The blood oxygen level dependent functional MRI (BOLD-fMRI) signal is an indirect measure of the neuronal activity that most BOLD studies are interested in. This thesis uses generative embedding algorithms to investigate some of the challenges and opportunities that this presents for BOLD imaging. It is standard practice to analyse BOLD signals using general linear models (GLMs) that assume fixed neurovascular coupling. However, this assumption may cause false positive or negative neural activations to be detected if the biological manifestations of brain diseases, disorders and pharmaceutical drugs (termed "neuromodulations") alter this coupling. Generative embedding can help overcome this problem by identifying when a neuromodulation confounds the standard GLM. When applied to anaesthetic neuromodulations found in preclinical imaging data, Fentanyl has the smallest confounding effect and Pentobarbital has the largest, causing extremely significant neural activations to go undetected. Half of the anaesthetics tested caused overestimation of the neuronal activity but the other half caused underestimation. The variability in biological action between anaesthetic modulations in identical brain regions of genetically similar animals highlights the complexity required to comprehensively account for factors confounding neurovascular coupling in GLMs generally. Generative embedding has the potential to augment established algorithms used to compensate for these variations in GLMs without complicating the standard (ANOVA) way of reporting BOLD results. Neuromodulation of neurovascular coupling can also present opportunities, such as improved diagnosis, monitoring and understanding of brain diseases accompanied by neurovascular uncoupling. Information theory is used to show that the discriminabilities of neurodegenerative-diseased and healthy generative posterior parameter spaces make generative embedding a viable tool for these commercial applications, boasting sensitivity to neurovascular coupling nonlinearities and biological interpretability. The value of hybrid neuroimaging systems over separate neuroimaging technologies is found to be greatest for early-stage neurodegenerative disease.

Dans la population générale plusieurs études ont démontré que les hommes ont, par comparaison aux femmes, de meilleures performances dans les tâches de rotation mentale à trois dimensions. A l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, on a pu observer que l’exécution de cette tâche de rotation mentale s’accompagnait d’une activation du cortex pariétal chez l’homme mais du cortex prefrontal chez la femme. Ces différences entre les deux sexes suggèrent un fonctionnement neuronal différent dans l’appréhension des habiletés cognitives et comportementales. De fait, de nombreuses études ont signalé des différences notables entre les deux sexes quant à leur fonctionnement cérébral tant sur le plan émotionnel que de leurs habiletés visuo spatiales. La schizophrénie est un trouble grave et persistant de la santé mentale dont l’origine est certes multifactorielle et dont les facteurs de protection sont partiellement biologiques, psychologiques et sociales. Cette maladie requiert une approche thérapeutique à la fois clinique médicamenteuse, psychologique et sociale visant à une réintégration des malades dans leur communauté. Le pronostic de cette maladie varie en fonction du sexe ainsi que les atteintes neurologiques, neuropsychologiques et socioculturelles. Il est donc surprenant que l’exploration des mécanismes neuronaux sous-tendant les anomalies fonctionnelles cognitivo-comportementales n’ait point, en schizophrénie, adressé à date la fonctionnalité différente de l’homme et de la femme. Une étude pilote, réalisée dans mon laboratoire d’accueil, ayant suggéré chez le schizophrène, lors du traitement cognitif de stimuli émotionnels, une altération du dimorphisme sexuel observé dans la population normale, il devenait impératif de confirmer ces observations. Ce mémoire vise à vérifier par résonnance magnétique fonctionnelle l’activité neuronale cérébrale témoignant de la performance neuropsychologique de schizophrènes des deux sexes et de la comparer à celle de sujets témoins sains appareillés pour l’âge, la dominance hémisphérique et le statut familial socio-économique. A cette fin, nous avons enregistré, lors d’une tâche de rotation mentale à trois dimensions, les variables neurocognitives traduisant la validité des réponses ainsi que leur rapidité d’exécution. Simultanément, nous avons enregistré, par résonnance magnétique fonctionnelle, les sites d’activation cérébrale ainsi que leur degré d’activation corticale. Les données expérimentales, neurocognitives et cérébro-fonctionnelles, furent analysées en comparant les deux sexes d’une part et les deux états de santé d’autre part. Les résultats de ce mémoire ont fait l’objet de deux articles qui sont inclus. Les résultats obtenus confirment l’hypothèse d’un dimorphisme homme/femme dans la population générale ainsi que chez le schizophrène. Ces résultats appuient aussi l’hypothèse de l’altération, chez le schizophrène, du dimorphisme observé dans la population générale. / Sex differences in visuo-spatial abilities have been well documented in the general population, but there are only a few reports in schizophrenia. The purpose of the present study was to examine potential sex differences in performance and pattern of brain activations during mental rotation in schizophrenia patients relative to control participants. First study: ¬Reports mainly the results of mental rotation behavioural data, collected from 17 men and 13 women with schizophrenia and the same number of healthy subjects matched for age and sex. The findings revealed the expected sex difference in the control participants (men faster and more accurate than women) and the unexpected reversal of normal sexual dimorphism in patients (women more accurate and faster than men). Second