Hemispheric difference of adaptation lifetime in human auditory cortex : a synthesis of MEG research and computational modeling

Abstract

daptation is an ubiquitous phenomenon known to occur throughout the auditory pathway. In its simplest form, it is observed as the attenuation of a neuronal response when a stimulus is repeatedly presented. As this attenuation is based on the stimulus history, adaptation has been tied to sensory memory, although the mechanisms by which this memory is sustained over a period of time remains debated. One distinctive characteristic of adaptation is its lifetime, which is the duration over which the attenuating effect of a previous stimulus persists. When increasing the stimulus-onset interval (SOI) of the repeated stimulus, the amplitude of the response rises and then saturates. This increase of response amplitude can be captured with an exponentially saturating function which provides an estimate of the adaptation lifetime. This work consists of two parts, firstly, an experimental investigation that examines how adaptation lifetime varies across the left and the right auditory cortex (AC) of the human brain, and secondly, an in-silico investigation which employs a computational model of the AC to explore the model parameters that both influence and could underlie the hemispheric differences in adaptation lifetime. In the experimental part, whole-head magnetoencephalography (MEG) was used to explore 14 subjects who were binaurally presented with trials of repeated pure tone stimuli. Each block of trials comprised of a constant SOI, with several SOI blocks presented in each subject. Hemisphere-specific event-related fields were computed from each block. To establish statistical inferences at the single-subject level, the bootstrap technique was employed to generate surrogate event-related fields by resampling the single-trial data. Compounding bootstrap-based data with the original data, the N1m-peak amplitude was determined for each block. Lastly, the N1m-peak amplitudes were used to derive subject- and hemisphere-specific estimates of the adaptation lifetime. When subject-specific adaptation lifetimes were compared across hemispheres, we found a significant difference, with longer adaptation lifetimes in the left than in the right AC. In the in-silico part, I utilized a biologically inspired network model of the AC to investigate mechanisms potentially underlying differences in adaptation lifetime. The model used for this analysis features a distinct anatomical structure based of the AC of mammals and incorporates short-term synaptic depression (STSD). To accomplish this investigation in unison with the experimental work, simulations used an identical stimulation paradigm. Model parameters representing neuronal dynamics, anatomic connectivity, and cortical topography were altered individually to investigate their effects on the adaptation lifetime and saturation amplitude. We found several parameters of the STSD dynamics and columnar connectivity patterns that could account for the hemispheric difference in adaptation lifetimes. Furthermore, the analysis revealed that altering the topography led to a distribution of adaptation lifetime and saturation amplitude comparable to that produced from the experimentally determined within-hemisphere bootstrap-based data. Longer adaptation lifetimes may be helpful in providing a larger integration window for the temporal binding of auditory information. This would be useful in processing longer concatenations of auditory stimuli, such as speech. The simulation results suggest that deviations in neuronal dynamics and connectivity patterns can manifest these differences in adaptation lifetimes across the hemispheres. My juxtaposing of experimental and simulation results provide a glimpse towards model parameterization of subject-specific responses, paving the way for simulation-informed predictions for novel experimental stimulation paradigms to further disentangle auditory adaptation.

