Repetition suppression in the auditory cortex : an interdisciplinary investigation

Abstract

Auditory sensory memory is essential for the interpretation of a sound in the context of the immediate past. While memory traces can be observed behaviourally, the underlying mechanisms in the auditory cortex (AC) are more elusive and can often only be observed indirectly. One such indirect observation is repetition suppression (RS), the attenuation of neural responses when a stimulus is presented repeatedly. This phenomenon indicates that the auditory system contains memory traces of recent stimulation that affect responses to incoming stimuli. While the RS phenomenon is well established, the neuronal underpinning and factors that modulate its lifetime are not fully understood. This thesis investigates the emergence of RS in the AC through computational modelling and in-vivo measurements. Moreover, a robust analysis pipeline for the determination of in-vivo RS lifetimes and an automated approach for the optimisation of computational AC models are introduced. Simulation results from a newly created computational model of the gerbil AC predict that the lifetime of RS does not simply reflect recovery from short-term synaptic depres- sion (STSD). Instead, RS is a result of the interplay between STSD dynamics and network connectivity patterns. The same prediction also resulted from simulations with a simplified computational model of the human AC. When network connection strengths were altered, the lifetime of RS changed. Moreover, the gerbil AC model demonstrated that network interactions cause variations in RS lifetime as a function of stimulus audio-frequency. Elec- trophysiological recordings revealed audio-frequency-specific RS lifetimes in the AC of four out of six gerbils. Moreover, the RS lifetimes deduced from the intracortical recordings were shorter than lifetimes deduced from extracortical measurements of activity in the human AC. In conclusion, the findings suggest that RS in the AC is a network effect. The resulting lifetime variations across neural populations and the audio-frequency of the stimulus might play a functional role in the context of temporal binding of sounds. The variation across species might reflect that AC response dynamics are respectively tailored to temporal binding across the shorter time scales of gerbil vocalisations and the longer time scales of human speech.

Ein auditives sensorisches Gedächtnis ist essentiell, um Hörreize im Kontext der unmittel- baren Vergangenheit zu interpretieren. Während Gedächtnisspuren auf der Verhaltensebene gut beobachtet werden können, sind die zugrunde liegenden Mechanismen im Hörkortex schwe- rer zu fassen und meist nur indirekt zu beobachten. Eine solche indirekte Beobachtung ist Wiederholungsunterdrückung (WU), eine Verminderung neuronaler Aktivität bei wieder- holtem Auftreten eines Stimulus. Dieses Phänomen deutet darauf hin, dass im auditiven System Gedächtnisspuren von vorhergehenden Stimuli existieren, die die neuronale Antwort auf folgende Stimuli beeinflussen. WU ist ein gut beschriebenes Phänomen, jedoch sind die neuronalen Grundlagen sowie die Faktoren, die die Verfallszeit der Unterdrückung beeinflussen, nicht abschließend geklärt. Diese Dissertation nutzt Computersimulationen und In-vivo-Messungen, um das Auftreten von WU im Hörkortex zu untersuchen. Zusätzlich werden eine robuste Analyse-Pipeline für die Ermittlung von Verfallszeiten in vivo sowie ein Ansatz für die automatisierte Optimierung von Computermodellen des Hörkortex vorgestellt. Die mit einem neuen Modell des Gerbil-Hörkortex erzielten Simulationsergebnisse sagen voraus, dass Verfallszeiten der WU nicht allein die Verfallszeiten synaptischer Kurzzeitde- pression spiegeln. Stattdessen ergibt sich WU aus der Wechselwirkung zwischen synaptischer Kurzzeitdepression und dem Verbindungsmuster des neuronalen Netzwerkes. Dieselbe Prog- nose resultierte auch aus Simulationen mit einem vereinfachten Computermodell des men- schlichen Hörkortex. Änderungen der Stärke der Netzwerkverbindungen führten zu einer Veränderung der WU-Verfallszeit. Zusätzlich war im Gerbil-Modell zu beobachten, dass auf- grund von bestimmten Netzwerk-Interaktionen die Verfallszeit abhängig von der Audiofre- quenz des Stimulus ist. Elektrophysiologische Messungen im Hörkortex offenbarten audio- frequenz-spezifische Verfallszeiten bei vier von sechs Gerbilen. Außerdem waren die aus den intrakortikalen Messungen ermittelten Verfallszeiten kürzer als die von extrakortikalen Mes- sungen abgeleiteten Verfallszeiten für den menschlichen Hörkortex. Die Ergebnisse deuten somit darauf hin, dass WU im Hörkortex ein Netzwerkeffekt ist. Die sich daraus ergebenden Variationen der Verfallszeiten, über neuronale Populationen und Stimulus-Audiofrequenzen hinweg, könnten eine Rolle bei der Verarbeitung von längeren und komplexeren Tonsequenzen spielen. Die Variation zwischen den Spezies könnte bedeuten, dass die Reaktionsdynamik des jeweiligen Hörkortex an die Verarbeitung der kürzeren Gerbil-Laute beziehungsweise der längeren Sequenzen menschlicher Sprache angepasst ist.