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Titel: Neuromodulation and the timescale of evidence accumulation during perceptual decision-making
Sonstige Titel: Neuromodulation und die Zeitskala perzeptueller Evidenzakkumulation während perzeptueller Entscheidungsfindung
Sprache: Englisch
Autor*in: Pfeffer, Thomas
Schlagwörter: Neuromodulation; Acetylcholin; Noradrenaline; Visuelle Wahrnehmung; Decision-making; Visual cognition; Electrophysiology; Neuroscience; Neurotransmitters
GND-Schlagwörter: Hirnforschung; Neurophysiologie; Kognition; Entscheidungsfindung; Neurotransmitter; Magnetoencephalographie
Erscheinungsdatum: 2017
Tag der mündlichen Prüfung: 2017-11-03
Zusammenfassung: 
Perceptual decision-making is a cognitive operation that results in committing to one perceptual interpretation about the state of the world over a set of alternatives. Studies from psychology and neuroscience have shown that observers accumulate multiple samples of (noisy) perceptual information over time, until a decision threshold is crossed and a choice is made. The accumulation timescale is hypothesized to depend on the strength of recurrent excitation within local cortical circuits as well as their embedding in a large-scale functional network. Decision-making is a highly flexible mechanism, yet little is known about the flexibility of the accumulation timescale and whether it can be strategically adjusted in order to improve performance. Both local circuit dynamics as well as functional network topology fluctuate as a function of brain state, which is under the control of neuromodulators such as noradrenaline and acetylcholine, suggesting an involvement of these systems in temporal accumulation during decision-making. Through a combination of psychophysics and computational modelling, this thesis provides evidence that the timescale of evidence accumulation is a bounded property with an upper limit, just like working memory capacity. However, below this limit, human observers optimize their performance on a perceptual decision-making task by adjusting the timescale over which they accumulate non-stationary flickering visual evidence that is embedded in noise. This provides evidence for a new type of top-down control in decision-making. Using pharmacological manipulation and magnetoencephalography (MEG) during rest and task, it is shown in this thesis how such changes could be implemented within cortical circuits: catecholamines (noradrenaline and dopamine) are demonstrated to increase the local ratio between excitation and inhibition, possibly reflecting an increase in recurrent excitation. Moreover, both acetylcholine and catecholamines are shown here to result in large-scale reconfigurations of the functional network topology of intrinsic brain activity. Thus, the results presented in this thesis argue that (i) the time scale of evidence accumulation is a bounded but adaptive property that can be strategically adjusted by the observer in order to optimize performance, (ii) neuromodulators such as catecholamines and acetylcholine alter both local cortical dynamics and functional network topology, suggesting their involvement in controlling the timescale of evidence accumulation.

Perzeptuelle Entscheidungsfindung ist eine kognitive Operation, die darin resultiert, dass eine Wahrnehmungsdeutung über den Zustand der Welt gegenüber anderen alternativen Wahrnehmungsdeutungen abwägt und ausgewählt wird. Frühere Studien aus Psychologie und Neurowissenschaften konnten zeigen, dass Beobachter mehrere Samples verfügbarer Wahrnehmungsinformation über die Zeit akkumulieren, bis eine sogenannte Entscheidungsschwelle überschritten ist und eine Wahl getroffen wird. Dabei wird vermutet, dass die Zeitskala er Akkumulation von der Stärke rekurrenter Erregung innerhalb lokaler kortikaler Schaltkreise, sowie der Einbettung jener in ein großflächiges funktionelles Netzwerk abhängt. Die menschliche Entscheidungsfindung ist ein hochflexibler Prozess, jedoch ist wenig über die Flexibilität der Akkumulationszeitskala bekannt und ob diese vom Beobachter adjustiert werden kann, um Performance zu verbessern. Sowohl die Dynamik lokaler kortikaler Schaltkreise als auch jene funktionaler Netzwerktopologie fluktuieren in Abhängigkeit vom globalen Zustand des Gehirns. Dieser Zustand wird wiederrum von Neuromodulatoren wie Noradrenalin und Acetylcholin reguliert. Dies legt nahe, dass neuromodulatorische Systeme auch bei der zeitlichen Akkumulation sensorischer Information eine Rolle spielen könnten. Durch eine Kombination von Psychophysik und mathematischer Modellierung wird in dieser Dissertation dargelegt, dass menschliche Beobachter die Zeitskala, über welche sie flackernde visuelle Information in einer perzeptuellen Entscheidungsaufgabe akkumulieren, anpassen, vorausgesetzt dass die verfügbare Information nichtstationär ist und ihre Performance dadurch optimiert werden kann. Die Zeitskala kann dabei jedoch nicht ohne Einschränkung angepasst werden, sondern nur innerhalb eines gewissen Bereichs, der nach oben begrenzt zu sein scheint. Damit zeigt diese Arbeit eine neue Form der top-down Kontrolle in der Entscheidungsfindung auf. Weiterhin wird durch Anwendung pharmakologischer Manipulationen und Magnetoenzephalographie (MEG) während einer Ruhemessung und während der Bearbeitung einer perzeptuellen Aufgabe zudem gezeigt, wie solche Veränderungen in neuronalen Schaltkreisen implementiert sein könnten: Katecholamine (Noradrenalin und Dopamine) erhöhen das lokale Verhältnis zwischen Erregung und Hemmung, was möglicherweise eine Verstärkung der rekurrenten Erregung innerhalb dieser Schaltkreise widerspiegelt. Des Weiteren wird gezeigt, dass sowohl Acetylcholin als auch Katecholamine zu großräumigen Rekonfigurationen der funktionellen Netzwerktopologie intrinsischer Hirnaktivität führen. Zusammenfassend legen die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse nahe dass (i) die Zeitskala der Evidenzakkumulation eine adaptive Eigenschaft ist, die innerhalb eines bestimmten Bereichs strategisch angepasst werden kann, um Performance zu optimieren, (ii) Neuromodulatoren wie Katecholamine und Acetylcholin lokale kortikale Schaltkreise sowie großflächige funktionale Netzwerktopologie verändern, was auf eine Rolle dieser neuromodulatorischen Systeme der bei der zeitlichen Akkumulation von Information nahelegt.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/7799
URN: urn:nbn:de:gbv:18-92663
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Donner, Tobias (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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