Adaptation ist ein allgegenwärtiges Phänomen, das bekanntermaßen im gesamten auditorischen System auftritt. In seiner einfachsten Form wird es als Abschwächung einer neuronalen Reaktion beobachtet, wenn ein Stimulus wiederholt präsentiert wird. Da diese Abschwächung auf der Vorgeschichte der Stimulierung beruht, wurde die Adaptation mit dem sensorischen Gedächtnis in Verbindung gebracht. Die Mechanismen, durch die diese Gedächtnisspur über einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten wird, sind jedoch umstritten. Ein charakteristisches Merkmal der Adaptation ist ihre Verfallszeit, d. h. der Zeitraum, über den die abschwächende Wirkung einer früheren Stimulierung anhält. Erhöht man das Stimulus-Onset-Intervall (SOI) zwischen den einzelnen Stimuli, so steigt die Amplitude der neuronalen Reaktion erst an und erreicht dann einen Sättigungswert. Dieser Anstieg der Amplitude kann mit einer exponentiell sättigenden Funktion beschrieben werden, die eine Schätzung der Verfallszeit der Adaptation ermöglicht. Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen: erstens aus einer experimentellen Untersuchung, bei der geprüft wird, wie die Verfallszeit im linken und rechten Hörkortex des menschlichen Gehirns variiert, und zweitens aus einer In-silico-Untersuchung, bei der ein Computermodell des Hörkortex verwendet wird, um die Modellparameter zu erforschen, die die hemisphärischen Unterschiede in der Verfallszeit beeinflussen und ihnen zugrunde liegen könnten. Im experimentellen Teil wurde die Ganzkopf-Magnetoenzephalographie (MEG) eingesetzt, um 14 Probanden zu untersuchen. Diesen wurden in mehreren Versuchsblöcken eine Serie von Reinton Stimuli binaural präsentiert. Jeder Versuchsblock war durch einen anderen, konstanten SOI charakterisiert. Zu jedem Block wurden dann hemisphärenspezifische ereigniskorrelierte Felder berechnet. Um statistische Schlussfolgerungen zu einzelnen Versuchspersonen ziehen zu können, wurde die Bootstrap-Technik angewandt. Zusätzliche ereigniskorrelierte Felder wurden generiert, indem die Daten aus den einzelnen Versuchen erneut gesampelt wurden. Durch Kombination der Bootstrap-basierten Daten mit den Originaldaten wurde die N1m-Peak-Amplitude für jeden Block bestimmt. Schließlich wurden die N1m-Peak-Amplituden verwendet, um subjekt- und hemisphärenspezifische Schätzungen der Adaptations-Verfallszeit abzuleiten. Beim Vergleich der subjektspezifischen Verfalls-zeit zwischen den Hemisphären fanden wir einen signifikanten Unterschied, mit längeren Verfallszeiten im linken als im rechten Hörkortex. Im In-silico-Teil habe ich ein biologisch inspiriertes Netzwerkmodell des Hörkortex verwendet, um die Mechanismen zu untersuchen, die möglicherweise den Unterschieden in der Verfallszeit zugrunde liegen. Das Modell, das für diese Analyse verwendet wurde, weist eine ausgeprägte anatomische Struktur auf, die auf dem Hörkortex von Säugetieren basiert und die synaptische Kurzzeitdepression einbezieht. Um diese Untersuchung in Einklang mit der experimentellen Arbeit durchzuführen, wurde bei den Simulationen ein identisches Stimulationsparadigma verwendet. Die Modellparameter, die die neuronale Dynamik, die anatomische Konnektivität und die kortikale Topographie repräsentieren, wurden einzeln verändert, um ihre Auswirkungen auf die Verfallszeit der Adaptation sowie die Sättigungsamplitude der neuronalen Antwort zu untersuchen. Wir identifizierten mehrere Modellparameter im Kontext der synaptischen Kurzzeitdepression sowie der Konnektivität des neuronalen Netzwerkes, die für die unterschiedlichen Verfallszeiten in den Hemisphären verantwortlich sein könnten. Darüber hinaus ergab die Analyse, dass die Veränderung der Topographie zu einer Verteilung der Verfallszeiten und Sättigungsamplituden führte, die mit derjenigen vergleichbar war, die sich aus den experimentell ermittelten bootstrap-basierten Daten innerhalb einer Hemisphäre ergab. Längere Verfallszeiten könnten hilfreich sein, um ein größeres Integrationsfenster für die zeitliche Bindung von Hörinformationen zu schaffen. Dies wäre bei der Verarbeitung längerer Verkettungen von Hörreizen, wie z. B. Sprache, nützlich. Die Simulationsergebnisse deuten darauf hin, dass Abweichungen in der neuronalen Dynamik und den Konnektivitätsmustern die Unterschiede in der Verfallszeit zwischen den Hemisphären hervorbringen können. Meine Gegenüberstellung von Ergebnissen aus Experimenten und Simulationen gibt einen Einblick in die mögliche Modell-Parametrisierung von subjektspezifischen Reaktionen und ebnet den Weg für simulationsgestützte Vorhersagen zu neuartigen experimentellen Stimulationsparadigmen zur weiteren Erforschung der auditorischen Adaptation.