Es wurden Perfusionsmessungen mittels MRT an Infarktpatienten im Akutstadium und im Langzeitverlauf durchgeführt und quantitativ mittels einem Sektormodell ausgewertet. Hierbei zeigte sich, dass sich die Perfusionswerte im Infarktareal und gesunden Myokard nicht signifikant unterschieden und dass sich diese auch im Jahresverlauf nicht signifikant änderten. Es ergab sich auch keine signifikante Korrelation zwischen der Größe des Infarkareales und den gemessenen Perfusionswerten. / Quantitative cardiac perfusion was measured in the acute stage of myocardial infarction by means of MRI, as well as upon one year follow-up. Using a sector based model, measured perfusion values did not differ significantly between infarcted and non-infarcted tissue. Also, a significant change between the perfusion value upon one year follow-up could not be shown. Furthermore, no significant correlation between perfusion values and the size of the infarcted area could be shown.

Emotional-associative learning processes such as fear conditioning and extinction are highly relevant to not only the development and maintenance of anxiety disorders (ADs), but also to their treatment. Extinction, as the laboratory analogue to behavioral exposure, is assumed a core process underlying the treatment of ADs. Although exposure-based treatments are highly effective for the average patient suffering from an AD, there remains a gap in treatment efficacy with over one third of patients failing to achieve clinically significant symptom relief. There is ergo a pressing need for intensified research regarding the underlying neural mechanisms of aberrant emotional-associative learning processes and the neurobiological moderators of treatment (non-)response in ADs. The current thesis focuses on different applications of the fundamental principles of fear conditioning and extinction by using two example cases of ADs from two different multicenter trials. First, we targeted alterations in fear acquisition, extinction, and its recall as a function of psychopathology in panic disorder (PD) patients compared to healthy subjects using fMRI. Second, exposure-based therapy and pre-treatment patient characteristics exerting a moderating influence on this essential learning process later on (i.e. treatment outcome) were examined using multimodal functional and structural neuroimaging in spider phobia. We observed aberrations in emotional-associative learning processes in PD patients compared to healthy subjects indicated by an accelerated fear acquisition and an attenuated extinction recall. Furthermore, pre-treatment differences related to defensive, regulatory, attentional, and perceptual processes may exert a moderating influence on treatment outcome to behavioral exposure in spider phobia. Although the current results need further replication, on an integrative meta level, results point to a hyperactive defensive network system and deficient emotion regulation processes (including extinction processes) and top-down control in ADs. This speaks in favor of transdiagnostic deficits in important functional domains in ADs. Deficits in transdiagnostic domains such as emotion regulation processes could be targeted by enhancing extinction learning or by means of promising tools like neurofeedback. The detection of pre-treatment clinical response moderators, for instance via machine learning frameworks, may help in supporting clinical decision making on individually tailored treatment approaches or, respectively, to avoid ineffective treatment and its related financial costs. In the long run, the identification of neurobiological markers which are capable of detecting non-responders a priori represents an ultimate goal. / Emotional-assoziative Lernprozesse wie Furchtkonditionierung und Extinktion sind für die Entstehung und Aufrechterhaltung, aber auch für die Behandlung von Angststörungen (AS) von hoher Relevanz. Extinktion, als Laboranalog der Verhaltensexposition, gilt als ein der Behandlung von AS zugrundeliegender Kernprozess. Obwohl expositionsbasierte Behandlungen für den durchschnittlichen Angstpatienten hoch wirksam sind, besteht weiterhin eine Behandlungslücke, da über ein Drittel der Patienten keine klinisch signifikante Verbesserung erzielt. Daher besteht ein dringender Bedarf an intensivierter Forschung hinsichtlich der neuronalen Grundlagen veränderter emotional-assoziativer Lernprozesse und der neurobiologischen Moderatoren des (Nicht-)Ansprechens bei der Behandlung von AS. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich daher auf verschiedene Anwendungen des grundlegenden Prinzips der Furchtkonditionierung und Extinktion anhand zweier Anwendungsbeispiele aus zwei multizentrischen Studien. Zuerst wurden psychopathologisch bedingte Veränderungen der basalen Mechanismen des Furchtlernens, der Extinktion und des Extinktionsabrufs bei Patienten mit Panikstörung im Vergleich zu gesunden Probanden untersucht. Anschließend wurde mittels multimodaler funktioneller und struktureller Bildgebung der moderierende Einfluss von Patientencharakteristika vor der Behandlung auf das spätere Behandlungsergebnis bei Spinnenphobie untersucht. Bei Panikpatienten wurden Abweichungen in emotional-assoziativen Lernprozessen im Sinne einer beschleunigten Furchtakquisition und eines abgeschwächten Extinktionsabrufs beobachtet. Bei Spinnenphobikern üben Unterschiede in Bezug auf Defensiv-, Regulations-, Aufmerksamkeits- und Wahrnehmungsprozesse vor der Behandlung möglicherweise einen moderierenden Einfluss auf das Behandlungsergebnis einer Verhaltensexposition aus. Obwohl diese Ergebnisse noch weiterer Replikation bedürfen, weisen sie auf der transdiagnostischen Metaebene auf ein hyperaktives Defensivnetzwerk und mangelhafte Emotionsregulationsprozesse (einschließlich Extinktionsprozesse) sowie Top-Down-Kontrolle bei Angstpatienten hin. Defizite in transdiagnostischen Bereichen wie Emotionsregulationsprozessen könnten durch eine Verbesserung des Extinktionslernens oder durch vielversprechende Verfahren wie Neurofeedback angegangen werden. Die Identifizierung von Moderatoren und neurobiologischen Markern des Behandlungs(miss-)erfolgs bereits vor der Behandlung, z.B. durch maschinelles Lernen, könnte personalisierte Behandlungsansätze unterstützen bzw. ineffektive Behandlungen und damit verbundene Kosten ersparen und stellt somit ein Langzeitziel dar.