Study: Reports mainly fMRI results investigating the neural correlates of mental rotation in men and women with schizophrenia relative to healthy controls. Thirty three schizophrenia patients (17 women and 16 men) were compared to thirty five healthy control participants (17 women and 18 men), while performing a classic mental rotation of 3-D figures. BOLD echo planar images were acquired on a 3Tesla Siemens TRIO system. Analyses were performed using SPM5 (UK Welcome Institute). Behavior data revealed a diagnosis-by-sex interaction with healthy men (HM) performing significantly better than schizophrenia men (SZ-M), and no significant difference between healthy women (HW) and schizophrenia women (SZ-W). fMRI results revealed that overall similar pattern of extensive cerebral activations (in the parietal and the prefrontal cortices) in HM and SZ-W, and deactivation during performance of the mental rotation task versus control task. In contrast, both HW and SZ-M showed much more restricted activations and deactivations in these regions. The whole of these results suggests that sex differences in the cerebral activations during mental rotation in schizophrenia patients deviates from what we and others have observed in the general population and thus supports and extends existing evidence of a disturbed cerebral sexual dimorphism in schizophrenia. Moreover, the results emphasize the importance of including sex as a variable in neurocognitive and neuroimaging studies of schizophrenia.

Compte tenu de l ’importante augmentation de l ’espérance de vie de la population générale observée dans les dernières décennies, les études portant sur les modifications des fonctions cognitives lors du vieillissement normal et pathologique se révèlent d'un grand intérêt. Les résultats rapportés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension de la nature des modifications avec l ’âge du traitement du sens métaphorique des mots et du phénomène de réorganisation fonctionnelle sous-tendant ces processus. Après une revue de littérature (chapitre 1), un premier article définissant la problématique générale du traitement du langage lors du vieillissement normal inaugure la série de travaux présentés dans cette thèse. Cet article, présenté dans le chapitre 2, confirme l ’importance du développement d ’études spécifiques permettant de faire le lien entre les différentes hypothèses portant sur les changements cognitifs propres au vieillissement normal et celles portant sur les changements propres au substrat neurobiologique du langage. Le chapitre 3 présente une étude comportementale ayant pour objectif d ’évaluer la disponibilité des ressources attentionnelles pour le traitement phonologique et sémantique des mots ainsi que son évolution possible avec l ’âge. Les conclusions tirées de cette étude vont dans le sens d ’une restriction des ressources attentionnelles particulièrement pour le traitement du sens métaphorique des mots lors du vieillissement normal. Le chapitre 4 présente une étude en neuroimagerie fonctionnelle. Cette étude a été réalisée afin de comparer les profils d'activation cérébrale des participants jeunes et âgés lors du traitement du sens métaphorique des mots. Les résultats obtenus soulignent qu ’autant pour les participants jeunes que pour les participants âgés, le traitement du sens métaphorique des mots pourrait imposer au cerveau le partage des ressources attentionnelles. Néanmoins, ils montrent une réorganisation fonctionnelle chez les participants âgés. L ’ensemble des travaux présentés appuie l ’hypothèse d ’une attribution différentielle des ressources attentionnelles ainsi que celle d ’une réorganisation fonctionnelle chez les participants âgés pour le traitement du sens métaphorique des mots. Les résultats viennent enrichir la compréhension des modèles neurocognitifs du vieillissement en ce qui concerne l ’évolution des bases neurobiologiques du langage. / Given the significant increase in life expectancy of the general population observed in recent decades, the study of alterations in cognitive functions during normal and pathological ageing is of great importance. The results reported in this thesis contribute to a better understanding of the nature of the age-related changes on processing metaphoric meaning of words and the phenomenon of functional reorganization underlying these processes. After a brief literature review (chapter 1), a first article offering a general view of the problem of language processing in normal aging introduces the series of studies presented in this thesis. This article, presented in Chapter 2, points out the importance of developing specific protocols aiming to establish a link between the different hypotheses concerning cognitive changes during normal aging and those related to changes in neurobiological substrate of language. Chapter 3 presents a behavioural study aiming to assess the availability of attentional resources for the phonological and semantic processing of words and its possible evolution with age. The findings of this study are consistent with the idea of an age- related restriction of available attentional resources for the processing of metaphorical meaning of words. Chapter 4 presents a neuroimaging study. This study was conducted to compare patterns of brain activation of young and older participants during the processing of metaphoric meaning of words. The results emphasize that both, younger and older participants, require the sharing of attentional resources during processing metaphorical meaning of words, but show a functional reorganization in the older group. Taken together, the studies presented here support the hypothesis of an age-related restriction of available attentional resources and of an age-related functional reorganization for the processing of metaphorical meaning of words. The results enrich our understanding of neurocognitive aging models regarding the evolution of neurobiological bases of language.

