Eye movements introduce large artifacts to electroencephalographic recordings (EEG) and thus render data analysis difficult or even impossible. Trials contaminated by eye movement and blink artifacts have to be discarded, hence in standard EEG-paradigms subjects are required to fixate on the screen. To overcome this restriction, several correction methods including regression and blind source separation have been proposed. Yet, there is no automated standard procedure established. By simultaneously recording eye movements and 64-channel-EEG during a guided eye movement paradigm, we investigate and review the properties of eye movement artifacts, including corneo-retinal dipole changes, saccadic spike potentials and eyelid artifacts, and study their interrelations during different types of eye- and eyelid movements. In concordance with earlier studies our results confirm that these artifacts arise from different independent sources and that depending on electrode site, gaze direction, and choice of reference these sources contribute differently to the measured signal. We assess the respective implications for artifact correction methods and therefore compare the performance of two prominent approaches, namely linear regression and independent component analysis (ICA). We show and discuss that due to the independence of eye artifact sources, regression-based correction methods inevitably over- or under-correct individual artifact components, while ICA is in principle suited to address such mixtures of different types of artifacts. Finally, we propose an algorithm, which uses eye tracker information to objectively identify eye-artifact related ICA-components (ICs) in an automated manner. In the data presented here, the algorithm performed very similar to human experts when those were given both, the topographies of the ICs and their respective activations in a large amount of trials. Moreover it performed more reliable and almost twice as effective than human experts when those had to base their decision on IC topographies only. Furthermore, a receiver operating characteristic (ROC) analysis demonstrated an optimal balance of false positive and false negative at an area under curve (AUC) of more than 0.99. Removing the automatically detected ICs from the data resulted in removal or substantial suppression of ocular artifacts including microsaccadic spike potentials, while the relevant neural signal remained unaffected. In conclusion the present work aims at a better understanding of individual eye movement artifacts, their interrelations and the respective implications for eye artifact correction. Additionally, the proposed ICA-procedure provides a tool for optimized detection and correction of eye movement-related artifact components.

Posterior oscillatory alpha-band activity is commonly associated with spatial-attentional orienting and prioritization across sensory modalities. It has also been suggested to mediate the automatic transformation of tactile stimuli from a skin-based, somatotopic reference frame into an external one. Previous research has not convincingly separated these two possible roles of alpha-band activity. In particular, the use of delay paradigms, implemented to allow temporal evolution of segregable oscillatory brain responses to stimulus, motor planning, and response, have prohibited strong conclusions about a causal role of oscillatory activity in tactile-spatial transformations. Here, we assessed alpha-band modulation with massive univariate deconvolution, an analysis approach that disentangles brain signals overlapping in time and space. Thirty-one participants performed a delay-free, visual serial-search task in which saccade behavior was unrestricted. A tactile cue to uncrossed or crossed hands was either informative or uninformative about visual target location. Alpha-band suppression following tactile stimulation was lateralized relative to the stimulated hand over centro-parietal sensors, but relative to its external location over parieto-occipital sensors. Alpha-band suppression reflected external touch location only after informative cues, challenging the proposition that posterior alpha-band lateralization indexes automatic tactile transformation. Moreover, alpha-band suppression occurred ~200 ms later than externally directed saccade responses after tactile stimulation. These findings suggest that alpha-band activity does not play a causal role in tactile-spatial transformation but, instead, reflects delayed, supramodal processes of attentional re-orienting.

Humans often evaluate sensory signals according to their reliability for optimal decision-making. However, how do we evaluate percepts generated in the absence of direct input that are, therefore, completely unreliable? Here, we utilize the phenomenon of filling-in occurring at the physiological blind-spots to compare partially inferred and veridical percepts. Subjects chose between stimuli that elicit filling-in, and perceptually equivalent ones presented outside the blind-spots, looking for a Gabor stimulus without a small orthogonal inset. In ambiguous conditions, when the stimuli were physically identical and the inset was absent in both, subjects behaved opposite to optimal, preferring the blind-spot stimulus as the better example of a collinear stimulus, even though no relevant veridical information was available. Thus, a percept that is partially inferred is paradoxically considered more reliable than a percept based on external input. In other words: Humans treat filled-in inferred percepts as more real than veridical ones.