Hintergrund: Depressionen zählen zu den häufigsten psychischen Erkrankungen. Depressive Symptome umfassen beeinträchtigte kognitive Funktionen, vegetative Beschwerden und ein verändertes emotionales Erleben. Die defizitäre Wahrnehmung interner körperlicher Signale wird sowohl mit der Pathogenese der Depression als auch mit Angststörungen in Verbindung gebracht. Interozeptive Genauigkeit (IAc) beschreibt dabei die Fähigkeit, körperliche Empfindungen wie den eigenen Herzschlag akkurat wahrzunehmen und wird mit einer Herzwahrnehmungsaufgabe erfasst. In bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) war eine niedrigere IAc mit einer verringerten Inselaktivität assoziiert. Während der Ruhezustandsmessung des Gehirns (resting-state fMRT) kann in Abwesenheit einer Aufgabe die intrinsische Aktivität des Gehirns gemessen werden. Dies ermöglicht die Identifizierung von kortikalen Netzwerken. Depressive Patienten weisen eine veränderte funktionelle Konnektivität innerhalb und zwischen einzelnen Netzwerken wie dem Salience Network (SN), welchem die Insel zugerechnet wird, und dem Default Mode Network (DMN) auf. Bisherige Studien, in denen überwiegend jüngere depressive Patienten untersucht wurden, kamen jedoch hinsichtlich der IAc und den kortikalen Netzwerken zu inkonsistenten Ergebnissen. Insbesondere ist unklar, inwieweit sich die IAc nach einem Therapieansprechen verändert, von der Herzratenvariabilität (HRV) moduliert wird und welche Auswirkungen dies auf die funktionelle Konnektivität kortikaler Netzwerke hat. Ziele: Eine veränderte IAc und HRV wie auch funktionelle Konnektivitätsunterschiede im DMN und SN könnten Biomarker der Depression darstellen. Im Rahmen einer Längsschnittuntersuchung wurde getestet, ob ältere depressive Patienten über eine verringerte IAc, eine geringere HRV und über eine veränderte funktionelle Konnektivität im SN sowie DMN verfügen. Darüber hinaus sollte erforscht werden, in welchem Ausmaß sich Patienten, die auf die Behandlung ansprachen (Responder), von sogenannten Non-Respondern in Bezug auf die IAc, die HRV, das SN und das DMN unterschieden. Methoden: In Studie 1 (Baseline) wurden 30 größtenteils medizierte, schwer depressive Patienten (> 50 Jahre) und 30 gesunde Kontrollprobanden untersucht. Die IAc wurde in einer Herzwahrnehmungsaufgabe ermittelt und die HRV bestimmt. Zusätzlich wurde eine resting-state fMRT durchgeführt. Eine funktionelle Konnektivitätsanalyse für Saatregionen im SN und DMN wurde mit einem saatbasierten Ansatz (seed-to-voxel) durchgeführt. Für eine Subgruppenanalyse wurde die Patientengruppe in ängstlich-depressive und nicht-ängstlich depressive Patienten unterteilt. In Studie 2 (sechs Monate Follow-up) wurde die Studienkohorte nochmals untersucht. Es nahmen 21 Personen der Patientengruppe und 28 Probanden der Kontrollgruppe teil. Wiederum wurden die IAc und die HRV bestimmt. Außerdem fand eine resting-state fMRT-Messung statt. Die Patientengruppe wurde unterteilt in depressive Responder und Non-Responder. Ergebnisse: In Studie 1 zeigten depressive Patienten eine funktionelle Hypokonnektivität zwischen einzelnen Saatregionen der Insel (SN) und Teilen des superioren frontalen Gyrus, des supplementärmotorischen Cortex, des lateralen okzipitalen Cortex sowie des Okzipitalpols. Zudem wiesen depressive Patienten zwischen der Saatregion im anterioren Teil des DMN und der Insel sowie dem Operculum eine erhöhte funktionelle Konnektivität auf. Die Gruppen unterschieden sich nicht in der IAc und der HRV. Ängstlich-depressive Patienten zeigten eine höhere funktionelle Konnektivität innerhalb der Insel als nicht-ängstlich depressive Patienten, jedoch zeigten sich keine Unterschiede in der IAc und der HRV. In Studie 2 wiesen depressive Non-Responder im Vergleich zu Respondern eine Hyperkonnektivität zwischen dem posterioren DMN und dem Frontalpol sowie zwischen dem posterioren DMN und temporalen Arealen im SN auf. Keine funktionellen Konnektivitätsunterschiede zeigten sich für die Saatregionen im SN. Depressive Responder, Non-Responder und die Kontrollprobanden unterschieden sich in ihrer IAc und HRV nicht. Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse der Studien unterstreichen, dass bei depressiven Patienten, Respondern und Non-Respondern Unterschiede in der intrinsischen Gehirnaktivität funktioneller Netzwerke bestehen, jedoch nicht in der akkuraten Wahrnehmung des eigenen Herzschlages und der HRV. Therapeutische Interventionen, die auf eine Verbesserung der IAc abzielen, könnten insbesondere für Non-Responder dennoch eine zusätzliche Behandlungsmöglichkeit darstellen. Für eine personalisierte Medizin könnte die weitere Erforschung von kortikalen Netzwerken einen wesentlichen Beitrag leisten, um ein individuelles Therapieansprechen zu prädizieren. / Background: Major depressive disorder (MDD) is among the most prevalent psychiatric disorders. Symptoms include impaired cognitive functions, vegetative complaints, and altered emotional experience. The deficient perception of internal body signals is associated with the pathogenesis of depression and anxiety disorders. Interoceptive accuracy (IAc) refers to the ability to accurately perceive bodily sensations (e.g., own heartbeat) and is assessed via a heartbeat perception task. In neuroimaging studies using functional magnetic resonance imaging (fMRI) lower IAc was associated with reduced insula activity. Resting-state fMRI allows to measure intrinsic brain activity without performing a task. This enables the identification of cortical networks. Patients with depression exhibit altered functional connectivity within and between various networks: the salience network (SN), which comprises the insula, and the default mode network (DMN). Previous studies investigating IAc and cortical networks in predominantly younger patients with depression yielded inconsistent results. In particular it remains unclear to what extent IAc alters after treatment response and how it is modulated by heart rate variability (HRV). The impact of changed IAc on the functional connectivity of cortical networks is insufficiently understood. Objectives: Altered IAc and HRV as well as functional connectivity differences in DMN and SN could serve as biomarkers of MDD. In a longitudinal study it was investigated, whether middle-aged and older patients with depression exhibit lower IAc, reduced HRV, and altered functional connectivity in SN and DMN. Furthermore, differences between depressed responders and non-responders with regard to IAc, HRV, SN, and DMN were investigated. Methods: In Study 1 (baseline) 30 mostly medicated patients with depression (> 50 years) and 30 healthy controls were examined. IAc was measured by the heartbeat perception task and HRV was assessed. Additionally, all participants underwent resting-state fMRI. Seed-to-voxel resting-state functional connectivity analysis with seeds in the SN and the DMN was conducted. The patient group was divided into anxious and non-anxious depressed patients for a subgroup analysis. In Study 2 (six-month follow-up) participants were invited again. 21 persons from the former patient group and 28 healthy controls participated. IAc was measured, HRV assessed, and resting-state fMRI acquired. The former depressed patient group was split into responders and non-responders. Results: In Study 1 patients with depression showed functional hypoconnectivity between several seeds in the insula (SN) and parts of the superior frontal gyrus, the supplementary motor cortex, the lateral occipital cortex, and the occipital pole. Patients with depression exhibited higher functional connectivity between the seed region in the anterior DMN and the insula together with the operculum. Groups did not differ with regard to IAc and HRV. Patients with anxious depression showed higher functional connectivity within the insula than patients with non-anxious depression without alterations in IAc and HRV. In Study 2 non-responders exhibited hyperconnectivity between the posterior DMN and the frontal pole as well as between the posterior DMN and temporal areas in the SN compared to responders. No functional connectivity differences were found for seed regions in the SN. There were no group differences between responders, non-responders, and healthy controls with regard to IAc and HRV. Conclusions: The findings underscore differences in intrinsic functional connectivity between patients with depression, responders, and non-responders. However, patients with depression showed normal IAc and HRV. Yet, therapeutical interventions enhancing IAc could be a useful additional treatment option especially for non-responders. In terms of personal medicine, further research of functional connectivity of cortical networks might contribute to a prediction of treatment response.

