„Renewal“ bezeichnet das Wiederauftreten von Angst nach erfolgreicher Expositionstherapie in Folge einer erneuten Konfrontation mit dem phobischen Stimulus in einem neuen, sich vom Expositionskontext unterscheidenden Kontext. Bouton (1994) zufolge deutet diese Angstrückkehr durch einen Kontextwechsel darauf hin, dass die Angst nicht gelöscht wurde. Stattdessen wurde während der Expositionssitzung eine neue Assoziation gelernt, die das gefürchtete Objekt mit „keiner Angst“, also den konditionierten Reiz (conditioned stimulus, CS) mit „keinem unkonditionierten Reiz“ (no unconditioned stimulus, no US), verbindet. Bouton argumentiert weiter, dass diese Assoziation kontextabhängig ist, wodurch Effekte wie Angst-Renewal erklärt werden können. Da in einem neuen Kontext die CS-no US-Assoziation nicht aktiviert wird, wird die Angst auch nicht gehemmt. Die Kontextabhängigkeit der CS-no US-Assoziation wurde in mehreren Studien belegt (Balooch & Neumann, 2011; Siavash Bandarian Balooch, Neumann, & Boschen, 2012; Culver, Stoyanova, & Craske, 2011; Kim & Richardson, 2009; Neumann & Kitlertsirivatana, 2010). Aktuell konzentriert sich die Forschung zur Therapie von Angststörungen auf die Frage, wie Angst reduziert und gleichzeitig ein Rückfall verhindert werden kann. Hierzu werden verschiedene Expositionsprotokolle untersucht, wie zum Beispiel (1) Exposition in mehreren Kontexten (multiple contexts exposure, MCE), um Renewal zu reduzieren (z.B. Balooch & Neumann, 2011); (2) verlängerte Exposition (prolonged exposure, PE), um die hemmende Assoziation während des Extinktionslernes zu stärken (z.B. Thomas, Vurbic, & Novak, 2009) und (3) Rekonsolidierungs-Updates (reconsolidation update, RU), die den Rekonsolidierungsprozess durch eine kurze Exposition des CS+ vor der eigentlichen Exposition aktualisieren sollen (Schiller et al., 2010). Bisher liegen jedoch nur sehr wenige Studien vor, die diese neuen Expositionsprotokolle an klinischen Stichproben untersucht haben, und - soweit bekannt - keine Studie, welche die Wirkmechanismen dieser Protokolle an einer klinischen Stichprobe erforscht. Die vorliegende Dissertation hat drei Ziele. Das erste Ziel besteht darin zu prüfen, ob Expositionstherapie in multiplen Kontexten die Wahrscheinlichkeit von Renewal reduziert. Das zweite Ziel ist die Untersuchung der Mechanismen, die dem Effekt der Exposition in multiplen Kontexten zugrunde liegen und das dritte ist den Kontext im Zusammenhang mit Konditionierung und Extinktion zu konzeptualisieren. Insgesamt wurden drei Studien durchgeführt. Die erste Studie untersuchte den Effekt von Exposition in multiplen Kontexten auf Renewal, die zweite und dritte Studie die Wirkmechanismen von MCE. In der ersten Studie wurden spinnenphobische Probanden (N = 30) viermal mit einer virtuellen Spinne konfrontiert. Die Expositionstrials wurden entweder in einem gleichbleibenden Kontext oder in vier verschiedenen Kontexten durchgeführt. Am Ende der Sitzung absolvierten alle Teilnehmer einen virtuellen Renewaltest, bei dem die virtuelle Spinne in einem neuen Kontext gezeigt wurde, und einen in vivo Verhaltensvermeidungstest (behavioral avoidance test, BAT) mit einer echten Spinne. Die Ergebnisse zeigten, dass Probanden, welche die vier Expositionstrials in unterschiedlichen Kontexten erfuhren, weniger Angst, sowohl im virtuellen Renewaltest als auch im BAT, erlebten. In dieser Studie konnte die Wirksamkeit von MCE für die Reduktion von Renewal erfolgreich nachgewiesen werden. Studie 2 (N = 35) untersuchte die Wirkmechanismen von MCE in einem differentiellen Konditionierungsparadigma. Die Extinktion wurde in multiplen Kontexten durchgeführt. Hierbei war das Ziel, eine ähnliche Verminderung von Renewal wie in Studie 1 nachzuweisen. Der Extinktion folgten zwei Tests, mit dem Ziel mögliche hemmende Effekte des Kontexts, die während der Extinktionsphase erworben wurden, aufzudecken. Bezüglich des Effektes von MCE wurden drei Hypothesen aufgestellt: (1) Der Extinktionskontext wird mit der Exposition assoziiert, fungiert folglich während der Extinktion als Sicherheitssignal und konkurriert daher mit dem Sicherheitslernen des CS. Dies führt zu einem verminderten Extinktionseffekt auf den