Early visual cortex is not functionally necessary for temporal attention: A TMS study

Het menselijk brein is een wonder van efficiëntie, maar het is ook een wezen van schaarste. Het kan niet elke aanblik, elk geluid en elke sensatie in de omgeving tegelijkertijd verwerken zonder de energievoorraden uit te putten. Om te overleven, hanteert het brein een strategie genaamd aandacht, een mechanisme dat werkt als een zoeklicht, dat de helderheid van specifieke informatie versterkt terwijl de rest wordt gedimd. Hoewel wetenschappers al lang begrijpen hoe we ons op specifieke plaatsen in ons gezichtsveld concentreren, is de vraag hoe we ons op specifieke momenten in de tijd concentreren een mysterie gebleven. We weten dat we er vrijwillig voor kunnen kiezen om klaar te zijn voor een gebeurtenis op een precieze seconde, maar de biologische machinerie achter dit vermogen was een raadsel. Eerdere studies met hersenscanners toonden aan dat wanneer we ons op een specifiek moment richten, de activiteit toeneemt in de vroege visuele cortex, het deel aan de achterkant van het hoofd dat als eerste beelden van de ogen ontvangt. Deze scanners laten echter alleen een correlatie zien; ze onthullen dat twee dingen tegelijkertijd gebeuren, maar ze kunnen niet bewijzen dat het een het ander veroorzaakt. Het bleef mogelijk dat dit vroege visuele gebied slechts een toeschouwer was, die oplichtte omdat andere delen van het brein het eigenlijke werk van het timen deden.

Om dit puzzelstuk op te lossen, ontwierpen onderzoekers van New York University een experiment om te testen of de vroege visuele cortex daadwerkelijk noodzakelijk is voor dit soort tijdsgebonden aandacht. Ze gebruikten een techniek genaamd transcraniële magnetische stimulatie, wat inhoudt dat een magnetische spoel tegen de hoofdhuid wordt geplaatst om een korte, onschadelijke puls af te geven die de elektrische activiteit van de hersencellen eronder tijdelijk verstoort. Door deze puls op het exacte moment dat een visueel doelwit verscheen toe te passen, kon het team zien of het verstoren van de vroege visuele cortex het vermogen van het brein zou breken om zich op dat specifieke moment te concentreren. Als de vroeze visuele cortex de motor van de temporele aandacht was, zou het verstoren ervan de mensen trager en minder accuraat hebben gemaakt. Als het brein echter vertrouwt op een ander, hoger gelegen systeem om tijd te beheren, dan zou het verstoren van het vroege visuele gebied geen effect hebben gehad op de prestaties.

De onderzoekers vroegen vrijwilligers om een taak uit te voeren waarbij ze wachtten op twee vormen, genaamd Gabor-patches, die na elkaar verschenen in de rechteronderhoek van een scherm. Voordat de vormen verschenen, gaf een geluid de vrijwilligers een hint over welke vorm ze zouden moeten identificeren. Soms was de hint accuraat en vertelde deze hen precies naar welke vorm ze moesten kijken; andere keren was het geluid neutraal en niet-behulpzaam. De vrijwilligers moesten beslissen of de aangegeven vorm licht naar links of naar rechts gekanteld was. Het experiment werd uitgevoerd onder vier verschillende condities: in sommige proeven werd de magnetische puls afgegeven net toen de eerste vorm verscheen; in andere raakte het net de tweede vorm; in sommige gevallen raakte het beide, en in een controlegroep werd er helemaal geen puls afgegeven. Cruciaal was dat de vrijwilligers niet konden voorspellen wanneer de puls zou plaatsvinden, wat ervoor zorgde dat hun hersentoestand consistent bleef, ongeacht de stimulatie. Om te verifiëren dat de magnetische puls daadwerkelijk het brein beïnvloedde, controleerden de onderzoekers ook de grootte van de pupillen van de vrijwilligers, die van nature verwijden wanneer de visuele cortex wordt gestimuleerd.

De resultaten waren duidelijk en verrassend. Wanneer de vrijwilligers een behulpzame hint ontvingen over welke vorm ze moesten bekijken, presteerden ze aanzienlijk beter, waarbij ze de kanteling nauwkeuriger identificeerden en sneller reageerden. Deze verbetering, bekend als het voordeel van temporele aandacht, trad consistent op in alle condities. Het belangrijkste was dat de magnetische pulsen die aan de vroege visuele cortex werden toegediend, dit voordeel niet verminderden. Of de puls nu de eerste vorm, de tweede vorm, beide of geen van beide raakte, het vermogen van de vrijwilligers om zich op het juiste moment in de tijd te concentreren bleef intact. De gegevens toonden aan dat het vermogen van het brein om een specifiek moment in de tijd prioriteit te geven, niet afhankelijk is van de vroege visuele cortex. De onderzoekers bevestigden dat de stimulatie naar behoren werkte omdat de pupillen van de vrijwilligers aanzienlijk verwijdden wanneer de pulsen werden toegediend, wat bewees dat het hersenweefsel werd beïnvloed. Deze fysiologische verstoring vertaalde zich echter niet in een gedragsmatige mislukking.

Deze bevindingen suggereren dat het vermogen van het brein om zich vrijwillig op een specifiek moment in de tijd te concentreren, onafhankelijk functioneert van de primaire visuele verwerkingscentra. In plaats van te vertrouwen op de vroege visuele cortex om de timing van de aandacht te beheren, gebruikt het brein waarschijnlijk hogere gebieden, zoals netwerken in de frontale en cingulaire gebieden, om taakrelevante informatie te selecteren en te beschermen. Deze studie levert het eerste causale bewijs dat hoewel de vroege visuele cortex essentieel is voor het zien, het niet de motor is die onze interne klok voor aandacht aandrijft. Het brein kan zijn temporele focus behouden, zelfs wanneer het initiële visuele verwerkingsgebied tijdelijk wordt uitgeschakeld, wat wijst op een complexer, gedistribueerd systeem voor het beheren van wanneer we onze aandacht richten.