Predictability of threat is one of the key modulators of neural activity in fear and anxiety-related threat processes and there is a considerable number of studies focusing on the exact contribution of centromedial amygdala and Bed nucleus of stria terminalis (BNST) in animals as well as in humans. In this research field, some studies already investigated the differential involvement of both areas during temporally predictable and unpredictable threat processes in humans. However, these studies showed several limitations e.g. small sample size, no predictable threat conditions, no separation of anticipation and confrontation processes, which should be addressed in future studies. Furthermore, evidence for group-based inter-individual differences of amygdala and BNST activity during predictable and unpredictable threat processes have not been studied extensively. Several studies suggest a relevant role of the amygdala and BNST activity in phobic processes in patients with specific phobia, but no study so far has investigated the exact contribution of centromedial amygdala (CM) and BNST during temporally predictable and unpredictable threat processes in specific phobia. This thesis consisted of three studies and aimed to evaluate the exact contribution of CM and BNST during temporally predictable and unpredictable threat anticipation and confrontation with the use of an optimized functional magnetic resonance imaging (fMRI) paradigm, which aimed to solve methodological limitations of recent studies. Study 1 used a large sample of healthy participants who were grouped based on NPSR1 genotype, and study 2 and study 3 used a sample of patients with spider phobia. In sum, the results of all three studies indicated, that BNST is more relevant for anticipation processes as compared to the CM. Contrary, during the confrontation phase the CM displays a greater relevance for threat confrontation processes. In recent years, various studies have investigated the extent to which treatment success can be predicted in patients with anxiety disorders based on pre-treatment fMRI activity. Therefore, this was investigated for the first time in study 3 in patients with spider phobia during temporally predictable and unpredictable threat processes. Results indicated that independent of temporal predictability lower anterior cingulate cortex (ACC) activity during threat anticipation and engaged BNST during threat confrontation might be benefitting factors for successful therapy response in spider phobia. / Die Vorhersagbarkeit der Bedrohung ist einer der wichtigsten Modulatoren der neuronalen Aktivität bei angst- und furchtbezogenen Bedrohungsprozessen, und es gibt eine beträchtliche Anzahl von Studien, die sich mit der unterschiedlichen Beteiligung der zentromedialen Amygdala (CM) und des Bed nucleus of stria terminalis (BNST) während dieser Prozesse sowohl bei Tieren als auch beim Menschen beschäftigen. In diesem Forschungsfeld untersuchten bereits einige Studien die exakte Beteiligung beider Areale während zeitlich vorhersehbarer und unvorhersehbarer Bedrohungsprozesse beim Menschen. Diese Studien wiesen jedoch einige Limitationen auf (z.B. geringe Stichprobengröße, keine vorhersagbaren Bedrohungsbedingungen, gemeinsame Analyse der Aktivierung über Antizipations- und Konfrontationsphasen hinweg), die in zukünftigen Studien verbessert werden sollten. Zudem gibt es bisher wenige Studien, welche die unterschiedliche Beteiligung der Amygdala und des BNST während Bedrohungsprozessen auf Grundlage gruppenbasierter inter-individueller Unterschiede untersucht haben. Mehrere Studien deuten auf eine erhöhte Aktivierung sowohl der Amygdala als auch des BNST während phobischer Angstprozesse bei Patient*Innen mit einer spezifischen Phobie hin. Allerdings hat bisher jedoch noch keine Studie die Aktivierung der CM und des BNST während zeitlich vorhersagbarer und unvorhersagbarer phobischer Bedrohungsprozesse bei Patient*Innen direkt verglichen. Unter Verwendung eines optimierten funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)-Paradigmas, das darauf abzielte, methodische Probleme der bisherigen Studien zu lösen, wurde in dieser Arbeit die unterschiedliche Aktivierung von CM und BNST während zeitlich vorhersehbarer und unvorhersehbarer Bedrohungsantizipation und -konfrontation in einer großen Stichprobe gesunder Teilnehmer, die anhand des NPSR1-Genotyps gruppiert wurden (Studie 1), und Patient*Innen mit einer Spinnenphobie untersucht (Studie 2 und Studie 3). In Summe zeigten die Ergebnisse aller drei Studien, dass im Vergleich zur CM der BNST für Antizipationsprozesse relevanter ist. Hingegen zeigte die CM in der Konfrontationsphase mit einer Bedrohung eine größere Aktivierung als der BNST. In den letzten Jahren haben verschiedene Studien untersucht, inwieweit der Behandlungserfolg bei Patient*Innen mit einer Angststörung anhand der fMRT-Aktivität vor der Behandlung vorhergesagt werden kann. Daher wurde in Studie 3 dies erstmals bei Patient*Innen mit einer Spinnenphobie während zeitlich vorhersehbarer und unvorhersehbarer Bedrohungsprozesse untersucht. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass eine geringere Aktivität im anterioren cingulären Cortex (ACC) während phobischen Antizipationsprozessen und eine höhere Aktivierung im BNST während der Konfrontation mit phobischen Stimuli günstige Faktoren für den Therapieerfolg bei Spinnenphobie sein könnten.

In dieser Dissertation untersuchten wir die neuronalen Korrelate des Training-Effektes einer auditorischen P300 Gehirn-Computer Schnittstelle mittels fMRI Analyse in einem prä-post Design mit zehn gesunden Testpersonen. Wir wiesen in drei Trainings-sitzungen einen Trainingseffekt in der EEG-Analyse der P300 Welle nach und fanden entsprechende Kontraste in einer prä-post Analyse von fMRI Daten, wobei in allen fünf Sitzungen das gleiche Paradigma verwendet wurde. In der fMRI Analyse fanden wir fol-gende Ergebnisse: in einem Target-/ Nichttarget Kontrast zeigte sich verstärkte Aktivie-rung in Generatorregionen der P300 Welle (temporale und inferiore frontale Regionen) und interessanterweise auch in motorassoziierten Arealen, was höhere kognitiver Pro-zesse wie Aufmerksamkeitslenkung und Arbeitsspeicher widerspiegeln könnte. Der Kon-trast des Trainingseffektes zeigte nach dem Training einen stärkeren Rebound Effekt im Sinne einer verstärkten Aktivierung in Generatorregionen der P300 Welle, was eine ver-besserte Erkennung und Prozessierung von Target-Stimuli reflektieren könnte. Eine Ab-nahme von Aktivierung in frontalen Arealen in diesem Kontrast könnte durch effizientere Abläufe kognitiver Prozesse und des Arbeitsgedächtnis erklärt werden. / In this dissertation we investigated the neuronal correlates of the training effect of an auditory P300-based brain-computer interface using fMRI analysis in a prae-post de-sign in a group of ten healthy probands. We showed a training effect during three training sessions with EEG analysis of the P300 wave and found corresponding contrasts in a prae-post analysis of fMRI data, while using the same paradigma in all sessions. In the fMRI analysis we found the following results: in a target / nontarget contrast we found enhancement of activation in generator regions of the P300 wave such as temporal and inferior frontal areas and interestingly also in motor associated areas which could reflect higher cognitive processes such as attention and working memory. In the contrast of the effects of training we found a stronger rebound effect as a correlate of stronger activation after training in generator regions of P300, possibly reflecting better discrimination and processing of stimuli. The decrease of activation in frontal areas in this contrast could be explained by increased efficiency of cognitive processing and working memory through training.