Les avancées technologiques rendent maintenant possible d’étudier l’impact de gènes spécifiques sur les corrélats cérébraux des psychopathologies. En rapport avec ce nouveau champ de recherche, la présente thèse décrit l’impact du 5-HTTLPR et du rs4675690 – deux polymorphismes semblant jouer un rôle dans le trouble dépressif majeur - sur les corrélats neuronaux de l’expérience subjective de la tristesse chez les enfants. Après une mise en contexte (Chapitre 1), les deux études incluses dans cette thèse seront décrites (Chapitre 2 et 3). Ces études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle visaient à comparer les patrons d’activation – durant un état temporaire de tristesse - chez des enfants de 8 ans porteurs d’allèles différents. La tristesse était induite grâce au visionnement passif d’extraits d’un film triste. Les résultats suggèrent que les deux polymorphismes ont un impact sur les activations cérébrales associées à la tristesse. Spécifiquement, les enfants porteurs des allèles associés à un plus grand risque de développer un trouble dépressif majeur, soit les porteurs de l’allèle court du 5-HTTLPR et les individus homozygotes pour l’allèle T du rs4675690, ont présenté des activations cérébrales altérées dans des régions qui sont impliquées dans la tristesse normale et pathologique. Le Chapitre 4 présente la mise en perspective des résultats dans le cadre de la littérature actuelle. / Recent technological advances allow us to study the impact of genes on the specific cerebral correlates of psychopathologies. In accordance with this new specific area of research, the present thesis describes the impact of the 5-HTTLPR and the rs4675690 - two polymorphisms who seem to play a role in major depressive disorder - on the neural correlates of the subjective experience of sadness in children. Following a review of the literature (Chapter 1), the two studies included in this thesis will be described (Chapter 2 and 3). These functional magnetic resonance imaging studies aimed to compare the activation pattern – during a transient state of sadness - in children of 8 years old carriers of different alleles. Sadness was induced by the passive viewing of sad film extracts. The results suggest that both polymorphisms have an impact on the cerebral activation associated with sadness. Specifically, children who were carriers of the allele associated with greater risk to develop major depressive disorder - carriers of the short allele of the 5-HTTLPR and homozygote for the T allele of the rs4675690) - showed altered cerebral activations in regions known to be implicated in normal and pathological sadness. Chapter 4 present an integration of the result to the current literature.

Des études récentes ont montré que le noyau caudé interagissait avec le cortex préfrontal et qu’il pourrait être impliqué dans les fonctions exécutives. Le but de cette thèse était d’étudier la contribution du noyau caudé dans les fonctions exécutives, plus précisément dans des tâches de monitoring et de changement de règle, et d’observer comment ces régions fronto-striatales interagissent avec le réseau par défaut (RPD). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle du noyau caudé dans les deux types de monitoring : le monitoring d’origine interne, consistant à effectuer un suivi sur l’état de l’information en mémoire de travail afin de pouvoir faire un choix subséquent, et dans le monitoring d’origine externe où le suivi sur l’état des items est effectué par l’individu, mais la sélection est exécutée par une source externe. Il a été montré que le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL) est impliqué dans les deux types de monitoring. À l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nos résultats ont montré une augmentation significative du signal BOLD au niveau du CPFDL dans les contrastes des conditions de monitoring d’origine interne et monitoring d’origine externe par rapport à la condition contrôle. De manière plus importante, une augmentation significative de l’activité a été observée dans le noyau caudé seulement dans les soustractions impliquant le monitoring d’origine interne par rapport à la condition contrôle, et par rapport à la condition de monitoring d’origine externe. En deuxième lieu, des études ont montré une contribution spécifique des régions fronto-striatales dans l’exécution d’un changement de règle. Toutefois, l’effet d’un changement de règle sur l’activité cérébrale n’a jamais été étudié sur les essais subséquents. À l’aide de l’IRMf, le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) et le noyau caudé ont montré une augmentation significative de leur activité lors des changements de règle continus et lors des changements de règles sporadiques par rapport à la condition contrôle, et aussi lors des essais où le maintien d’une même règle devait être effectué pour une courte durée par opposition au contrôle. Cependant, aucune activité fronto-striatale n’a été observée lorsqu’une même règle devait être appliquée pour une plus longue période. De plus, une diminution significative de l’activité du noyau caudé a été observée lors de la répétition de l’exécution d’une même règle suggérant une meilleure intégration de cette dernière. Finalement, plusieurs études ont montré une déactivation du RPD lors de l’exécution de tâches. À l’aide de l’IRMf, nous avons posé l’hypothèse que le RPD serait corrélé négativement avec les régions fronto-striatales lors de l’exécution d’une tâche de changement de règle. Nos résultats montrent une augmentation significative de l’activité des régions fronto-striatales lors d’une augmentation du nombre d’essais de changement de règle consécutif, pendant que le RPD montre une déactivation continue. De façon intéressante, pendant que les régions fronto-striatales montrent une diminution de leur activité lors de l’exécution d’une même règle pour une longue période, le RPD augmente son activité de façon significative. On conclut donc que le noyau caudé joue un rôle important dans la planification d’une nouvelle action lorsque plusieurs possibilités doivent être considérées en mémoire de travail, et