CS, wenn die Extinktion nur in einem Kontext durchgeführt wird. (2) Die Elemente im Extinktionskontext (z.B. Raumfarbe, Möbel) stehen im Zusammenhang mit der CS-no US-Assoziation und erinnern daher an die Extinktion, was zu einer größeren Angsthemmung führt, wenn sie während eines Tests gezeigt werden. (3) Nach der emotionalen Prozesstheorie (emotional process theory; Bouton, 1994; Foa et al., 1996) bestimmen die Therapieprozessfaktoren die Stärke des Renewals. Beispielsweise korrelieren initiale Angstaktivierung, Aktivierung in und zwischen den Sitzungen mit der Stärke des Renewals. Jedoch waren in dieser Studie keine Unterschiede zwischen den Gruppen im Renewaltest zu beobachten, weswegen die Ergebnisse der zwei Nachtests nicht zu interpretieren sind. Das Ziel von Studie 3 (N = 61) war es, das Konzept des Kontexts im Rahmen von Konditionierung und Exposition zu definieren. In Studie 3 wurde das Auftreten der Generalisierungsabnahme (generalization decrement) genutzt, bei der eine konditionierte Reaktion infolge eines Kontextwechsels nur reduziert auftritt. Auf diesem Weg kann Kontextähnlichkeit quantifiziert werden. Nach einer Akquisitonsphase in einem Kontext wurden die Teilnehmer in einem von drei verschiedenen Kontexten getestet. Zwei dieser Kontexte unterschieden sich nur in einer Dimension (Anordnung der Objekte vs. Objekteigenschaften). Die dritte Gruppe wurde im Akquisitonskontext getestet und diente als Kontrollgruppe. Es fanden sich jedoch keine Unteschiede zwischen den Gruppen in den Testphasen. Eine mögliche Erklärung ist die Neuartigkeit des Testkontextes. Teilnehmer, die nach der Extinktion einem neuen Kontext ausgesetzt waren, erwarteten in einem anderen Kontext eine zweite Extinktionsphase und zeigten daher mehr statt weniger Angst als erwartet. / Renewal of fear is one form of relapse that occurs after successful therapy, resulting from an encounter with a feared object in a context different from the context of the exposure therapy. According to Bouton (1994), the return of fear, provoked by context change, indicates that the fear was not erased in the first place. More importantly, the return of fear indicates that during the exposure session a new association was learned that connected the feared object with “no fear”; yet, as Bouton further argues, this association is context dependent. Such dependence could explain effects like renewal. In a new context, the therapeutic association will not be expressed and thus will no longer inhibit the fear. The assumption that an association is context dependent has been tested and showed robust results (Balooch & Neumann, 2011; Siavash Bandarian Balooch, Neumann, & Boschen, 2012; Culver, Stoyanova, & Craske, 2011; Kim & Richardson, 2009; Neumann & Kitlertsirivatana, 2010). Research for the treatment of anxiety disorders, aiming to reduce fear and, more importantly, prevent relapse, is flourishing. There are several exposure protocols currently under investigation: multiple contexts exposure (MCE), which aims at reducing the return of fear due to renewal (e.g., Balooch & Neumann, 2011); prolonged exposure (PE), which aims at strengthening the inhibitory association during the extinction learning (e.g., Thomas, Vurbic, & Novak, 2009); and reconsolidation update (RU), which aims at “updating” the reconsolidation process by briefly exposing the CS+ before the actual extinction takes place (Schiller et al., 2010). So far, however, few clinical studies conducted on humans have investigated these novel treatment protocols, and as far as I know none has investigated the mechanisms of action behind these protocols with a human clinical sample. The present thesis has three main goals. The first is to demonstrate that exposure therapy in multiple contexts reduces the likelihood of renewal. The second is to examine the mechanisms contributing to the effect of MCE and the third is to shed light on the concept of context in the framework of the conditioning and extinction paradigm. To this end, three studies were conducted. The first study investigated the effect of MCE on renewal, the second and third studies examined working mechanisms of MCE. In the first study thirty spider-phobic