Zugl.: München, Univ., Diplomarbeit, 2003/2004

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Frage, inwieweit die neuronale Verarbeitung visueller Stimuli durch Prozesse der Aufmerksamkeit und des Arbeitsgedächtnisses moduliert werden kann. Darüber hinaus wurde untersucht, welche „top down“ Prozesse diese Modulation steuern. Dabei wurden zwei konkurrierende Ansichten als mögliche Erklärungsmodelle zugrunde gelegt und überprüft. Zum einen wäre es möglich, dass selektive Aufmerksamkeit zwei qualitativ unterschiedliche Mechanismen beinhaltet. Demnach würde neben dem Fokussieren auf relevante Informationen auch ein aktiver Prozess der Inhibition der Verarbeitung irrelevanter Stimuli existieren. Zum anderen ist es aber auch denkbar, dass aufgrund begrenzter Verarbeitungsressourcen das Fokussieren auf relevante Reize automatisch mit dem Nichtbeachten irrelevanter Stimuli einhergeht und nur ein Mechanismus existiert. In einem ersten Experiment wurde vorab die Alertness als ein grundlegender Prozess der Aufmerksamkeit mit der Nah-Infrarot Spektroskopie (NIRS) untersucht. Mittels eines zweigestuften Studiendesigns wurden in einem ersten Schritt für die Alertness relevante Regionen über fronto-temporalen Hirnarealen definiert. Als relevant erwiesen sich Areale des mittleren und superioren temporalen Kortex der rechten Hemisphäre und der ventrale Teil des inferioren frontalen Kortex der linken Hemisphäre. In einer zweiten Datenerhebung konnte für diese Regionen eine signifikant höhere Aktivierung während der Alertnessbedingung im Vergleich zu einer visuellen und motorischen Kontrollbedingung gefunden werden. Mit dem zweiten Experiment sollten bestehende, mit dem Elektroenzephalogramm (EEG) erhobene, Befunde zur Modulation der neuronalen Verarbeitung visueller Stimuli repliziert werden. Dies geschah mithilfe eines neu entwickelten Untersuchungsparadigmas, einer modifizierten n-back Aufgabe. Wie erwartet fand sich eine erhöhte Verarbeitung aufgaben-relevanter Reize im Vergleich zu einer perzeptuellen Kontrollbedingung. Die Verarbeitung irrelevanter Reize wurde allerdings nicht unterdrückt. Explorativ fand sich ein entsprechendes Korrelat der Aufmerksamkeitslenkung über frontalen Elektroden. In einem dritten Experiment wurde das modifizierte n-back Paradigma an die Anforderungen einer NIRS Messung angepasst, um frontale Effekte der Aufmerksamkeitslenkung direkter erfassen zu können als mit dem EEG. Wie erwartet fand sich bezüglich des Beachtens wie auch des Ignorierens von Stimuli eine Beteiligung frontaler Strukturen. Auf beachtete Stimuli folgte eine bilaterale Aktivierung des dorsolateralen präfrontalen Kortex (DL-PFK) und eine Aktivierung des linken inferioren frontalen Kortex bis hin zum prä- und postzentralen Kortex. Das Ignorieren visueller Stimuli führte zu einer weitläufigen Aktivierung des rechten präfrontalen Kortex (PFK). Eine Beteiligung des linken inferioren frontalen Gyrus an der Interferenzkontrolle konnte nicht wie erwartet nachgewiesen werden. Der Vergleich der beiden Aktivierungsmuster ergab keine signifikanten Unterschiede. Die zugrunde liegenden Prozesse des Arbeitsgedächtnisses und der Interferenzkontrolle führten also zu einer Aktivierung stark überlappender Hirnregionen. Nachdem die Ergebnisse der Experimente 2 und 3 keinerlei Hinweise auf einen aktiven Prozess der Interferenzinhibition nachweisen konnten, wurde im Experiment 4 die bisher genutzte 1-back Aufgabe durch eine schwierigere 2-back Aufgabe ersetzt. Aufgrund der erhöhten Auslastung des Arbeitsgedächtnisses sollte eine stärkere Anstrengung und damit eine verstärkte frontale Aktivierung bei der Interferenzinhibition auftreten. Diese Hypothese wurde mit einer frontalen NIRS Messung überprüft (Experiment 4a). Wie erwartet führte die erhöhte Auslastung des Arbeitsgedächtnisses zu einer verstärkten Aktivierung des PFK bezüglich beachteter Reize. Hinsichtlich ignorierter Reize fand sich allerdings keine frontale Beteiligung. Parallel erhobene EEG Daten zeigten keinen Unterschied zwischen der Verarbeitung beachteter und ignorierter Gesichter. Die Verarbeitung passiv betrachteter Gesichter war im Gegensatz zu beachteten und ignorierten Gesichtern vermindert. Im zweiten Teil der Studie (Experiment 4b) wurden erstmals die okzipitalen Effekte der Aufmerksamkeitslenkung mit der NIRS erfasst. Im Einklang mit den Ergebnissen der ersten EEG Studie (Experiment 2) fand sich zwar eine