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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.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) mit einer Feldstärke von 3 T ist in der prächirurgischen Nutzen-Risiko-Evaluation von Patienten mit Hirntumoren in bzw. im Bereich funktionell bedeutsamer Regionen, wie beispielsweise in Nachbarschaft zum Sulcus centralis, gut etabliert. Das Konzept der Neuroplastizität umfasst unter anderem Mechanismen zur zerebralen kortikalen Reorganisation nach Hirnschädigung. Ziel der vorliegenden prospektiven fMRT-Verlaufsstudie ist die Evaluation der noch wenig bekannten längerfristigen funktionellen Veränderungen des Gehirns nach neurochirurgischer Intervention. Zu diesem Zwecke wurden 14 Patienten mit Hirntumoren innerhalb oder in der Nähe des primären motorischen Cortex (MI) in die Studie eingeschlossen, welche sich einer neurochirurgischen Behandlung unterzogen. Bei 12 der Patienten wurde sowohl prä- als auch postoperativ eine funktionelle Bildgebung (fMRT) anhand des motorischen Paradigmas des unimanuellen und bimanuellen Fingertappens in einem 3 T MRT-Scanner durchgeführt. Wegen Bewegungsartefakten konnten lediglich 9 der Patienten in die weitere Auswertung eingeschlossen werden. Als Kontrollgruppe diente eine einmalige Untersuchung von neun gesunden Probanden. An längerfristigen Reorganisationsmustern konnten bei Patienten ohne Handparese sowohl die Rekrutierung der geschädigten als auch der intakten Hemisphäre des kortikalen motorischen Netzwerkes aufgezeigt werden. Tumorwachstum im Bereich des supplementär-motorischen Areals (SMA) ging mit einer bilateralen Rekrutierung der rostralen Portion des SMA (SMAr) einher. Die postoperative Reorganisation des motorischen Netzwerkes umfasste unter kontraläsionalen Fingertappen eine Lateralisierung der Aktivierung der SMAr zur nicht betroffenen Hemisphäre. Diese war umso ausgeprägter je größer das Tumorvolumen oder je näher der Tumor zur SMAr gelegen war. Demnach kann eine Dysfunktion der ipsilateralen SMAr präoperativ durch eine bilaterale und postoperativ durch eine kontraläsionale Rekrutierung kompensiert werden.

Die Stimme ist reich an grundlegenden Kommunikationselementen: Sie transportiert Sprache, sowie auch paralinguistische Informationen, wie den emotionale Zustand und die Identität des Sprechers. Im Vergleich zur Sprach- und Emotionsverarbeitung ist die Stimmerkennung bei weitem weniger gut erforscht. Dies ist erstaunlich, angesichts der allgegenwärtigen Relevanz der stimmbasierten Personenerkennung. Ein Ansatz neue Erkenntnisse zur Stimmerkennung zu erlangen, ist die Untersuchung von Personen, die ein selektives Defizit in der Stimmerkennung aufweisen. Dieses Defizit wird Phonagnosie bezeichnet. In der vorliegenden Dissertation untersuche ich Personen, bei denen Phonagnosie nach einer Hirnschädigung aufgetreten ist (i.e. erworbene Phonagnosie) und Personen, bei denen Phonagnosie entwicklungsbedingt und nicht durch eine offensichtliche Hirnschädigung bedingt ist (i.e. entwicklungsbedingte Phonagnosie). Die zugrunde liegenden kognitiven, neuro-funktionalen und neuro-anatomischen Mechanismen der Phonagnosie habe ich detailliert mit Hilfe von umfangreichen Verhaltensuntersuchungen sowie funktionaler und struktureller Magnetresonanztomographie charakterisiert. Die Ergebnisse der Dissertation bereichern das derzeitige Stimmerkennungsmodel durch: (i) Neue Erkenntnisse darüber welche Gehirnregionen notwendig sind, um eine Stimme zu erkennen. (ii) Und durch die empirische Bekräftigung der Annahme, dass Stimmerkennung ein mehrstufiger kognitiver Prozess ist, der verschiedene Subformen der Phonagnosie bedingt. Darüber hinaus tragen neue wissenschaftliche Erkenntnisse zur Stimmerkennung maßgeblich dazu bei, praktische Anwendungsbereiche wie klinische Therapieprogramme und künstliche Stimmerkennungprogramme weiterzuentwickeln. / The voice contains elementary social communication cues: it conveys speech, as well as paralinguistic information pertaining to the emotional state or the identity of the speaker. In contrast to neuroscientific research on vocal-speech and vocal-emotion processing, voice-identity processing has been less explored. This seems surprising, given the day-to-day significance of person recognition by voice. A valuable approach to unravel how voice-identity processing is accomplished is to investigate people who have a selective deficit in voice recognition. Such a deficit has been termed phonagnosia. In the present dissertation, I investigate phonagnosia following brain damage (i.e. acquired phonagnosia), as well as phonagnosia cases without apparent brain lesion (i.e. developmental phonagnosia). I in-depth characterise the underlying cognitive, neural-functional, and neuro-anatomical mechanisms of phonagnosia by means of comprehensive behavioural testing as well as functional and structural magnetic resonance imaging. The findings of this dissertation inform the current model of voice-identity processing by (i) delivering novel evidence of brain regions that crucially contribute to voice-identity processing, and by (ii) emphasising the multistage nature of voice-identity processing. We showed that dysfunction at different cognitive stages results in behaviourally distinct phonagnosia sub-types. Generally, advanced scientific knowledge about voice-identity processing as provided in the current dissertation also propels practical applications such as clinical treatment programs and artificial voice-recognition systems.

