Die These fasst die ersten Untersuchungen zum Pawlowsch`-Instrumentellen Transfer in alkoholabhängigen (AA) Patienten zusammen. Es ist bekannt, dass kontextuelle Umgebungsreize Verhalten beeinflussen. Tier- und Humanstudien haben gezeigt, dass positive Pawlowsche Reize instrumentelles Antwortverhalten verstärken und negative Pawlowsche Reize dieses reduzieren (PIT-Effekt). Bei Abhängigkeit wird angenommen, dass dieser Mechanismus relevant für Rückfall ist, da z.B. drogenassoziierte Reize bei Patienten im Vergleich zu Kontrollen erhöhtes Verlagen und funktionelle Aktivität in Belohnungsarealen auslösen. In Tier- und Humanstudien wurden stärkere PIT-Effekte vor allem mit funktioneller Aktivierung im Nucleus Accumbens (NAcc) beobachtet. Weiterhin zeigten sich bei Probanden mit stärkerem PIT-Effekt und bei AA Patienten erhöhte Impulsivitätswerte. Die PIT-Aufgabe besteht aus 3 Hauptteilen: i) Instrumentelle Konditionierung, ii) Pawlowsche Konditionierung, iii) Transfer mit Pawlowschen oder alkoholassoziierten Kontextstimuli. Impulsives Auswahlverhalten wurde durch die delay discounting Aufgabe erhoben. Es zeigten sich signifikant stärkere PIT-Effekte mit Pawlowschen Kontextreizen in AA Patienten im Vergleich zu Kontrollen mit funktioneller Aktivierung im NAcc, die zur Rückfallvorhersage beitrug. Der Transfer mit alkoholassoziierten Kontextreizen bewirkte eine signifikante Reduktion des instrumentellen Antwortverhaltens mit neuronalem Korrelat im NAcc nur bei abstinenten Patienten. Impulsives Auswahlverhalten und PIT hingen nur bei Patienten positiv zusammen. Die Studien lassen darauf schließen, dass PIT ein für Rückfall wichtiger Mechanismus ist mit funktionellem Korrelat im NAcc, der sich für motivationale Prozesse als auch als Salienzsignal relevant gezeigt hat. Die Subgruppe von hoch impulsiven Patienten ist im Besonderen durch Kontextreize im instrumentellen Antwortverhalten beeinflussbar, daher sollte ihr besondere Aufmerksamkeit bei Interventionen zukommen. / This thesis summarizes the first Pavlovian-to-instrumental transfer (PIT) studies in alcohol-dependent (AD) patients. Contextual stimuli are known to influence our behavior. Animal and human studies showed that positive Pavlovian stimuli enhance and negative Pavlovian stimuli reduce instrumental behavior (PIT effect). This mechanism might be relevant for relapse risk, as drug-associated stimuli have shown to enhance e.g. craving and functional activation in reward-related brain areas in patients compared to controls. In animal and human studies enhanced PIT effects were associated with activation particularly in the nucleus accumbens (NAcc). Moreover, control subjects with stronger PIT effects and AD patients were more impulsive on different facets of impulsivity. The PIT task consists of three main parts: i) instrumental conditioning, ii) Pavlovian conditioning, iii) transfer with Pavlovian background stimuli and instrumental task in the foreground (nondrug-related PIT: Pavlovian contextual cues; drug-related PIT: alcohol-related contextual cues). Choice impulsivity was measured by delay discounting task. We observed significantly enhanced nondrug-related PIT effects in AD patients compared to controls with a functional activation in the NAcc being predictive for relapse. Regarding drug-related PIT effects, we observed significantly reduced instrumental behavior during alcohol-related backgrounds with neural correlates in the NAcc in abstainers only. Choice impulsivity was positively related to PIT in AD patients only. Our data suggest that PIT is a mechanism contributing to relapse in AD patients with functional correlations within the NAcc, which based on our data is involved in motivation and attribution of salience. The subgroup of high impulsive patients is particularly susceptible for PIT effects, thus should be main target for intervention programs.

