Fortschreitendes Alter geht häufig mit Leistungsabnahmen in kognitiven Aufgaben einher. Eine steigende Anzahl Studien zeigt, dass regelmäßige körperliche Aktivität negativen Alterseffekten entgegenwirken kann und somit zur Erhaltung kognitiver und zerebraler Funktionen im Alter beiträgt. Die vorliegende Dissertation untersuchte im Rahmen eines Ausdauertrainings die Zusammenhänge zwischen Veränderungen in der körperlichen Fitness und Veränderungen in Gehirn und Verhalten bei älteren Erwachsenen. Studie I zeigt, dass zuvor gefundene Vergrößerungen des Hippocampus auf Änderungen der Mikrostruktur des zugrundeliegenden Gewebes zurückgeführt werden können. Die Probanden, die ihre Fitness am meisten verbesserten, zeigten auch die stärkste Verdichtung des Hippocampusgewebes. Die Verdichtung des Gewebes stand wiederum in positivem Zusammenhang mit der Veränderung im Hippocampusvolumen. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass Veränderungen im Volumen aus einer Vermehrung der Zellmembranen resultieren und nicht aus der Ausdehnung bereits vorhandener Zellen. In Studie II hingen Veränderungen in der Fitness zusammen mit Veränderungen in der Mikrostruktur eines präfrontalen Traktes der weißen Substanz, nämlich dem Forceps minor. Gleichermaßen hingen die Veränderungen in der Mikrostruktur des Forceps minor mit Veränderungen in einem zusammengesetzten Maß fluider kognitiver Fähigkeiten zusammen. Dieses Ergebnis zeigt, dass Veränderungen in der Mikrostruktur der weißen Substanz möglicherweise zu den positiven Auswirkungen von körperlicher Aktivität auf kognitive Fähigkeiten beitragen. Studie III zeigt, dass Veränderungen der Fitness positiv mit Veränderungen der neuronalen Spezifität korrelieren, welches als indirektes Maß für dopaminerge Neuromodulation angenommen wird. Zusammenfassend erweitern die Ergebnisse dieser Dissertation die Literatur über positive Effekte von körperlicher Aktivität auf Alterungsprozesse und stärken den Kenntnisstand über zugrundeliegende Mechanismen. / Advanced age has been consistently linked to performance deterioration in cognitive tasks targeting the ability to mentally manipulate information. A growing body of literature suggests that regular physical exercise alleviates the adverse effects of age and helps to preserve cognitive and cerebral capacities in old age. The present dissertation investigated associations between changes in fitness and changes in cerebral and cognitive measures within a group of older adults who participated in an exercise intervention. Paper I shows that previously reported increases in hippocampal volume can be linked to exercise-induced changes in the underlying tissue microstructure. The participants who improved most in fitness showed most increments in hippocampal tissue density. Changes in tissue density were in turn positively associated with changes in hippocampal volume. This finding suggests that volumetric changes result from an increase in the bulk of cell membranes, and not from a mere dilation of existing cells. In Paper II, changes in fitness were associated with changes in the microstructure of a prefrontal white matter tract, namely the forceps minor. Likewise, changes in forceps minor microstructure were related to changes in a composite score of fluid cognitive abilities. This result indicates that changes in white matter microstructure may contribute to the beneficial effects of exercise on cognition. Paper III demonstrates that changes in fitness are positively correlated with changes in neural specificity, presumably an indirect marker of dopaminergic neuromodulation. In summary, findings from the present dissertation extend the literature on beneficial effects of exercise on age-related deterioration and add knowledge regarding the underlying mechanisms.