Even though exposure-based cognitive behavioral therapy (CBT) constitutes a first-line treatment for anxiety disorders, a substantial proportion of patients does not respond in a clinically significant manner. The identification of pre-treatment patient characteristics that are associated with treatment outcome might aid in improving response rates. Therefore, the present doctoral thesis aimed at investigating moderators of treatment outcome in anxiety disorders: first, we investigated the neural correlates of comorbidity among primary panic disorder/agoraphobia (PD/AG) and secondary social anxiety disorder (SAD) moderating treatment outcome towards exposure-based CBT. Second, pre-treatment functional resting-state connectivity signatures of treatment response in specific phobia were studied. Within the first study, we compared PD/AG patients with or without secondary SAD regarding their clinical and neurofunctional outcome towards a manualized CBT treatment focusing on PD/AG symptoms. Prior to treatment, PD/AG+SAD compared to PD/AG-SAD patients exhibited a specific neural signature within the temporal lobe, which was attenuated to the level of PD/AG-SAD patients afterwards. CBT was equally effective in both groups. Thus, comorbidity among those two anxiety disorders did not alter treatment outcome substantially. This might be due to the high overlap of shared pathophysiological features within both disorders. In the second study, we assessed pre-treatment functional resting-state connectivity within a sample of spider phobic patients that were treated with massed in virtuo exposure. We found responders already prior to treatment to be characterized by stronger inhibitory frontolimbic connectivity as well as heightened connectivity between the amygdala and regions related to the ventral visual stream. Furthermore, patients demonstrating high within-session extinction exhibited pronounced intrinsic prefrontal connectivity. Our results point to responders exhibiting a brain prepared for the mechanism of action of exposure. Taken together, results highlight the major impact of pre-treatment characteristics on treatment outcome. Both, PD/AG+SAD patients as well as responders within the SpiderVR study exhibited heightened activation or connectivity within the ventral visual pathway and the amygdala. Pronounced visual processing together with enhanced executive control and emotion regulation seem to constitute a fruitful soil for successful exposure. The results provide starting points for personalized treatment approaches in order to improve treatment success in the anxiety disorders. Future studies are needed to investigate the benefit of neuroscientifically informed CBT augmentation strategies such as repetitive transcranial magnetic stimulation. / Obwohl expositionsbasierte kognitive Verhaltenstherapie (KVT) bei Angststörungen als Behandlungsmethode der Wahl gilt, profitieren viele Patient*innen nicht in klinisch bedeutsamer Weise. Durch die Identifikation von Patient*innenmerkmalen mit Bezug zum Therapieerfolg bereits vor Behandlungsbeginn könnte das Therapieansprechen verbessert werden. Die vorliegende Arbeit hat sich daher die Identifikation von Moderatoren des Behandlungserfolgs zum Ziel gesetzt. Zunächst untersuchten wir die neuronalen Korrelate einer Komorbidität zwischen Panikstörung/Agoraphobie und sozialer Phobie (SAD) und deren moderierenden Einfluss auf den Behandlungserfolg. Daneben wurden Merkmale der funktionellen Ruhe-Konnektivität, die mit dem Therapieerfolg bei spezifischer Phobie in Zusammenhang stehen, untersucht. In der ersten Studie untersuchten wir Panikpatient*innen mit und ohne sekundäre SAD in Bezug auf ihr klinisches und neurofunktionelles Behandlungsergebnis unter Anwendung einer manualisierten KVT. Panikpatient*innen mit sekundärer SAD zeigten vor Therapiebeginn im Vergleich zu Panikpatient*innen ohne SAD ein spezifisches Aktivierungsmuster im Temporallappen, welches sich nach der Behandlung dem der Patient*innen ohne SAD anglich. Die KVT war in beiden Gruppen gleich erfolgreich. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Komorbidität hier keinen substanziellen Einfluss auf den Therapieerfolg hat. Dies könnte in der überlappenden Pathophysiologie begründet sein. In der zweiten Studie untersuchten wir die funktionelle Ruhe-Konnektivität bei Spinnenphobiker* innen, die anschließend mit einer massierten Expositionstherapie in virtueller Realität behandelt wurden. Therapie-Responder waren hierbei durch eine verstärkte inhibitorische fronto-limbische Konnektivität vor Therapiebeginn sowie eine ebenfalls verstärkte Kopplung von Amygdala und Regionen des ventralen Objekterkennungspfades gekennzeichnet. Zugleich wiesen Patient*innen mit hoher within-session Extinktion eine verstärkte intrinsische präfrontale Konnektivität auf. Die Ergebnisse deuten auf eine verbesserte neuronale Vorbereitung auf inhibitorisches Lernen bei Patient*innen mit gutem Therapieansprechen hin. Zusammenfassend unterstreichen die Ergebnisse die Relevanz von Patient*inneneigenschaften für den Therapieerfolg. Sowohl Panikpatient*innen mit sekundärer SAD als auch die Responder der SpiderVR-Studie wiesen erhöhte Aktivierung bzw. Konnektivität zwischen der Amygdala und dem ventralem Objekterkennungspfad auf. Zusammen mit einer stärkeren exekutiven Kontrolle und Emotionsregulation scheint eine verstärkte visuelle Verarbeitung einem guten Therapieerfolg dienlich zu sein. Die Behandlungsergebnisse könnten auf Basis neurowissenschaftlicher Erkenntnisse durch den Einsatz zusätzlicher Methoden wie der repetitiven transkraniellen Magnetstimulation verbessert werden.

