Abstract Sentence comprehension involves the rapid decoding of semantic and grammatical information, a process fundamental to communication. As with other cognitive processes, language comprehension relies partly on long-term memory. However, the electrophysiological mechanisms underpinning the initial encoding and generalisation of higher-order linguistic knowledge remains elusive, particularly from a sleep-based consolidation perspective. One candidate mechanism that may subserve the consolidation of language is the temporal coordination of slow oscillations (SO) and sleep spindles during non-rapid eye movement sleep (NREM). To examine this hypothesis, we analysed electroencephalographic (EEG) data recorded from 35 participants (M age = 25.4, SD = 7.10; 16 males) during an artificial language learning task, contrasting performance between individuals who were given an 8hr nocturnal sleep period or an equivelant period of wake. We found that sleep relative to wake was associated with superior performance for rules that followed a sequence-based word order. Post-sleep sequence-based word order processing was associated with an increase in task-related theta power, an electrophysiological signature of successful memory consolidation. Frontal NREM SO-spindle coupling was also positively associated with behavioural sensitivity to sequence-based word order rules, as well as with task-related theta power. As such, theta activity during retrieval of previously learned information correlates with SO-spindle coupling, thus linking neural activity in the sleeping and waking brain. Taken together, this study presents converging behavioural and neurophysiological evidence for a role of NREM SO-spindle coupling and task-related theta activity as signatures of successful memory consolidation and retrieval in the context of higher-order language learning. SIGNIFICANCE STATEMENT The endogenous temporal coordination of neural oscillations supports information processing during both wake and sleep states. Here we demonstrate that slow oscillation-spindle coupling during non-rapid eye movement sleep predicts the consolidation of complex grammatical rules and modulates task-related oscillatory dynamics previously implicated in sentence processing. We show that increases in theta power predict enhanced sensitivity to grammatical violations after a period of sleep and strong slow oscillation-spindle coupling modulates subsequent task-related theta activity to influence behaviour. Our findings reveal a complex interaction between both wake- and sleep-related oscillatory dynamics during the early stages of language learning beyond the single word level.

Abstract The capacity to regulate one’s attention in accordance with fluctuating task demands and environmental contexts is an essential feature of adaptive behavior. Although the electrophysiological correlates of attentional processing have been extensively studied in the laboratory, relatively little is known about the way they unfold under more variable, ecologically-valid conditions. Accordingly, this study employed a ‘real-world’ EEG design to investigate how attentional processing varies under increasing cognitive, motor, and environmental demands. Forty-four participants were exposed to an auditory oddball task while (1) sitting in a quiet room inside the lab, (2) walking around a sports field, and (3) wayfinding across a university campus. In each condition, participants were instructed to either count or ignore oddball stimuli. While behavioral performance was similar across the lab and field conditions, oddball count accuracy was significantly reduced in the campus condition. Moreover, event-related potential components (mismatch negativity and P3) elicited in both ‘real-world’ settings differed significantly from those obtained under laboratory conditions. These findings demonstrate the impact of environmental factors on attentional processing during simultaneously-performed motor and cognitive tasks, highlighting the value of incorporating dynamic and unpredictable contexts within naturalistic designs.

ABSTRACT Sleep promotes memory consolidation through unique neuromodulatory activity. However, little is known about the impact of attention during pre-sleep memory encoding on later memory performance. The current study aimed to address the question of whether attentional state prior to encoding, as indexed by alpha oscillatory activity, modulates the consolidation of images across periods of sleep and wake. 22 participants aged 18 – 41 years (mean age = 27.3) viewed 120 emotionally valenced images (positive, negative, neutral) before a 2hr afternoon sleep opportunity and an equivalent period of wake. Following the sleep and wake conditions, participants were required to distinguish between 120 previously seen (target) images and 120 new (distractor) images. Relative alpha power – adjusted according to participants’ individual alpha frequency – was computed to index attentional state prior to the learning phase. Generalised linear mixed-effects modelling revealed memory performance was modulated by attention, such that greater pre-encoding alpha power preferentially promoted memory consolidation during wake compared to sleep. There was no difference in memory performance between positive, negative and neutral stimuli. Modulations in alpha oscillatory activity may help to coordinate the flow of information between task-relevant cortical regions and a thalamo-cortical loop that preferentially subserves the formation of memory during times of wake relative to sleep.

