Heart rate has natural fluctuations that are typically ascribed to autonomic function. Recent evidence suggests that conscious processing can affect the timing of the heartbeat. We hypothesized that heart rate is modulated by conscious processing and therefore dependent on attentional focus. To test this, we leverage the observation that neural processes synchronize between subjects by presenting an identical narrative stimulus. As predicted, we find significant inter-subject correlation of heart rate (ISC-HR) when subjects are presented with an auditory or audiovisual narrative. Consistent with our hypothesis, we find that ISC-HR is reduced when subjects are distracted from the narrative, and higher ISC-HR predicts better recall of the narrative. Finally, patients with disorders of consciousness have lower ISC-HR, as compared to healthy individuals. We conclude that heart rate fluctuations are partially driven by conscious processing, depend on attentional state, and may represent a simple metric to assess conscious state in unresponsive patients.

Abstract There is evidence that transcranial direct current stimulation can boost learning performance. Arguably, this boost is related to synaptic plasticity. However, the precise effects on synaptic plasticity and its underlying mechanisms are not known. We hypothesized that direct current stimulation modulates endogenous Hebbian plasticity mechanisms due to its ability to polarize cellular membrane. To test this we induced long term plasticity (LTP) using theta-burst stimulation (TBS) in rat hippocampus, and measured the effects of concurrent direct current stimulation (DCS). Soma-depolarizing DCS increased TBS-induced LTP. Oscillating current stimulation is equally effective provided the soma-depolarizing phase is time-aligned with the theta-bursts, suggesting that only instantaneous depolarization is relevant. Importantly, the effect is pathway-specific and associative. These findings are consistent with classic theory on the role of post-synaptic membrane potential in Hebbian plasticity. These data suggest that the effects of direct current stimulation are specific because they modulate endogenous Hebbian plasticity, thus inheriting its exquisite functional specificity.

Abstract Temporal interference (TI) stimulation of the brain generates amplitude-modulated electric fields oscillating in the kHz range. A validated current-flow model of the human head estimates that amplitude-modulated electric fields are stronger in deep brain regions, while unmodulated electric fields are maximal at the cortical regions. The electric field threshold to modulate carbachol-induced gamma oscillations in rat hippocampal slices was determined for unmodulated 0.05-2 kHz sine waveforms, and 5 Hz amplitude-modulated waveforms with 0.1-2 kHz carrier frequencies. The neuronal effects are replicated with a computational network model to explore the underlying mechanisms. Experiment and model confirm the hypothesis that spatial selectivity of temporal interference stimulation depends on the phasic modulation of neural oscillations only in deep brain regions. This selectivity is governed by network adaption (e.g. GABA b ) that is faster than the amplitude-modulation frequency. The applied current required depends on the neuronal membrane time-constant (e.g. axons) approaching the kHz carrier frequency of temporal interference stimulation.

Abstract Heart rate has natural fluctuations that are typically ascribed to autonomic function. Recent evidence suggests that conscious processing can affect the timing of the heartbeat. We hypothesized that heart rate is modulated by conscious processing and therefore dependent on attentional focus. To test this, we leverage the observation that neural processes can be synchronized between subjects by presenting an identical narrative stimulus. As predicted, we find significant inter-subject correlation of the heartbeat (ISC-HR) when subjects are presented with an auditory or audiovisual narrative. Consistent with the conscious processing hypothesis, we find that ISC-HR is reduced when subjects are distracted from the narrative, and that higher heart rate synchronization predicts better recall of the narrative. Finally, patients with disorders of consciousness who are listening to a story have lower ISC-HR, as compared to healthy individuals, and that individual ISC-HR might predict a patients’ prognosis.. We conclude that heart rate fluctuations are partially driven by conscious processing, depend on attentional state, and may represent a simple metric to assess conscious state in unresponsive patients.

ABSTRACT Severe brain injuries can lead to long-lasting disorders of consciousness (DoC) such as vegetative state/unresponsive wakefulness syndrome (VS/UWS) or minimally conscious state (MCS). While behavioral assessment remains the gold standard to determine conscious state, EEG has proven to be a promising complementary tool to monitor the effect of new therapeutics. Encouraging results have been obtained with invasive electrical stimulation of the brain, and recent studies identified transcranial direct current stimulation (tDCS) as an effective approach in randomized controlled trials. This non-invasive and inexpensive tool may turn out to be the preferred treatment option. However, its mechanisms of action and physiological effects on brain activity remain unclear and debated. Here, we stimulated 60 DoC patients with the anode placed over left-dorsolateral prefrontal cortex in a prospective open-label study. Clinical behavioral assessment improved in twelve patients (20%) and none deteriorated. This behavioral response after tDCS coincided with an enhancement of putative EEG markers of consciousness: in comparison with non-responders, responders showed increases of power and long-range cortico-cortical functional connectivity in the theta-alpha band, and a larger and more sustained P300 suggesting improved conscious access to auditory novelty. The EEG changes correlated with electric fields strengths in prefrontal cortices, and no correlation was found on the scalp. Taken together, this prospective intervention in a large cohort of DoC patients strengthens the validity of the proposed EEG signatures of consciousness, and is suggestive of a direct causal effect of tDCS on consciousness.