Einige psychische Störungen, darunter Angst- und Suchterkrankungen, zeichnen sich durch eine abnorme Beteiligung basaler assoziativer Lernprozesse aus. Pawlow’sche Rückfallphänomene den langfristigen Erfolg extinktionsbasierter Therapien. Damit kommt der Untersuchung pharmakologischer Interventionen zur Unterstützung des Extinktionslernens bzw. -abrufs eine zentrale Bedeutung zu. Die vorliegende Dissertation umfasst vier Studien und bedient sich translationaler Pawlow’scher Lernmodelle, um (i) behaviorale und neuronale Mechanismen appetitiver Pawlow’scher Rückfallphänomene beim Menschen zu untersuchen (Studien I und II) sowie (ii) den Effekt des partiellen NMDA Rezeptor Agonisten D-Cycloserin (DCS) zur Unterstützung des Extinktionslernens appetitiver und aversiver Stimuli zu testen (Studien III und IV). Studie I demonstriert, dass appetitive Pawlow’sche Rückfalleffekte im Labor untersucht werden können und lieferte Evidenz für differenzielle Einflüsse der Amygdala und des vmPFC beim Wiederauftreten der konditionierten Reaktion. Studie II belegt die Sensitivität verschiedener, teilweise neuer okularer Reaktionsmaße für die appetitive Konditionierungsforschung. Studie III zeigte, dass DCS mit einer attenuierten BOLD-Antwort in der Amygdala und einer gesteigerten funktionellen Amygdala-vmPFC Konnektivität während des appetitiven Extinktionsabrufs assoziiert war. Studie IV ergab, dass Probanden der DCS- Gruppe attenuierte Arousal Ratings wie auch neuronale Aktivierungen in der Amygdala und dem posterioren Hippocampus im Vergleich zur Placebo-Gruppe aufwiesen. Die vorliegende Arbeit erweitert unser Verständnis appetitiver Pawlow’scher Rückfallphänomene und weist dem vmPFC eine bedeutsame Rolle beim Extinktionsabruf zu. Weiterhin unterstützt sie die Hypothese, dass DCS das Extinktionslernen unterstützt und damit Rückfallphänomene reduziert. / Pavlovian learning mechanisms play an important role in the development, maintenance, and relapse of psychiatric conditions like drug addiction and anxiety disorders. Pavlovian relapse phenomena challenge the long-term success of extinction-based exposure treatments. As such, investigating pharmacological adjuncts that could help to improve extinction learning or long- term retention are of great clinical importance. This dissertation comprises four studies applying translational human laboratory models of Pavlovian learning (i) to characterize the behavioral and neural mechanisms of appetitive Pavlovian relapse (Studies I and II), and (ii) to investigate D-cycloserine (DCS), a partial NMDA receptor agonist, as a pharmacological adjunct to augment Pavlovian extinction learning of appetitive and aversive stimuli (Studies III and IV). In Study I, we showed that appetitive Pavlovian relapse can be successfully modeled in the laboratory and provided evidence for opposing roles of amygdala and vmPFC in mediating the return of conditioned responding. Study II showed the usefulness of different and partly novel ocular response measures for appetitive conditioning research. Finally, we found DCS to attenuate amygdala reactivity during appetitive extinction recall and enhance amygdala-vmPFC coupling (Study III). Corroborating these results, Study IV showed DCS to reduce return of fear on behavioral arousal ratings and in brain areas associated with defense reactions like amygdala and posterior hippocampus. Overall, the present work extends evidence on experimentally induced return of fear to the appetitive research domain and suggests an overarching regulatory role of the vmPFC during extinction recall. Finally, it supports the hypothesis that DCS can augment extinction learning, thereby reducing the risk of relapse phenomena.

Pathologisches Glücksspiel (PG) ist eine psychiatrische Erkrankung, die gerade erst im DSM-5 der gleichen Kategorie wie substanzgebundene Suchterkrankungen zugeordnet wurde. Bildgebungsstudien zu Substanzabhängigkeit beobachteten funktionelle und strukturelle Veränderungen im präfrontalen Kortex (PFC) und mesolimbischen Belohnungssystem (d.h. Striatum). Für PG wurden ähnliche Veränderungen berichtet; jedoch gibt es kaum Studien, die sich mit verschiedenen Aspekten funktioneller und struktureller Korrelate in diesen Regionen beschäftigen. Diese Arbeit untersuchte PG Patienten, alkoholabhängige (AD) Patienten und Kontrollpersonen (HC) mit Magnetresonanztomografie. In Analyse I wurden funktionelle Gehirndaten während der Belohnungsaufgabe zwischen den drei Gruppen verglichen. In Analyse II wurde das Volumen grauer Substanz mit voxelbasierter Morphometrie und in Analyse III die intrinsische Gehirnaktivität mit einer seedbasierten funktionellen Konnektivitätsanalyse von PG Patienten und HC ausgewertet. Die Analysen ergaben veränderte Aktivierungen in frontostriatalen Arealen während der Verarbeitung von Verlustvermeidung für PG Patienten im Vergleich zu HC. PG Patienten unterschieden sich dabei in ihrer Aktivierung von AD Patienten während der Antizipation von Geldverlust. Weiterhin zeigten PG Patienten erhöhte Volumina grauer Substanz und eine erhöhte funktionelle Konnektivität in frontostriatalen Arealen im Vergleich zu HC. Die Ergebnisse liefern weitere Hinweise für eine veränderte Belohnungsverarbeitung in PG und betonen die Bedeutung der Verlustvermeidungsverarbeitung. Die Volumenveränderungen im und die erhöhte Konnektivität zwischen dem PFC and Belohnungssystem deuten auf eine veränderte Interaktion zwischen diesen Regionen hin. Da solche Veränderungen in kortikostriatalen Systemen Ähnlichkeiten zu denen in Substanzabhängigkeiten aufweisen, unterstützen die Ergebnisse die neue Klassifikation des PG im DSM-5. / Pathological gambling (PG) is a psychiatric disorder newly classified under the same category as substance use disorders in the DSM-5. Neuroimaging studies on substance-related addictions reported functional and structural changes in the prefrontal cortex (PFC) and the mesolimbic reward system (i.e., striatum). For PG, findings are not that extensive, but also demonstrate altered reward processing and prefrontal function. However, there is a lack of studies focusing on different aspects of functional and structural correlates within these areas in PG. This thesis investigated PG patients, alcohol dependent (AD) patients and healthy controls with magnetic resonance imaging (MRI). In analysis I, functional brain data of a reward paradigm was compared between the three groups. In analysis II, local gray matter volume of PG patients and controls was processed via voxel-based morphometry. Resting-state data of PG patients and controls was analyzed via seed-based functional connectivity in analysis III. Results revealed altered brain responses in fronto-striatal areas during loss avoidance processing in PG patients as compared to controls. Importantly, PG patients differed in their brain responses from AD patients during the prospect of monetary loss. Moreover, PG patients showed an increase in local gray matter volume and functional connectivity in frontal-striatal areas as compared to controls. Our results add further evidence for an altered reward processing in PG and underline the importance of loss avoidance processing. Moreover, our findings of volumetric alterations within and increased connectivity between PFC and reward system, suggest an altered interaction between these brain regions. Since such alterations in cortico-striatal circuits resemble those reported for substance-related addictions, our findings support the new classification of PG in the DSM-5.