Background: Software is an integral part of today's world with an outlook of ever-increasing importance. Maintaining all of these software artifacts is a major challenge for software engineering. A future with robust software primarily relies on programmers' ability to understand existing source code, because they spend most of their time on it. Program comprehension is the cognitive process of understanding source code. Since program comprehension is an internal cognitive process, it is inherently difficult to observe and measure reliably. Decades of research have developed fundamental models of program comprehension, but there still are substantial knowledge gaps in our understanding of program comprehension. Novel psycho-physiological and neuroimaging measures provide an additional perspective on program comprehension which promise new insights to program comprehension. Recently, these measures have been permeating software engineering research. The measures include eye tracking and physiological sensors, but also neuroimaging measures, such as functional magnetic resonance imaging (fMRI), which allow researchers to more objectively observe cognitive processes. Aims: This dissertation aims to advance software engineering by better understanding program comprehension. We apply and refine the use of psycho-physiological and neuroimaging measures. The goals are twofold: First, we develop a framework for studying program comprehension with neuroimaging, psycho-physiological, eye tracking, and behavioral methods. For neuroimaging, we focus on functional magnetic resonance imaging (fMRI), as it allows researchers to unravel cognitive processes in high detail. Our framework offers a detailed, multi-modal view on program comprehension that allows us to examine even small effects. Second, we shed light on the underlying cognitive process of program comprehension by applying our experiment framework. One major focus is to understand experienced programmers' efficient top-down comprehension. We also link programmers' cognition to common code complexity metrics. Method and Results: To fulfill our goals, we conduct a series of empirical studies on program comprehension. In these studies, we use and combine fMRI, psycho-physiological, and eye-tracking measures. Throughout the experiments, we develop and refine a multi-modal experiment framework to shed light onto program comprehension with a neuro-cognitive perspective. We demonstrate that the framework provides a reliable approach to quantify and to investigate programmers' cognitive processes. We explore the neuro-cognitive perspective of program comprehension to validate and extend established program-comprehension models. We show that programmers using top-down comprehension require less cognitive effort, but use the same network of brain areas. We also demonstrate how our developed experiment framework and fMRI as a measure can be used in software engineering to provide objective data in long-standing debates. For example, we show that commonly used, but criticized code complexity metrics indeed only have a limited predictive power on the required cognitive effort to understand source code. Conclusion: In our interdisciplinary research, we show how neuroimaging methods, such as fMRI, in combination with psycho-physiological, eye tracking and behavioral measures, is beneficial to software-engineering research. This dissertation provides a foundation to further investigate the neuro-cognitive perspective to programmers' brains, which is a critical contribution to the future of software engineering. / Hintergrund: Software ist ein fester Bestandteil der heutigen Welt mit einer immer wichtiger werdenden Bedeutung. Das moderne Leben ist infolgedessen zunehmend von funktionierender und möglichst fehlerfreier Software abhängig. Deshalb ist die Pflege aller Software-Artefakte eine wichtige und große Herausforderung für das Software-Engineering. Eine Zukunft mit robuster Software hängt in erster Linie von der Fähigkeit ab, den vorhandenen Quellcode zu verstehen, da damit die meiste Zeit verbracht wird. Programmverständnis ist der kognitive Prozess des Verstehens von Quellcode. Da dieser kognitive Prozess intern abläuft, ist ein zuverlässiges Beobachten und ein genaues Messen mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Jahrzehntelange Forschung hat zwar grundlegende Modelle des Programmverständnisses entwickelt, aber das Bild von Programmverständnis weist noch immer erhebliche Wissenslücken auf. Neuartige psychophysiologische und nicht-invasive human-bildgebende Verfahren bieten zusätzliche Perspektiven auf das Programmverständnis, die neue Erkenntnisse versprechen. In den letzten Jahren haben diese Erfassungsmöglichkeiten die Software-Engineering-Forschung durchdrungen. Zu den Messverfahren gehören Eyetracking und physiologische Sensoren, aber auch nicht-invasive Human-Bildgebung, wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT). Diese innovativen Messverfahren ermöglichen es Forschenden, kognitive Prozesse objektiver und