Die Fähigkeit, Zustände in der Außenwelt zu beurteilen und zu kategorisieren, wird unter dem Oberbegriff „perzeptuelles Entscheiden“ zusammengefasst. In der vorliegenden Arbeit wurde funktionelle Magnetresonanztomografie mit multivariater Musteranalyse verbunden, um offene Fragen zur perzeptuellen Entscheidungsfindung zu beantworten. In der ersten Studie (Hebart et al., 2012) wurde gezeigt, dass der visuelle und parietale Kortex eine Repräsentation abstrakter perzeptueller Entscheidungen aufweisen. Im frühen visuellen Kortex steigt die Menge entscheidungsspezifischer Information mit der Menge an verfügbarer visueller Bewegungsinformation, doch der linke posteriore parietale Kortex zeigt einen negativen Zusammenhang. Diese Ergebnisse zeigen, wo im Gehirn abstrakte Entscheidungen repräsentiert werden und deuten darauf hin, dass die gefundenen Hirnregionen unterschiedlich in den Entscheidungsprozess involviert sind, je nach Menge an verfügbarer sensorischer Information. In der zweiten Studie (Hebart et al., submitted) wurde gezeigt, dass sich eine Repräsentation der Entscheidungsvariable (EV) im fronto-parietalen Assoziationskortex finden lässt. Ferner weist die EV im rechten ventrolateralen präfrontalen Kortex (vlPFC) einen spezifischen Zusammenhang mit konfidenzbezogenen Hirnsignalen im ventralen Striatum auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Konfidenz aus der EV im vlPFC berechnet wird. In der dritten Studie (Christophel et al., 2012) wurde gezeigt, dass der Kurzzeitgedächtnisinhalt im visuellen und posterioren parietalen Kortex, nicht jedoch im präfrontalen Kortex repräsentiert wird. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass der Gedächtnisinhalt in denselben Regionen enkodiert wird, die auch perzeptuelle Entscheidungen repräsentieren können. Zusammenfassend geben die hier errungenen Erkenntnisse Aufschluss über den neuronalen Code des perzeptuellen Entscheidens von Menschen und stellen ein vollständigeres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse in Aussicht. / Perceptual decision-making refers to the ability to arrive at categorical judgments about states of the outside world. Here we use functional magnetic resonance imaging and multivariate pattern analysis to identify decision-related brain regions and address a number of open issues in the field of perceptual decision-making. In the first study (Hebart et al., 2012), we demonstrated that perceptual decisions about motion direction are represented in both visual and parietal cortex, even when decoupled from motor plans. While in early visual cortex the amount of information about perceptual choices follows the amount of sensory evidence presented on the screen, the reverse pattern is observed in left posterior parietal cortex. These results reveal the brain regions involved when choices are encoded in an abstract format and suggest that these two brain regions are recruited differently depending on the amount of sensory evidence available. In the second study (Hebart et al., submitted), we show that the perceptual decision variable (DV) is represented throughout fronto-parietal association cortices. The DV in right ventrolateral prefrontal cortex covaries specifically with brain signals in the ventral striatum representing confidence, demonstrating a close link between the two variables. This suggests that confidence is calculated from the perceptual DV encoded in ventrolateral prefrontal cortex. In the third study (Christophel et al., 2012), using a visual short-term memory (VSTM) task, we demonstrate that the content of VSTM is represented in visual cortex and posterior parietal cortex, but not prefrontal cortex. These results constrain theories of VSTM and suggest that the memorized content is stored in regions shown to represent perceptual decisions. Together, these results shed light on the neuronal code underlying perceptual decision-making in humans and offer the prospect for a more complete understanding of these processes.

Erfolgreiches willkürliches Verhalten beruht auf der Selektion verhaltensrelevanter perzeptueller Informationen durch Aufmerksamkeit und deren kurzzeitiger Speicherung im Arbeitsgedächtnis. Bisherige Untersuchungen legen eine sowohl anatomische als auch funktionelle Interaktion beider kognitiver Funktionen nahe, insbesondere eine selektive Fazilitierung visueller Verarbeitung durch Arbeitsgedächtnisrepräsentationen. In der hier vorliegenden Arbeit wurde ein Gedächtnissakkadenparadigma (Gedächtnisphase von 6 Sekunden) mit einer visuellen Diskriminationsaufgabe kombiniert, die 1500, 2500 oder 3500 ms nach Präsentation des Gedächtnisstimulus durchzuführen war. Im Gegensatz zu den Erwartungen wurde eine transiente Verlängerung der Reaktionszeiten auf Diskriminationsstimuli beobachtet, die an aktuell erinnerten räumlichen Positionen präsentiert worden waren. In einem Kontrollexperiment ohne mnestische Anforderungen trat dieser Effekt hingegen nicht auf. Darüber hinaus hing die verzögerte Diskrimination von der Präzision der Gedächtnissakkaden und somit von der Güte der Arbeitsgedächtnisrepräsentation ab. Die räumliche Verteilung der Inhibition zeigte eine sog. „Center-Surround“-Organisation, wie sie für lokale neuronale Netzwerke im visuellen und präfrontalen Kortex bekannt ist. Es wird ein aktiver inhibitorischer Mechanismus postuliert, der den durch räumliches Arbeitsgedächtnis induzierten fazilitierenden Effekten entgegenwirkt und somit eine flexible Orientierung zu neuen Informationen während der Repräsentation von behavioral relevanten Informationen im räumlichen Arbeitsgedächtnis ermöglicht. Ein neurophysiologisches Korrelat für diesen Mechanismus könnte inhibitorische Gedächtnisphasenaktivität im präfrontalen Kortex darstellen, die über direkte präfrontotektale Projektionen vermittelt wird. / Voluntary behavior critically depends on attentional selection and short-term maintenance of perceptual information. Recent research suggests a tight coupling of both cognitive functions with visual processing being selectively enhanced by working memory representations. Here, a memoryguided saccade paradigm (6-s delay) was combined with a visual discrimination task, performed either 1,500, 2,500, or 3,500 ms after presentation of the memory cue. Contrary to what can be expected from previous studies, the results show that memory of spatial cues can transiently delay speeded discrimination of stimuli presented at remembered locations. This effect was not observed in a control experiment without memory requirements. Furthermore, delayed discrimination was dependent on the strength of actual memory representations as reflected by accuracy of memory-guided saccades. The spatial distribution of the observed discrimination inhibition showed a center-surround-organization reminiscent of activation patterns of local neuronal networks in prefrontal and visual cortex. An active inhibitory mechanism is proposed that counteracts facilitating effects of spatial working memory, promoting flexible orienting to novel information during maintenance of spatial memoranda for intended actions. Inhibitory delay-period activity in prefrontal cortex is a likely source for this mechanism which may be mediated by prefronto-tectal projections.

