Brain response to auditory deviance with and without conscious access
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Date
2022
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Abstract
La habilidad de extraer regularidades estadísticas presentes en estímulos sensoriales y detectar cuando se presentan violaciones a dichas regularidades es de vital importancia para los organismos biológicos, en tanto median respuestas autonómicas y dirigidas a metas que son cruciales para la supervivencia. Por un lado, la extracción de regularidades estadísticas presentes en la escena sensorial permite la consolidación de un modelo interno del mundo. Por otro, la detección de violaciones en estas regularidades permite la actualización de dicho modelo, mediando así procesos de adaptación conductual. En el campo de la neurociencia cognitiva, la respuesta del cerebro a la desviación sensorial en la modalidad auditiva ha sido estudiada de manera clásica por medio de los potenciales asociados a eventos (ERPs, por su sigla en inglés). Esta literatura ha mostrado que la respuesta del cerebro a la desviación auditiva se puede caracterizar por la secuencia de dos respuestas neurales en la señal electroencefalográfica: el potencial de disparidad (MMN, por su sigla en inglés) y la respuesta P3. El MMN es un evento neural automático que puede ser observado independientemente de los estados atencionales o de consciencia de los individuos, mientras que la respuesta P3 depende crucialmente del acceso consciente a la desviación sensorial. Otros dos potenciales marcadores de la desviación auditiva son los cambios fásicos en el tamaño de la pupila e incremento evocados en el poder oscilatorio de las bandas de frecuencia theta (4-7 Hz) y beta (15-30 Hz). Mientras la literatura muestra que la detección de la desviación está acompañada de incrementos en el tamaño de la pupila (un marcador de la alerta y del sistema norepinefrinérgico) y del poder de theta y beta, no se conoce muy bien como estas respuestas neurales estarían moduladas por el acceso consciente a la desviación auditiva. Entender cómo responde el cerebro a la desviación auditiva con y sin acceso consciente nos permitiría entender la interacción dinámica existente entre mecanismos de procesamiento bottom-up y de modulación top-down durante el comportamiento enfocado a metas. En este estudio, nos propusimos entender cómo responde el cerebro a la desviación auditiva con y sin acceso consciente. Para esto, diseñamos una versión modificada de la tarea clásica de tipo oddball auditivo que nos permitió separar el procesamiento consciente del procesamiento subconsciente de la desviación auditiva. Para esto, identificamos los umbrales de discriminación consciente de cada individuo, lo cual nos permitió presentar a nuestros sujetos secuencias de tonos donde el último estímulo (el estímulo objetivo), podía ser otro tono estándar, un estímulo subumbral o un estímulo supraumbral. Los participantes debían reportar si el último estímulo de cada secuencia había sido igual o distinto de los anteriores. Por medio de esta tarea, recogimos datos conductuales (índices de sensibilidad y tiempos de reacción), pupilométricos (respuestas evocadas) y electroencefalográficos (ERPs, transformaciones de tiempo frecuencia al nivel de los electrodos y de las fuentes corticales, así como datos de conectividad funcional). Nuestros resultados muestran que las desviaciones subumbrales fueron incorrecta y sistemáticamente juzgadas como tonos estándar, lo cual refleja el procesamiento subconsciente de la desviación. En cambio, las desviaciones supraumbrales fueron correcta y sistemáticamente reportadas como diferentes, lo cual da cuenta del acceso consciente a la desviación auditiva. Además, replicamos hallazgos sobre la secuencia de MMN y P3 como marcadores confiables del procesamiento consciente y subconsciente de la desviación. Los datos pupilométricos sugieren que todos los estímulos objetivos están asociados a una respuesta pupilar, pero que dicha respuesta es mayor durante el procesamiento subconsciente de la desviación auditiva, reflejando de esta manera el procesamiento de la incertidumbre perceptual inesperada. Incrementos en el poder de theta y beta fueron observados en regiones corticales previamente asociadas con los orígenes del MMN y P3, incluyendo regiones temporales, prefrontales y cinguladas. Mientras que el poder de theta en regiones temporales reflejaría predicciones auditivas y mantención de la información sobre la identidad de un estímulo auditivo novedoso, los incrementos en el poder de beta en regiones prefrontales y cinguladas reflejarían la detección de un error en la predicción y la incertidumbre sensorial. Finalmente, incrementos en la conectividad funcional dentro del rango de theta reflejarían intercambio de información entre procesadores corticales distribuidos globalmente, lo cual soportaría la percepción consciente y la toma de decisiones, mientras que incrementos de conectividad funcional dentro del rango de beta reflejarían procesos de modulación top-down señalando así la necesidad de adaptación de los niveles de alerta debido a una alta incertidumbre y mecanismos de detección de errores en la predicción que son sensibles a una mayor saliencia del evento sensorial. Nuestros resultados subrayan como el cerebro asigna pesos a los mecanismos bottom-up y top-down durante el comportamiento enfocado a metas en función de si los eventos sensoriales son percibidos conscientemente o no, así como la contribución de la adaptación de la alerta durante esta interacción entre mecanismos de procesamiento de la información sensorial. Eso ilustra además la relación dinámica y en constante adaptación entre percepción y cognición.
Description
Tesis (Ph.D. in Neuroscience)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2022