This paper describes FieldTrip, an open source software package that we developed for the analysis of MEG, EEG, and other electrophysiological data. The software is implemented as a MATLAB toolbox and includes a complete set of consistent and user-friendly high-level functions that allow experimental neuroscientists to analyze experimental data. It includes algorithms for simple and advanced analysis, such as time-frequency analysis using multitapers, source reconstruction using dipoles, distributed sources and beamformers, connectivity analysis, and nonparametric statistical permutation tests at the channel and source level. The implementation as toolbox allows the user to perform elaborate and structured analyses of large data sets using the MATLAB command line and batch scripting. Furthermore, users and developers can easily extend the functionality and implement new algorithms. The modular design facilitates the reuse in other software packages.

In crowded visual scenes, attention is needed to select relevant stimuli. To study the underlying mechanisms, we recorded neurons in cortical area V4 while macaque monkeys attended to behaviorally relevant stimuli and ignored distracters. Neurons activated by the attended stimulus showed increased gamma-frequency (35 to 90 hertz) synchronization but reduced low-frequency (<17 hertz) synchronization compared with neurons at nearby V4 sites activated by distracters. Because postsynaptic integration times are short, these localized changes in synchronization may serve to amplify behaviorally relevant signals in the cortex.

Brain processing depends on the interactions between neuronal groups. Those interactions are governed by the pattern of anatomical connections and by yet unknown mechanisms that modulate the effective strength of a given connection. We found that the mutual influence among neuronal groups depends on the phase relation between rhythmic activities within the groups. Phase relations supporting interactions between the groups preceded those interactions by a few milliseconds, consistent with a mechanistic role. These effects were specific in time, frequency, and space, and we therefore propose that the pattern of synchronization flexibly determines the pattern of neuronal interactions.

Summary

 Visual cortical areas subserve cognitive functions by interacting in both feedforward and feedback directions. While feedforward influences convey sensory signals, feedback influences modulate feedforward signaling according to the current behavioral context. We investigated whether these interareal influences are subserved differentially by rhythmic synchronization. We correlated frequency-specific directed influences among 28 pairs of visual areas with anatomical metrics of the feedforward or feedback character of the respective interareal projections. This revealed that in the primate visual system, feedforward influences are carried by theta-band (∼4 Hz) and gamma-band (∼60–80 Hz) synchronization, and feedback influences by beta-band (∼14–18 Hz) synchronization. The functional directed influences constrain a functional hierarchy similar to the anatomical hierarchy, but exhibiting task-dependent dynamic changes in particular with regard to the hierarchical positions of frontal areas. Our results demonstrate that feedforward and feedback signaling use distinct frequency channels, suggesting that they subserve differential communication requirements.

A central motif in neuronal networks is convergence, linking several input neurons to one target neuron. In visual cortex, convergence renders target neurons responsive to complex stimuli. Yet, convergence typically sends multiple stimuli to a target, and the behaviorally relevant stimulus must be selected. We used two stimuli, activating separate electrocorticographic V1 sites, and both activating an electrocorticographic V4 site equally strongly. When one of those stimuli activated one V1 site, it gamma synchronized (60-80 Hz) to V4. When the two stimuli activated two V1 sites, primarily the relevant one gamma synchronized to V4. Frequency bands of gamma activities showed substantial overlap containing the band of interareal coherence. The relevant V1 site had its gamma peak frequency 2-3 Hz higher than the irrelevant V1 site and 4-6 Hz higher than V4. Gamma-mediated interareal influences were predominantly directed from V1 to V4. We propose that selective synchronization renders relevant input effective, thereby modulating effective connectivity.

Primate visual cortex is hierarchically organized. Bottom-up and top-down influences are exerted through distinct frequency channels, as was recently revealed in macaques by correlating inter-areal influences with laminar anatomical projection patterns. Because this anatomical data cannot be obtained in human subjects, we selected seven homologous macaque and human visual areas, and we correlated the macaque laminar projection patterns to human inter-areal directed influences as measured with magnetoencephalography. We show that influences along feedforward projections predominate in the gamma band, whereas influences along feedback projections predominate in the alpha-beta band. Rhythmic inter-areal influences constrain a functional hierarchy of the seven homologous human visual areas that is in close agreement with the respective macaque anatomical hierarchy. Rhythmic influences allow an extension of the hierarchy to 26 human visual areas including uniquely human brain areas. Hierarchical levels of ventral- and dorsal-stream visual areas are differentially affected by inter-areal influences in the alpha-beta band.

Attention to a stimulus enhances both neuronal responses and gamma frequency synchrony in visual area V4, both of which should increase the impact of attended information on downstream neurons. To determine whether gamma synchrony is common throughout the ventral stream, we recorded from neurons in the superficial and deep layers of V1, V2, and V4 in two rhesus monkeys. We found an unexpected striking difference in gamma synchrony in the superficial vs. deep layers. In all three areas, spike-field coherence in the gamma (40–60 Hz) frequency range was largely confined to the superficial layers, whereas the deep layers showed maximal coherence at low frequencies (6–16 Hz), which included the alpha range. In the superficial layers of V2 and V4, gamma synchrony was enhanced by attention, whereas in the deep layers, alpha synchrony was reduced by attention. Unlike these major differences in synchrony, attentional effects on firing rates and noise correlation did not differ substantially between the superficial and deep layers. The results suggest that synchrony plays very different roles in feedback and feedforward projections.

Overt exploration or sampling behaviors, such as whisking, sniffing, and saccadic eye movements, are often characterized by a rhythm. In addition, the electrophysiologically recorded theta or alpha phase predicts global detection performance. These two observations raise the intriguing possibility that covert selective attention samples from multiple stimuli rhythmically. To investigate this possibility, we measured change detection performance on two simultaneously presented stimuli, after resetting attention to one of them. After a reset flash at one stimulus location, detection performance fluctuated rhythmically. When the flash was presented in the right visual field, a 4 Hz rhythm was directly visible in the time courses of behavioral performance at both stimulus locations, and the two rhythms were in antiphase. A left visual field flash exerted only partial reset on performance and induced rhythmic fluctuation at higher frequencies (6-10 Hz). These findings show that selective attention samples multiple stimuli rhythmically, and they position spatial attention within the family of exploration behaviors.

In subjects suffering from early onset strabismus, signals conveyed by the two eyes are not perceived simultaneously but in alternation. We exploited this phenomenon of interocular suppression to investigate the neuronal correlate of binocular rivalry in primary visual cortex of awake strabismic cats. Monocularly presented stimuli that were readily perceived by the animal evoked synchronized discharges with an oscillatory patterning in the gamma-frequency range. Upon dichoptic stimulation, neurons responding to the stimulus that continued to be perceived increased the synchronicity and the regularity of their oscillatory patterning while the reverse was true for neurons responding to the stimulus that was no longer perceived. These differential changes were not associated with modifications of discharge rate, suggesting that at early stages of visual processing the degree of synchronicity rather than the amplitude of responses determines which signals are perceived and control behavioral responses.