Selection, maintenance, and removal of working memory contents : a behavioral and electrophysiological approach

Abstract

La presente tesis se centra en caracterizar los mecanismos subyacentes en la selección, mantenimiento y eliminación de información en la memoria de trabajo (MT), empleando métodos conductuales y electrofisiológicos a través de tres estudios que se presentan en los capítulos centrales. Sus objetivos principales incluyen: explorar cómo los procesos atencionales internos influyen en la el mantenimiento y eliminación de información, examinar los mecanismos neuronales que sostienen el mantenimiento de representaciones, y analizar las diferencias entre la eliminación temporal y permanente de información. En el capítulo 2, se investigó la eliminación de contenido de la MT visoespacial mediante la decodificación de la carga mantenida en la MT de la señal EEG. Se llevaron a cabo dos sesiones experimentales donde los participantes completaron una tarea de retro-cue visoespacial. La primera sesión manipuló el intervalo entre la señal de cue y el target para estudiar el curso temporal del proceso de eliminación, mientras que en la segunda sesión se fijó este intervalo en un segundo para estudiar la eliminación desde una perspectiva electrofisiológica. Los resultados mostraron que la eliminación de información visoespacial se completó en aproximadamente medio segundo, y la carga en la MT pudo ser decodificada a partir de la señal EEG. Sin embargo, la decodificación resultó ser sensible a factores como la atención selectiva y los movimientos oculares, lo que dificultó la decodificación de la reducción de la carga tras la retro-cue. El capítulo 3 estudió el papel de las oscilaciones cerebrales en el mantenimiento de la información en la MT, partiendo de la teoría theta-gamma coupling. En este trabajo se aplicó estimulación transcraneal por corriente alterna a 4 Hz para enlentecer la frecuencia theta, con el objetivo de mejorar el acoplamiento gamma y, con ello, el mantenimiento de más ítems en la MT, especialmente en participantes con baja capacidad de memoria. No obstante, los resultados no respaldaron la teoría theta-gamma coupling, ya que no se observó ninguna mejora en el rendimiento conductual tras la estimulación. A nivel electrofisiológico, no se encontraron modulaciones significativas en las oscilaciones cerebrales relacionadas con la carga de la tarea y las modulaciones relacionadas con la capacidad individual de los participantes fueron en la dirección contraria a la hipotetizada por la teoría, aunque se observó una sincronización de las fases entre los electrodos en los que se aplicó estimulación en los ensayos sin errores. En el capítulo 4, se exploraron las diferencias entre la eliminación temporal y permanente en la MT verbal. En este último experimento, los participantes debían recordar dos pares de números, eliminando uno de los pares de manera temporal o definitiva. Los resultados mostraron que ambos tipos de eliminación mejoraron el rendimiento, reduciendo la carga de la MT. Sin embargo, la eliminación temporal fue menos eficiente, con tiempos de reacción más lentos y un efecto de orden en la recuperación de los ítems eliminados temporalmente, sugiriendo que la estructura de recuperación se mantiene intacta solo tras la eliminación temporal. En conclusión, la tesis aporta información importante acerca del funcionamiento de la MT, en concreto, de los procesos de selección, mantenimiento y eliminación de información. A través de métodos conductuales y electrofisiológicos, observamos la dificultad para distinguir algunos de estos procesos así como el cuestionamiento de teorías actuales.

This present dissertation focuses on characterizing the underlying mechanisms of selection, maintenance, and removal of information in working memory (WM) using behavioral and electrophysiological methods across three studies presented in the central chapters. Its main objectives include: exploring how internal attentional processes influence the maintenance and removal of information, examining the neural mechanisms that support the maintenance of representations, and analyzing the differences between temporary and permanent removal of information. In Chapter 2, the removal of visuospatial WM content was investigated by decoding the WM load from EEG signals. Two experimental sessions were conducted, in which participants completed a visuospatial retro-cue task. In the first session, the interval between the cue and the target was manipulated to study the temporal dynamics of the removal process, while in the second session, this interval was fixed at one second to examine the removal from an electrophysiological perspective. The results showed that the removal of visuospatial information was completed in approximately half a second, and the WM load could be decoded from the EEG signal. However, the decoding was sensitive to factors such as selective attention and eye movements, which made it difficult to decode the reduction in load following the retro-cue. Chapter 3 studied the role of brain oscillations in the maintenance of information in WM, based on the theta-gamma coupling theory. In this study, transcranial alternating current stimulation (tACS) at 4 Hz was applied to slow down theta frequency, with the aim of improving gamma coupling and thereby enhancing the maintenance of more items in WM, especially in participants with low WM capacity. However, the results did not support the theta-gamma coupling theory, as no improvement in behavioral performance was observed after the stimulation. At the electrophysiological level, no significant modulations in brain oscillations related to task load were found, and the modulations related to individual participant capacity were in the opposite direction to that hypothesized by the theory. However, phase synchronization between the electrodes where stimulation was applied was observed during hit trials. In Chapter 4, the differences between temporary and permanent removal in verbal WM were studied. In this final experiment, participants had to remember two pairs of numbers, removing one pair either temporarily or permanently. The results showed that both types of removal improved performance by reducing the WM load. However, temporary removal was less efficient, with slower reaction times and an order effect in the retrieval of temporarily removed items, suggesting that the retrieval structure remains intact only after temporary removal. In conclusion, the thesis provides important insights into the functioning of WM, specifically regarding the processes of selection, maintenance, and removal of information. Using behavioral and electrophysiological methods, the research highlights the difficulty in distinguishing some of these processes, as well as raising questions about current theories.