verstärkte Verarbeitung beachteter, aber keine verminderte Verarbeitung ignorierter Reize. Zusammengenommen sprechen die fehlende aktive Inhibition von Distraktorreizen im okzipitalen Kortex und die vergleichbaren neuronalen Korrelate von Prozessen des Arbeitsgedächtnisses und der Interferenzinhibition im frontalen Kortex für die Hypothese einer Aufteilung von begrenzten Verarbeitungsressourcen zugunsten beachteter Reize. / The aim of the present work was to investigate, to what extend the neural processing of visual stimuli could be modulated by processes of attention and working memory and which top down processes control this modulation. Two competing explanatory models were proved in the present work. On the one hand it is possible that selective attention comprise two qualitatively different mechanisms, the focussing on relevant information and the active inhibition of irrelevant stimuli. On the other hand it is possible that the limited processing capacities lead to an automatic disregard of irrelevant stimuli when focussing on relevant information. According to this, there would be only one mechanism. In a first experiment alertness was investigated with near-infrared spectroscopy (NIRS) as a basic process of attention. In a two step design relevant areas for alertness over the fronto-temporal cortex were defined first. Alertness related activity was found in the middle and superior temporal cortex of the right hemisphere and in the ventral part of the inferior frontal cortex of the left hemisphere. The analyses of a second measurement for these specific regions revealed a significantly increased activation for alertness in contrast to a visual and a motor control condition. The aim of a second experiment was to replicate existing electroencephalographic (EEG) results of the modulation of the neural processing of visual stimuli with a new developed paradigm, a modified version of the n-back task. As expected there was a higher processing of relevant stimuli in comparison to a perceptual control condition. The processing of irrelevant stimuli was not suppressed. Explorative, there was an analogue result of the modulation of attention over frontal electrodes. In a third experiment the modified n-back paradigm was adjusted to the standards of NIRS measurements to capture frontal effects of attentional modulation more immediate than with EEG. As expected both attended and ignored stimuli were associated with activation of frontal structures. Relevant stimuli were linked with a bilateral activation of the dorsolateral prefrontal cortex (DL-PFC) and activation from the left inferior frontal cortex to the pre- and postcentral cortex. Irrelevant stimuli were linked with a distributed activation of the right PFC. An involvement of the left frontal gyrus could not be verified. The comparison of the two activation patterns revealed no significant difference, the basic processes of working memory and interference control led to an activation of highly overlapping brain regions. The results of the experiments 2 and 3 revealed no evidence of an active process of interference control. Therefore, the 1-back task was replaced by a more difficult 2-back task in experiment 4. Due to the higher working memory load, there should be a stronger effort and therefore a stronger frontal activation during interference inhibition. This hypothesis was proved with a frontal NIRS measurement (experiment 4a). As expected, the higher working memory load led to a stronger activation of the PFC in respect of the relevant stimuli. Concerning irrelevant stimuli, there was no frontal activation. EEG data that were collected simultaneously showed no difference between the processing of attended and ignored faces. In comparison to that the processing of passively viewed faces was decreased. The second part of this study examined occipital effects of attentional modulation with NIRS for the first time. In line with the results of the first EEG study (experiment 2) there was an enhanced processing of relevant, but no decreased processing of ignored stimuli. In sum, the absent active inhibition of distractors in the occipital cortex and the similar neural correlates of processes of working memory and interference inhibition in the frontal cortex argue for the hypothesis of one uniform mechanism of focussing attention without an active and independent mechanism of interference inhibition.

