Attention-dependent neural oscillations in the human olfactory system

Northwestern University At Chicago, Evanston IL

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

PROJECT SUMMARY  A  career  development  plan  is  proposed  for  Dr.  Christina  Zelano,  who  is  committed  to  a  research  career  studying the neural substrates of the human olfactory system. Dr. Jay Gottfried, a renowned scholar in the field  of  human  olfaction  at  Northwestern  University  will  function  as  the  primary  mentor.  Furthermore,  Dr.  Stephan  Schuele, Directory of the Comprehensive Epilepsy Center at Northwestern Memorial Hospital will contribute to  the  proposed  research  as  a  collaborator,  and  Dr.  Robert  Knight,  Director  of  the  Helen  Wills  Neuroscience  Institute at University of California, Berkeley will contribute as a consultant on the proposed research projects.  Training will involve electrocorticography (ECoG) and electrical stimulation techniques for the measurement of  odor­evoked  brain  activity  in  patients  who  are  undergoing  brain  surgery  for  epilepsy.  The  overall  goal  of  the  proposed research is to characterize the temporal evolution and frequency composition of olfactory attentional  neural  correlates  in  the  human  brain.  Because  olfactory  brain  structures  are  located  deep  within  the  limbic  temporal  and  frontal  portions  of  the  brain,  the  electrical  signals  generated  from  these  regions  are  severely  attenuated  at  the  scalp,  limiting  the  value  of  surface  EEG  in  measuring  olfactory  local  field  potentials.  To  overcome this problem, the proposed research will optimize an olfactory (ECoG) paradigm in which electrical  signals  are  recorded  directly  from  olfactory  brain  structures  in  patients  who  are  undergoing  brain  surgery  for  intractable epilepsy. Using this technique, the precise timing and frequency of olfactory attentional oscillations  will be investigated. Several aspects of olfactory attention will be explored, from basic (state­dependent gating  of incoming odor information) to more complex (modality specific) mechanisms.   Given the lack of a requisite  pre­cortical thalamic relay in the olfactory system, the proposed research will test the hypothesis that sensory  gating of olfactory information occurs at the level of the olfactory bulb, upstream from olfactory (piriform) cortex.  Olfactory  sensory  gating  will  be  explored  through  two  separate  experiments  making  use  of  ECoG  and  fMRI  techniques.  The  proposed  research  will  use  ECoG  approaches  to  test  two  specific  hypotheses  regarding  complex  forms  of  olfactory  attention.  First,  experiments  are  proposed  to  determine  the  spatiotemporal  composition  of  neural  oscillatory  responses  in  relation  to  modality­specific  olfactory  attentional  mechanisms.  Second, experiments are proposed to determine the neural origins and spectro­temporal patterns of olfactory  predictive  coding  mechanisms.  Further  studies  will  make  use  of  electrical  stimulation  techniques  to  establish  the  necessity  of  identified  brain  regions  in  the  formation  of  predictive  spectro­temporal  odor  templates.  The  proposed  research  has  applications  to  a  broad  range  of  neurological  disorders  that  present  with  olfactory  deficits, including Alzheimer?s disease, epilepsy, Parkinson?s disease and schizophrenia.