Laut der „Bayesian Brain“-Hypothese ist Wahrnehmung ein Inferenzprozess, der von sensorischen Daten abhängt, aber auch von Vorannahmen über die Wahrscheinlichkeit sensorischer Daten und ihrer Zuverlässigkeit. Feedback aus der Umgebung verbessert das Lernen und hilft dem Gehirn, diesen Inferenzprozess zu optimieren. In vorherigen Arbeiten wurde gezeigt, dass unzuverlässiges Feedback die perzeptuelle Genauigkeit beeinträchtigt und Fehlwahrnehmungen in Rauschsignalen erhöht. In dieser Arbeit wurde die Hypothese untersucht, dass der Effekt von unzuverlässigem Feedback einer geringeren Gewichtung sensorischer Daten im Inferenzprozess entspricht. Hierzu wurden zwei Studien mit visuellen Reizen durchgeführt: Studie I umfasste zwei Verhaltensexperimente; Studie II umfasste ein Experiment mit funktioneller Magnetresonanztomographie. Unter der Annahme einer Abwertung sensorischer Information infolge unzuverlässigen Feedbacks wurde eine Verringerung der perzeptuellen Leistung vorhergesagt und eine Verschiebung der Wahrnehmungsinferenz zu experimentell induzierten Vorannahmen. Auf neuronaler Ebene wurde untersucht, ob sich sensorische Repräsentationen im primären visuellen Kortex (V1) als Folge unzuverlässigen Feedbacks verschlechtern würden. In allen Experimenten wurde in einer Kontrollbedingung zuverlässiges Feedback gegeben. Die Ergebnisse beider Studien zeigten eine Abnahme der perzeptuellen Leistung nach unzuverlässigem versus zuverlässigem Feedback. Darüber hinaus verließen sich die Probanden zunehmend auf induzierte Vorannahmen. Auf neuronaler Ebene zeigte sich eine Verrauschung sensorischer Repräsentationen in V1 als Folge unzuverlässigen Feedbacks. Zusammenfassend zeigt sich, dass die Induzierung von Überzeugungen über die Zuverlässigkeit sensorischer Informationen durch manipuliertes Leistungsfeedback einen systematischen Einfluss auf perzeptuelle Inferenz hat und dass sich diese Veränderungen in frühen sensorischen Arealen manifestieren. / According to the Bayesian brain hypothesis, perception is an inferential process that depends not only on sensory data, but also on our beliefs about likely sensory data and their reliability. Feedback from the environment improves this inferential process. Indeed previous studies have shown that unreliable feedback impairs task performance and increases illusory pattern perception in noise. In this thesis, we explored the hypothesis that the effect of unreliable feedback is a down-weighting of sensory information in perceptual inference. We conducted two studies comprising visual stimuli: Study I comprised two behavioural experiments and Study II comprised a functional magnetic resonance imaging experiment. Based on the hypothesis that sensory data would be down-weighed after unreliable feedback , we predicted that perceptual performance would deteriorate and that perceptual inference would shift towards experimentally induced priors. Further, we investigated whether the sensory data representations in the primary visual cortex (V1) deteriorate as a result of unreliable feedback. Reliable feedback was used as a control condition in all the experiments. Data from both studies demonstrated that performance did decrease following unreliable feedback compared to reliable feedback. Moreover, observers increasingly relied on prior information as the feedback about their percepts became unreliable. At the neural level, low-level stimulus representations deteriorated in V1 with unreliable feedback. To sum up, our results show that inducing beliefs about the reliability of sensory information by manipulating performance feedback can systematically influence perceptual inference and that these changes manifest at the earliest stages of cortical sensory processing.