Humans and other animals share choice preference for smaller-but-sooner over later-but-larger rewards, indicating that the subjective value of a reward is discounted as a function of time. This phenomenon referred to as delay discounting (DD), represents one facet of impulsivity which is inherently connected with reward processing and, within a certain range, adaptive. Maladaptive levels, however, can lead to suboptimal decision-making and represent important characteristics of psychopathologies such as attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). In line with a proposed influence of dysregulated dopamine (DA) levels on impulsivity, neural structures involved in DD (the ventral-striatum [VS]; orbitofrontal cortex [OFC]) are highly innervated by dopaminergic neurons. However, studies explicitly testing the triadic interplay of dopaminergic neurotransmission, impulsivity and brain activation during intertemporal choice are missing. Therefore, the first study of the thesis examined the effect of different DA-bioavailability levels, indicated by a genetic polymorphism (Val158Met) in the gene of the catechol-O-methyltransferase, on the association of delay discounting and OFC activation. OFC response to monetary rewards that varied by delay-to-delivery was recorded with functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a sample of 49 healthy human subjects. The results suggest a DA-related enhancement in OFC function from low (low DA level) to partial (intermediate DA level) and full (high DA level) reward delay sensitivity. Furthermore, DA-bioavailability was shown to moderate the association of neural reward delay sensitivity and impulsivity: OFC reward delay sensitivity was strongly correlated with impulsivity at intermediate DA-levels, but not at low or high DA-levels where impulsivity was related to delay-independent OFC amplitudes. It is concluded that DA-level should be considered as a crucial factor whenever impulsivity-related brain activation, in particular to reward delay, is examined in healthy subjects. Dysfunctional reward processing, accompanied by a limited ability to tolerate reward delays (delay aversion), has been proposed as an important feature in ADHD putatively caused by striatal hypo-dopaminergia. Therefore, the aim of the second study of this thesis was to examine subcortical processing of reward delays and to test for neural indicators of a negative emotional response to delay periods. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), brain activation in adult patients with ADHD (n=14) and healthy control subjects (n=12) was recorded during the processing of immediate and delayed rewards. Compared with healthy control subjects, hyporesponsiveness of the VS reward system was evident in patients with ADHD for both immediate and delayed rewards. In contrast, delayed rewards evoked hyperactivation in the dorsal caudate nucleus and the amygdala of ADHD patients, corroborating the central predictions of the delay aversion hypothesis. In combination both studies support the conception of a close link between delay discounting, brain activation and dopaminergic neurotransmission. The results implicate that studies on neural correlates of DD have to account for the DA-bioavailability level and for a negative emotional response to reward delays. / Menschen und andere Spezies zeigen eine Präferenz für sofortige Belohnung mit geringerem Wert gegenüber zeitlich verzögerter Belohnung mit höherem Wert. Dies weist darauf hin, dass der subjektiv empfundene Wert einer Belohnung in Abhängigkeit der Verzögerung bis zur Aushändigung abnimmt. Dieses Phänomen wird als Delay Discounting (DD) bezeichnet und stellt eine Facette von Impulsivität