ce en même temps. Finalement, le RPD montre une corrélation négative avec les régions fronto-striatales suggérant sa participation dans l’intégration d’une tâche devenant de plus en plus familière. / Recent studies have shown that the caudate nucleus interacts with the prefrontal cortex, and that it is involved in executive processes. The goal of the thesis was to investigate the role of the caudate nucleus in executive processes, and to observe how the frontostriatal regions are interacting with the default mode network (DMN). Firstly, we studied the role of the caudate nucleus in self-ordered monitoring, which consist of keeping track of which stimuli have been selected and which remains to be selected, and externally-triggered monitoring, which refers to keeping track of one’s selection when an external source is performing the selection. It has been shown that de dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) was particularly involved in both types of monitoring. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), a significant increase of activity has been observed in the DLPFC during both monitoring conditions vs control condition. Importantly, significant increased activity in the caudate nucleus was observed only in subtractions involving self-ordered monitoring (the self-ordered vs control and self-ordered vs externally-triggered conditions). Secondly, previous studies have shown a specific contribution of frontostriatal regions during set-shifting. However, the effect of set-shifting on subsequent trials had yet to be determined. Using fMRI, significant increase of activity was observed in the ventrolateral prefrontal cortex (VLPFC) and the caudate nucleus during shifting trials versus control and in trials where the same rule was applied for a few trials before a set-shift occurred. However, no frontostriatal activity was observed when the same rule was applied for a longer period. Decreased activity in the caudate nucleus correlated with increasing trial position in trials where no set-shift occurred, suggesting that the more a rule is executed, the better it is established. Finally, several studies have shown a deactivation of the DMN during the execution of a goal-directed task. Using fMRI, we hypothesized that the DMN was negatively correlated with the frontostriatal regions during the execution of a set-shifting task. Our results showed a significant increase of activity in the frontostriatal regions as more set-shifts are being performed while the DMN gets more deactivated. Interestingly, as decreased activity was observed in the frontostriatal regions during the execution of the same rule for a long period, the DMN showed increasing activity. We concluded that the caudate nucleus is specifically involved during the planning of a novel action when several possibilities are available at the same time. Finally, the DMN shows a negative correlation with the frontostriatal regions suggesting its contribution to the execution of a more familiar task.

L'autorégulation est une ressource essentielle pour ne pas succomber à la tentation de consommer des aliments fortement caloriques. Elle demande de la volonté et de contrôler ses émotions et sensations. Cependant, nous évoluons dans un environnement valorisant le plaisir alimentaire où les informations de santé sont mal prises en compte, entrainant des difficultés d'autorégulation. Ces difficultés se retrouvent notamment chez les personnes en surpoids et/ou au régime. Nous avons émis l'hypothèse que valoriser le goût des aliments sains pourrait aider ces personnes à s'autoréguler et nous avons conduit deux expériences pour la tester. Dans la première, les messages basés sur le plaisir de consommer des fruits et légumes se sont avérés plus persuasifs pour ces individus. De la même manière, dans la seconde étude lors de la prise de décision simuler le plaisir procuré par ces aliments augmente davantage le choix d'aliments sains pour ces individus. Par le recours à la neuro-imagerie fonctionnelle, nous montrons également des différences significatives d'activité cérébrale entre ces individus au moment du choix d'aliments sains dans cette condition. Il apparaît plus impulsif chez les sujets les plus sensibles à la récompense, se rapprochant du choix d'aliments fortement caloriques. Au contraire, il apparaît plus réfléchi chez les sujets ayant un IMC élevé, facilitant ainsi l'autorégulation. Au niveau théorique, cette recherche met en avant le rôle positif des émotions et sensations liées au plaisir dans l'autorégulation. Au niveau managérial, elle suggère l'importance d'adapter les stratégies de promotion des aliments sains au public ciblé. / Self-regulation is an essential resource for not succumbing to (junk) food. It requires willpower and control of emotions and sensations. However, individuals operate in an environment enhancing food pleasure where health informations are few and poorly considered, causing difficulties in self-regulation. These difficulties are found especially in overweight people and/or dieter. We hypothesized that value the taste of healthy foods could help people to self-regulate and we conducted two experiments to test it. In the first study, messages highlighting the pleasure of eating fruits and vegetables are more persuasive to subjects taking risks to health. Similarly, in the second study in decision making, focusing on the tatste of these foods increases more healthy food choices for these subjects. By using neuroimaging, we have shown brain activity distinctions between these subjects when choosing healthy food in this condition. Choosing healthy food is more impulsive for the most sensitive to reward subjects, approaching the choice of junk foods. Instead, it appears more reflective for subjects with a high BMI and choosing more junk foods, facilitating self-regulation. At the theoretical level this research highlights the positive role of emotions and sensations related to pleasure in self-regulation. At the managerial level, it suggests the importance of adapting strategies to the target audience in order to efficiently healthy food consumption.