participants were exposed four times to a virtual spider. The exposure trials were conducted either in one single context or in four different contexts. Finally, all participants completed both a virtual renewal test, with the virtual spider presented in a novel virtual context, and an in vivo behavioral avoidance test with a real spider. This study successfully demonstrated the efficacy of MCE on reducing renewal. Study 2 investigated the working mechanisms behind MCE by utilizing a differential conditioning paradigm and conducting the extinction in multiple contexts, targeting similar renewal attenuation as achieved in study 1. This was followed by two tests that attempted to reveal extinction-relevant associations like ones causing context inhibitory effects. This study had three main hypotheses: (1) The extinction context is associated with the exposure, and thus operates as a safety signal at some point during the extinction; it will therefore compete with the safety learning of the CS, leading to a decreased extinction effect on the CS if the extinction is conducted in only one context. (2) The elements (e.g., room color, furniture) of the extinction context are connected to the therapeutic association and therefore should serve as reminders of the extinction, causing a stronger fear inhibition when presented during a test. (3) Therapy process factors, according to emotional processing theory, determine the renewal effect (e.g., initial fear activation, and within-session and between-session activation are correlated with the strength of renewal). In this study, however, no differences between the groups at the renewal phase were observed, presumably because the extinction was too strong to enable a renewal of fear at the test phase conducted immediately following the extinction. This hence rendered the two inhibitory tests useless. Study 3 aimed at defining the concept of context in the conditioning and exposure framework. Study 3 utilized the phenomenon known as generalization decrement, whereby a conditioned response is reduced due to change in the environment. This allowed context similarity to be quantified. After an acquisition phase in one context, participants were tested in one of three contexts, two of which differed in only one dimension (configuration of objects vs. features). The third group was tested in the same context and served as control group. The goal was to show that both configuration and features play an important role in the definition of context. There was, however, no significant statistical difference between the groups at the test phases, likely because of context novelty effects (participants exposed to a new context following extinction in another context expected a second extinction phase, and thus demonstrated greater fear than expected in all three groups).

Abstract Tobacco addiction is considered as a chronic relapsing disorder, characterized by compul-sive drug seeking and intake. Learning processes are stressed to account for the situational-specific expression of core features of the disorder, e.g., craving for drug, tolerance and ex-cessive consumption. According to incentive theories, smoke conditioned stimuli are hy-pothesized to be appetitive in nature, promoting craving, approach and consummatory be-havior. Commonly, smoking cues are treated as simple excitatory conditioned stimuli formed by a close and reliable overlap with the drug effect. However, the smoking ritual comprises a multitude of stimuli which may give rise to different forms of learning and con-ditioned responses partially opposing each other. Previous research suggests the predictive content and the temporal proximity of smoking stimuli to the drug effect as important de-terminants of cue reactivity. In contrast to stimuli related to the preparatory stage of smok-ing and the start of consumption (BEGIN stimuli), stimuli from the terminal stage of smok-ing (END stimuli) apparently lack high cue reactivity. Several lines of evidence suggest the poor cue properties of terminal stimuli to be related to their signaling of poor smoke availa-bility. Indeed, cue reactivity is commonly decreased when smoking appears to be