Zugl.: Habil'schrift Bern.

Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung einer interaktiven Visualisierung von EEG-Daten und deren Quellen in Kombination mit Nervenfaserbündeldaten. Dazu soll als Softwaregrundlage das derzeit in Entwicklung befindliche OpenWalnut genutzt werden. Dabei handelt es sich um einen Softwarerahmen zur medizinischen Visualisierung mit Schwerpunkt auf die interaktive Darstellung von Gehirndaten. Die Darstellung und Selektion von Nervenfaserbündeln wurde darin bereits implementiert. Damit bietet es sich an, dieses System als Grundlage zu nehmen.

The ability of humans to discriminate enantiomeric odour pairs is substance –specific. Current literature suggests that psychophysical discrimination of odour enantiomers mainly depends on the peripheral processing at the level of the olfactory sensory neurons (OSN). To study the influence of central processing in discrimination, we investigated differences in the electrophysiological responses to psychophysically indistinguishable (+)- and (−)- rose oxide enantiomers at peripheral and central-nervous levels in humans. We recorded the electro-olfactogram (EOG) from the olfactory epithelium and the EEG-derived olfactory event-related potentials (OERP). Results from a psychophysical three alternative forced choice test indicated indistinguishability of the two odour enantiomers. In a total of 19 young participants EOG could be recorded in 74 and OERP in 95% of subjects. Significantly different EOG amplitudes and latencies were recorded in response to the 2 stimuli. However, no such differences in amplitude or latency emerged for the OERP. In conclusion, although the pair of enantiomer could be discriminated at a peripheral level this did not lead to a central-nervous/cognitive differentiation of the two stimuli.

Die Interaktion zwischen merkmalsbasierten und objektbasierten visuellen Aufmerksamkeitsprozessen stand im Fokus der vorliegenden Dissertation. Hierbei war insbesondere die Frage wesentlich, ob Objektmerkmale um visuelle Verarbeitungsressourcen konkurrieren. Zu diesem Zweck wurde in drei Experimenten mittels Elektroenzephalographie die neuronale Verarbeitung aufgabenrelevanter und aufgabenirrelevanter Objektmerkmale untersucht. Im ersten Experiment konnte gezeigt werden, dass das aufgabenrelevante Objektmerkmal einen Verarbeitungsvorteil aufweist. Darüber hinaus zeigte sich, dass sich dieser Verarbeitungsvorteil reduziert, wenn zwei Objektmerkmale beachtet werden müssen. Diese Ergebnisse stehen im Widerspruch zu Vorhersagen der Theorie des integrierenden Objekts und legen Wettbewerb zwischen den Objektmerkmalen nahe. Im zweiten Experiment zeigten sich durch den Austausch eines der Objektmerkmale überraschenderweise abweichende Effekte. Dennoch offenbarten sich auch hier Hinweise hinsichtlich der Existenz eines Wettbewerbs zwischen den Objektmerkmalen, der jedoch – neben der top-down Verzerrung durch merkmalsselektive Aufmerksamkeitsprozesse – bottom-up durch die Salienz des Objektmerkmals Luminanz verzerrt wurde. Im dritten Experiment, das sich der Analyse der Zeitverläufe merkmalsselektiver Aufmerksamkeitsprozesse innerhalb von Objekten widmete, konnte ein zweiphasiger Prozess demonstriert werden: Einer frühen transienten Integration aller Objektmerkmale folgen anhaltende merkmalsspezifische Mechanismen. Der Wettbewerb von Objektmerkmalen um visuelle Verarbeitungsressourcen ist demnach zeitabhängig. Dieser Befund ermöglicht die Synthese scheinbar widersprüchlicher Ergebnisse früherer Studien, die entweder in Experimenten mit kurzen Präsentationszeiten visueller Stimuli Merkmalsintegration innerhalb von Objekten zeigten (analog zur Theorie des integrierenden Objekts), oder aber durch Verwendung längerer Präsentationszeiten die merkmalsspezifische Verarbeitung von Objektmerkmalen demonstrieren konnten.

The ability of humans to discriminate enantiomeric odour pairs is substance –specific. Current literature suggests that psychophysical discrimination of odour enantiomers mainly depends on the peripheral processing at the level of the olfactory sensory neurons (OSN). To study the influence of central processing in discrimination, we investigated differences in the electrophysiological responses to psychophysically indistinguishable (+)- and (−)- rose oxide enantiomers at peripheral and central-nervous levels in humans. We recorded the electro-olfactogram (EOG) from the olfactory epithelium and the EEG-derived olfactory event-related potentials (OERP). Results from a psychophysical three alternative forced choice test indicated indistinguishability of the two odour enantiomers. In a total of 19 young participants EOG could be recorded in 74 and OERP in 95% of subjects. Significantly different EOG amplitudes and latencies were recorded in response to the 2 stimuli. However, no such differences in amplitude or latency emerged for the OERP. In conclusion, although the pair of enantiomer could be discriminated at a peripheral level this did not lead to a central-nervous/cognitive differentiation of the two stimuli.