genauer zu verfolgen und auszuwerten. Ziele: Diese Dissertation zielt darauf ab, Software-Engineering durch ein besseres Erfassen des Programmverständnisses voranzubringen. Dafür werden psychophysiologische und nicht-invasive human-bildgebende Verfahren angewendet und verfeinert. Es werden zwei Ziele verfolgt: Zum einen wird ein Framework für Experimente zum Programmverständnis, die mit Human-Bildgebung, Psychophysiologie, Eyetracking und Verhaltensmethoden durchgeführt werden, entwickelt. Bei der Human-Bildgebung erfolgt die Konzentration auf die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), da sie kognitive Prozesse mit hoher Detailschärfe entschlüsseln kann. Das entwickelte Framework bietet eine detaillierte, multimodale Sicht auf das Programmverständnis, die es ermöglicht, auch kleine Effekte zu untersuchen. Zum anderen wird der zugrunde liegende kognitive Prozess des Programmverständnisses durch den Einsatz des aufgestellten Frameworks analysiert. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Erfassen des effizienten Top-Down-Verstehens von Quellcode. Zusätzlich wird die Kognition beim Programmieren mit gängigen Komplexitätsmetriken von Quellcode verknüpft und im Zusammenhang ausgewertet. Methodik und Ergebnisse: Um die Ziele zu erreichen, werden eine Reihe empirischer Studien zum Programmverständnis durchgeführt. In diesen Studien werden fMRT, Psychophysiologie sowie Eyetracking verwendet und miteinander kombiniert. Während der Experimente erfolgt eine Entwicklung und Verfeinerung eines multimodalen Experimentframework, um das Programmverständnis mit einer neurokognitiven Perspektive zu beleuchten. Es wird dokumentiert, dass das entwickelte Framework einen zuverlässigen Ansatz bietet, um kognitive Prozesse beim Programmieren zu quantifizieren und zu untersuchen. Weiterhin wird die neurokognitive Perspektive des Programmverständnisses erforscht, um etablierte Programmverständnismodelle zu validieren und zu erweitern. Im Kontext dessen wird belegt, dass das Top-Down-Verständnis das gleiche Netzwerk von Gehirnbereichen aktiviert, aber zu geringerer kognitiver Last führt. Es wird demonstriert, wie das entwickelte Experimentframework und fMRT als Messverfahren im Software-Engineering verwendet werden können, um in langjährigen Debatten objektive Daten zu bieten. Dabei wird insbesondere gezeigt, weshalb gängige, aber in Frage gestellte Komplexitätsmetriken von Quellcode tatsächlich nur eine begrenzte Vorhersagekraft auf die erforderliche kognitive Last beim Verstehen von Quellcode haben. Schlussfolgerung: In interdisziplinärer Forschung wird nachgewiesen, dass nicht-invasive human-bildgebende Verfahren wie die fMRT, kombiniert mit Psychophysiologie, Eyetracking sowie Verhaltensmethoden für die Software-Engineering-Forschung von erheblichem Vorteil sind. Diese Dissertation bietet eine belastbare Grundlage für die weitere Untersuchung der neurokognitiven Perspektive auf das Gehirn von Programmierern. Damit wird ein entscheidender Beitrag für ein erfolgreiches Software-Engineering geleistet.

Empathy, the act of sharing another person’s affective state, is a ubiquitous driver for helping others and feeling close to them. These experiences are integral parts of human behavior and society. The studies presented in this dissertation aimed to investigate the sustainability and stability of social closeness and prosocial decision-making driven by empathy and other social motives. In this vein, four studies were conducted in which behavioral and neural indicators of empathy sustainability were identified using model-based functional magnetic resonance imaging (fMRI). Applying reinforcement learning, drift-diffusion modelling (DDM), and fMRI, the first two studies were designed to investigate the formation and sustainability of empathy-related social closeness (study 1) and examined how sustainably empathy led to prosocial behavior (study 2). Using DDM and fMRI, the last two studies investigated how empathy combined with reciprocity, the social norm to return a favor, on the one hand and empathy combined with the motive of outcome maximization on the other hand altered the behavioral and neural social decision process. The results showed that empathy-related social closeness and prosocial decision tendencies persisted even if empathy was rarely reinforced. The sustainability of these empathy effects was related to recalibration of the empathy-related social closeness learning signal (study 1) and the maintenance of a prosocial decision bias (study 2). The findings of study 3 showed that empathy boosted the processing of reciprocity-based social decisions, but not vice versa. Study 4 revealed that empathy-related decisions were modulated by the motive of outcome maximization, depending on individual differences in state empathy. Together, the studies strongly support the concept of empathy as a sustainable driver of social closeness and prosocial behavior. / Empathie, das Teilen des Affekts einer anderen Person, ist eine allgegenwärtige Motivation, anderen Menschen zu helfen und