distraktorunterdrückung repräsentiert. Des Weiteren wurde gezeigt, dass Mind Wandering keinen Einfluss auf den initialen visuellen Input hat, feedback-Prozesse jedoch beeinträchtig.