Ob es eine 'kritische Periode' beim Spracherwerb gibt oder nicht, wird kontrovers diskutiert. Die Untersuchung zweisprachiger Probanden mit unterschiedlichem Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau in der Zweitsprache stellt eine gute Möglichkeit dar, diese Frage näher zu beleuchten. In der vorliegenden Studie nutzten wir die funktionelle Magnetresonanztomographie, um den Einfluss der Faktoren Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau auf die neuronalen Korrelate grammatikalischer und semantischer Verarbeitungsprozesse bei italienisch-deutschsprachigen Probanden mit unterschiedlichem Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau zu untersuchen. Während das zerebrale Aktivierungsmuster beim semantischen Urteilen größtenteils vom erreichten Sprachleistungsniveau abhängig war, beeinflusste das Spracherwerbsalter hauptsächlich die zerebrale Repräsentation grammatikalischer Verarbeitungsprozesse. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass beide, das Spracherwerbsalter und das Sprachleistungsniveau, die neuronalen Substrate der Verarbeitung der Zweitsprache beeinflussen, jedoch mit einem unterschiedlichen Effekt auf grammatikalische und semantische Verarbeitungsprozesse. / The existence of a 'critical period' for language acquisition is still controversial. Bilingual subjects with variable age of acquisition and proficiency level constitute a suitable model to study this issue. In the present study, we used functional magnetic resonance imaging to investigate the effects of age of acquisition and proficiency level on neural correlates of grammatical and semantic judgments in Italian-German bilinguals who learned the second language at different ages and had different proficiency levels. While the pattern of brain activity for semantic judgment was largely dependent on the proficiency level, the age of acquisition mainly affected the cortical representation of grammatical processes. These findings support the view that both age of acquisition and proficiency level affect the neural substrates of second language processing, with a differential effect on grammar and semantics.

Die Suche nach einem Zielobjekt in einer komplexen visuellen Szene ist ein alltäglicher Wahrnehmungsvorgang und ein etabliertes experimentelles Paradigma für die Untersuchung selektiver Aufmerksamkeit. Einem klassischen Modell zufolge ist der Suchprozeß seriell: Die Objekte werden nacheinander vom Aufmerksamkeitsfokus selektiert und so für die Identifikation bereitgestellt. Ein Alternativmodell postuliert einen parallelen Suchprozeß, bei dem alle Objekte in der Szene gleichzeitig vom Sehsystem verarbeitet werden. Beide Modelltypen sind gleich gut mit den Resultaten bisheriger Verhaltensexperimente kompatibel. In der vorliegenden Arbeit wurden die neuronalen Grundlagen des Suchprozesses mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) im menschlichen Gehirn untersucht. Es ist bekannt, dass das frontale Augenfeld (FEF) und drei Subregionen (AIPS, PIPS und IPTO) des posterioren parietalen Cortex (PPC) den im seriellen Suchmodell postulierten Teilprozeß der Verschiebung des Aufmerksamkeitsfokus (ohne Augenbewegungen) kontrollieren. In Experiment 1 wurde geprüft, ob diese Regionen auch am Suchprozeß beteiligt sind. Dazu wurde das fMRT-Signal zwischen einer schwierigen Suche nach einer Verknüpfung zweier visueller Merkmale und einer einfachen Suche nach einem einzelnen Merkmal verglichen. Motorische Anforderungen und Reizmuster waren in beiden Bedingungen so ähnlich wie möglich und in Kontrollexperimenten wurde sichergestellt, dass Aktivierungsunterschiede zwischen beiden Bedingungen keine motorischen oder sensorischen Prozesse reflektieren, sondern spezifisch den Prozeß der Verknüpfungssuche. FEF, AIPS, PIPS und IPTO wurden differentiell