sich ihnen nahe zu fühlen. Diese Erfahrungen sind wesentliche Bestandteile menschlichen Verhaltens und zentral für unsere Gesellschaft. Die vorliegende Dissertation setzte sich zum Ziel, die Nachhaltigkeit und Stabilität sozialer Nähe sowie prosozialem Entscheidungsverhalten basierend auf Empathie und anderen sozialen Motiven zu beleuchten. In den vier Studien wurden das Verhalten und neuronale Indikatoren für die Nachhaltigkeit von Empathie mit modellbasierter funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) untersucht. Unter Verwendung von Verstärkungslernmodellen, Drift-Diffusionsmodellen (DDM) und fMRT untersuchten die ersten zwei Studien den zeitlichen Verlauf von empathiebasierter sozialer Nähe und prosozialem Verhalten. Mit Hilfe von DDM und fMRT wurde in den abschließenden Studien untersucht, wie Empathie in Kombination mit Reziprozität, der sozialen Norm, Gefallen zurückzuzahlen, und Empathie in Kombination mit dem Motiv der Gewinnmaximierung den verhaltensbezogenen und neuronalen sozialen Entscheidungsprozess verändert. Die Ergebnisse zeigten, dass empathiebasierte soziale Nähe und prosoziale Entscheidungstendenzen selbst dann fortbestanden wenn Empathie nur noch selten verstärkt wurde. Die Nachhaltigkeit dieser Effekte hing mit der Rekalibrierung des empathiebasierten Lernsignals für soziale Nähe (Studie 1) und dem Aufrechterhalten eines prosozialen Entscheidungsbias zusammen (Studie 2). Die Ergebnisse von Studie 3 zeigten, dass Empathie reziprozitätsbasierte soziale Entscheidungen stärkt, aber nicht umgekehrt. Studie 4 zeigte, dass empathiebasierte soziale Entscheidungen durch das Motiv der Gewinnmaximierung vereinfacht werden können. Zusammengefasst unterstützen die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation nachdrücklich das Konzept von Empathie als nachhaltige Triebkraft für soziale Nähe und prosoziales Verhalten.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist zu einer essentiellen Untersuchungsmethode der Neurowissenschaften geworden. Sie ermöglicht es, mittels eines kurzen, starken Magnetfeldes, Neuronen im Gehirn anzuregen und kurzfristig deren Aktivität zu modulieren. Diese Effekte sind allerdings nur bei Stimulation des motorischen Kortexes als motorisch evozierte Potentiale (MEP) an peripheren Muskeln direkt messbar. Hier lässt sich auch eine individuelle Reizschwelle (engl. motorthreshold, MT) bestimmen, die sich allerdings von Proband zu Proband stark unterscheidet. Bei Stimulation außerhalb des motorischen Kortexes, bei der durch Änderung der Aktivität einer umschriebenen Neuronengruppe, behaviorale Effekte erzeugt werden sollen, existiert ein solches direktes Maß der neuronalen Erregbarkeit nicht, weshalb häufig die Stimulationsintensität an die individuelle MT angepasst wird. Die vorliegenden Arbeit stellt, diese Anpassung der Intensität in Frage. Hierzu erhielten Probanden vor der Durchführung eines kognitiven Tests über einer mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) ermittelten Region des präfrontalen Kortex eine Stimulation. Die Intensität wurde hierbei einmal an die MT angepasst und einmal nicht. Erstmals konnte mittels einer Korrelationsanalyse gezeigt werden, dass es einen Zusammenhang zwischen der Sensitivität des präfrontalen Kortexes und der des Motorkortexes gibt. Dieser Zusammenhang kann zur nachträglichen Korrektur der behavioralen Daten genutzt werden, da die MT die zwischen den Probanden bestehenden relativen Unterschiede erklärt.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist zu einer essentiellen Untersuchungsmethode der Neurowissenschaften geworden. Sie ermöglicht es, mittels eines kurzen, starken Magnetfeldes, Neuronen im Gehirn anzuregen und kurzfristig deren Aktivität zu modulieren. Diese Effekte sind allerdings nur bei Stimulation des motorischen Kortexes als motorisch evozierte Potentiale (MEP) an peripheren Muskeln direkt messbar. Hier lässt sich auch eine individuelle Reizschwelle (engl. motorthreshold, MT) bestimmen, die sich allerdings von Proband zu Proband stark unterscheidet. Bei Stimulation außerhalb des motorischen Kortexes, bei der durch Änderung der Aktivität einer umschriebenen Neuronengruppe, behaviorale Effekte erzeugt werden sollen, existiert ein solches direktes Maß der neuronalen Erregbarkeit nicht, weshalb häufig die Stimulationsintensität an die individuelle MT angepasst wird. Die vorliegenden Arbeit stellt, diese Anpassung der Intensität in Frage. Hierzu erhielten Probanden vor der Durchführung eines kognitiven Tests über einer mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) ermittelten Region des präfrontalen Kortex eine Stimulation. Die Intensität wurde hierbei einmal an die MT angepasst und einmal nicht. Erstmals konnte mittels einer Korrelationsanalyse gezeigt werden, dass es einen Zusammenhang zwischen der Sensitivität des präfrontalen Kortexes und der des Motorkortexes gibt. Dieser Zusammenhang kann zur nachträglichen Korrektur der behavioralen Daten genutzt werden, da die MT die zwischen den Probanden bestehenden relativen Unterschiede erklärt.