Abstract Relatively little is known about visual processing during free-viewing visual search in realistic dynamic environments. Free-viewing is characterized by frequent saccades. During saccades, visual processing is thought to be inhibited, yet we know that the pre-saccadic visual content can modulate post-saccadic processing. To better understand these processes in a realistic setting, we study here saccades and neural responses elicited by the appearance of visual targets in a realistic virtual environment. While subjects were being driven through a 3D virtual town they were asked to discriminate between targets that appear on the road. We found that the presence of a target enhances early occipital as well as late frontocentral saccade-related responses. The earlier potential, shortly after 125ms post-saccade onset, was enhanced for targets that appeared in peripheral vision as compared to central vision, suggesting that fast peripheral processing initiated before saccade onset. The later potential, at 195ms post-saccade onset, was strongly modulated by the visibility of the target with a spatial distribution reminiscent of the classic P300 response. Together these results suggest that, during natural viewing, neural processing of the pre-saccadic visual stimulus continues throughout the saccade, apparently unencumbered by saccadic inhibition.

Abstract Neural, physiological and behavioral signals synchronize between human subjects in a variety of settings. Multiple hypotheses have been proposed to explain this interpersonal synchrony, but there is no clarity under which conditions it arises, for which signals, or whether there is a common underlying mechanism. We hypothesized that similar cognitive processing of a shared stimulus is the source of synchrony between subjects, measured here as inter-subject correlation. To test this we presented informative videos to participants in an attentive and distracted condition and subsequently measured information recall. Inter-subject correlation was observed for electro-encephalography, gaze position, pupil size and heart rate, but not respiration and head movements. The strength of correlation was co-modulated in the different signals, changed with attentional state, and predicted subsequent recall of information presented in the videos. There was robust within-subject coupling between brain, heart and eyes, but not respiration or head movements. The results suggest that inter-subject correlation is the result of similar cognitive processing and thus emerges only for those signals that exhibit a robust brain-body connection. While physiological and behavioral fluctuations may be driven by multiple features of the stimulus, correlation with other individuals is co-modulated by the level of attentional engagement with the stimulus.

Summary It is often said that the body and the mind are connected. Yet, direct evidence of a bidirectional link is elusive. We hypothesized a top-down effect of cognition on arousal, and predicted that auditory narratives will drive not only brain signals but also peripheral physiological signals. We find that auditory narratives entrained gaze variation, saccade initiation, pupil size, and heart rate. This is consistent with a top-down effect of cognition on autonomic function. We also hypothesized a bottom-up effect, whereby autonomic physiology affects arousal. Controlled breathing affected pupil size, and heart rate was entrained by controlled saccades. Additionally, fluctuations in heart rate preceded fluctuations of pupil size and brain signals. Gaze variation, pupil size and heart rate were all associated with anterior-central brain signals. Together this suggests bidirectional causal effects between peripheral autonomic function and central brain circuits involved in the control of arousal. Highlights Listening to narratives modulates eye movements. Heart rate fluctuations precede fluctuations in pupil size and anterior-central neural activity. Breathing modulates pupil size suggesting causal effect on central arousal. Rhythmic saccades can entrain heart beats. eTOC When we listen to a story our body is integrally involved in the experience. We provide evidence for a bidirectional and causal link between body and mind by analyzing brain signals, pupil size, heart rate and eye movements, while subjects listen to narratives and during interventions that control autonomic signals.

Abstract Experienced teachers pay close attention to their students, adjusting their teaching when students seem lost. This dynamic interaction is missing in online education. We propose to measure attention to online videos remotely by tracking eye movements, as we hypothesize that attentive students follow videos similarly with their eyes. Here we show that inter-subject correlation of eye-movements during instructional video presentation is substantially higher for attentive students, and that synchronized eye movement are predictive of individual test scores on the material presented in the video. These findings replicate for videos in a variety of production styles, learning scenarios and for recall and comprehension questions alike. We reproduce the result using standard web cameras to capture eye-movements in a classroom setting, and with over 1,000 participants at-home without the need to transmit user data. Our results suggest that online education could be made adaptive to a student’s level of attention in real-time.

Abstract In neuroscience, stimulus-response relationships have traditionally been analyzed using either encoding or decoding models. Here we combined both techniques by decomposing neural activity into multiple components, each representing a portion of the stimulus. We tested this hybrid approach on encephalographic responses to auditory and audiovisual narratives identically experienced across subjects, as well as uniquely experienced video game play. The highest stimulus-response correlations (SRC) were detected for dynamic visual features. During narratives both auditory and visual SRC were modulated by attention and tracked correlations between subjects. During video game play, SRC was modulated by task difficulty and attentional state. Importantly, the strongest component extracted for visual and auditory features had nearly identical spatial distributions, suggesting that the predominant encephalographic response to naturalistic stimuli is supramodal. The variety of novel findings demonstrates the utility of measuring multidimensional stimulus-response correlations.