Abstract Linguistic phrases are tracked in sentences even though there is no clear acoustic phrasal marker in the physical signal. This phenomenon suggests an automatic tracking of abstract linguistic structure that is endogenously generated by the brain. However, all studies investigating linguistic tracking compare conditions where either relevant information at linguistic timescales is available, or where this information is absent altogether (e.g., sentences versus word lists during passive listening). It is therefore unclear whether tracking at these phrasal timescales is related to the content of language, or rather, is a consequence of attending to the timescales that happen to match behaviourally-relevant information. To investigate this question, we presented participants with sentences and word lists while recording their brain activity with MEG. Participants performed passive, syllable, word, and word-combination tasks corresponding to attending to rates they would naturally attend to, syllable-rates, word-rates, and phrasal-rates, respectively. We replicated overall findings of stronger phrasal-rate tracking measured with mutual information (MI) for sentences compared to word lists across the classical language network. However, in the inferior frontal gyrus (IFG) we found a task-effect suggesting stronger phrasal-rate tracking during the word-combination task independent of the presence of linguistic structure, as well as stronger delta-band connectivity during this task. These results suggest that extracting linguistic information at phrasal-rates occurs automatically with or without the presence of an additional task, but also that that IFG might be important for temporal integration across various perceptual domains.

Abstract Neuronal oscillations putatively track speech in order to optimize sensory processing. However, it is unclear how isochronous brain oscillations can track pseudo-rhythmic speech input. Here we propose that oscillations can track pseudo-rhythmic speech when considering that speech time is dependent on predictions flowing from internal language models. We show that the temporal dynamics of speech are dependent on the predictability of words in a sentence. A computational model including oscillations, feedback, and inhibition is able to track the natural pseudo-rhythmic speech input. As the model processes, it generates temporal phase codes, which are a candidate mechanism for carrying information forward in time. The model is optimally sensitive to the natural temporal speech dynamics and can explain empirical data on temporal speech illusions. Our results reveal that speech tracking does not only rely on the input acoustics but instead entails an interaction between oscillations and constraints flowing from internal language models.

Abstract Human language offers a variety of ways to create meaning, one of which is referring to entities, objects, or events in the world. One such meaning maker is understanding to whom or to what a pronoun in a discourse refers to. To understand a pronoun, the brain must access matching entities or concepts that have been encoded in memory from previous linguistic context. Models of language processing propose that internally stored linguistic concepts, accessed via exogenous cues such as phonological input of a word, are represented as (a)synchronous activities across a population of neurons active at specific frequency bands. Converging evidence suggests that delta band activity (1-3Hz) is involved in temporal and representational integration during sentence processing. Moreover, recent advances in the neurobiology of memory suggest that recollection engages reinstatement of neural dynamics that occurred during memory encoding. Integrating from these two research lines, we here predicted that neural dynamic patterns, especially in delta frequency range, underlying referential meaning representation would be reinstated during pronoun resolution. By leveraging neural decoding techniques (i.e., representation similarity analysis) on a magnetoencephalogram (MEG) dataset acquired during a naturalistic story-listening task, we provide evidence that delta-band activity underlies referential meaning representation. Our findings suggest that, during spoken language comprehension, endogenous linguistic representations such as referential concepts may be retrieved and represented via reinstatement of dynamic neural patterns.

Abstract Visual images contain redundant information across spatial scales where low spatial frequency contrast is informative towards the location and likely content of high spatial frequency detail. Previous research suggests that the visual system makes use of those redundancies to facilitate efficient processing. In this framework, a fast, initial analysis of low-spatial frequency (LSF) information guides the slower and later processing of high spatial frequency (HSF) detail. Here, we used multivariate classification as well as time-frequency analysis of MEG responses to the viewing of intact and phase scrambled images of human faces to demonstrate that the availability of redundant LSF information, as found in broadband intact images, correlates with a reduction in HSF representational dominance in both early and higher-level visual areas as well as a reduction of gamma-band power in early visual cortex. Our results indicate that the cross spatial frequency information redundancy that can be found in all natural images might be a driving factor in the efficient integration of fine image details.