unavaila-ble. Moreover, the learning literature suggests that stimuli predictive for the non-availability of reward may acquire the capacity to modulate or oppose the responses of ex-citatory conditioned stimuli. Therefore, the aim of the present thesis was to enhance our knowledge of stimulus control in human drug addiction and incentive motivation by running a series of conditioning studies with smoke intake and monetary reward as reinforcer. Sub-jective report and physiological measures of motivational valence and consummatory re-sponse tendencies were used as dependent variables. The first experiment of this thesis used a differential conditioning paradigm to reveal evi-dence for the conditioning of preparatory and consummatory responses to a CS+ for smok-ing. Neutral pictograms served as CSs and single puffs on a cigarette as US. In line with the predictions of incentive theories, the excitatory CS+ for smoking acquired the ability to evoke an appetitive conditioned response, as indicated by enhanced activity of the M. zy-gomaticus major. Moreover, anticipation of puffing on the cigarette increased the activity of the M. orbicularis oris (lip muscle), indicating the activation of consummatory response tendencies. Finally, the CS+ evoked stronger skin conductance responses, indicative of in-creased autonomic arousal and orienting in preparation for action. In contrast, the rating data were apparently unaffected by the experimental contingency. In sum, the physiological data provide support for the notion that excitatory smoke conditioning gives rise to appeti-tive and consummatory conditioned responses, which may at least partially contribute to the maintenance of tobacco addiction. The second experiment of this thesis adapted the conditioning protocol of the first study to probe the functional significance of terminal stimuli in the control of addictive behavior. This study manipulated the predictive relationship of BEGIN and END stimuli to smoke rein-forcement to provide further support for the differential reactivity to both stimuli and the retarded (i.e., delayed) conditioning of END stimuli. Overall, the results of the first study of this thesis were conceptually replicated as the association of a BEGIN stimulus with smoke intake resulted in the acquisition of appetitive and consummatory physiological responses. Importantly, the results revealed evidence for a retarded excitatory conditioning of END stimuli. Thus, pairing of an END stimulus with smoke intake failed to produce a conditioned discrimination in terms of motivational valence and autonomic arousal, as indicated by the activity of the M. corrugator supercilii and the skin conductance data. These results provide further support for the notion that END stimuli may be weak cues for smoking. Moreover, in light of the results of the first study of this thesis, the retarded excitatory conditioning of terminal stimuli may be suggestive of an inhibitory response component, which may be re-lated to their signaling of poor smoke availability. In sum, these results add to a growing body of data, which suggest that the expression of cue reactivity may be modulated by the temporal proximity and the availability of the drug effect. The aim of the third study of this thesis was to provide “proof of concept” for an inhibi-tory conditioning notion of terminal stimuli. In this analog study BEGIN and END stimuli were emulated as discriminative SD and S for monetary reward. During an acquisition phase conditioned inhibition was established to the S predictive of the non-availability of re-ward. Subsequently a retardation test was used to substantiate conditioned inhibition. In this test, excitatory conditioning of the previous S was compared to the excitatory condi-tioning of a novel control stimulus. Importantly, the results revealed evidence for reward conditioned inhibition as indicated by the retarded acquisition of subjective (pleasure and reward expectancy) and physiological (skin conductance and activity of the M. orbicularis oculi) responses. In sum, these results provide support for the notion that stimuli predictive for the non-availability of reward may acquire the capacity to oppose