aktiviert. In Experiment 2 wurde getestet, ob die Beteiligung dieser Areale an der visuellen Suche von der Notwendigkeit einer Merkmalsverknüpfung abhängt. Dazu wurde eine schwierige Merkmalssuche mit der einfachen Merkmalssuche verglichen und kontrolliert, dass auch dieser Vergleich sensorische und motorische Faktoren eliminierte. Differentielle Aktivierungen in diesem Experiment reflektierten nun nicht mehr den Merkmalsverknüpfungsprozeß, sondern allein die höhere Schwierigkeit der Suche. Auch hier fand sich eine differentielle Aktivierung des FEF, AIPS, PIPS und IPTO. Dabei unterschieden sich die Schwierigkeit auf der Verhaltensebene wie auch die differentielle Aktivierung von PIPS auf der neuronalen Ebene nicht zwischen Verknüpfungs- und schwieriger Merkmalssuche. Die Ergebnisse demonstrieren, dass das FEF und drei Subregionen des PPC an der schwierigen visuellen Suche beteiligt sind. Dies ist gut mit der Annahme eines seriellen und nur schwer mit der eines parallelen Suchprozesses vereinbar. Darüber hinaus suggerieren die Befunde, dass der Beitrag des PPC und FEF zur visuellen Suche nicht auf den Prozeß der Merkmalsverknüpfung beschränkt ist, sondern allgemeiner die Anforderung an den Suchprozeß reflektiert. / The search for a target object in a complex visual scene is an all-day process of visual perception and an established experimental paradigm for the study of selective attention. A classical model postulates a serial search process. That is, objects are selected sequentially by the focus of attention and are thereby routed to the identification stage. An alternative model postulates a parallel search process, in which all objects within the scene are processed simultaneously. Both models are equally consistent with the current behavioural data. In this thesis, the neural basis of the search process in the human brain was investigated with functional magnetic resonance imaging (fMRI). The frontal eye field (FEF) and three sub-regions (AIPS, PIPS und IPTO) of the posterior parietal cortex (PPC) are known to control the shifting of the focus of attention in space (without eye movements), which is postulated by the serial model to be an essential sub-process of visual search. Experiment 1 tested whether the same areas are also engaged in the search process. The fMRI signal was compared between a difficult search for a feature conjunction and an easy search for a single feature. Motor requirements and stimuli were as similar as possible across conditions and control experiments demonstrated that activation differences between conditions do not reflect sensory or motor factors, but rather the process of conjunction search. The FEF, AIPS, PIPS, and IPTO were differentially activated. Experiment 2 tested whether the involvement of these areas in visual search depends on the necessity for conjoining features. A difficult feature search was compared with the easy feature search. This comparison also eliminated sensory and motor factors according to control experiments. Differential activations in this experiment did not reflect the feature conjunction process, but only the higher search difficulty. Again, a differential activation of the FEF, AIPS, PIPS, and IPTO was found. The conjunction and the difficult feature search did not differ in their difficulty at the behavioral level as well as in PIPS activation strength at the neural level. The results show that the FEF and three PPC sub-regions contribute to difficult visual search. This is consistent with the assumption of a serial, but much less consistent with the assumption of a parallel, search process. Furthermore the results suggest that the contribution of the PPC and FEF to visual search is not restricted to the feature conjunction process, but more generally reflects the demands on the search process.