Moderne Mehr-Ebenen-Ansätze gehen davon aus, dass Emotionen auf unterschiedlichen Ebenen der Informationsverarbeitung und durch unterschiedliche Prozesse erzeugt werden. Im Rahmen des ‘dual memory model of emotion’ werden diese Prozesse als schematische (automatische) und propositionale (kontrollierte) Verarbeitungsprozesse bezeichnet. Darüber hinaus integriert das Modell Strategien zur Emotionsregulation, wie Aufmerksamkeitslenkung und semantische Elaborierung emotionaler Information. Über die zugrundeliegenden neuronalen Korrelate weiß man bisher allerdings noch wenig. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung behavioraler und neuronaler Korrelate der schematischen und propositionalen Verarbeitungsprozesse und wie diese durch interindividuelle Differenzen in der Affektivität und in der kognitiven Verarbeitung von Emotionen moduliert werden. Interindividuelle Differenzen im aktuellen negativen Affekt waren mit Aktivitätsveränderungen in der Insula während der schematischen Verarbeitung negativer Stimuli assoziiert. Dies kann als verstärkte Verarbeitung des hedonischen Wertes negativer Stimuli in Individuen mit hohem aktuellen negativen Affekt interpretiert werden. Interindividuelle Differenzen in der Zustandsangst und im kognitiven Verarbeiten von Emotionen modulierten behaviorale und neuronale Korrelate propositionaler Verarbeitungsprozesse. Hohe Zustandsangst und Schwierigkeiten im kognitiven Verarbeiten von Emotionen waren assoziiert mit erhöhtem kognitiven Aufwand, wenn der emotionale Gehalt der Stimuli ignoriert werden musste. Die neuronalen Befunde deuten darauf hin, dass für Individuen mit Schwierigkeiten im kognitiven Verarbeiten von Emotionen Aufmerksamkeitslenkung im Vergleich zu Elaborierung emotionaler Informationen eine weniger effektive Strategie zur Emotionsregulation darstellt. / Modern multi-level theories claim that emotion may be generated by different ways using different processes. The dual memory model of emotion refers to these processes as schematic processing (automatic) and propositional processing (controlled). The model further integrates emotion regulatory strategies, such as re-direction of attention and emotional elaboration as essential components of emotion processing. However, research on the neurobiological correlates of the different processing modes is scarce. Hence, the present work focuses on the identification of behavioral and neural correlates of the hypothesized processing modes and how these are modulated by individual differences in affectivity and in the cognitive processing of emotions. Individual differences in state negative affect were associated with altered activity in the insula during schematic processing of negative emotional information. This may indicate increased processing of the hedonic dimension of aversive stimuli in individuals with high state negative affect. Individual differences in state anxiety and in the cognitive processing of emotions modulated behavioral and neural correlates of propositional processing of emotional information. Specifically, in individuals with high state anxiety and with difficulties to cognitively process emotions, re-direction of attention was associated with increased cognitive effort. Findings at the neural level indicate that re-direction of attention as compared to elaboration of emotional information may represent a less effective emotion regulatory strategy in individuals with difficulties to cognitively process emotions.

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Although most odorants we encounter in daily life are mixtures of several chemical substances, we still lack significant information on how we perceive and how the brain processes mixtures of odorants. We aimed to investigate the processing of odor mixtures using behavioral measures and functional magnetic resonance imaging (fMRI). The odor mixture contained a target odor (ambroxan) in a concentration at which it could be perceived by half of the subjects (sensitive group); the other half could not perceive the odor (insensitive group). In line with previous findings on multi-component odor mixtures, both groups of subjects were not able to distinguish a complex odor mixture containing or not containing the target odor. However, sensitive subjects had stronger activations than insensitive subjects in chemosensory processing areas such as the insula when exposed to the mixture containing the target odor. Furthermore, the sensitive group exhibited larger brain activations when presented with the odor mixture containing the target odor compared to the odor mixture without the target odor; this difference was smaller, though present for the insensitive group. In conclusion, we show that a target odor presented within a mixture of odors can influence brain activations although on a psychophysical level subjects are not able to distinguish the mixture with and without the target. On the practical side these results suggest that the addition of a certain compound to a mixture of odors may not be detected on a cognitive level; however, this additional odor may significantly change the cerebral processing of this mixture. In this context, FMRI offers unique possibilities to look at the subliminal effects of odors.