Konvergierende neurobiologische Studien zeigen, dass Negative Kindheitserfahrungen (Adverse Childhood Experiences, ACEs) mehrere dicht miteinander verknüpfte Hirnsysteme beeinflussen und die Entwicklung von Exekutivfunktionen stören, insbesondere die Fähigkeit, unangemessene Affekte und Handlungen zu unterdrücken. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst untersucht, wie Exekutivfunktionen in nicht-emotionalen (kühlen) und emotionalen (heißen) Situationen (d. h. Emotionsregulation) mit einer hohen Exposition gegenüber ACEs zusammenhängen und ob solche Beziehungen durch akuten Stress verstärkt werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass gewalttätiges Verhalten bei Opfern von Kindheitstraumata eher mit Defiziten in heißen Exekutivfunktionen als mit Defiziten in kühlen Exekutivfunktionen verbunden sein könnte, insbesondere unter Stressbedingungen. Insgesamt zeigt diese Studie erstens die Nützlichkeit von OpenFace, einem kostengünstigen und dennoch effektiven Instrument zur Untersuchung des mimischen Verhaltens bei der Emotionsregulation. Zweitens eröffnet sie Perspektiven für eine gezieltere Erforschung von und Interventionen bei ACEs. Drittens bezieht sie Jugendliche ein, eine wenig erforschte Altersgruppe, die sich in einer sensiblen Phase der Entwicklung von Exekutivfunktionen befinden. / Converging neurobiological studies show that Adverse Childhood Experiences (ACEs) affect multiple densely interconnected neurobiological systems and disrupt the development of executive functions (EFs), especially the ability to inhibit inappropriate affects and actions, potentially modulating factors in the relationship between ACEs and violent behaviour. This study first sought to assess how EFs under non-emotional (cool) and emotional (hot) situations (i.e. emotion regulation) are related with high-exposure to ACEs, and whether any such relationships would be aggravated by acute stress. Our findings show that violent behavior among victims of childhood trauma might be associated more with deficits in hot EFs than it is with deficits in cool EFs, especially more so under conditions of stress. Altogether, this study first shows the usefulness of OpenFace, a low cost yet effective tool to study facial behaviour in emotion regulation. Second, it opens perspectives towards more targeted research on, and interventions for ACEs, and third, it involves adolescents, a little researched age group, yet a sensitive period of EFs development.

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Restless legs syndrome (RLS) is a sensory-motor disorder characterized by abnormal circadian rhythm with an increase in the severity of sensory and motor symptoms at night. Even though many neurological diseases have shown a strong nexus between motor and cognitive symptoms, to date, cognitive functions especially cognitive control in RLS has been poorly understood. Given that cognitive control is a key to leading a self-serving and successful life, including many aspects of employment, social life, and attaining long-term goals, this thesis aimed to examine cognitive control and the underlying mechanisms in RLS. Thalamic gamma aminobutyric acid (GABA), which has been linked to RLS sensory-motor symptoms, also plays an important role in cognitive control. Therefore, the potential relationship between thalamic GABA level and cognitive control in RLS was examined (Study I). RLS patients displayed reduced working memory-based control performances as compared to healthy controls. Elevated thalamic GABA was found to attenuate the observed control deficits in RLS, even though changes in thalamic GABA levels might not be the ultimate causes of these deficits. According to the modulatory effect of thalamic GABA on thalamic activity and thalamo-cortical connectivity, relatively higher GABA levels may have helped RLS patients compensate for their pathological changes such as thalamic hyperactivity and hypoconnectivity, which may underpin the observed control deficits. The critical feature of RLS, abnormal circadian rhythm is thought to be related to nocturnal striatal dopamine deficiency. Concerning the dopaminergic modulation of cognitive control, the circadian variation of cognitive control processes has been investigated (Study II & III). RLS patients displayed reduced attentional control (Study II) and automatic response activation (Study III) at night, which resulted from decreased activation within the extra-striate visual cortex, the superior parietal cortex, and the premotor cortex. As there were no activity changes within the prefrontal cortex, it is likely that cortico-basal ganglia cognitive loops were less prone to RLS. Instead, striatal dopamine deficiency at night may have influenced the cortico-cortical functional connectivity and cortico-basal ganglia motor loops in RLS. These findings not only shed light on the underlying mechanisms of cognitive control, but also advance early clinical treatment possibilities for cognitive changes in RLS patients. Furthermore, recent insights into daytime-related cognition may help patients develop a suitable daytime schedule to minimize the detrimental effects induced by cognitive deficits.