Generators and connectivity of the early auditory evoked gammaband response

Abstract

High frequency oscillations in the gamma range are known to be involved in early stages of auditory information processing in terms of synchronization of brain regions, e.g. in cognitive functions. It has been shown using EEG source localization as well as simultaneously recorded EEG-fMRI, that the auditory evoked gamma-band response (aeGBR) is modulated by attention. In addition to auditory cortex activity a dorsal anterior cingulate cortex (dACC) generator could be involved. In the present study we investigated aeGBR magnetic fields using magnetoencephalography (MEG). We aimed to localize the aeGBR sources and its connectivity features in relation to mental effort. We investigated the aeGBR magnetic fields in 13 healthy participants using a 275-channel CTF-MEG system. The experimental paradigms were two attentional auditory choice reaction tasks with different cognitive demands. We performed source localization with eLORETA and calculated the aeGBR lagged phase synchronization between bilateral auditory cortices and frontal midline structures. The eLORETA analysis revealed sources of the aeGBR within bilateral auditory cortices and in frontal midline structures of the brain including the dACC. Compared to the control condition the dACC source activity was found to be significantly stronger during the performance of the cognitively demanding task. Moreover, this task involved a significantly stronger functional connectivity between auditory cortices and the dACC. In accordance with previous EEG and EEG-fMRI investigations our study confirms an aeGBR generator within the dACC by means of MEG and suggests its involvement in the effortful processing of auditory stimuli.

Es ist bekannt, dass hochfrequente Oszillationen im Gamma-Bereich in frühen Stadien der auditorischen Informationsverarbeitung im Hinblick auf die Synchronisation von Hirnregionen beteiligt sind, z. B. bei kognitiven Funktionen. Es wurde anhand von EEG-Quellenlokalisierung sowie mittels simultaner EEG-fMRT-Untersuchungen gezeigt, dass die auditorisch evozierte Gamma-Band-Antwort (aeGBA) durch die Aufmerksamkeit moduliert wird. Zusätzlich zu einer aeGBA-Quelle im auditorischen Kortex wird eine Quelle im dorsalen anterioren cingulären Kortex (dACC) diskutiert, die für eine Zunahme der aeGBA bei zunehmender kognitiver Anforderung verantwortlich sein könnte. In der vorliegenden Arbeit soll dies und eine mögliche Interaktion zwischen den Quellen im Hörkortex und einer möglichen frontalen aeGBA-Quelle mittels Magnetoenzephalographie (MEG) untersucht werden. Wir untersuchten die aeGBA-Magnetfelder bei 13 gesunden Teilnehmern unter Verwendung eines 275-Kanal-CTF-MEG-Systems. Die experimentellen Paradigmen waren zwei auditorische Wahlreaktionsaufgaben mit unterschiedlichen Schwierigkeiten und Anforderungen an die Aufmerksamkeit. Wir führten eine Quellenlokalisierung mit eLORETA durch und untersuchten die Konnektivität zwischen auditorischem Kortex und frontalen Mittellinienstrukturen während der aeGBA. Die eLORETA-Analyse zeigte Quellen der aeGBA innerhalb der auditorischen Kortizes sowie in frontalen Mittellinienstrukturen des Gehirns einschließlich desdACC. Im Vergleich zur Kontrollbedingung war die dACC-Quellenaktivität während der Durchführung der aufmerksamkeitsanspruchsvollen Aufgabe signifikant stärker. Darüber führte diese Aufgabe zu einer signifikant höheren funktionellen Konnektivität zwischen auditorischem Kortex und dACC. In Übereinstimmung mit früheren EEG- und EEG-fMRT-Ergebnissen bestätigt unsere Studie einen aeGBA-Generator im dACC mittels MEG und weist auf eine Beteiligung des dACC in der auditorischen Informationsverarbeitung unter kognitiver Beanspruchung hin.