Oscillatory mechanisms supporting human cognition

Gjennom registrering av elektrofysiologisk aktivitet fra elektroder festet til hjernens overflate, eller plassert dypt i hjernen, har vi fått en begynnende forståelse av de elektriske svingningsmønstrene som oppstår når vi løser kognitive oppgaver. Målet er økt kunnskap om hvordan ulike deler av hjernens nevrale nettverk samarbeider når vi gjør oppgaver som krever kontrollert oppmerksomhet og arbeidsminne. Metoden som ble benyttet kalles intrakraniell EEG og har ikke tidligere vært brukt i forskningssammenheng i Norge. Intrakraniell EEG er mulig fordi en gruppe pasienter har elektroder i hjernen av behandlingsmessige årsaker. Elektrodene bidrar til å lokalisere epileptisk aktivitet før kirurgisk behandling i tilfeller der man ikke har lyktes med medikamentell behandling. Metodens høye romlige (mm) og tidsmessige (ms) oppløsning muliggjør detaljerte studier av samspillet mellom hjerneområder på måter som tidligere ikke har vært mulig. Vi registrerer intrakranielle EEG data fra voksne pasienter ved Nevrokirurgisk avd., OUS. De deltar i eksperimenter designet for å måle nevral aktivitet forbundet med oppmerksomhet, arbeidsminne og andre kognitive kontrollfunksjoner. Vi har også hatt mulighet til å registrere EEG data (utenpå hodeskallen) fra pasienter med fokale hjerneskader og fra friske personer. Den integrerte metodetilnærmingen gjør at vi kan finne ut hvorvidt skader i spesifikke frontale områder medfører forstyrrelse av de kognitive funksjonene vi undersøker, og hvorvidt områdene er opphav til den elektrofysiologiske aktiviteten som studeres. Ved å analysere både intrakranielle data, samt vanlige EEG data fra pasienter med nevrologisk skade og fra friske personer er det mulig å undersøke det nevrale grunnlaget for kognitiv funksjon fra flere innfallsvinkler. Den norske delen av teamet består av klinikere/forskere ved Nevrokirurgisk avd., OUS og Psykologisk institutt, UiO. Prosjektet gjennomføres i samarbeid med kolleger ved Univ. of California, Berkeley. Data samles inn både ved OUS og ved sykehus i USA. Vårt internasjonale team har publisert artikler om det nevrale grunnlaget for menneskers evne til fleksibel regulering av oppmerksomhet og arbeidsminne. I det følgende presenteres noen eksempler: Betydningen av hjerneområdet insula for oppmerksomhet rettet mot lyd er lite utforsket på grunn av dens lokalisering dypt inne i hjernen. Ved hjelp av intrakraniell EEG har vi undersøkt hvorvidt insula aktiveres når det er en uventet endring i en serie lydstimuli. Vi fokuserte på aktiviteten til hjernebølger med høy frekvens, det såkalte gamma-båndet (75-145 Hz), og fant elektrofysiologiske responser til auditive stimuli generelt i dette frekvensbåndet i visse deler av insula, mens en liten gruppe elektroder viste responser kun når det var en uforutsett endring i lydserien. Resultatene viste at insula er en del av det auditive systemet og engasjeres når stimuli avviker fra et forventet mønster (Blenkmann et al., 2019; Cortex). I en annen studie undersøkte vi betydningen av lateral prefrontal korteks (LPFC) for både internt (egne tanker) og eksternt (omgivelsene) rettet oppmerksomhet. Friske forsøkspersoner hadde økt styrke i theta-båndet under eksternt rettet oppmerksomhet og økt styrke i alpha-båndet under innadrettet oppmerksomhet. Pasienter med LPFC skade viste derimot ingen forskjell mellom de to typene oppmerksomhet. Resultatene viste at skade i LPFC medfører nedsatt regulering av oppmerksomhet rettet både innad og utad (Kam et al., 2018; Neuroimage). På bakgrunn av den rolle konnektivitet i theta-båndet synes å spille for oppmerksomhetsprosesser, undersøkte vi også theta konnektivitet mellom det såkalte "default" nettverket (DN) og fronto-temporale kontrollnettverk (FPCN) som en funksjon av type oppmerksomhet. Vi fant økt konnektivitet mellom DN og ett av FPCN nettverkene under internt- sammenlignet med eksternt rettet oppmerksomhet. Dette indikerer at theta konnektivitet mellom nettverkene er en basal elektrofysiologisk mekanisme for internt rettet oppmerksomhet (Kam et al., 2019; Nature Human Behavior). Vi har også undersøkt det nevrale grunnlaget for arbeidsminne. Rådende syn på arbeidsminne fokuserer på prefrontal korteks, mens noen studier indikerer at midtre deler av temporallappen (MTL) også spiller en viktig rolle. For å undersøke hvorvidt disse områdene interagerer registrerte vi EEG direkte fra PFC og MTL mens pasienter gjorde en oppgave som testet arbeidsminne for "hva", "hvor" og "når" informasjon. Vi fant at det var kommunikasjon i begge retninger mellom PFC og MTL når arbeidsminnet var engasjert. Funnene avdekket at dynamisk samspill mellom disse områdene understøtter arbeidsminne og utfordrer den dominerende oppfatningen om at det primært er PFC som er involvert (Johnson et al., 2018; Plos Biology). Flere vitenskapelige rapporter som er innsendt eller under utarbeiding forventes å gi ny innsikt i det nevrofysiologiske grunnlaget for kontroll over oppmerksomhet og arbeidsminne.

The project has led to establishment of human cognitive intracranial electrophysiology research in Norway. We have been able to address new questions regarding human cognition. Increased knowledge about oscillatory brain activity in relation to cognitive function is likely to be crucial for understanding oscillatory abnormalities associated with a variety of neurological and psychiatric disorders. The researchers have expanded their competence by working on new types of data. Collaboration between the Dept. of Psychology and the Dept. of Neurosurgery has resulted in mutual development of expertise and increased awareness about the importance of interaction between the sectors. Common infrastructure for handling of complex data has been developed, including data saving- and sharing facilities. The project has also led to establishment of interdisciplinary groups of researchers from several countries that plan future collaborations.

Over the last decade, a new and powerful frontier of neuroscience research has emerged, namely direct recordings from the surface of the human cerebral cortex with unparalleled temporal and spatial resolution. These direct cortical and intracortical recordings are referred to as electrocorticography (ECoG) and are obtained in patients implanted with intracranial electrodes typically for localization and treatment of medication refractory epilepsy. The current proposal is designed to establish the field of human electrocorticography in our country. With live recordings from conscious human brains, our overarching goal is to determine the oscillatory mechanisms underlying the fronto-parietal neural networks critical for attention and working memory, two cardinal aspects of human cognition. We propose a series of experiments to be conducted in Oslo, Stanford and UC Berkeley. Advanced signal analysis and connectivity measures will be utilized to determine the real-time neurophysiological mechanisms supporting attention and working memory. If funded, our proposal will lead to the establishment of human intracranial electrophysiology research in Norway, and will promote international cooperation with our colleagues at UC Berkeley and Stanford University towards deciphering the mechanisms of healthy brain function and how these might be disordered in patients with neurological and neuropsychiatric conditions.