the responses of ex-citatory conditioned stimuli. Thus, future research may benefit from the consideration of inhibitory conditioning processes in drug addiction, which may be of theoretical, methodo-logical and clinical importance. In sum, the present thesis revealed evidence for 1) an appetitive nature of excitatory condi-tioned smoking cues, 2) the dependency of this learning process on the temporal position of the conditioned stimuli in the intake ritual and 3) the acquisition of conditioned inhibition by a stimulus predictive for the non-availability of reward, as evident in retarded excitatory conditioning. Overall, these studies made a novel contribution to the field of human drug addiction and incentive motivation and provided valuable suggestions for further research. / Zusammenfassung Tabakabhängigkeit wird als eine chronische Störung betrachtet, die durch exzessives dro-gensuchendes und -konsumierendes Verhalten gekennzeichnet ist. Lernprozesse werden zur Erklärung der Situationsspezifität zentraler Merkmale einer Abhängigkeit (z.B. Craving, Tole-ranz und übermäßiger Konsum) herangezogen. Anreiztheorien postulieren, dass konditio-nierte Rauchreize appetitiv sind, ein Verlangen zu konsumieren hervorrufen sowie Annähe-rungs- und konsummatorische Reaktionen induzieren. Gewöhnlich werden Rauch-Cues als einfache, exzitatorisch konditionierte Reize aufgefasst, die durch eine enge und reliable Überlappung mit der Drogenwirkung entstehen. Das Rauchritual beinhaltet allerdings eine Vielzahl von Reizen, die vermutlich unterschiedliche Lernformen begünstigen und dadurch teils einander entgegengesetzte konditionierte Reaktionen hervorrufen können. Die bisheri-ge Forschung legt nahe, dass die zeitliche Nähe und der prädiktive Wert von Reizen hinsicht-lich der Drogenwirkung die Cue-Reaktivität entscheidend beeinflussen. Im Gegensatz zu Reizen aus der präparatorischen Phase des Rauchrituals und solchen vom Konsumbeginn (Anfangsreize) lösen Reize aus der Endphase des Konsums (Endreize) nur geringe Cue-Reaktivität aus. Verschiedene Befunde legen nahe, dass die schwache Cue-Wirkung von End-reizen mit der wahrgenommenen Verfügbarkeit der Droge(nwirkung) zusammenhängt. So ist die Cue-Reaktivität gewöhnlich reduziert, wenn keine Möglichkeit zum Konsum besteht. Zudem legt die Lernliteratur nahe, dass Reize, die die Nicht-Verfügbarkeit einer Belohnung vorhersagen die Fähigkeit erwerben, exzitatorisch konditionierten Reaktionen entgegenzu-wirken. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es somit, unser Verständnis der Reizabhängig-keit süchtigen Verhaltens und der zugrundeliegenden motivationalen Prozesse zu erweitern. Dazu wurde eine Reihe von Konditionierungsstudien mit Rauchaufnahme und Geldgewinn als Verstärker durchgeführt. Als abhängige Variablen wurde der Selbstbericht der Proban-den sowie physiologische Maße motivationaler Valenz und konsummatorischer Reaktions-tendenzen erfasst. Im ersten Experiment dieser Arbeit wurde ein differentielles Konditionierungsparadigma ver-wendet, um den Nachweis zu erbringen, dass ein CS+ für Rauchen präparatorische und kon-summatorische Reaktionen hervorruft. Dabei wurden neutrale Symbole als konditionierte Reize verwendet und einzelne Züge an einer Zigarette als US. In Übereinstimmung mit den Vorhersagen von Anreiztheorien löste der exzitatorische CS+ eine appetitive konditionierte Reaktion aus, die sich in einer erhöhten Aktivität des M. zygomaticus major zeigte. Zudem war die Aktivität des M. orbicularis oris (Lippenmuskel) erhöht, was für die Aktivierung kon-summatorischer Reaktionstendenzen spricht. Schließlich rief der CS+ eine erhöhte Haut-leitfähigkeitsreaktion hervor, die eine Orientierungsreaktion und erhöhte autonome Reak-tivität im Rahmen der Handlungsvorbereitung anzeigt. Die experimentelle Kontingenz spie-gelte sich jedoch nicht in den Reizbewertungen wieder. Insgesamt stützen die physiologi-schen Befunde die Auffassung, dass exzitatorisch konditionierte Rauchreize appetitive und konsummatorische Reaktionen auslösen, die zur Aufrechterhaltung einer Tabakabhängig-keit beitragen können. Im zweiten Experiment wurde das Konditionierungsparadigma der ersten Studie adaptiert. Ziel des