Modulation of Interhemispheric Auditory Communication by Transcranial Alternating Current Stimulation

Abstract

Neural synchronization in the gamma-band range (30-100Hz) has been proposed to constitute a key mechanism to coordinate the information flow in large-scale cortical network interactions, thus enabling conscious perception and cognition in humans. Specifically, oscillatory gamma-band coupling has been suggested to mediate feature integration in the visual system, and recent evidence indicated that the same mechanism might enable conscious auditory perception and speech processing, where auditory cues from both ears are integrated across posterior transcallosal fibers bet-ween both auditory cortices. Hitherto, most of this evidence is correlative in nature, while only little is known about the directionality during the interhemispheric auditory transfer, and whether it can be modulated by means of transcranial alternating current stimulation (tACS). To address these questions, this thesis comprises two experiments exploiting electroencephalography (EEG) with effective connectivity (EC) analyses in the source space and spatiotemporally matched multi-site tACS at 40Hz during a dichotic listening (DL) task with syllables. This thesis confirms the callosal relay model by providing electrophysiological evidence for the causal information transfer from the right to the left secondary auditory cortex (SAC) during left ear (LE) processing, which is mediated by elevated EC in the gamma-band range. Crucially, this directionality effect was not found during right ear (RE) percept or between the left and right Heschl’s gyrus, highlighting the functional relevance of the SAC for the perception of complex sounds. In the second experiment, anti-phase tACS at 40Hz did not cause the hypothesized increase of RE reports at group level. Importantly, a follow-up analysis revealed that bilateral gamma stimulation only disrupted the auditory interhemispheric integration in individuals with intrinsic 40Hz-phase asymmetries closer to 0°, whereas the auditory network was prone to excitation when the deviation of the intrinsic asymmetry from the tACS-induced lag was low. Moreover, the oscillatory phase asymmetries exhibited high interindividual variation across the sample and excellent test-retest reliability across days. Collectively, this thesis highlights that synchronized large-scale communication in the auditory system is mediated by directed gamma-band coupling from the right to the left SAC, and that this neurophysiological mechanism entails a clear non-zero phase lag. In future studies, the application of individually tailored stimulation protocols may improve therapeutic interventions to electrically modulate neuropsychiatric conditions with rhythmic disturbances, such as schizophrenia.

Synchronisierter oszillatorischer Aktivität im Gamma-Frequenzspektrum (GBO; 30-100 Hz) wird eine wichtige Funktion bei der Integration und Koordination sensorischen Inputs für bewusste Wahrnehmung und kognitive Funktionen zugeschrieben. Insbesondere bei der interhemisphärischen Verarbeitung visueller Informationen trägt die phasenspezifische Kopplung von GBO eine besondere Bedeutung, und neuere elektrophysiologische Befunde deuten darauf hin, dass dieser Mechanismus auch im auditorischen System bei Sprachwahrnehmung vorzufinden ist. In dieser Dissertation wurde die Modulierbarkeit interhemisphärischer Gamma-Band Kopplung zwischen dem linken und rechten sekundär auditorischen Cortex (SAC) mit bilateraler transkranieller Wechselstromstimulation (tACS) und Elektroenzephalographie (EEG) während der Bearbeitung einer dichotischen Höraufgabe mit Silben untersucht. Darüber hinaus wurde im EEG-Quellraum eine Analyse der effektiven Konnektivität zwischen den SACs durchgeführt, um neue Erkenntnisse über den kausalen transcallosalen Austausch akustischer Informationen im Rahmen eines Sender-Empfänger-Modells zu gewinnen. Die Analyse der effektiven Konnektivität liefert Evidenz für den gerichteten Informationsfluss vom rechten zum linken SAC während der bewussten Wahrnehmung von Silben durch das linke Ohr, die durch erhöhte Kopplung von GBO ermöglicht wird. Wichtigerweise zeigte sich dieser Effekt nicht zwischen der linken und rechten primären Hörrinde oder bei der Wahrnehmung von Stimuli durch das rechte Ohr. Entgegen der Hypothese führte die antiphasische (180°-) Gamma-Stimulation nicht zur Desynchronisation und Erhöhung des behavioralen Rechtsohrvorteils. Entscheidenderweise zeigte eine Kontrollanalyse, dass die Wirkung der 40Hz-Stimulation phasenspezifisch durch den intrinsischen Phasenversatz zwischen den SACs moduliert wurde: Das interhemisphärische auditorische Netzwerk ließ sich durch 180°-Stimulation besser desynchronisieren bei Probanden, deren intrinsische Phasenasymmetrie im 40Hz-Spektrum näher an 0° lag, während es bei erhöhten intrinsischen Asymmetrien zu erhöhter Kopplung (reduziertem Rechtsohrvorteil) führte. Interessanterweise zeigten die Asymmetrie-Werte eine exzellente Test-Retest-Reliabilität sowie hohe interindividuelle Varianz innerhalb der Stichprobe. Zusammenfassend belegen die Ergebnisse, dass (i) der gerichtete transcallosale Informationsfluss zwischen den Hörrinden von rechts nach links durch synchrone GBO ermöglicht wird, dass (ii) diese Phasenkopplung zwischen weitflächigen kortikalen Oszillatoren eine klare Verzögerung (>0°) beinhaltet und dass (iii) beträchtliche interindividuelle Unterschiede dieser intrinsischen phasenbezogenen Asymmetrien zu berücksichtigen sind in künftigen Stimulationsprotokollen, welche eine hohe Relevanz für neue elektromagnetische Therapieansätze bei neuropsychiatrischen Erkrankungen (z. B. Schizophrenie) tragen.