Neural oscillatory signatures of auditory and audiovisual illusions

Questions of the relationship between human perception and brain activity can be approached from different perspectives: in the first, the brain is mainly regarded as a recipient and processor of sensory data. The corresponding research objective is to establish mappings of neural activity patterns and external stimuli. Alternatively, the brain can be regarded as a self-organized dynamical system, whose constantly changing state affects how incoming sensory signals are processed and perceived. The research reported in this thesis can chiefly be located in the second framework, and investigates the relationship between oscillatory brain activity and the perception of ambiguous stimuli. Oscillations are here considered as a mechanism for the formation of transient neural assemblies, which allows efficient information transfer. While the relevance of activity in distinct frequency bands for auditory and audiovisual perception is well established, different functional architectures of sensory integration can be derived from the literature. This dissertation therefore aims to further clarify the role of oscillatory activity in the integration of sensory signals towards unified perceptual objects, using illusion paradigms as tools of study. In study 1, we investigate the role of low frequency power modulations and phase alignment in auditory object formation. We provide evidence that auditory restoration is associated with a power reduction, while the registration of an additional object is reflected by an increase in phase locking. In study 2, we analyze oscillatory power as a predictor of auditory influence on visual perception in the sound-induced flash illusion. We find that increased beta-/ gamma-band power over occipitotemporal electrodes shortly before stimulus onset predicts the illusion, suggesting a facilitation of processing in polymodal circuits. In study 3, we address the question of whether visual influence on auditory perception in the ventriloquist illusion is reflected in primary sensory or higher-order areas. We establish an association between reduced theta-band power in mediofrontal areas and the occurrence of illusion, which indicates a top-down influence on sensory decision-making. These findings broaden our understanding of the functional relevance of neural oscillations by showing that different processing modes, which are reflected in specific spatiotemporal activity patterns, operate in different instances of sensory integration.Fragen nach dem Zusammenhang zwischen menschlicher Wahrnehmung und Hirnaktivität können aus verschiedenen Perspektiven adressiert werden: in der einen wird das Gehirn hauptsächlich als Empfänger und Verarbeiter von sensorischen Daten angesehen. Das entsprechende Forschungsziel wäre eine Zuordnung von neuronalen Aktivitätsmustern zu externen Reizen. Dieser Sichtweise gegenüber steht ein Ansatz, der das Gehirn als selbstorganisiertes dynamisches System begreift, dessen sich ständig verändernder Zustand die Verarbeitung und Wahrnehmung von sensorischen Signalen beeinflusst. Die Arbeiten, die in dieser Dissertation zusammengefasst sind, können vor allem in der zweitgenannten Forschungsrichtung verortet werden, und untersuchen den Zusammenhang zwischen oszillatorischer Hirnaktivität und der Wahrnehmung von mehrdeutigen Stimuli. Oszillationen werden hier als ein Mechanismus für die Formation von transienten neuronalen Zusammenschlüssen angesehen, der effizienten Informationstransfer ermöglicht. Obwohl die Relevanz von Aktivität in verschiedenen Frequenzbändern für auditorische und audiovisuelle Wahrnehmung gut belegt ist, können verschiedene funktionelle Architekturen der sensorischen Integration aus der Literatur abgeleitet werden. Das Ziel dieser Dissertation ist deshalb eine Präzisierung der Rolle oszillatorischer Aktivität bei der Integration von sensorischen Signalen zu einheitlichen Wahrnehmungsobjekten mittels der Nutzung von Illusionsparadigmen. In der ersten Studie untersuchen wir die Rolle von Leistung und Phasenanpassung in niedrigen Frequenzbändern bei der Formation von auditorischen Objekten. Wir zeigen, dass die Wiederherstellung von Tönen mit einer Reduktion der Leistung zusammenhängt, während die Registrierung eines zusätzlichen Objekts durch einen erhöhten Phasenangleich widergespiegelt wird. In der zweiten Studie analysieren wir oszillatorische Leistung als Prädiktor von auditorischem Einfluss auf visuelle Wahrnehmung in der sound-induced flash illusion. Wir stellen fest, dass erhöhte Beta-/Gamma-Band Leistung über occipitotemporalen Elektroden kurz vor der Reizdarbietung das Auftreten der Illusion vorhersagt, was auf eine Begünstigung der Verarbeitung in polymodalen Arealen hinweist. In der dritten Studie widmen wir uns der Frage, ob ein visueller Einfluss auf auditorische Wahrnehmung in der ventriloquist illusion sich in primären sensorischen oder übergeordneten Arealen widerspiegelt. Wir weisen einen Zusammenhang von reduzierter Theta-Band Leistung in mediofrontalen Arealen und dem Auftreten der Illusion nach, was einen top-down Einfluss auf sensorische Entscheidungsprozesse anzeigt. Diese Befunde erweitern unser Verständnis der funktionellen Bedeutung neuronaler Oszillationen, indem sie aufzeigen, dass verschiedene Verarbeitungsmodi, die sich in spezifischen räumlich-zeitlichen Aktivitätsmustern spiegeln, in verschiedenen Phänomenen von sensorischer Integration wirksam sind