Experiments war es, die funktionellen Auswirkungen von Endreizen auf verschiedene Parameter abhängigen Verhaltens zu untersuchen. In der Studie wurde der prädiktive Gehalt von Anfangs- und Endreizen experimentell manipuliert, indem die Reize entweder als CS+ oder als CS- (und umgekehrt) mit Rauchen gepaart wurden. Zum einen sollten dadurch bis-herige Befunde erweitert werden, die zeigen, dass beide Reize unterschiedliche Reaktionen auslösen. Zum anderen sollte der Nachweis einer verlangsamten exzitatorischen Konditio-nierung von Endreizen erbracht werden. Insgesamt konnten die Ergebnisse der ersten Studie der vorliegenden Arbeit konzeptuell repliziert werden. So lösten Anfangsreize appetitive und konsummatorische physiologische Reaktionen aus, wenn sie mit Rauchen gepaart wurden. Wichtiger jedoch war der Befund einer verlangsamten exzitatorischen Konditionierung von Endreizen, wie er sich in Maßen motivationaler Valenz (M. corrugator supercilii) und auto-nomer Erregung (Hautleitfähigkeitsreaktionen) zeigte. Diese Befunde stützen die Auffas-sung, dass Endreize nur eine schwache Cue-Wirkung besitzen. In der Zusammenschau mit den Befunden der ersten Studie sprechen die Ergebnisse andeutungsweise dafür, dass End-reize eine inhibitorische Reaktionskomponente besitzen. Diese könnte damit in Zusam-menhang stehen, dass die wahrgenommene Verfügbarkeit der Droge(nwirkung) im Falle von Endreizen reduziert ist. Insgesamt gliedern sich die Befunde gut in eine Reihe von Studien ein, die nahelegen, dass Cue-Reaktivität durch die zeitliche Nähe und die Verfügbarkeit der Drogenwirkung moduliert wird. Das Ziel der dritten Studie war es einen inhibitorischen Konditionierungsansatz zur Entste-hung von Endreizen konzeptuell zu überprüfen. In einer Analogstudie wurden Anfangs- und Endreize als diskriminative Hinweisreize SD bzw. S für einen Geldgewinn modelliert. In einer Akquisitionsphase wurde der S, der die Nicht-Verfügbarkeit eines Gewinns signalisierte, als konditionierter Hemmreiz etabliert. Anschließend wurde ein Retardationstest zum Nach-weis konditionierter Hemmung durchgeführt. In diesem Test wurde die exzitatorische Kon-ditionierung des ehemaligen S mit der exzitatorischen Konditionierung eines neuen Kon-trollreizes verglichen. Dabei konnte konditionierte Hemmung in Form einer verlangsamten exzitatorischen Konditionierung subjektiver (positiver Affekt und Belohnungserwartung) und physiologischer (Hautleitfähigkeitsreaktionen und Aktivität des M. orbicularis oculi) Reaktionen nachgewiesen werden. Insgesamt stützen diese Befunde die Auffassung, dass Reize, die die Nicht-Verfügbarkeit einer Belohnung vorhersagen die Fähigkeit erwerben, exzitatorisch konditionierten Reaktionen entgegenzuwirken. Die weitere Suchtforschung könnte somit von einer stärkeren Berücksichtigung konditionierte Hemmprozesse sowohl hinsichtlich der Theorienbildung als auch in methodischer und klinischer Hinsicht profitie-ren. Insgesamt hat die vorliegende Arbeit gezeigt, dass 1) exzitatorisch konditionierte Rauchrei-ze eine appetitive Wirkung entfalten, 2) dieser Lernprozess von der zeitlichen Stellung der konditionierten Reize im Konsumritual abhängig ist und 3) Reize, die prädiktiv für die Nicht-Verfügbarkeit einer Belohnung sind als konditionierte Hemmreize fungieren können, was sich in einer verlangsamten exzitatorischen Konditionierung wiederspiegelt. Die vorliegende Arbeit erbrachte einen neuen Beitrag im Bereich der Sucht- und Motivationsforschung sowie mehrere Anknüpfungspunkte für zukünftige Forschungsvorhaben.

Anxiety is an affective state characterized by a sustained, long-lasting defensive response, induced by unpredictable, diffuse threat. In comparison, fear is a phasic response to predictable threat. Fear can be experimentally modeled with the help of cue conditioning. Context conditioning, in which the context serves as the best predictor of a threat due to the absence of any conditioned cues, is seen as an operationalization of sustained anxiety. This thesis used a differential context conditioning paradigm to examine sustained attention processes in a threat context compared to a safety context for the first time. In three studies, the attention mechanisms