Brain Oscillations and Cognition A Symposium in the Honour of Prof. Wolfgang Klimesch 19th & 20th September 2013

Organizers: Michael Doppelmayr, Walter Gruber, Simon Hanslmayr, Kerstin Hödlmoser, Paul Sauseng, Manuel Schabus (in alphabetical order)

Sponsored by the University of Konstanz, Germany; University of Salzburg, Austria & NeuroConn ©

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Ein kurzer Abriss über die Entstehung und Entwicklung des EEG-Labors von Wolfgang Klimesch

Ein kurzer Abriss über die Entstehung und  

Entwicklung des EEG‐Labors von Wolfgang Klimesch 

Aus der kognitiven Psychologie und mit informationstheoretischem Hintergrund kommend hat sich Wolfgang Klimesch ab Mitte der 1980er Jahre zunehmend für neurophysiologische Prozesse interessiert. Die Frage nach der semantischen Kodierung, Verarbeitung und Speicherung von Worten hat dazu geführt, dass er gemeinsam mit Gert Pfurtscheller 1986 (1) sein erstes Manuskript mit EEGHintergrund publizierte.

des Brain Products Systems auf 64 Kanäle. Das Interessensgebiet wurde um die Bereiche Schlafforschung, Neurofeedback und Sportpsychologische Aspekte erweitert. Aufgrund der vielen erfolgreich beantragten FWF-Projekte umfasste die Arbeitsgruppe von Wolfgang Klimesch teilweise mehr als 15 Personen. Daraus wiederum entwickelten sich die spezifischen Projektgruppen, die sich auf die genannten Themengebiete konzentrierten.

Die Arbeiten dazu fanden in Kooperation mit Graz sowie noch im alten Institutsgebäude in der Akademiestraße mit einer inzwischen klassischen PDP statt. Der Umzug 1986 in das (damals) neue Institutsgebäude in der Hellbrunnerstraße führte zu einer Verbesserung der Laborausstattung sowohl räumlich als auch in Hinblick auf die Geräte. So konnte ein 32–Kanal BEST System angeschafft werden, das eine wesentlich einfachere Aufnahme und Verarbeitung der Daten erlaubte.

Die Hauptinteressen von Wolfgang Klimesch selbst gingen zunehmend mehr in Richtung auf methodische Fragen wie Timing-Funktion der Rhythmen, Inhibition, Phasenabhängigkeiten, Phasenverschiebungen oder die funktionellen Koppelungen zwischen verschiedenen Frequenzbändern. Aus diesem Zeitraum stammt die bekannteste der jüngeren Arbeiten zur Inhibition Timing Hypothesis (3). Diese Interessen haben sich in den letzten Jahren auch auf mathematische Grundlageneigenschaften des EEGs ausgeweitet.

Von Anfang an hatte Klimesch (sowie alle an Frequenzbandanalysen Interessierten) inhaltliche Grundsatzdiskussionen mit Vertretern der „klassischen“ Interpretation des EEGs auszufechten. Und es dauerte lange (teilweise bis heute), bis die funktionelle Bedeutung einzelner Frequenzbänder breit akzeptiert wurde. In diese bereits sehr produktive Zeit fällt auch die mehr als 1500 mal zitierte Arbeit von Klimesch (2) über die Grundlagen der Alpha- und Thetaoszillationen und Gedächtnis.

Inzwischen konnten noch zusätzliche Räumlichkeiten und mittels Drittmitteln - sowohl von Klimesch als auch aus den anderen Projektgruppen - weitere Geräte angeschafft werden, sodass das Team zum heutigen Tag u.a. mehrere stationäre sowie ambulante EEG-Systeme besitzt und drei Labore unterhält: EEG-Labor, Labor für Schlaf- und Bewusstseinsforschung, Sportphysiologisches Labor. Wolfgang Klimesch ist aber nicht nur ein herausragender Forscher, sondern auch ein hervorragender Mentor, was durch den hohen internationalen Erfolg ehemaliger MitarbeiterInnen seines Labors belegt ist. Alleine in den letzten 7 Jahren hat Klimesch drei Mitarbeiter zur Habilitation geführt. Drei sind inzwischen als Professoren an andere Universitäten berufen und zwei weitere haben Assistenzprofessuren inne.