Die korrekte Wahrnehmung stimmlicher Information ist eine Grundvoraussetzung erfolgreicher zwischenmenschlicher Kommunikation. Die Stimme einer anderen Person liefert Information darüber wer spricht (Sprechererkennung), was gesagt wird (stimmliche Spracherkennung) und über den emotionalen Zustand einer Person (stimmliche Emotionserkennung). Autismus Spektrum Störungen (ASS) sind mit Einschränkungen in der Sprechererkennung und der stimmlichen Emotionserkennung assoziiert, während die Wahrnehmung stimmlicher Sprache relativ intakt ist. Die zugrunde liegenden Mechanismen dieser Einschränkungen sind bisher jedoch unklar. Es ist beispielsweise unklar, auf welcher Verarbeitungsstufe diese Einschränkungen in der Stimmenwahrnehmung entstehen oder ob sie mit einer Dysfunktion stimmensensitiver Hirnregionen in Verbindung stehen. Im Rahmen meiner Dissertation haben wir systematisch Stimmenverarbeitung und dessen Einschränkungen bei Erwachsenen mit hochfunktionalem ASS und typisch entwickelten Kontrollprobanden (vergleichbar in Alter, Geschlecht und intellektuellen Fähigkeiten) untersucht. In den ersten beiden Studien charakterisierten wir Sprechererkennung bei ASS mittels einer umfassenden verhaltensbezogenen Testbatterie und zweier funktionaler Magnet Resonanz Tomographie (fMRT) Experimente. In der dritten Studie untersuchten wir Mechanismen eingeschränkter stimmlicher Emotionserkennung bei ASS. Unsere Ergebnisse bringen neue Kenntnisse für Modelle zwischenmenschlicher Kommunikation und erhöhen unser Verständnis elementarer Mechanismen, die den Kernsymptomen in ASS wie Schwierigkeiten in der Kommunikation, zugrunde liegen könnten. Beispielsweise unterstützen unsere Ergebnisse die Annahme, dass Einschränkungen in der Wahrnehmung und Integration basaler sensorischer Merkmale (i.S. akustischer Merkmale der Stimme) entscheidend zu Einschränkungen in sozialer Kognition (i.S. Sprechererkennung und stimmliche Emotionserkennung) beitragen. / The correct perception of information carried by the voice is a key requirement for successful human communication. Hearing another person’s voice provides information about who is speaking (voice identity), what is said (vocal speech) and the emotional state of a person (vocal emotion). Autism spectrum disorder (ASD) is associated with impaired voice identity and vocal emotion perception while the perception of vocal speech is relatively intact. However, the underlying mechanisms of these voice perception impairments are unclear. For example, it is unclear at which processing stage voice perception difficulties occur, i.e. whether they are rather of apperceptive or associative nature or whether impairments in voice identity processing in ASD are associated with dysfunction of voice-sensitive brain regions. Within the scope of my dissertation we systematically investigated voice perception and its impairments in adults with high-functioning ASD and typically developing matched controls (matched pairwise on age, gender, and intellectual abilities). In the first two studies we characterised the behavioural and neuronal profile of voice identity recognition in ASD using two functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments and a comprehensive behavioural test battery. In the third study we investigated the underlying behavioural mechanisms of impaired vocal emotion recognition in ASD. Our results inform models on human communication and advance our understanding for basic mechanisms which might contribute to core symptoms in ASD, such as difficulties in communication. For example, our results converge to support the view that in ASD difficulties in perceiving and integrating lower-level sensory features, i.e. acoustic characteristics of the voice might critically contribute to difficulties in higher-level social cognition, i.e. voice identity and vocal emotion recognition.

Diese Schrift faßt in zwei Abschnitten eigene Beiträge zur Einführung der lokalisierten Magnetresonanzspektroskopie (MRS) und der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) in die diagnostische Medizin zusammen. Im ersten Teil wird beschrieben, wie die biochemischen Metabolite N-Azetylaspartat, Kreatin und Phosphokreatin, cholin-enthaltende Verbindungen und Laktat durch die Einführung der stimulierten Echo-Akquisitionsmethode (STEAM) als Lokalisationstechnik in die diagnostische Magnetresonanzspektroskopie in definierten Hirnregionen gesunder Versuchspersonen nichtinvasiv zugänglich gemacht und erstmals in Form von In-vivo-Konzentrationen quantifiziert werden konnten. Daraufhin wird gezeigt, wie die Weiterentwicklung der robusten STEAM-Technik zu kurzen Echozeiten das Signal-zu-Rauschverhältnis und damit die Messung kleinerer Untersuchungsvolumina erheblich verbesserte. Zudem wurde dadurch die Erkennung und Quantifizierung weiterer Metabolite wie z. B. des myo- und scyllo-Inosits, des Glutamats und Glutamins, des N-Azetylaspartylglutamats und der Glukose ermöglicht. Diese Methode setzte damit zusammen mit der verwendeten linearen Kombinationsmethode (LCModel) zur Konzentrationsbestimmung den spektralen Qualitätsstandard des gesamten letzten Jahrzehnts. Ferner werden die parallelen Pionierarbeiten zu Hirnerkrankungen fokaler und generalisierter Art beleuchtet. Diese Anwendungen der lokalisierten STEAM-Protonenspektroskopie in Einzelvolumentechnik zur Messung umschriebener Prozesse umfassen zerebrale Tumore