Bisherige Forschung hat zwischen zwei Gedächtnissystemen unterschieden: dem sog. deklarativen Gedächtnis (DG), welches sich durch die Fähigkeit vergangene Lebensereignisse bewusst zu erinnern auszeichnet und mit dem lobus temporalis medialis (MTL) in Verbindung steht, und dem prozeduralen Gedächtnis (PG), welches erlernte Fertigkeiten beinhaltet und mit dem Corpus striatum assoziiert ist. Weitere Studien haben ergeben, dass Alterung von neurologischen Schäden in beiden Systemen, erhöhter Aktivität im MTL und einer relativ geringeren Beeinträchtigung des PG begleitet ist. Hyperaktivität im MTL wurde dabei sowohl mit verbesserten als auch verschlechterten Gedächtnisleistungen in Verbindung gebracht. Die hier vorgelegte Dissertation befasst sich mit dem Einfluss von Alterung auf die Beziehungen zwischen o. g. Hirnnetzwerken und prozeduralen bzw. deklarativen Gedächtnisfähigkeiten. Studie I zeigte, dass Altersunterschiede in einer prozeduralen Gedächtnisaufgabe graduell im Verlaufe des Trainings entstehen und vmtl. mit negativen Einflüssen von Alterung auf den Übergang von PG zu DG in Zusammenhang stehen. Zwei striatal-dopaminerge genetische Polymorphismen, rs907094 auf DARPP-32 und VNTR auf DAT, wirkten sich dabei auf das DG älterer aber nicht jüngerer Erwachsener aus. In Studie II wurden Beeinträchtigungen im neuronalen Vorhersagefehler, einem neuronales Lernsignal im Striatum, in älteren Probanden gefunden. Studie III konnte teilweise intaktes PG in einer räumlichen Gedächtnisaufgabe demonstrieren, wobei der Polymorphismus rs17070145 auf WWC1, der sich auf Lanzeitpotenzierung im MTL auswirkt, diese Altersunterschiede modulierte. In Studie IV wurden neuronale Repräsentationen und Komputationen während einer räumlichen Gedächtnisaufgabe untersucht. Während jüngere Probanden in dieser Studie Anzeichen von MTL-basiertem DG zeigten, zeigten ältere Teilnehmer Evidenz von PG. Die neuronalen Signaturen älterer Erwachsener wurden jedoch am stärksten im MTL beobachtet. / Previous research has distinguished between a declarative memory system that stores flexible representations and is subserved by the medial-temporal lobe (MTL) and a procedural memory system that expresses past experiences through skills and is based mainly on the striatum. Investigations into age-related changes in these memory systems indicated a complex pattern of neural degradation in both systems, elevated MTL activity as well as partially spared procedural memory functions in older adults. A literature review further suggests that MTL overactivity can be caused by factors which are either beneficial or detrimental for memory. The present dissertation investigated the effects of human aging on the relations of brain functions to declarative and procedural memory. In Study I, age differences in a procedural memory task gradually emerged over the course of training and were linked to negative effects of aging on the transition from procedural to declarative memory. In addition, this study showed that striatal dopaminergic genetic polymorphisms, rs907094 on DARPP-32 and VNTR on DAT, affected declarative knowledge in older but not younger adults. Study II indicated that prediction error signals in the human brain, a neural computation associated with striatal learning functions, were partially impaired in older adults. Study III demonstrated partially intact procedural memory in older adults in a spatial memory task, whereby age differences were modulated by a polymorphism influencing long-term potentiation in the MTL (rs17070145 on WWC1). Finally, Study IV showed hat that neural representations and computations subserving spatial memory qualitatively differed between younger and older adults. The performance and neural activation of younger adults showed unique properties of MTL-dependent declarative memory. Older adults, in contrast, showed behavioral and neural indications of procedural memory but the localization of the neural signatures peaked in the MTL.

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.

Gesichterkognition ist eine wichtige Fähigkeit für soziale Interaktionen. Obwohl große interindividuelle Unterschiede in der Gesichterkognition festgestellt wurden, gibt es bisher wenige Bestrebungen, diese Fertigkeit zu trainieren. In den vorliegenden Studien habe ich Trainingsverfahren für das Gesichtergedächtnis und die Geschwindigkeit der Gesichterkognition entwickelt und untersucht, welche auf dem Modell von Wilhelm et al. (2010) beruhen. In Studie 1 wurden Trainingseffekte bei gesunden Probanden mittleren Alters behavioral untersucht. Das Training des Gesichtergedächtnisses zeigte einen Trend zur Leistungsverbesserung in der trainierten Aufgabe. Das Training der Geschwindigkeit der Gesichterkognition verkürzte signifikant die Reaktionszeiten in allen Geschwindigkeitsaufgaben der Gesichterkognition, der Objektkognition sowie der mentalen Geschwindigkeit. Daher wird angenommen, dass das Geschwindigkeitstraining eine allgemeine Fähigkeit, komplexe visuelle Stimuli zu verarbeiten, beeinflusst hat. In Studie 2 wurden nach einem Re-Training die psychophysiologischen Grundlagen der trainingsbedingten Veränderungen untersucht. Das Geschwindigkeitstraining verkürzte zwar die Reaktionszeiten im Verlauf des Re-Trainings, jedoch unterschieden sich die beiden Trainingsgruppen nicht im folgenden Posttest. Die Auswertung der ereigniskorrelierten Potentiale wies auf eine Reduktion der strukturellen Repräsentationen aus dem Langzeitgedächtnis zur Erkennung von Individuen (N250r) durch das Geschwindigkeitstraining und auf eine Verstärkung der semantischen Verarbeitung von bekannten Gesichtern (N400) durch das Gedächtnistraining hin. Die vorliegende Arbeit zeigt die Plastizität der Verarbeitungsgeschwindigkeit für komplexe visuelle Stimuli auf. / Face cognition is a crucial skill for social interaction. Large individual differences in face cognition have been shown for healthy adults, suggesting that there might be a need for improvement, yet training of this ability has seldom been attempted. In the present studies, I developed and tested training procedures for face memory and for speed of face cognition, based on the model developed by Wilhelm et al. (2010). In Study 1, training effects were studied with healthy middle-aged participants at the behavioural level. Both training procedures enhanced performance over the course of the training. For facial speed, this improvement was significant as were the faster reaction times on all tasks for facial speed, for object speed, and for general processing speed. Thus, training of facial speed influenced a more general ability to process complex visual stimuli more quickly. Study 2 was conducted to investigate the psychophysiological underpinnings of training effects after a re-training. The facial speed training enhanced performance over the course of the re-training. In the post-test conducted directly after the re-training, the two groups did not differ in reaction times. Results within event-related components suggested that the facial speed training reduced the contributions of structural representations from long-term memory to identity recognition (N250r) and that face memory training enhanced the semantic processing of familiar faces (N400). This dissertation demonstrates the plasticity of the speed of processing complex visual stimuli. The versatility of the results and the limitations of the studies are discussed along with suggestions for future research.