Etwa ab der Jahrtausendwende konnte die Laborausstattung nochmals, sowohl aufgrund der Zuwendungen des Institutes, als auch aufgrund vieler eingeworbener Drittmittel deutlich vergrößert werden. Zuerst konnte ein 64-Kanal Neuroscan System angeschafft werden, mit dem endlich die Analyseverfahren erweitert werden konnten. Die Fragestellungen wurden vielfältiger und gingen weit über die Analyse der upper und lower Alpha ERD und Gedächtniskonsolidierung hinaus und schlossen Dyslexie und Intelligenzforschung mit ein. Gut fünf Jahre später konnte ein 32-Kanal Brain Products System eingeworben werden, das das veraltete BEST System ersetzte. Dem folgte ein Eldith Neurofeedback-System und anschließend ein Upgrade

1)

Klimesch, W., Pfurtscheller, G. & Lindinger, G. (1986). Das corticale Aktivierungsmuster bei verbalen Gedächtnisaufgaben. Sprache & Kognition, 5, 140-154.

2)

Klimesch, W. (1999). EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: A review and analysis. Brain Research Reviews, 29, 169-195.

3)

Klimesch, W., Sauseng, P., & Hanslmayr, S. (2007). EEG alpha oscillations: The inhibition–timing hypothesis. Brain Research Reviews, 53, 63-88.

Ein kurzer Abriss über die Entstehung und Entwicklung des EEG-Labors von Wolfgang Klimesch

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Program  ‐  Thursday, 19.09.2013   

Program  ‐  Friday, 20.09.2013 

09:00 – 10:30 Reception

Entraining Brain Oscillations with rTMS and tACS

09:00 Meet and Greet

(Chair: Paul Sauseng)

09:30 Opening Remarks and Introduction

Falk Schlegelmilch (NeuroConn)

Christoph Herrmann 10:30 – 12:00 Sleep, Memory and Oscillations (Chair: Kerstin Hödlmoser)

11:00 Peter Anderer

Vincenzo Romei

10:00

The causal role of human alpha-band oscillations in (multi)sensory selection

Sleep and Memory Consolidation: The Role of Electrophysiological Neuroimaging

Poster and Coffee Break

11:30 Manuel Schabus

Barbara Berger Christina Brötzner Marie-Christin Fellner Mark Glennon Birgit Griesmayr Dominik Heib Nicole Himmelstoß & Jan Nasemann Julia Lechinger Bernhard Pastötter Tobias Staudigl Thomas Töllner Gerd Waldhauser & Verena Braun Emily Weber Malgorzata Wislowska Andrea Zauner .

Sleep and Cognition - A field with broad implications?

12:00 – 13:30 LUNCH 13:30 – 15:00 Theta Oscillations and Memory (Chair: Simon Hanslmayr) 13:30 Thomas Gruber

The encoding of new information is linked to increased cross‐frequency coupling between frontal theta and posterior gamma band oscillations in the human EEG

14:00 Jürgen Fell Oscillatory phase synchronization during memory operations

14:30 Paul Sauseng The Role of Frontal Midline Theta in the Coordination of Distributed Neuronal Activity during Working Memory Processing

Program: Thursday, 19th September 2013

09:30

Brain oscillations and cognitive functions – from correlation to causation

10:30 Josef Zeitlhofer Sleep, memory and oscillations

09:00

Demonstration of Online Artefact Correction in EEG Signals during Transcranial Electrical Stimulation (tDCS/tACS/tRNS)

15:00 – 15:30 COFFEE BREAK

10:30 – 12:30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

15:30 – 17:00 Alpha Oscillations and Memory (Chair: Manuel Schabus)

LUNCH

15:30 Karl-Heinz Bäuml Directed Forgetting: Cognitive and Neural Processes

16:00 Markus Werkle-Bergner Neural Oscillatory Mechanisms for the Formation and the Control of Memory Contents: A Lifespan Perspective