ABSTRACT Non-human animal models have indicated that the ratio of excitation to inhibition (E/I) in neural circuits is experience dependent, and changes across development. Here, we assessed 3T Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) and electroencephalography (EEG) markers of cortical E/I ratio in ten individuals who had been treated for dense bilateral congenital cataracts, after an average of 12 years of blindness, to test for dependence on early visual experience. First, participants underwent MRS scanning at rest with their eyes opened and eyes closed, to obtain visual cortex Gamma-Aminobutyric Acid (GABA+) concentration, Glutamate/Glutamine (Glx) concentration, and the concentration ratio of Glx/GABA+, as measures of inhibition, excitation, and E/I ratio respectively. Subsequently, EEG was recorded to assess aperiodic activity (1-20 Hz) as a neurophysiological measure of the cortical E/I ratio, during rest with eyes open and eyes closed, and during flickering stimulation. Across conditions, sight recovery individuals demonstrated a significantly lower visual cortex Glx/GABA+ ratio, and a higher intercept and steeper aperiodic slope at occipital electrodes, compared to age-matched sighted controls. In the sight recovery group, a lower Glx/GABA+ ratio was associated with better visual acuity, and Glx concentration correlated positively with the aperiodic intercept in the conditions with visual input. We interpret these findings as resulting from an increased E/I ratio of the visual cortex as a consequence of congenital blindness, which required commensurately increased inhibition after restored visual input provided additional excitation.

Motor coordination, either between two limbs or between a limb and another sensory signal, depends on the interplay between motor control and sensory processing. Although profusely studied in relative isolation, knowledge of the interdependence between different control mechanisms and sensory sources is incomplete. We addressed this gap with a cross-sectional, developmental approach. Children aged 4 to 12 years (N=120) performed multiple versions of a hand-circling task. We show that coordination of symmetric bimanual movements is an independent mechanism that develops first, followed by proprioceptive and visual unimanual guidance. The ability to strategically select some, but ignore other, sensory information for asynchronous bimanual motor coordination develops last. Partial correlations between different tasks suggest interdependent, chained development within individuals. These results suggests that bimanual coordination is not a subcategory of general coordination ability, but is based on independent, likely motor-based, factors. Moreover, the development of different motor functions is serially interdependent.

Persistent visual impairments after congenital blindness due to dense bilateral cataracts have been attributed to altered visual cortex development within a sensitive period. Occipital alpha (8-14 Hz) oscillations were found to be reduced after congenital cataract reversal during visual motion tasks. However, it has been unclear whether reduced alpha oscillations were task-specific, or linked to impaired visual behavior in cataract-reversed individuals. Here, we compared resting-state and stimulus-evoked alpha activity between individuals who had been treated for dense bilateral congenital cataracts (CC, n = 13, mean duration of blindness = 11.0 years) and age-matched, normally sighted individuals (SC, n = 13). We employed the visual impulse response function, adapted from VanRullen and MacDonald (2012), to test for the characteristic alpha response to visual white noise. Participants observed white noise stimuli changing in luminance with equal power at frequencies between 0-30 Hz. Compared to SC individuals, CC individuals demonstrated a reduced likelihood of exhibiting an evoked alpha response. Moreover, stimulus-evoked alpha power was reduced and correlated with a corresponding reduction of resting-state alpha power in the same CC individuals. Finally, CC individuals with an above-threshold evoked alpha peak had better visual acuity than CC individual without an evoked alpha peak. Since alpha oscillations have been linked to feedback communication, we suggest that the concurrent impairment in resting-state and stimulus-evoked alpha oscillations indicates an altered interaction of top-down and bottom-up processing in the visual hierarchy, which likely contributes to incomplete behavioral recovery in individuals who had experienced transient congenital blindness.