Abstract Psilocybin has shown promise as a novel pharmacological intervention for treatment of depression, where post-acute effects of psilocybin treatment have been associated with increased positive mood and decreased pessimism. Although psilocybin is proving to be effective in clinical trials for treatment of psychiatric disorders, the information processing mechanisms affected by psilocybin are not well understood. Here, we fit computational models of underlying decision-making mechanisms to behaviour in rats. The model revealed that rats treated with psilocybin achieve more rewards through increased task engagement, mediated by modification of forgetting rates and reduced loss aversion. These findings suggest that psilocybin may afford an optimism bias that arises through altered belief updating, with translational potential for clinical populations characterised by lack of optimism.

Abstract In the perceptual and sensorimotor domains, ageing is accompanied by a stronger reliance on top-down predictive model information and reduced sensory learning, thus promoting simpler, more efficient internal models in older adults. Here, we demonstrate analogous effects in higher-order language processing. One-hundred and twenty adults ranging in age from 18 to 83 years listened to short auditory passages containing manipulations of adjective order, with order probabilities varying between two speakers. As a measure of model adaptation, we examined attunement of the N400 event-related potential, a measure of precision-weighted prediction errors in language, to a trial-by-trial measure of speaker-based adjective order expectedness (“speaker-based surprisal”) across the course of the experiment. Adaptation was strongest for young adults, weaker for middle-aged adults, and absent for older adults. Over and above age-related differences, we observed individual differences in model adaptation, with aperiodic (1/f) slope and intercept metrics derived from resting-state EEG showing the most pronounced modulations. We suggest that age-related changes in aperiodic slope, which have been linked to neural noise, may be associated with individual differences in the magnitude of stimulus-related prediction error signals. By contrast, changes in aperiodic intercept, which reflects aggregate population spiking, may relate to an individual’s updating of inferences regarding stimulus precision. These two mechanisms jointly contribute to age-related changes in the precision-weighting of prediction errors and the degree of sensory learning.

ABSTRACT Does being awake mean being conscious? This study investigates Mind Blanking (MB), characterized by an "emptiness of mind", comparing it with Mind Wandering (MW) and On-task (ON) states. Using a sustained attention task and electroencephalogram monitoring on 26 participants, behavioral and neurophysiological signatures of MB were examined. MB exhibited a specific pattern of behavioral lapses, as well as decreased fast oscillatory activity and complexity over posterior electrodes compared to MW. Functional connectivity analyses also revealed decreased frontal-posterior connectivity during MB and event-related potentials indicated a disruption in late-stage visual processing, suggesting a lack of conscious access to sensory information during MB. EEG-based neural features enabled trial-level prediction of mental states, furnishing estimates of the fine-grained dynamics of consciousness beyond subjective reports. Overall, these findings challenge the notion of continuous wake consciousness, suggesting that MB represents genuine gaps in our stream of thoughts. SIGNIFICANCE STATEMENT Employing cutting-edge neurophysiological techniques on high-density EEG recordings, our study unveils unique neurophysiological markers of mind blanking—a phenomenon characterized by lapses in conscious content amidst the flow of consciousness. Distinguished from task-oriented states and mind wandering, this signature sheds light on the elusive nature of mind blanking. Furthermore, we demonstrate the feasibility of decoding consciousness dynamics solely from EEG features, transcending the limitations of intermittent subjective reports. Our findings not only provide a novel framework for investigating the stream of consciousness but also challenge the conventional notion that wakefulness invariably signifies consciousness.

Abstract Online speech processing imposes significant computational demands on the listening brain, the underlying mechanisms of which remain poorly understood. Here, we exploit the perceptual ‘pop-out’ phenomenon (i.e. the dramatic improvement of speech intelligibility after receiving information about speech content) to investigate the neurophysiological effects of prior expectations on degraded speech comprehension. We recorded electroencephalography and pupillometry from 21 adults while they rated the clarity of noise-vocoded and sine-wave synthesised sentences. Pop-out was reliably elicited following visual presentation of the corresponding written sentence, but not following incongruent or neutral text. Pop-out was associated with improved reconstruction of the acoustic stimulus envelope from low-frequency EEG activity, implying that improvements in perceptual clarity were mediated via top-down signals that enhance the quality of cortical speech representations. Spectral analysis further revealed that pop-out was accompanied by a reduction in theta-band power, consistent with predictive coding accounts of acoustic filling-in and incremental sentence processing. Moreover, delta-band power, alpha-band power, and pupil diameter were all increased following the provision of any written sentence information, irrespective of content. Together, these findings reveal distinctive profiles of neurophysiological activity that differentiate the content-specific processes associated with degraded speech comprehension from the context-specific processes invoked under adverse listening conditions.