dar, die direkt mit Belohnungsverarbeitung verknüpft und innerhalb eines bestimmten Rahmens adaptiv ist. Ein maladaptives Ausmaß an DD hingegen kann zu suboptimaler Entscheidungsfindung führen und repräsentiert eine wichtige Eigenschaft psychischer Erkrankungen wie der Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitäts-störung (ADHS). In Einklang mit der Annahme eines Zusammenhangs von dysreguliertem Dopaminhaushalt und Impulsivität sind neuronale Strukturen, die während DD aktiv sind (Ventrales Striatum [VS]; Orbitofrontaler Cortex [OFC]) stark durch dopaminerge Neurone innerviert. Bislang fehlen allerdings Studien, die explizit Interaktionen von dopaminerger Neurotransmission, Impulsivität und Hirnaktivierung während intertemporaler Entscheidungsaufgaben untersuchen. Studie I der vorliegenden Promotionsschrift untersucht daher den Einfluss unterschiedlicher Dopamin (DA)-Bioverfügbarkeit (anhand eines genetischen Polymorphismus (Val158Met) im Gen der Catechol-O-Methyltransferase) auf den Zusammenhang von DD und OFC Aktivierung. Mittels funktioneller Nah-Infrarot Spektroskopie (fNIRS) wurde in einer Gruppe von 49 gesunden Versuchspersonen die OFC Aktivität bei sofortiger und verzögerter Belohnung aufgezeichnet. Die Ergebnisse zeigen eine DA-abhängige Erweiterung der Funktion des OFC von schwacher (niedrige DA Verfügbarkeit), über eine partielle (mittlere DA Verfügbarkeit) bis hin zu starker (hohe DA Verfügbarkeit) Sensitivität für Belohnungsverzögerungen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die DA-Verfügbarkeit den Zusammenhang von neuronaler Sensitivität für Belohnungsverzögerungen und Impulsivität moderiert: ein starker Zusammenhang konnte bei mittlerer DA-Verfügbarkeit gezeigt werden, nicht aber bei niedriger oder hoher DA-Verfügbarkeit. Bei letzteren korrelierte Impulsivität mit der Höhe der OFC-Aktivität unabhängig von Belohnungsverzögerungen. Die DA-Verfügbarkeit sollte demnach als ein wichtiger Faktor berücksichtigt werden, wenn impulsivitätsabhängige Hirnaktivierung, insbesondere die Verarbeitung von Belohnungsverzögerungen betreffend, untersucht wird. Eine dysfunktionale Belohnungsverarbeitung, verbunden mit einer eingeschränkten Toleranz von Belohnungsverzögerungen, wird als ein wichtiges Merkmal von ADHS angenommen, dessen Ursache möglicherweise eine verminderte DA-Konzentration im Striatum ist. Das Ziel von Studie II der vorliegenden Promotionsschrift ist daher, subkortikale Verarbeitung von Belohnungsverzögerung zu untersuchen und Hinweise für eine negative emotionale Reaktion auf Verzögerung zu prüfen. Mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) wurde die Hirnaktivierung adulter Patienten mit ADHS (n=14) und gesunder Kontrollpersonen (n=12) während der Verarbeitung von sofortiger und verzögerter Belohnung aufgezeichnet. Im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen zeigte sich bei Patienten mit ADHS eine Minderaktivierung auf sofortige und verzögerte Belohnung im ventral-striatalen Belohnungssystem. Im Gegensatz dazu führte verzögerte Belohnung bei Patienten mit ADHS zu einer Überaktivierung im dorsalen Nucleus Caudatum sowie in der Amygdala. Diese Ergebnisse stützen die zentrale Annahme der Verzögerungsaversions-Hypothese bei ADHS. Gemeinsam weisen beide Studien auf eine enge Verbindung von DD, Hirnaktivierung und dopaminerger Neurotransmission hin. Die Ergebnisse implizieren, dass Untersuchungen der neuronalen Korrelate von DD sowohl die DA-Bioverfügbarkeit, als auch negative emotionale Reaktionen auf Belohnungsverzögerung berücksichtigen sollten.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2007

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2007.

Frankfurt (Main), University, Diss., 2008.