We investigated development from adolescence to young adulthood of neural bottom-up and top-down processes using a functional magnetic resonance imaging task on emotional attention. We followed 249 participants from age 14–22 in up to four waves resulting in 687 total scans of a matching task in which participants decided whether two pictures were the same including distracting emotional or neutral scenes. We applied generalized additive mixed models and a reliability approach for longitudinal analysis. Reaction times and error rates decreased longitudinally. For top-down processing, we found a longitudinal increase for the bilateral inferior frontal gyrus (IFG) for negative stimuli and in the left IFG also for positive and neutral stimuli. For bottom-up activation in the bilateral amygdala, we found a relative stability for negative and neutral stimuli. For positive stimuli, there was an increase starting in the twenties. Results show ongoing behavioral and top-down prefrontal development relatively independent from emotional valence. Amygdala bottom-up activation remained stable except for positive stimuli. Current findings add to the sparse literature on longitudinal top-down and bottom-up development into young adulthood and emphasize the role of reliability. These findings might help to characterize healthy in contrast to dysfunctional development of emotional attention.

Nearly all functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies are conducted in the supine body posture, which has been discussed as a potential confounder of such examinations. The literature suggests that cognitive functions, such as problem solving or perception, differ between supine and upright postures. However, the effect of posture on many cognitive functions is still unknown. Therefore, the aim of the present study was to investigate the effects of body posture (supine vs. sitting) on one of the most frequently used paradigms in the cognitive sciences: the N-back working memory paradigm. Twenty-two subjects were investigated in a randomized within-subject design. Subjects performed the N-back task on two consecutive days in either the supine or the upright posture. Subjective sleep quality and chronic stress were recorded as covariates. Furthermore, changes in mood dimensions and heart rate variability (HRV) were assessed during the experiment. Results indicate that the quality of sleep strongly affects reaction times when subjects performed a working memory task in a supine posture. These effects, however, could not be observed in the sitting position. The findings can be explained by HRV parameters that indicated differences in autonomic regulation in the upright vs. the supine posture. The finding is of particular relevance for fMRI group comparisons when group differences in sleep quality cannot be ruled out.

While previous studies successfully identified the core neural substrates of the animal subtype of specific phobia, only few and inconsistent research is available for dental phobia. These findings might partly relate to the fact that, typically, visual stimuli were employed. The current study aimed to investigate the influence of stimulus modality on neural fear processing in dental phobia. Thirteen dental phobics (DP) and thirteen healthy controls (HC) attended a block-design functional magnetic resonance imaging (fMRI) symptom provocation paradigm encompassing both visual and auditory stimuli. Drill sounds and matched neutral sinus tones served as auditory stimuli and dentist scenes and matched neutral videos as visual stimuli. Group comparisons showed increased activation in the insula, anterior cingulate cortex, orbitofrontal cortex, and thalamus in DP compared to HC during auditory but not visual stimulation. On the contrary, no differential autonomic reactions were observed in DP. Present results are largely comparable to brain areas identified in animal phobia, but also point towards a potential downregulation of autonomic outflow by neural fear circuits in this disorder. Findings enlarge our knowledge about neural correlates of dental phobia and may help to understand the neural underpinnings of the clinical and physiological characteristics of the disorder.

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.