during the processing of contextual anxiety were examined by measuring heart rate responses and steady-state-visually evoked potentials (ssVEPs). An additional focus was set on the processing of social cues (i.e. faces) and the influence of contextual information on these cues. In a last step, the correlates of sustained anxiety were compared to evoked responses by phasic fear, which was realized in a previously established paradigm combining predictable and unpredictable threat. In the first study, a contextual stimulus was associated with an aversive loud noise, while a second context remained unpaired. This conditioning paradigm created an anxiety context (CTX+) and a safety context (CTX-). After acquisition, a social agent vs. an object was presented as a distractor in both contexts. Heart rate and cortical responses, with ssVEPs by using frequency tagging, to the contexts and the distractors were assessed. Results revealed enhanced ssVEP amplitudes for the CTX+ compared to the CTX− during acquisition and during presentation of distractor stimuli. Additionally, the heart rate was accelerated in the acquisition phase, followed by a heart rate deceleration as a psychophysiological marker of contextual anxiety. Study 2 used the same context conditioning paradigm as Study 1. In contrast to the first study, persons with different emotional facial expressions were presented in the anxiety and safety contexts in order to compare the differential processing of these cues within periods of threat and safety. A similar anxiety response was found in the second study, although only participants who Abstract VIII were aware of the contingency between contexts and aversive event showed a sensory amplification of the threat context, indicated by heart rate response and ssVEP activation. All faces irrespective of their emotional expression received increased attentional resources when presented within the anxiety context, which suggests a general hypervigilance in anxiety contexts. In the third study, the differentiation of predictable and unpredictable threat as an operationalization of fear and anxiety was examined on a cortical and physiological level. In the predictable condition, a social cue was paired with an aversive event, while in the unpredictable condition the aversive event remained unpaired with the respective cue. A fear response to the predictable cue was found, indicated by increased oscillatory response and accelerated heart rate. Both predictable and unpredictable threat yielded increased ssVEP amplitudes evoked by the context stimuli, while the response in the unpredictable context showed longer-lasting ssVEP activation to the threat context. To sum up, all three studies endorsed anxiety as a long-lasting defensive response. Due to the unpredictability of the aversive events, the individuals reacted with hypervigilance in the anxiety context, reflected in a facilitated processing of sensory information and an orienting response. This hypervigilance had an impact on the processing of novel cues, which appeared in the anxiety context. Considering the compared stimuli categories, the stimuli perceived in a state of anxiety received increased attentional resources, irrespective of the emotional arousal conveyed by the facial expression. Both predictable and unpredictable threat elicited sensory amplification of the contexts, while the response in the unpredictable context showed longer-lasting sensory facilitation of the threat context. / Angst wird als ein langanhaltender Zustand, induziert durch eine unvorhersehbare, diffuse Bedro-hung, gesehen. Furcht hingegen wird als eine kürzere Reaktion auf einen spezifischen Bedrohungsreiz definiert. Diese phasische Reaktion kann durch Furchtkonditionierung induziert werden. Bei der Kontextkonditionierung hingegen wird durch die Abwesenheit vorhersagender Hinweisreize der Kontext zum besten Prädiktor für den aversiven Reiz und induziert dadurch eine chronische Erwartung der Bedrohung und einen langanhaltenden Angstzustand. Diese Promotionsarbeit präsentiert ein neu angepasstes differentielles Kontextkonditionierungspara-digma, welches implementiert wurde, um ein kontinuierliches Maß