Motor auditory interaction: a window towards associative and predictive processing

Abstract

Perception can be considered as the bridge necessary to interact with the surroundings. Indeed, through our senses we are continuously exchanging information between the physical world around us and our internal models, made of prior beliefs and expectations, which allow to constantly create meanings and interpretations about the events caused by external sources or by us. Illusions and cross-modal effects are proofs of the incessant and constructive activity of the human brain. By experience, we learn also to make action-effect associations and to predict the sensory consequences of each motor act. For instance, we learn that by touching a warm object we can get burnt, thus we can predict that this action can be dangerous and avoid making it in the future. Current research is attempting to investigate the mechanisms underlying associative and predictive processing, and how these mechanisms are modulated by the sensory experience. A great deal of this research is carried out with the electroencephalogram (EEG), and some intriguing results have suggested that a dysregulation of associative and predictive processing may underlie some clinical phenomena, such as psychosis. The present PhD thesis focuses on expectation effects arising from motor-auditory interactions, in order to investigate action-effect associative and predictive processing. Two independent studies were carried out in which behavioral (action timing and action force) and electrophysiological (event-related brain potentials, ERPs) measurements were collected while participants were instructed to press different buttons that were associated with either the presentation or the omission of a sound, and with violations of these associations. Study I focused on predictive processing and aimed to investigate the matching- and mismatching-related effects between an event and an established expectation. The findings suggest that these effects are manifestations of a unitary underlying process of prediction. Study II focused on associative processing and aimed to investigate the buildup of action-effect associations, in a context in which there were no stable regularities. The findings suggest that the repetition of an action-effect contingency can foster an expectation, and that the consequences of an action can modify the action itself. Overall, the results from this thesis suggest that associative and predictive processing arising from a motor act modulate behavior and neuronal activity in a close-loop manner. That is, the motor act causes specific consequences which modulate behavior and neuronal processing, and internal action-effect associations and predictions seem to affect, in turn, the neuronal processing and the action itself.

La percepción puede considerarse como el puente necesario para interactuar con el entorno. De hecho, estamos continuamente intercambiando información entre el mundo físico que nos rodea y nuestros modelos internos, formados a partir de creencias anteriores y expectativas, que permiten dar constantemente significado e interpretación a los sucesos causados por fuentes externas o por nosotros mismos. Por experiencia, aprendemos también a hacer asociaciones de acción-efecto y a predecir las consecuencias sensoriales de cada acto motor. Actualmente, se están estudiando los mecanismos subyacentes del procesamiento asociativo y predictivo, y la modulación de este procesamiento en la experiencia sensorial. En la presente tesis doctoral, nos centramos en los efectos de la expectativa derivados de la interacción motora-auditiva, con el fin de estudiar los procesos asociativos y predictivos entre acciones - efecto. Para alcanzar este objetivo, realizamos dos estudios independientes en los que registramos medidas de comportamiento (tiempo de acción y fuerza de la acción) y electrofisiológicas (potenciales evocados) mientras los participantes realizaron pulsaciones de botones que estaban asociadas con la presentación o la omisión de un sonido, y con las violaciones de estas asociaciones. El estudio I se centró en procesos predictivos consolidados y tuvo como objetivo investigar los efectos relacionados con la coincidencia y la falta de coincidencia entre un evento y una expectativa. Los resultados sugieren que estos efectos son manifestaciones del mismo proceso subyacente de predicción. El estudio II se centró en el procesamiento asociativo y tuvo como objetivo investigar la construcción de asociaciones de acción-efecto, en un contexto en el que no había regularidades establecidas. Los resultados sugieren que la repetición de una contingencia acción-efecto puede fomentar una expectativa, y que la consecuencia de una acción puede modificar la acción en sí. Los resultados sugieren que el procesamiento asociativo y predictivo que surge de un acto motor modula circularmente el comportamiento y la actividad neuronal. Es decir, el acto motor causa consecuencias específicas que modulan el comportamiento y el procesamiento neuronal, pero también las asociaciones de acción-efecto y las predicciones relacionadas parecen afectar el procesamiento neuronal y la acción en sí.