und Infarkte, Plaques der multiplen Sklerose sowie andere entzündliche und degenerative Läsionen. Auch die lokalisierte STEAM-Phosphorspektroskopie und nichtzerebrale Anwendungen wie die lokalisierte Protonenspektroskopie von Faserbündeln des Skelettmuskels und der Niere bauen weitgehend auf diesem Fortschritt in der Methode auf. Zusätzlich werden Anwendungen bei generalisierten Erkrankungen gestreift, speziell angeborenen Stoffwechselerkrankungen des Kindesalters wie mitochondrialen und lysosomalen Defekten, Stoffwechselentgleisungen bei Diabetes mellitus und Leberzirrhose, psychiatrischen Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz. Die weitere Verbreitung dieser Erkenntnisse in die klinische Diagnostik wird entscheidend von der Beachtung des hier eingeführten Qualitätsmaßstabs und der darauf aufbauenden absoluten Metabolitquantifizierung abhängen. Der zweite Teil dieser Arbeit faßt ausgehend von funktionellen protonenspektroskopischen Untersuchungen des visuellen Kortex bei photischer Aktivierung Fortschritte zusammen, die bei der Entwicklung und Anwendung der suszeptibilitätsempfindlichen MR-Tomografie zur Messung physiologischer Hirnaktivierung mit dem Modell der visuellen Stimulation erzielt wurden. Während die Belastung des Energiestoffwechsels im angeregten striatären Kortex anhand abgesunkener Gewebespiegel von Glukose und angestiegener Laktatkonzentrationen mithilfe der zeitaufgelösten Spektroskopie beobachtet werden konnte, gelang die Demarkierung der Ausdehnung der Hirngewebeaktivierung mithilfe der T2*-gewichteten FLASH-MRT, die begleitende Verminderungen des paramagnetischen Desoxyhämoglobins im funktionell aktiven Gewebe mit Anstiegen der Bildsignalintensität wiedergibt. Schließlich werden Untersuchungen beschrieben, die die Empfindlichkeit dieses endogenen, sauerstoffspiegelabhängigen Suszeptibilitätskontrastes für die Wirkung verschiedener Medikamente bzw. pharmakologischer Stimulantien zeigen, die direkt oder indirekt über bestimmte vaskuläre Rezeptoren wirken. Diese Untersuchungen befördern wiederum ein neues Gebiet der Bildgebung, die pharmakologische MRT. / This work has two main parts that summarize pioneering contributions to localized magnetic resonance spectroscopy (MRS), functional magnetic resonance tomography (fMRI), and the introduction of these modalities into diagnostic medicine. First, it is described how biochemical metabolites such as the intracellular pools of N-acetylaspartate, creatine and phosphocreatine, choline-containing compounds, and lactate have been made accessible to noninvasive detection and to the quantification of their respective concentrations in vivo in defined cerebral regions of healthy subjects by utilizing the stimulated echo-acquisition mode (STEAM) localization technique. Then it is shown that further development of the robust STEAM technique to short echo times not only increased the signal-to-noise of the measurement, thereby providing access to smaller volumes-of-interest, but also allowed for the detection and quantification of additional metabolites such as myo- and scyllo-inositol, glutamate, glutamine, N-acetylaspartylglutamate, and glucose. Thus, together with the adoption of the linear combination method (LCModel) for concentration calculation, this method has set the standard for spectroscopic state-of-the-art in the field well over the last decade. Moreover, pioneering achievements have been highlighted with regard to applications in brain diseases of focal and generalized nature. Pertinent applications of localized single-volume STEAM proton spectroscopy to circumscribed processes include cerebral tumors, cerebral infarction, multiple sclerosis plaques, and other inflammatory and degenerative lesions. Also localized STEAM phosphorus spectroscopy and non-cerebral applications including localized proton spectroscopy of skeletal muscle and kidney largely depend on the short-echo time STEAM technique. In addition, applications in generalized disorders have been explored, which include inborn errors of metabolism in childhood, such as mitochondrial and lysosomal defects, metabolic disturbances in diabetes mellitus and liver cirrhosis, and psychiatric diseases such as Alzheimer's dementia. The further utilization of these novel methods in clinical diagnostics will heavily depend on quality measures and the mastering of a true quantification procedure as demonstrated. Second, this work summarizes achievements made in developing and applying both proton MR spectroscopy and susceptibility-sensitized MR imaging to measure physiologic brain activation using visual stimulation as a model. Whereas metabolic stress, brought upon the bioenergetic steady state in the responding striate cortex, was detected by decreased parenchymal glucose and increased lactate using time-resolved spectroscopy, mapping the extent of parenchymal activation was found to be possible by increases of image intensity in T2*-weighted FLASH MRI made sensitive to concomitant decreases of paramagnetic deoxyhemoglobin in the functionally active tissue. Finally, studies are described, which show the sensitivity of this endogenous, susceptibility-sensitive contrast, now generally known as BOLD effect, to various drugs or pharmacologic stimuli acting either directly or indirectly on vascular receptors. These latter studies open up again a new field of imaging, dubbed pharmacologic MRI.