16:30 Simon Hanslmayr How alpha/beta power decreases shape memories: The information via desynchronization hypothesis

17:00 – 17:30 COFFEE BREAK 17:30 – 18:30 Keynote Lecture: Wolfgang Klimesch (Chair: Walter Gruber) An algorithm for the EEG frequency architecture of consciousness and brain body coupling 19:00

OPNEN END DINNER - GWANDHAUS

12:30 – 13:30

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Oscillations, Brain Computer Interfaces and 13:30 – 14:30 Neurofeedback (Chair: Michael Doppelmayr) f Kerstin Hödlmoser

13:30

Instrumental conditioning of 12-15Hz oscillations and its effect on healthy and disordered sleep

Gert Pfurtscheller

14:00

Slow oscillations (~0.1 Hz) in EEG, hemodynamic (BOLD, HbO2) and cardiovascular (BP, HR) signals in the resting state

Closing Remarks and Discussions

14:30 – 15:30 .

Program: Friday, 20th September 2013

- Vize Rektor Univ.-Prof. Erich Müller - ao. Univ.-Prof. Dr. Anton Kühberger - Univ.-Prof. Paul Sauseng

09:00 – 10:30 f

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Thursday, 19.09.2013, 10:30, HS Agnes Muthspiel (E.002)

Sleep, memory and oscillations 

Thursday, 19.09.2013, 11:00, HS Agnes Muthspiel (E.002)

Sleep and Memory Consolidation: The Role of  Electrophysiological Neuroimaging 

Josef Zeitlhofer Medical University of Vienna

Peter Anderer Department of Psychiatry and Psychotherapy, Medical University of Vienna, Austria

Schwingungen spiegeln unterschiedliche sensorische und kognitive Prozesse wider und spielen eine wichtige Rolle für das Timing neuronaler Prozesse. In seiner Laufbahn verfolgte er konsequent die Schwingungen (hirnelektrische kortikale Frequenzen) und die event-related EEG Reaktion (eine Überlagerung der augenblicklichen Phase und Ausrichtung, die bei verschiedenen Aufgaben beschrieben werden kann) als physiologisches, „hirnelektrisches“ Korrelat psychologischer Phänomene wie Aufmerksamkeit, Lernen und Gedächtnis. Er beschrieb auch die Korrelationen zwischen Gedächtnisleistungen und den Veränderungen im oberen Alpha- und Theta – Band des EEG. Die weitere technische Entwicklung der EEG Analyse (LORETA) ermöglichte es, auch die Lokalisation subkortikaler Generatoren durch die neuronale kortikale Aktivität zu beschreiben. Sleep, Memory and Oscillations

Im Schlaf schließlich können durch moderne Analysemethoden Phänomene der Gedächtniskonsolidierung quantifiziert, spezifischen Kortex-Arealen und auch dem NREM / REM Schlaf zugeordnet werden. Alle diese Entwicklungsstufen der kognitiven Neurowissenschaften hat Herr Klimesch aktiv mitgestaltet.

Background: Inspired by the work of Wolfgang Klimesch and his group on brain oscillations and memory performance and based on Jan Born’s studies on sleep and memory consolidation and on our own studies on low-resolution brain electromagnetic tomography (LORETA ) during sleep, we prepared a grant to investigate when and where experience-dependent reactivation occurs during post-training sleep (Anderer et al. 2002). Methods: After an adaptation night, 48 young healthy volunteers were randomly assigned either to a control condition or to an experimental condition (declarative memory task: paired-associate word list or procedural memory task: mirror tracing). Sleep stages and sleep microstructures (slow waves, spindles and theta bursts) were detected automatically by means of the sleep classification system Somnolyzer 24x7. Changes in LORETA sources (experimental minus control night) were correlated with changes in memory performance (morning minus evening recall). Results: Overnight improvements in the mirror tracing task were correlated with increased slow-wave LORETA sources in the right posterior parietal cortex (r=.70,p