Abstract Consciousness is not explained by a single mechanism, rather it involves multiple specialized neural systems overlapping in space and time. We hypothesize that synergistic, large-scale subcortical and cortical attention and signal processing networks encode conscious experiences. To identify brain activity in conscious perception without overt report, we classified visual stimuli as perceived or not using eye measurements. Report-independent event-related potentials and functional magnetic resonance imaging (fMRI) signals both occurred at early times after stimuli. Direct recordings revealed a novel thalamic awareness potential linked to conscious visual perception based on report. fMRI showed thalamic and cortical detection, arousal, attentional salience, task-positive, and default mode networks were involved independent of overt report. These findings identify a specific sequence of neural mechanisms in human conscious visual perception. One-Sentence Summary Human conscious visual perception engages large-scale subcortical and cortical networks even without overt report.

Abstract Absence seizures are characterized by a brief behavioural impairment including apparent loss of consciousness. Neuronal mechanisms determining the behavioural impairment of absence seizures remain unknown, and their elucidation might highlight therapeutic options for reducing seizure severity. However, recent studies have questioned the similarity of animal spike-wave-discharges (SWD) to human absence seizures both behaviourally and neuronally. Here, we report that Genetic Absence Epilepsy Rats from Strasbourg recapitulate the decreased neuroimaging signals and loss of consciousness characteristic of human absence seizures. Overall neuronal firing is decreased but rhythmic in the somatosensory cortex and thalamus during these seizures. Interestingly, individual neurons in both regions tend to consistently express one of four distinct patterns of seizure-associated activity. These patterns differ in firing rate dynamics and in rhythmicity during seizure. One group of neurons showed a transient initial peak in firing at SWD onset, accounting for the brief initial increase in overall neuronal firing seen in cortex and thalamus. The largest group of neurons in both cortex and thalamus showed sustained decreases in firing during SWD. Other neurons showed either sustained increases or no change in firing. These findings suggest that certain classes of cortical and thalamic neurons may be particularly responsible for the paroxysmal oscillations and consequent loss of consciousness in absence epilepsy.

Conscious perception of visual stimuli involves large-scale brain networks with multiple activation-deactivation dynamics. Previous works have shown that early detection networks may be switched off about 200ms to 300ms after presentation of a visual stimulus. We hypothesize that these deactivations represent a selective control mechanism of the brain to conserve resources for post-perceptual processing. To this end, we used attentional blink as a behavioral measure for this mechanism. We showed that attentional blink is more likely to occur when a previous visual stimulus was consciously perceived. Using high-resolution eye-tracking, we found prolonged decrease in pupil diameter and transient decrease in blink probability associated with attentional blink. Using scalp EEG data, we further showed that attentional blink is associated with more pronounced event-related potentials related to visual processing and report.

The origins of awareness of action (AoA), the ability to report an action just performed, remain elusive. Differing theories ascribe AoA to pre-action, efferent motor/volitional mechanisms versus post-action, afferent sensory/perceptual neural mechanisms. To study these two types of mechanisms and others, we developed a paradigm where very similar aware and unaware actions occur repeatedly. Aware actions demonstrated larger neurophysiological signals both preceding and following movement. The differences included well-known volitional and perceptual event related potentials (PMP, N140, P300), as well as frontal midline theta, event-related alpha/beta desynchronization, and post-move blink rates. On longer time scales, we identified a novel event related potential preceding unaware moves, and found behavioral and pupillometric evidence for decreased attention and arousal over minutes concurrent with AoA loss. Our findings suggest that both dynamic, individual action-associated volitional and perceptual neural activity, as well as long-term attention and arousal states play a role in maintaining AoA.

Abstract Although recent work has made significant headway in understanding the temporal and spatial dynamics of the neural mechanisms of conscious perception, much of that work has focused on visual paradigms. To determine whether there are shared mechanisms for perceptual consciousness across sensory modalities, here we developed a task to test within the auditory domain. Participants (n=31) completed an auditory perceptual threshold task while undergoing intracranial electroencephalography (icEEG) for intractable epilepsy. Intracranial recordings from over 2,800 grey matter electrodes representing widespread cortical coverage were analyzed for power in the high gamma range (40–115 Hz)—a frequency range that reflects local neural activity. For trials that were perceived, we find activity in early auditory regions which is accompanied by activity in the right caudal middle frontal gyrus, and shortly thereafter by activity in non-auditory thalamus. This is followed by a wave of activity that sweeps through the higher auditory association regions and into parietal and frontal cortices, similar to the wave observed in our visual conscious perception paradigm. However, for not perceived trials, we find that significant activity is restricted to early auditory regions (and areas immediately adjacent to the Sylvian fissure). These findings show that the broad anatomical regions of cortical and subcortical networks involved in auditory perception are similar to the networks observed with vision, suggesting shared general mechanisms for conscious perception.

Summary Different theories explain how subjective experience arises from brain activity 1,2 . These theories have independently accrued evidence, yet, confirmation bias and dependence on design choices hamper progress in the field 3 . Here, we present an open science adversarial collaboration which directly juxtaposes Integrated Information Theory (IIT) 4,5 and Global Neuronal Workspace Theory (GNWT) 6–10 , employing a theory-neutral consortium approach 11,12 . We investigate neural correlates of the content and duration of visual experience. The theory proponents and the consortium developed and preregistered the experimental design, divergent predictions, expected outcomes, and their interpretation 12 . 256 human subjects viewed suprathreshold stimuli for variable durations while neural activity was measured with functional magnetic resonance imaging, magnetoencephalography, and electrocorticography. We find information about conscious content in visual, ventro-temporal and inferior frontal cortex, with sustained responses in occipital and lateral temporal cortex reflecting stimulus duration, and content-specific synchronization between frontal and early visual areas. These results confirm some predictions of IIT and GNWT, while substantially challenging both theories: for IIT, a lack of sustained synchronization within posterior cortex contradicts the claim that network connectivity specifies consciousness. GNWT is challenged by the general lack of ignition at stimulus offset and limited representation of certain conscious dimensions in prefrontal cortex. Beyond challenging the theories themselves, we present an alternative approach to advance cognitive neuroscience through a principled, theory-driven, collaborative effort. We highlight the challenges to change people’s mind 13 and the need for a quantitative framework integrating evidence for systematic theory testing and building.

Abstract The neural mechanisms of visual conscious perception have been investigated for decades. However, the spatiotemporal dynamics associated with the earliest neural responses following consciously perceived stimuli are still poorly understood. Using a dataset of intracranial EEG recordings, the current study aims to investigate the neural activity changes associated with the earliest stages of visual conscious perception. Subjects (N=10, 1,693 grey matter electrode contacts) completed a continuous performance task in which individual letters were presented in series and subjects were asked to press a button when they saw a target letter. Broadband gamma power (40-115Hz) dynamics were analyzed in comparison to baseline prior to stimulus and contrasted for target trials with button presses and non-target trials without button presses. Regardless of event type, we observed early gamma power changes within 30-150 ms from stimulus onset in a network including increases in bilateral occipital, fusiform, frontal (including frontal eye fields), and medial temporal cortex, increases in left lateral parietal-temporal cortex, and decreases in the right anterior medial occipital cortex. No significant differences were observed between target and non-target stimuli until >150 ms post-stimulus, when we saw greater gamma power increases in left motor and premotor areas, suggesting a possible role of these later signals in perceptual decision making and/or motor responses with the right hand. The early gamma power findings suggest a broadly distributed cortical visual detection network that is engaged at early times tens of milliseconds after signal transduction from the retina.