Effects of multisensory versus unisensory training on effective connectivity networks subserving visual, auditory and audiovisual modalities
Creators: name: Πορφύρη, Ιωάννα Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Δίκτυα εγκεφάλου
Πολυαισθητηριακή εκπαίδευση
Μονοαισθητηριακή εκπαίδευση
Cortical networks
Multisensory training
Unisensory training

description: The brain constructs meaningful interpretation out of the world, by integrating incoming information captured by multiple senses. In recent years, there has been a growing body of evidence suggesting that the utilization of multisensory learning methods in rehabilitation and educational studies can induce remarkable neuroplastic changes within cortical networks. Musical learning, as an example of multisensory training, has emerged as an intriguing and prominent subject of investigation in the field of cognitive neuroscience. The objective of the present MSc Thesis is to quantify the neuroplastic effects of multisensory and unisensory training by modeling the experience-induced alterations in the effective cortical networks subserving visual, auditory, and audiovisual integration. The study included two groups of participants, that were subjected to a four-week intervention, receiving either separate or concurrent audiovisual stimulation. EEG was used to capture the neural activity before and after each training regimen, during an audiovisual-oddball paradigm of musical notation reading including visual, auditory, and audiovisual mismatches. EEG analysis was performed, and the metric of Bivariate Granger Causality was applied to determine the causal relationships between the brain areas. Finally, statistical analysis was performed in order to elucidate the statistically significant modified connections within each group of training. The outcomes demonstrated that the cross-modal training altered remarkably the effectivity networks in all three modalities, especially within the audiovisual modality, whilst the unisensory methodological approach exerted a slight impact solely on the auditory perceptual system. The regions that demonstrated the most alterations were identified within the left superior, medial, and inferior frontal gyrus, as well as the left insula, areas with renowned multisensory properties. As regards the visual and auditory integrative processes, the reconfiguration of the connections concerned mainly higher-order cortical areas suggesting a top-down process of affecting unisensory perception. The results of our study indicate the supremacy of multisensory training compared to the unisensory, and, thus, advocate for its application in educational and rehabilitative approaches. Furthermore, it is illustrated that the influence of the multimodal training on the unisensory systems is succeed through feedback connections from higher-order association areas, underscoring the great complexity of neurophysiological pathways of human perception.
description: Ο εγκέφαλος αντιλαμβάνεται και ερμηνεύει το εξωτερικό του περιβάλλον, ενοποιώντας τις πληροφορίες που ανιχνεύουν οι πολλαπλές ανθρώπινες αισθήσεις. Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει ένας αυξανόμενος αριθμός βιβλιογραφικών ευρημάτων που συνηγορούν στο ότι η χρήση μεθόδων πολυαισθητηριακής εκπαίδευσης μπορεί να προκαλέσει αξιοσημείωτες νευροπλαστικές αλλαγές στα δίκτυα του εγκεφάλου. Η μουσική μάθηση, ως παράδειγμα πολυαισθητηριακής εκπαίδευσης, έχει αναδειχθεί σε ένα εξέχον αντικείμενο έρευνας στον τομέα της γνωσιακής νευροεπιστήμης. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής είναι να ποσοτικοποιήσει τις νευροπλαστικές επιδράσεις της πολυαισθητηριακής και της μονοαισθητηριακής εκπαίδευσης στα δίκτυα αιτιότητας του εγκεφάλου που συμμετέχουν στην οπτική, ακουστική και οπτικοακουστική ολοκλήρωση. Στη μελέτη έλαβαν μέρος δύο ομάδες συμμετεχόντων, οι οποίοι υποβλήθηκαν σε μια παρέμβαση τεσσάρων εβδομάδων, που αφορούσε είτε ξεχωριστή είτε ταυτόχρονη οπτικοακουστική διέγερση. Η τεχνική του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ) χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή της νευρωνικής δραστηριότητας πριν και μετά από κάθε εκπαιδευτικό σχήμα, κατά τη διάρκεια ενός πειράματος μουσικής ανάγνωσης που περιλάμβανε οπτικές, ακουστικές και οπτικοακουστικές αναντιστοιχίες. Κατά την ανάλυση του ΗΕΓ εφαρμόστηκε το μέτρο της διμεταβλητής αιτιότητας Granger Causality για να προσδιοριστούν οι αιτιώδεις σχέσεις μεταξύ των εγκεφαλικών περιοχών. Τέλος, διενεργήθηκε στατιστική ανάλυση προκειμένου να εντοπιστούν οι στατιστικά σημαντικές τροποποιημένες συνδέσεις σε κάθε ομάδα εκπαίδευσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η πολυαισθητηριακή εκπαίδευση τροποποίησε αξιοσημείωτα τα εγκεφαλικά δίκτυα και στις τρεις λειτουργίες, ιδίως στην οπτικοακουστική, ενώ η μονοαισθητηριακή εκπαίδευση άσκησε μικρή επιρροή αποκλειστικά στο ακουστικό αντιληπτικό σύστημα. Οι περιοχές που παρουσίασαν τις περισσότερες μεταβολές εντοπίστηκαν εντός της αριστερής άνω, μέσης και κάτω μετωπιαίας έλικας, καθώς και της αριστερής νησίδας, περιοχές με γνωστές πολυαισθητηριακές ιδιότητες. Όσον αφορά τις οπτικές και ακουστικές διαδικασίες απαρτίωσης, η αναδιαμόρφωση των συνδέσεων αφορούσε κυρίως φλοιώδεις περιοχές ανώτερης τάξης. Τα αποτελέσματα της μελέτης μας υποδεικνύουν την υπεροχή της πολυαισθητηριακής εκπαίδευσης σε σύγκριση με τη μονοαισθητηριακή και, ως εκ τούτου, συνηγορούν υπέρ της εφαρμογής της σε εκπαιδευτικές και προσεγγίσεις αποκατάστασης. Επιπλέον, καταδεικνύεται ότι η επίδραση της πολυταισθητηριακής εκπαίδευσης στα μονοαισθητήρια συστήματα επιτυγχάνεται μέσω συνδέσεων ανατροφοδότησης από τις περιοχές συσχέτισης ανώτερης τάξης, υπογραμμίζοντας τη μεγάλη πολυπλοκότητα των νευροφυσιολογικών οδών της ανθρώπινης αντίληψης.