Spectrotemporal processing and intrinsic functional connectivity in human auditory cortex

Studying the interaction and connectivity between neurons is important to understanding human perception and behaviors. Functional connectivity, defined as temporal coherence between recordings of neural activity in different locations, is a promising paradigm to study intrinsic dynamics of brain activity. In mammalian sensory cortices, intrinsic functional connectivity revealed by recording spontaneous activity has been positively correlated to sensory tuning similarities of neurons. Human functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have also demonstrated similar patterns with respect to retinotopy and somatotopy. Such coherent spontaneous activity have also been reported to be associated with behavior and perception. This thesis seeks to understand the nature of coherent spontaneous activity, that is, intrinsic functional connectivity, in human auditory cortex in relation to its spectrotemporal processing. In Study 1, we obtained fMRI responses to pure tone stimuli and estimated best (preferred) frequencies of individual voxels in human auditory cortex. Intrinsic functional connectivity was computed by correlating residual activity, which was obtained by subtracting stimulus effects from fMRI responses, between every pair of voxels, and their correlations were sorted by difference in best frequencies. This analysis revealed that intrinsic functional connectivity decreases as the difference in best frequencies of paired voxels increases. This effect was consistent within and across hemispheres, and within and across regions of core and belt areas. The effect was preserved even after correcting functional connectivity for distance between voxels. Functional connectivity of the right core area had particularly high frequency preference specificity compared to the other three areas. Consistent results were observed when resting-epoch data were used. Study 2 was designed not only to generalize the tuning specificity of functional connectivity to spectrotemporal tuning properties, but to address functional implications of having tuning-specific functional connectivity. The cortical activity measured in fMRI in response to 72 natural sounds were analyzed to characterize spectrotemporal modulation transfer functions (MTFs) of individual voxels that are parameterized by characteristic frequency, spectral density and modulation rate. These tuning functions provided enough information to classify novel sounds from separate test datasets. Intrinsic functional connectivity was computed by correlating residual activity taken from auditory responses and resting-state activity from a separate run. Functional connectivity from both activity types was specific to the three tuning parameters. To examine the implication of functional connectivity on spectrotemporal processing, we built a model that combines spectrotemporal tuning functions and functional connectivity to predict voxel activity, and tested whether single-trial stimulus identification based on this model is improved compared to the model which uses the tuning functions. When functional connectivity was incorporated into the model, single-trial decoding performance was better than when only the tuning functions are used. The effect was preserved across primary and non-primary auditory cortex in both hemispheres. The results were also confirmed when maximum likelihood decoders with covariance estimated from residual or resting-state activity were used. The findings in the above studies suggest that functional connectivity in human auditory cortex is associated with its functional and anatomical architecture, and that tuning-specifically coherent spontaneous activity is functionally important to neural encoding and decoding mechanisms.L'étude des interactions neuronales et de la connectivité corticale est importante pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent la perception et les comportements humains. La connectivité fonctionnelle, définie comme la cohérence temporelle de l'activité neuronale provenant de régions distinctes, est une approche prometteuse pour étudier la dynamique intrinsèque de l'activité spontanée ainsi que son influence sur les interactions neuronales extrinsèques. Dans les cortex sensoriels des mammifères, il a été démontré que la connectivité fonctionnelle intrinsèque, révélée par l'enregistrement de l'activité spontanée, peut prédire positivement les profils de réponse des neurones sensoriels. L'activité cérébrale spontanée cohérente semble donc avoir un rôle fonctionnel dans le traitement de l'information neuronale. Ce travail de thèse cherche à comprendre la nature de l'activité spontanée cohérente, c'est-à-dire la connectivité fonctionnelle intrinsèque, dans le cortex auditif humain en relation avec le traitement spectro-temporel. Dans l'étude 1, nous avons mesuré l'activité IRMf en réponse à des tons purs et nous avons estimé les profils de réponses préférentiels de voxels individuels en fonction de ces fréquences dans le cortex auditif humain. La connectivité fonctionnelle intrinsèque a été calculée en corrélant l'activité résiduelle de chaque paire de voxels, et les corrélations entre voxels ont été triées en fonction des différences dans des fréquences préférentielles. Cette analyse a révélé que la connectivité fonctionnelle intrinsèque diminue lorsque la différence dans les préférences fréquentielles des voxels appariés augmente. Cet effet était cohérent au sein et entre les hémisphères, et au sein et entre les régions du noyau et les aires périphériques (ceinture) du cortex auditif. Cet effet a été préservé après correction pour la distance entre les voxels. La connectivité fonctionnelle au sein du noyau auditif droit était dotée d'un profil spécifique de réponse préférentiel pour les hautes fréquences par rapport aux trois autres zones. Des résultats similaires ont été observés lors de l'utilisation des données de repos.L'étude 2 a été conçue dans le but de généraliser la tuning-spécificité des profils de connectivité fonctionnelle et permet aussi d'estimer les implications fonctionnelles de connectivité fonctionnelle. L'activité corticale, mesurée par IRMf, en réponse à 72 sons naturels a été analysée dans le but de caractériser les fonctions de transfert de modulation spectro-temporels de voxels individuels. La connectivité fonctionnelle intrinsèque a été estimée en corrélant l'activité résiduelle des réponses auditives et l'activité de repos provenant d'une série de données distincte. Le profil de connectivité fonctionnelle lors des deux était spécifique aux trois propriétés spectro-temporelles. Pour examiner l'implication de la connectivité fonctionnelle sur le traitement spectrotemporel, nous avons construit un modèle qui combine les fonctions d'accord spectrotemporel et la connectivité fonctionnelle pour prédire l'activité du voxel et a testé si l'identification du stimulus d'un seul essai basée sur ce modèle est améliorée par rapport au modèle qui utilise l'accord les fonctions. Lorsque la connectivité fonctionnelle a été incorporée dans le modèle, les performances de décodage à un essai étaient meilleures que lorsque seules les fonctions de réglage sont utilisées. Ces résultats ont également été confirmés lorsque nous avons utilisé des décodeurs à leur maximum de vraisemblance avec une covariance estimée à partir de l'activité résiduelle ou de l'activité de repos.Les résultats des études ci-dessus suggèrent que la connectivité fonctionnelle dans le cortex auditif humain est associée à son architecture fonctionnelle et anatomique et que la connectivité fonctionnelle est aussi informative que la corrélation avec le bruit, les deux mesures pouvant être utilisées afin de décoder l'activité neuronale