Neural oscillations reflect fluctuations in excitability, which biases the percept of ambiguous sensory input. Why this bias occurs is still not fully understood. We hypothesized that neural populations representing likely events are more sensitive, and thereby become active on earlier oscillatory phases, when the ensemble itself is less excitable. Perception of ambiguous input presented during less-excitable phases should therefore be biased towards frequent or predictable stimuli that have lower activation thresholds. Here, we show with computational modelling, psychophysics, and magnetoencephalography such a frequency bias in spoken word recognition; a computational model matched the double dissociation found with MEG, where the phase of oscillations in the superior temporal gyrus (STG) and medial temporal gyrus (MTG) biased word-identification behavior based on phoneme and lexical frequencies, respectively. These results demonstrate that oscillations provide a temporal ordering of neural activity based on the sensitivity of separable neural populations.

Background Voluntary shifts of visuospatial attention are associated with a lateralization of occipitoparietal alpha power (7-13Hz), i.e. higher power in the hemisphere ipsilateral and lower power contralateral to the locus of attention. Recent noninvasive neuromodulation studies demonstrated that alpha power can be experimentally increased using transcranial alternating current stimulation (tACS).Objective/Hypothesis We hypothesized that tACS at alpha frequency over the left parietal cortex induces shifts of attention to the left hemifield. However, spatial attention shifts not only occur voluntarily (endogenous), but also stimulus-driven (exogenous). In order to study the task-specificity of the potential effects of tACS on attentional processes, we administered three conceptually different spatial attention tasks.Methods 36 healthy volunteers were recruited from an academic environment. In two seperate sessions, we applied either high-density tACS at 10Hz, or sham tACS, for 35-40 minutes to their left parietal cortex. We systematically compared performance on endogenous attention, exogenous attention, and stimulus detection tasks.Results In the Endogenous attention task, we found a greater leftward bias in reaction times during left parietal 10Hz tACS as compared to sham. There were no stimulation effects in the exogenous attention or stimulus detection task.Conclusion The study shows that high-density tACS at 10Hz can be used to modulate visuospatial attention performance. The tACS effect is task-specific, indicating that not all forms of attention are equally susceptible to the stimulation.

In recent years the influence of alpha (7-13 Hz) phase on visual processing has received a lot of attention. Magneto-/encephalography (M/EEG) studies showed that alpha phase indexes visual excitability and task performance. If occipital alpha phase is functionally relevant, the phase of occipital alpha-frequency transcranial alternating current stimulation (tACS) could modulate visual processing. Visual stimuli presented at different pre-determined, experimentally controlled, phases of the entraining tACS signal should then result in an oscillatory pattern of visual performance. We studied this in a series of experiments. In experiment one, we applied 10 Hz tACS to right occipital cortex (O2) and used independent psychophysical staircases to obtain contrast thresholds for detection of visual gratings in left or right hemifield, in six equidistant tACS phase conditions. In experiments two and three, tACS was at EEG-based individual peak alpha frequency. In experiment two, we measured detection rates for gratings with (pseudo-)fixed contrast levels. In experiment three, participants detected brief luminance changes in a custom-built LED device, at eight equidistant alpha phases. In none of the experiments did the primary outcome measure over phase conditions consistently reflect a one-cycle sinusoid as predicted. However, post-hoc analyses of reaction times (RT) suggested that tACS alpha phase did modulate RT in both experiments 1 and 2 (not measured in experiment 3). This observation is in line with the idea that alpha phase causally gates visual inputs through cortical excitability modulation.

Abstract Unilateral transcranial alternating current stimulation (tACS) at alpha frequency modulates the locus of spatial attention. However, the neural mechanisms by which tACS influences spatial attention remain poorly understood. Here, we applied high-definition tACS at the individual alpha frequency (IAF), two control frequencies (IAF+/-2Hz) and sham to the left posterior parietal cortex and measured its effects on visuospatial attention performance as well as alpha power (using electroencephalography, EEG). Our results revealed a leftward lateralization of alpha power relative to sham. At a high value of leftward alpha lateralization, we also observed a leftward attention bias, which differed from sham. Moreover, the magnitude of the alpha lateralization effect predicted the attention bias. These effects occurred for tACS at IAF but not for the control frequencies. This suggests that tACS operates through oscillatory interactions with ongoing brain rhythms in line with the synchronization theory. Our results also highlight the importance of personalized stimulation protocols, especially in potential clinical settings.