We humans are visual creatures, constantly extracting information from the world around us. The source of our ability to understand the visual world is an intricate arrangement of multiple areas in our brains: the visual system. It enables us to recognize our friends and family in diverse conditions, to focus our attention on important aspects of a scene and performs invariant object categorization on multiple levels of abstraction. Vision has been in the focus of scientific interest for many decades and yet our knowledge of the cortical mechanisms involved is only limited. I here describe a series of experiments, in which we investigated how the visual system robustly and efficiently extracts meaning from the environment. In particular, I will focus on thee aspects of object recognition: sampling the environment, visual invariance, and categorization and plasticity. Starting with the selection of visual information, three eyetracking experiments are described in which we investigate the interplay of overt visual attention and object recognition. We show that overt visual attention and object recognition exert a bi-directional influence on each other. Whereas initial patterns of overt visual attention causally affect the outcome of the later recognition, briefly presented contextual information leads to substantial changes in the attentional sampling behavior, which can be best understood in terms of a shifting exploration-exploitation bias. Following this, we turn to visual processing within the system and ask how invariant object recognition is accomplished despite large variation in retinal input. As an exemplary case, we focus on changes introduced by rotations in depth. Using a variety of techniques, ranging from fMRI to TMS and EEG, we show that viewpoint symmetry, i.e. the selectivity to mirror-symmetric viewing angles, is a prevalent feature of visual processing across a wide range of higher-level visual regions. These findings jointly suggest that viewpoint-symmetry constitutes a key computational step in achieving full viewpoint invariance. On the next level of abstraction, we investigate how visual categories are represented at different levels of experience, from novice to expert. By combining training of novel visual categories with psychophysical measures, we demonstrate a change in the underlying type of category representation. Following this, we combine the training paradigm with electrophysiological measurements. In line with our behavioral results, these data reveal a spatiotemporal shift in category selectivity: from late and frontal to early occipitotemporal activity. These results suggest that novel and re-occurring categories rely on partially separate cortical networks, allowing the brain to balance robust and fast recognition with considerable flexibility and plasticity. The results of all experiments presented are unified by the concept of a system that has evolved efficient mechanisms for robust performance in a large variety of conditions. Using dynamic sampling strategies, computational shortcuts and a division of labor, the visual system is optimally equipped to support higher-level cognitive function in a complex and constantly changing environment.

Dem nationalsozialistschen Unrechtsstaat fielen zahlreiche Menschen zum Opfer, an denen Menschenversuche durchgeführt wurden. Zu ihnen zählen auch jene, an deren Hirngewebeproben in den Kaiser-Wilhelm-Instituten geforscht wurde. Diese Gewebeproben verblieben oft auch nach 1945 in Institutssammlungen und wurden zum Teil weiter für Forschung und Lehre verwendet. Das Forschungsprojekt zielt darauf ab, die verbliebenen Präparate zu erfassen, die Opfer zu identifizieren und wo immer möglich ihre Lebensgeschichte zu rekonstruieren. Ein zentrales Ergebnis des Projektes wird eine Datenbank mit Daten zur Biografie der Opfer, zum Weg der Gewebeproben durch die Institutionen und zu den entsprechenden Archivquellen sein. Diese Datenbank wird hier vorgestellt.