Background. Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is one of the most prevalent neuropsychiatric disorders in childhood. Besides inattention and hyperactivity, impulsivity is the third core symptom leading to diverse and serious problems. However, the neuronal mechanisms underlying impulsivity in ADHD are still not fully understood. This is all the more the case when patients with the ADHD combined subtype (ADHD-C) are considered who are characterized by both symptoms of inattention and hyperactivity/impulsivity. Method. Combining high-density electroencephalography (EEG) recordings with source localization analyses, we examined what information processing stages are dysfunctional in ADHD-C (n = 20) compared with controls (n = 18). Results. Patients with ADHD-C made more impulsive errors in a Go/No-go task than healthy controls. Neurophysiologically, different subprocesses from perceptual gating to attentional selection, resource allocation and response selection processes are altered in this patient group. Perceptual gating, stimulus-driven attention selection and resource allocation processes were more pronounced in ADHD-C, are related to activation differences in parieto-occipital networks and suggest attentional filtering deficits. However, only response selection processes, associated with medial prefrontal networks, predicted impulsive errors in ADHD-C. Conclusions. Although the clinical picture of ADHD-C is complex and a multitude of processing steps are altered, only a subset of processes seems to directly modulate impulsive behaviour. The present findings improve the understanding of mechanisms underlying impulsivity in patients with ADHD-C and might help to refine treatment algorithms focusing on impulsivity.

Das Wortlernen begleitet unser Leben von der Kindheit bis ins Alter. Kleinkinder lernen ihre Muttersprache(n), aber auch Erwachsene lernen neue Wörter, z.B. beim Fremdspracherwerb. Unter gewissen Umständen muss eine neue Sprache wieder erlernen werden, wie z.B. nach einer Gehirnläsion. Wie meistert unser Gehirn diese herausfordernden Wortlernsituationen? Um die Neuroplastizität des Wortlernens zu untersuchen, wurden unterschiedliche neurowissenschaftliche Methoden (Elektroenzephalographie, funktionelle Nahinfrarotspektroskopie, voxel-basierte Läsion-Verhalten/EEG Mapping), teilweise in Kombination, bei Kleinkindern, Kindern und Erwachsenen sowie Patienten mit einer Gehirnläsion im Vergleich zu älteren Kontrollprobanden angewendet. 5 Experimente untersuchten die neuronale Verarbeitung von Pseudowörtern, welche mutter- und fremdsprachlichen phonotaktischen Regeln (d.h. die Kombination von verschiedenen Phonemen) folgten, in unterschiedlichen Lernsettings bei monolingualen Teilnehmern. Gesunde Erwachsene aber auch 6monatige und ältere Teilnehmer und Patienten konnten diese Regeln differenzieren. Beteiligte Gehirnareale umfassten ein links-hemisphärisches fronto-temporales Netzwerk. Die Verarbeitung universeller Spracheigenschaften, andererseits, zeigte sich in parietalen Regionen. Während Erwachsene eine klare Dominanz der linken Hemisphäre aufwiesen, nutzten 6monatige noch beide Gehirnhälften. Unterschiedliche Sprachtrainings (semantische Trainings oder Passives Zuhören) an drei aufeinanderfolgenden Tagen veränderten auch die Gehirnaktivität der Kleinkinder und der Erwachsenen und wiesen auf eine erhöhte Lernflexibilität hin. Im 6. Experiment lernten 5jährige bilinguale Kinder anhand pragmatischer Eigenschaften neue Adjektive und zeigten effizientere neuronale Mechanismen als Monolinguale. Die Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit multi-methodologischer Ansätze, um genauere Einblicke in die komplexen Mechanismen der Neuroplastizität zu erlangen. / Word learning accompanies our everyday life from infancy to advanced age. Infants have to learn the native language(s) but also during adulthood word learning can take place, for example if we learn a new foreign language. Sometimes people are confronted with a situation in which they have to re-learn a language because of a brain lesion. How does the brain master these challenging word learning settings? To assess neuroplasticity of word learning several neuroscientific methods (electroencephalography, functional near-infrared spectroscopy, voxel-based lesion-behavior/EEG mapping), partially in combination, were used in infants, children, and adults as well as in patients suffering from a brain lesion compared to matched elderly controls. In 5 experiments neuronal processing of pseudowords corresponding to native and non-native phonotactic rules (i.e., the combination of different phonemes) was investigated under different learning conditions in monolingual participants. Healthy adults but also 6-month-old infants and elderly subjects and patients were able to differentiate these rules. Involved brain areas included a left-hemispheric network of fronto-temporal regions. When processing universal linguistic features, however, more parietal regions were involved. While adults revealed a clear left-dominant network, 6-month-olds still recruited bilateral brain areas. Differential language trainings (semantic or passive listening trainings) over three consecutive days also modulated brain activation in both infants and adults suggesting a high flexibility for learning native and non-native linguistic regularities. In a 6th experiment, bilingual 5-year-old children learned novel adjectives by means of pragmatic cues and revealed more efficient neuronal mechanisms compared to monolingual children. Findings underline the importance of multi-methodological approaches to get clearer insights into the complex machinery of neuroplasticity.