Diese Dissertation fasst drei wissenschaftliche Arbeiten (Artikel) zusammen, welche sich mit veränderten Entscheidungsprozessen bei substanzgebundenen- und substanzungebundenen Abhängigkeitserkrankungen beschäftigen. In Artikel I wurde beobachtet, dass Probanden mit Alkoholkonsumstörung (AD) und Probanden mit Glücksspielstörung (GD) eine ähnlich reduzierte Verlustaversion gegenüber gesunden Kontrollen (HC) aufweisen. Beide Gruppen zeigten jedoch unterschiedliche neuronale Korrelate dieser reduzierten Verlustaversion: Während AD-Probanden eine unterschiedliche funktionelle Aktivität im dorsal-lateralen-präfrontalen Kortex im Vergleich zu HC aufwiesen, zeigten GD-Probanden eine veränderte funktionelle Konnektivität zwischen Amygdala und orbito-frontalem Kortex (OFC) bzw. medial-präfrontalem Kortex. In den Artikeln II und III wurde untersucht, ob das Verhalten und die neuronale Aktivität bei einer Verlustaversionsaufgabe bei GD-Probanden moduliert wird, wie dies in ähnlichen Studien bei AD-Probanden beobachtet wurde. Tatsächlich konnten GD-Probanden von HC-Probanden auf Grundlage ihrer veränderten Glücksspielannahme während der Präsentation spielbezogener Hinweisreize unterschieden werden. Auf neuronaler Ebene (Artikel III) konnten GD-Probanden von HC-Probanden durch die neuronalen Korrelate der reizinduzierten Veränderungen im Spielverhalten in einem Netzwerk aus Amygdala, Nucleus Accumbens und OFC unterschieden werden. Da in den Studien der Fokus auf Glücksspielabhängigkeit lag, also auf einer Abhängigkeit, welche unabhängig von Substanzmissbrauch existiert, deuten die hier diskutierten Ergebnisse darauf hin, dass verminderte Verlustaversion, sowie erhöhte reizinduzierte Veränderungen im Entscheidungsverhalten – welches beides bekannte Phänomene von Substanzabhängigkeiten sind – nicht durch Substanzmissbrauch zustande kommen. Beide Phänomene scheinen vielmehr erlernte Merkmale oder sogar prädisponierende Faktoren von Abhängigkeitserkrankungen zu sein. / This dissertation summarizes three papers concerned with decision-making impairments in a substance-based and a non-substance-based addictive disorder. In Paper I, it was observed that subjects with alcohol use disorder (AD) and subjects with gambling disorder (GD) show similarly reduced loss aversion. Both groups, however, showed different neural correlates of this reduced loss aversion: While AD subjects showed different functional activity in dorsal-lateral-prefrontal cortex compared to healthy controls (HC), GD subjects showed different amygdala-orbital-frontal and amygdala-medial-prefrontal connectivity. Paper II and III investigated whether behavior and neural activity in a loss aversion task is modulated in GD subjects, as has been observed in similar studies in AD subjects. The data showed that GD subjects can be distinguished from HC subjects using a behavioral pattern of increased cue-induced gamble increase when gambling-related cues are presented in the background. On neural level (Paper III), GD subjects could be distinguished from HC subjects by neural correlates of cue-induced changes in gambling behavior in a network of amygdala, nucleus accumbens and orbital-frontal cortex. Since the focus of the studies was GD, an addiction that is independent of substance abuse, the results suggest that reduced loss aversion and increased cue-induced changes in gambling behaviors, two phenomena related to substance-based addictions, are not dependent on a substance of abuse but rather on learned characteristics or even on predisposing traits of addictive disorders.