Diese Dissertation zeigt, dass Hintergrundrhythmen mit Hilfe der gleichzeitigen Messung von EEG und fMRI Signalen untersucht werden können. Die Methodik dieses Ansatzes wurde durch den Einsatz einer speziellen fMRI Sequenz weiterentwickelt, und die Signalqualität durch visuell evozierte Potentiale überprüft. Der prominente okzipitale Alpha-Rhythmus und die vergleichsweise schwächeren rolandischen Rhythmen konnten in der elektromagnetisch störenden Umgebung des Magnetresonanztomografen, auch und gerade während der funktionellen Messsequenzen identifiziert werden. Durch den Einsatz der in dieser Arbeit vorgestellten Nachverarbeitungsmethoden kann die simultane Aufnahme von EEG und fMRI Signalen wertvolle Informationen über die neuronale Grundlage von Hirnrhythmen und ihrer hemodynamischer Korrelate liefern. Die hier vorgestellten Daten bekräftigen die Hypothese, dass die Amplitude der Hintergrundrhythmen mit spezifischen Deaktivierungen in sensorischen Hirnarealen einhergehen. Eine erhöhte Amplitude aller untersuchter Rhythmen war mit einem negativen BOLD Signal in sensorischen kortikalen Arealen verknüpft, was auf einen erniedrigten Energieverbrauch in Arealen mit höherer Synchronizität schliessen lässt. Der posteriore Alpha Rhythmus, ist invers mit dem hemodynamischen Signal in primären visuellen Arealen gekoppelt, während hämodynamische Korrelate der rolandischen Alpha und Beta Rhythmen in somatomotorischen Arealen lokalisiert wurden. Für den rolandischen Alpha und Beta Rhythmus wurden unterschiedliche regionale Netzwerke gefunden. Der rolandische Beta Rhythmus ist mit dem Motornetzwerk, während der rolandische Alpha Rhythmus mit einen somatosensorischen bzw. Assoziationsnetzwerk assoziert ist, was eine fundamentale Eigenschaft des Somatomotorischen Systems zu sein scheint. Die rolandischen Rhythmen könnten dadurch somatomotorische Areale während der Erhaltung oder Planung von Bewegungsabläufen funktional koppeln [Brovelli, et al., 2004]. Desweiteren wurde gezeigt, dass thalamische und cinguläre Strukturen mögliche Generatoren oder Modulatoren der hier untersuchten Hintergrundrhythmen sind. Die experimentellen Daten der hier vorgestellten Studien legen nahe, dass eine inverse Beziehung der Stärke eines Hintergrundrhythmus mit regional kortikalem Metabolismus und gleichzeitig eine „antagonistische“, positive Beziehung mit thalamischen oder cingulären Struktuen ein gernerelles orgnaisatorisches Prinzip des Gehirns zu sein scheint. Der Begriff der Grundaktivität des Gehirns [Gusnard, et al., 2001] müsste daher in verschiedene Netzwerke der Grundaktivität unterteilt werden, die elektrophysiologisch durch Hintergrundrhythmen definiert wären. / The data provided by this thesis show that imaging of brain rhythms can be achieved by simultaneous EEG-fMRI recordings. This methodology was developed further by implementing an adapted MR sequence and the EEG-fMRI signal quality was confirmed by means of visual evoked potentials. Together with the post processing methods applied in this work, simultaneous EEG-fMRI recordings can thus provide valuable information about the neuronal basis of brain rhythms and their regional hemodynamic correlates. The data further substantiate the hypothesis that ‘idling’ rhythms indicate distinct deactivated sensory cortical areas. Increased power of all examined rhythms was associated with negative BOLD signal in sensory cortical areas, indicating less energy consumption in those areas with higher synchronicity. The posterior alpha or so-called Berger rhythm is coupled inversely to the hemodynamics in primary visual areas, whereas rolandic alpha and beta rhythm could be localized to somatomotor areas. Different networks were found for rolandic alpha and beta rhythms. The rolandic beta rhythm is more associated with a motor-network whereas the rolandic alpha rhythm is more associated with a sensory and association network which represents a fundamental characteristic of the sensorimotor system. The rolandic oscillations may bind sensorimotor areas into a functional loop during pre-movement motor maintenance behaviour [Brovelli, et al., 2004]. Furthermore thalamic and cingulate structures were shown to be possible generative or modulatory structures for the brain rhythms examined in this study. The experimental data obtained in this work suggest that the inverse correlation of an ‘idling’ rhythm’s strength with the metabolism in ‘its cortical areas’, and the positive correlation with cingulate or thalamic areas are both general organizational principles. The notion of a default mode of the brain [Gusnard, et al., 2001] may perhaps be further subdivided into different networks with a “default mode”, each of them electro-physiologically defined by its “idle rhythm”.