Memory formation involves the synchronous firing of neurons in task-relevant networks, with recent models postulating that a decrease in low frequency oscillatory activity underlies successful memory encoding and retrieval. To date, this relationship has predominantly been investigated using objects (e.g., faces, natural scenes); however, considerably less is known about the oscillatory correlates of complex rule learning (e.g., language acquisition). Further, recent work has shown that aperiodic (non-oscillatory) 1/f activity is functionally and behaviourally relevant, yet its interaction with oscillatory activity during complex rule learning remains virtually unknown. Using spectral decomposition and power-law exponent estimation of human EEG data, we show for the first time that 1/f and oscillatory activity jointly influence the learning of different word order rules of a miniature language system. Fixed word order rules were associated with an increased power-law exponent (i.e. steeper 1/f slope) compared to flexible word order rules. We also show that stronger anterior beta synchronisation predicts fixed word order rule learning and subsequent behavioural performance, while stronger theta/alpha synchronisation is associated with the learning of flexible word order rules. These results also revealed nonlinear differences between word order rules as a function of time and sensor space. Moreover, we demonstrated that inter-individual variations in spectral power across the learning task interacted with aperiodic activity to influence subsequent behavioural performance. Together, these results suggest that 1/f activity plays an important role in higher-order cognition, including language processing, and that grammar learning is modulated by different word order permutations, which manifest in distinct oscillatory profiles.

Abstract Mindfulness meditation involves training attention, commonly towards the current sensory experience, with an attitude of non-judgemental awareness. Theoretical perspectives suggest meditation alters the brain’s predictive processing mechanisms, increasing the synaptic gain and precision with which sensory information is processed, and reducing the generation or elaboration of higher-order beliefs. Recent research suggests that forwards and backwards travelling cortical alpha waves provide an indication of these predictive processing functions. Here, we used electroencephalography (EEG) to test whether the strength of forwards and backwards travelling cortical alpha waves differed between experienced meditators and a matched sample of non-meditators, both during an eyes-closed resting state (N = 97) and during a visual cognitive (Go/No-go) task (N = 126). Our results showed that meditators produced stronger forwards travelling cortical alpha waves compared to non-meditators, both while resting with their eyes closed and during task performance. Meditators also exhibited weaker backwards travelling cortical alpha wave strength while resting with their eyes closed. These results may be indicative of a neural mechanism underpinning enhanced attention associated with meditation practice, as well as a potential neural marker of the reductions in resting mind-wandering that are suggested to be associated with meditation practice. The results also support models of brain function that suggest attention modification can be achieved by mental training aimed at increased processing of sensory information, which might be indexed by greater strength of forwards travelling cortical alpha waves.

Neuroscience is beginning to uncover the role of interoceptive feedback in perception, learning, and decision-making; however, the relation between spontaneous visceral and cognitive dynamics has received surprisingly little scrutiny. Here, we investigate how subjective, physiological, and behavioural indicators of arousal and attentional state vary as a function of cardiac activity and brain-heart coupling. Combined electroencephalogram, electrocardiogram, and pupillometric records were obtained from 25 healthy human adults during the performance of a sustained attention to response task (SART). Thought-probes were intermittently administered during the SART to collect subjective reports of attentional state (i.e., on-task, mind-wandering, mind-blanking) and vigilance level (i.e., alertness). Mind-wandering and mind-blanking reports increased in frequency with time-on-task, but were associated with distinct behavioural profiles. Mind-blanking was further characterised by more profound decreases in heart-rate and pupil size than mind-wandering, and late modulation of the heartbeat-evoked potential. Besides attentional state, lower heart-rate predicted decreased vigilance and pupil size, while heart-rate variability predicted more impulsive behaviour and pupil dilation. Together, these findings reveal that cardiac parameters afford complementary information about arousal states and attentional dynamics, illustrating the complexity of task disengagement from a cognitive and physiological perspective.