Bildgebende Studien haben gezeigt, dass bei schizophrenen Patienten Positivsymptome mit Veränderungen mesolimbischer Aktivierungsmuster unter Einbeziehung des Nucleus accumbens in Zusammenhang stehen. Hierbei ist von besonderem Interesse, dass der Nucleus accumbens Teil des Belohnungssystems ist, wobei die integrale „Bewertung“ belohnungsanzeigender Reize präfrontalen kortikalen Strukturen, insbesondere dem anterioren Zingulum, zuzurechnen ist. Bereits in der Antizipationsphase potentiell belohnender Reize, werden vermutlich zur Berechnung von Prädiktionsabweichungen dopaminerge Signale in der VTA generiert und modulieren den Nucleus accumbens. Es gibt zahlreiche Hinweise, dass glutamaterge Neurone des anterioren Zingulums die Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens beeinflussen, und dass diese Modulation bei Erkrankungen wie der Schizophrenie beeinträchtigt ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mittels funktioneller Magnetresonanztomographie und Protonen Magnetresonanzspektroskopie, Hinweise über den Zusammenhang zwischen der glutamatergen Neurotransmission des ACC und belohnungsassoziierter Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens bei 23 gesunden Probanden und bei 23 unmedizierten schizophrenen Patienten zu erlangen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die gegenseitige Modulation von anteriorem Zingulum und Nucleus accumbens bei schizophrenen Patienten gestört ist. Dieses und weitere Ergebnisse wurden im theoretischen Rahmen der NMDA-Rezeptor-Hypoaktivität und einer gestörten Balance zwischen Dopamin-D1- und Dopamin-D2-Rezeptor-Aktivität als pathophysiologische Korrelate schizophrener Erkrankungen diskutiert. / Imaging studies have demonstrated that for schizophrenic patients a correlation exists between positive symptoms and changes in the patterns of mesolimbic activity. Especially the changes in the ncl. accumbens (Nac) were interpreted in connection with the reward system. The signals indicating reward are thought to be processed by the anterior cingulum (ACC). These structures attribute meaning to the reward signals. In the anticipation phase of a potentially rewarding stimulus, dopaminergic signals from the VTA are generated in prediction of expected or aberrant outcome, thus modulating the Nac. Data indicate a direct modulation of the Nac. by glutamatergic neurons of the anterior cingulum. A major aim of this thesis is to establish a connection between the reward associated dopaminergic signals of the ncl. accumbens and the glutamatergic projections of the acc in unmedicated schizophrenic patients and healthy controls. The methods included measurements of proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) and functional MRI-scans done at a 3-Tesla tomograph. The paradigm applied was a modified version of the monetary incentive delay paradigm (Knutson et al. 2000). In healthy volunteers we found a significant negative correlation between the glutamate concentration in the ACC and the BOLD-contrast in the Nac (reward versus neutral), in contrast to the findings in schizophrenic patients. A significant higher BOLD-contrast was seen in the anticipation phase in healthy controls. The results were incorporated in a model of NMDA-R-Hypoaktivity. In addition to discussing the functional aspects for the structures involved the model was further expanded to include the hypothesis of a disturbed balance between dopamine-D1- and -D2-receptor activity and a dysfunctional hippocampal gating-process. The so constructed model suggests a profound striato-thalamo-cortical filter disturbance as the basis of the observed aberrations in the reward processing in schizophrenic disorders.

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.

The neural mechanisms underlying genetic risk for schizophrenia, a highly heritable psychiatric condition, are still under investigation. New schizophrenia risk genes discovered through genome-wide association studies (GWAS), such as neurogranin (NRGN), can be used to identify these mechanisms. In this study we examined the association of two common NRGN risk single nucleotide polymorphisms (SNPs) with functional and structural brain-based intermediate phenotypes for schizophrenia. We obtained structural, functional MRI and genotype data of 92 schizophrenia patients and 114 healthy volunteers from the multisite Mind Clinical Imaging Consortium study. Two schizophrenia-associated NRGN SNPs (rs12807809 and rs12541) were tested for association with working memory-elicited dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) activity and surface-wide cortical thickness. NRGN rs12541 risk allele homozygotes (TT) displayed increased working memory-related activity in several brain regions, including the left DLPFC, left insula, left somatosensory cortex and the cingulate cortex, when compared to non-risk allele carriers. NRGN rs12807809 non-risk allele (C) carriers showed reduced cortical gray matter thickness compared to risk allele homozygotes (TT) in an area comprising the right pericalcarine gyrus, the right cuneus, and the right lingual gyrus. Our study highlights the effects of schizophrenia risk variants in the NRGN gene on functional and structural brain-based intermediate phenotypes for schizophrenia. These results support recent GWAS findings and further implicate NRGN in the pathophysiology of schizophrenia by suggesting that genetic NRGN risk variants contribute to subtle changes in neural functioning and anatomy that can be quantified with neuroimaging methods.

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.