The choice of a meaningful baseline condition is a crucial issue for each experimental design. In the case of cognitive emotion regulation, it is common to either let participants passively view emotional stimuli without any further specific instructions or to instruct them to actively attend to and permit any arising emotions, and to contrast one of these baseline conditions with a regulation condition. While the “view” strategy can be assumed to allow for a more spontaneous emotional response, the “permit” strategy may result in a more pronounced affective and cognitive response. As these conceptual differences may be associated with differences both in subjective emotional experience and neural activation, we compared these two common control conditions within a single functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiment, during which participants were instructed to either passively view a set of unpleasant and neutral pictures or to actively permit any emotions arising in response to the unpleasant pictures. Trial-by-trial ratings confirmed that participants perceived the unpleasant pictures as more arousing than the neutral pictures, but also indicated higher subjective arousal during the “permit negative” as compared to the “view negative” and “view neutral” conditions. While both the “permit negative” and “view negative” conditions led to increased activation of the bilateral amygdala when contrasted with the passive viewing of neutral pictures, activation in the left amygdala was increased in response to the “permit” instruction as compared to the “view” instruction for unpleasant pictures. The increase in amygdala activation in both the “permit” and “view” conditions renders both strategies as suitable baseline conditions for studies of cognitive emotion regulation. Conceptual and activation differences, however, indicate that these two variants are not exchangeable and should be chosen depending on the experimental context.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) mit einer Feldstärke von 3 T ist in der prächirurgischen Nutzen-Risiko-Evaluation von Patienten mit Hirntumoren in bzw. im Bereich funktionell bedeutsamer Regionen, wie beispielsweise in Nachbarschaft zum Sulcus centralis, gut etabliert. Das Konzept der Neuroplastizität umfasst unter anderem Mechanismen zur zerebralen kortikalen Reorganisation nach Hirnschädigung. Ziel der vorliegenden prospektiven fMRT-Verlaufsstudie ist die Evaluation der noch wenig bekannten längerfristigen funktionellen Veränderungen des Gehirns nach neurochirurgischer Intervention. Zu diesem Zwecke wurden 14 Patienten mit Hirntumoren innerhalb oder in der Nähe des primären motorischen Cortex (MI) in die Studie eingeschlossen, welche sich einer neurochirurgischen Behandlung unterzogen. Bei 12 der Patienten wurde sowohl prä- als auch postoperativ eine funktionelle Bildgebung (fMRT) anhand des motorischen Paradigmas des unimanuellen und bimanuellen Fingertappens in einem 3 T MRT-Scanner durchgeführt. Wegen Bewegungsartefakten konnten lediglich 9 der Patienten in die weitere Auswertung eingeschlossen werden. Als Kontrollgruppe diente eine einmalige Untersuchung von neun gesunden Probanden. An längerfristigen Reorganisationsmustern konnten bei Patienten ohne Handparese sowohl die Rekrutierung der geschädigten als auch der intakten Hemisphäre des kortikalen motorischen Netzwerkes aufgezeigt werden. Tumorwachstum im Bereich des supplementär-motorischen Areals (SMA) ging mit einer bilateralen Rekrutierung der rostralen Portion des SMA (SMAr) einher. Die postoperative Reorganisation des motorischen Netzwerkes umfasste unter kontraläsionalen Fingertappen eine Lateralisierung der Aktivierung der SMAr zur nicht betroffenen Hemisphäre. Diese war umso ausgeprägter je größer das Tumorvolumen oder je näher der Tumor zur SMAr gelegen war. Demnach kann eine Dysfunktion der ipsilateralen SMAr präoperativ durch eine bilaterale und postoperativ durch eine kontraläsionale Rekrutierung kompensiert werden.

Background: Serotonin has been implicated in impulsive behaviours such as temporal discounting. While animal studies and theoretical approaches suggest that reduced tonic serotonin levels increase temporal discounting rates and vice versa, evidence from human studies is scarce and inconclusive. Furthermore, an important modulator of serotonin signalling, a genetic variation in the promoter region of the serotonin transporter gene (5-HTTLPR), has not been investigated for temporal discounting so far. Objective: First, the purpose of this study was to test for a significant association between 5-HTTLPR and temporal discounting. Second, we wished to investigate the effect of high/low tonic serotonin levels on intertemporal choice and blood oxygen-level-dependent response, controlling for 5-HTTLPR. Methods: We tested the association of 5-HTTLPR with temporal discounting rates using an intertemporal choice task in 611 individuals. We then manipulated tonic serotonin levels with acute tryptophan interventions (depletion, loading, balanced) in a subsample of 45 short (S)-allele and 45 long (L)/L-allele carriers in a randomised double-blind crossover design using functional magnetic resonance imaging and an intertemporal choice task. Results: Overall, we did not find any effect of serotonin and 5-HTTLPR on temporal discounting rates or the brain networks associated with valuation and cognitive control. Conclusion: Our findings indicate that serotonin may not be directly involved in choices including delays on longer timescales such as days, weeks or months. We speculate that serotonin plays a stronger role in dynamic intertemporal choice tasks where the delays are on a timescale of seconds and hence are therefore directly experienced during the experiment.