Bei altersbedingt abnehmender kognitiver Funktion stellt das steigende Renteneintrittsalter Arbeitgeber und -nehmer vor wachsende Herausforderungen. Der Aufbau der kognitiven Reserve (CR) durch geistig stimulierende Aktivitäten verspricht eine Resilienz gegenüber neuropathologisch bedingten kognitiven Defiziten. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle der CR in Bezug auf die kognitive Leistungsfähigkeit und die neuronale Informationsverarbeitung gesunder Erwachsener im Berufsalter untersucht. Unter Ableitung des Elektroenzephalogramms bearbeiteten Probanden mittleren und hohen Erwerbsalters (34-45 J. und 46-62 J.) im 2-Jahres-Abstand Aufgaben zu drei Domänen exekutiver Funktionen: Arbeitsgedächtnis (AG), kognitive Flexibilität und Inhibitionskontrolle. Hoch-CR-Probanden wiesen aufgabenübergreifend schnellere Reaktionen und geringere Fehlerraten auf. Reduzierte Leistung ließ sich in der Gering-CR-Gruppe tendenziell bei älteren Probanden und in anspruchsvollen Aufgabenbedingungen beobachten. Nach 2 Jahren zeigten Gering-CR-Ältere eine numerisch abnehmende AG-Kapazität, während Hoch-CR-Ältere ihre hohe Leistung steigern konnten. Die P3-Amplitude variierte in Abhängigkeit von der CR und dem Alter. Hoch-CR-Jüngere wiesen im Vergleich zu Gering-CR-Jüngeren höhere P3-Amplituden auf, während Hoch-CR-Ältere im Gegensatz zu Gering-CR-Älteren kleinere P3-Amplituden generierten. Zudem legten kürzere P3-Latenzen in der Hoch-CR-Gruppe eine schnellere neuronale Verarbeitungsgeschwindigkeit nahe. In der Aufgabe zur kognitiven Flexibilität ließ sich bei Gering-CR-Probanden ein Anterior-Shift der P3 beobachten. Die Untersuchungsergebnisse konnten nach 2 Jahren repliziert werden. Alterungsrelevante Leistungsvariablen und neuronale Informationsverarbeitungsprozesse zeigten sich bereits im Berufsalter sensitiv gegenüber der CR. Das mittlere Erwachsenenalter sollte bei der Erarbeitung und Evaluation CR-basierter Maßnahmen zur Prävention kognitiver Defizite stärker berücksichtigt werden. / The increasing retirement date accompanied by an age-associated decline of cognitive functions poses growing challenges to employers and employees. The cognitive reserve (CR) promises a resilience to brain damage-associated cognitive deficits through intellectually stimulating lifestyle activities. The present study examines the role of CR relating to cognitive performance and neuronal information processing of healthy adults in working age. Using an electroencephalogram, subjects of middle and high working age (34-45 years and 46-62 years of age, respectively) completed tasks on three domains of executive functions: working memory, cognitive flexibility and inhibition control. Follow-up assessments were conducted after two years. High-CR subjects performed better across tasks than Low-CR subjects, with faster reaction times and lower error rates. Reduced performance in the Low-CR group tended to be more common among older participants and during the more challenging task conditions. In addition, after two years, Low-CR older workers showed a decreased working memory capacity while older High-CR individuals improved their higher performance. The P3 amplitude of the event-related brain potential varied systematically as a function of CR and age. High-CR younger individuals revealed higher P3 amplitudes compared to Low-CR younger individuals, while High-CR older individuals generated smaller P3 amplitudes than Low-CR older individuals. The shorter P3 peak-latencies of the High-CR group suggested moreover a difference in neural processing speed. When testing cognitive flexibility an anterior shift of the P3 was observed in older Low-CR subjects. The results were almost completely replicated after two years. Age-related performance variables and neuronal information processes revealed to be sensitive to CR already at working age. These findings recommend more research on early adulthood in the development and evaluation of CR-based programs to prevent cognitive deficits.