Role of the amygdala and the hippocampus in conscious perception and emotion processing in patients with drug resistant epilepsy

Abstract

Understanding the neural basis of conscious perception is still one of the central unsolved problems in neuroscience. Current theoretical models of conscious processing include the Global Workspace Theory, that proposes that for any stimulus to access to consciousness it should be broadcasted to different brain areas, making information, simultaneous and globally available among distant nodes in the network, through a network of neurons with long-range axons densely distributed in prefrontal, parieto-temporal, and cingulate cortices. Specifically, the hippocampus has been postulated as a critical hub, given its large structural and functional connectivity with distant brain areas. In this Thesis, I have taken advantage of the high spatial precision and signal-tonoise ratio afforded by intracranial recording in epileptic patients to explore signatures of this state of distributed ‘‘ignition’’ in two structures of the limbic system, the hippocampus and the amygdala. Electrophysiological data were recorded during the performance of two cognitive tasks for emotion recognition of faces (Emotion Recognition Test) and conscious perception of threatening words (Significant Words Paradigm). Specifically, I contrasted the fate of masked (subliminal) versus unmasked (conscious) words while recording from local sites in amygdala and hippocampus, using intracerebral depth electrodes in four epileptic patients. We explored two signatures of conscious processing: event related potentials (ERPs) and event related spectral perturbations (ERSPs) modifications discriminating emotion-related information (faces and words) and consciously perceived from subliminally processed stimuli. The analysis of the neuropsychological tests revealed a significant emotionspecific impairment in emotion recognition of faces, but no deficit was detected for perceiving emotion content of words in patients with epilepsy. ERP and ERSP analyses showed that amygdala, but not hippocampus has a role for emotion processing disregarding the quality of stimuli (faces or words); importantly, this was also observed in subliminal condition. On the other hand, when comparing conscious against subliminally perceived words, ERP and ERSP showed that amygdala and hippocampus are similarly involved in conscious processing; specifically, significant changes in voltage (ERP) and in theta and gamma frequencies (ERSP) were noted around 500 ms after target onset, supporting that conscious processing occurs between an early-perceptual window (0-200ms) and a later window in which more complex processing occurs (600-800ms). We conclude that those changes might constitute different measures of the same state of distributed ‘‘ignition’’ of a larger cortical network.

Entender los mecanismos neuronales que dan lugar a la percepción consciente es todavía uno de los grandes problemas por resolver en neurociencia. Actualmente, los modelos teóricos sobre la consciencia incluyen la Teoría del Espacio de Trabajo Global, la cual propone que para que un estímulo acceda a la consciencia, éste debe ser transmitido a diferentes áreas cerebrales, de tal forma que su información esté disponible global y simultáneamente entre todos los nodos distantes que componen esa red, a través de una red de neuronas con axones de largo alcance densamente distribuidos entre las cortezas prefrontal, parietofrontal y cingulada. Específicamente el hipocampo ha sido propuesto como un nodo crítico, debido a sus numerosas conexiones estructurales y funcionales con regiones cerebrales distantes. En esta Tesis, he aprovechado la alta precisión espacial y relación señal-ruido que brindan los registros intracraneal en pacientes epilépticos, con el fin de explorar las firmas de este estado de “ignición” distribuida, desde dos estructuras del sistema límbico: el hipocampo y la amígdala, involucrados en el procesamiento de estímulos emocionales. Los datos electrofisiológicos fueron registrados durante la realización de dos tareas cognitivas de reconocimiento emocional de caras (Tarea de Reconocimiento de Emociones) y de palabras amenazantes (Paradigma de Palabras Significativas). Específicamente, contrasté el destino de registros de palabras enmascaradas (subliminales) versus no-enmascaradas (conscientes) mientras se registraban un sitiosl locales de amígdala e hipocampo en cuatro pacientes epilépticos. Exploramos las firmas del procesamiento consciente con: potenciales relacionados a evento (ERP) y perturbaciones espectrales relacionadas a evento (ERSP) en el hipocampo (theta) y en la amígdala (gamma) que discriminan entre estímulos emocionales conscientemente percibidos de aquellos procesados subliminalmente. El análisis de las pruebas neuropsicológicas reveló que los pacientes con epilepsia tienen una alteración significativa emoción-específica en el reconocimiento emocional de caras, pero ningún déficit en el reconocimiento de palabras. El análisis de ERP y ERSP mostró que la amígdala, pero no el hipocampo, tiene un papel en el procesamiento emocional independientemente de la calidad del estímulo (caras o palabras); importantemente, esto también fue observado en la condición subliminal. Por otro lado, cuando comparamos las palabras percibidas conscientemente contra aquellas percibidas subliminalmente, tanto los ERPS como los ERSP mostraron que la amígdala y el hipocampo están involucrados de manera similar en el procesamiento de la consciencia; específicamente, se observaron cambios significativos en el voltaje (ERP) y en frecuencias theta y gamma (ERSP) alrededor de 500ms después de la presentación del estímulo. Lo anterior apoya la idea que el procesamiento de la consciencia ocurre en una ventana temporal intermedia entre la percepción temprana (0-200ms) y un procesamiento cognitivo más complejo y tardío (600- 800ms). Concluimos que estos cambios pueden constituir diferentes medidas de un mismo estado de “ignición” distribuida de una red cortical más grande.