langanhaltender Angst im Be-drohungskontext zu erhalten. In drei Studien wurden Aufmerksamkeitsmechanismen mittels Erhebung von Herzrate und steady-state visuell evozierte Potentiale (ssVEPs) untersucht. Ein zusätzlicher Fokus lag in der Verarbeitung von sozialen Reizen (d.h. Gesichtern) und dem Einfluss von kontextuellen Informationen. Zusätzlich wurden mittels eines bereits etablierten Paradigma, welches die Vorhersagbarkeit von Bedrohungsreizen moduliert, die elektrokortikalen und physiologischen Korrelate von Angst mit Furchtreaktionen verglichen. In der ersten Studie wurde ein Kontextstimulus mit einem aversiven lauten unvorhersagbaren Geräusch assoziiert, während ein zweiter Kontextstimulus ungepaart blieb. In diesem differenti-ellen Paradigma entstanden so ein Angstkontext (CTX+) und ein Sicherheitskontext (CTX-). Nach der Akquisition wurden ein sozialer Agent und ein Objekt als Distraktoren in beiden Kontexten präsentiert. Die Herzrate und die kortikale Aktvierung mittels ssVEPs in Reaktion auf beide Kontexte und beide Distraktoren wurden gemessen. Die Ergebnisse zeigten erhöhte ssVEP-Amplituden in Reaktion auf den CTX+ im Vergleich zum CTX- während der Akquisitionsphase und der simultanen Präsentation der Distraktoren. Diese langanhaltende Angstreaktion wurde unterstützt durch Befunde von einer Akzeleration der Herzrate während der Konditionierungsphase und einer darauffolgenden Dezeleration im Angstkontext. Studie 2 verwendete dasselbe Kontextkonditionierungsparadigma wie die erste Studie, allerdings wurden hier Personen mit unterschiedlichen emotionalen Gesichtsausdrücken als Distraktoren Zusammenfassung X im Angst- und Sicherheitskontext präsentiert, um die differentielle Verarbeitung von emotionalen Reizen innerhalb von Phasen der Angst und Sicherheit zu untersuchen. Es konnte eine ähnliche Angstreaktion wie in der ersten Studie nachgewiesen werden, allerdings zeigte sich diese nur bei den kontingenzbewussten Probanden, die den Zusammenhang zwischen den aversiven Konse-quenzen und den beiden Kontexten richtig wiedergeben konnten. Sie zeigte sich in einer sensorischen Verstärkung des CTX+, abgeleitet durch Herzrate und ssVEP-Aktivierung. Alle Gesichter, unabhängig ihres emotionalen Gehalts, evozierten verstärkte Aufmerksamkeitsres-sourcen im CTX+, was auf eine generelle Hypervigilanz in Angstkontexten hindeutet. In der dritten Studie wurde die Differenzierung von vorhersagbarer und unvorhersagbarer Be-drohung, als Operationalisierung von Furcht und Angst, auf kortikaler und physiologischer Ebene untersucht. In der vorhersagbaren Bedingung wurde ein sozialer Reiz mit einem aversiven Ereignis gepaart; in der unvorhersagbaren Bedingung wurde dieses aversive Ereignis zufällig prä-sentiert. Eine Furchtreaktion auf den vorhersagbaren Reiz konnte mit erhöhten ssVEP-Amplituden sowie einer erhöhten Herzrate gezeigt werden. Sowohl die vorhersagbare als auch die unvorhersagbare Bedrohung lösten eine sensorische Verstärkung der Kontexte gegenüber der Sicherheitsbedingung aus, wobei die Reaktion auf den unvorhersagbaren Kontext eine länger an-dauernde ssVEP-Aktivierung beinhaltete. Die Ergebnisse von den drei Studien konnten Angst als eine langanhaltende defensive Reaktion bestätigen. Aufgrund der Unvorhersagbarkeit der aversiven Ereignisse reagieren Individuen mit einer erhöhten Wachsamkeit im Angstkontext, gezeigt in einer erleichterten Verarbeitung von sensorischer Information und einer Orientierungsreaktion. Diese erhöhte Wachsamkeit hatte auch einen Einfluss auf die Verarbeitung von neuen Reizen, welche im Angstkontext erschienen. Abhängig von den Vergleichsstimuli, erhielten Stimuli die im Angstkontext wahrgenommen wurden, erhöhte Aufmerksamkeitsressourcen, unabhängig vom emotionalen Gehalt der Gesichter. Sowohl vorhersagbare als auch unvorhersagbare Bedrohungen förderten eine ver-stärkte sensorische Verarbeitung der Kontexte, während diese im Angst- im Gegensatz zum Furchtkontext länger andauerte.

Bei der Entstehung und Aufrechterhaltung von Furcht und Angsterkrankungen stellt, neben der Furchtkonditionierung, die Generalisierung der konditionierten Furcht einen wesentlichen Mechanismus dar. Die der Generalisierung zugrunde liegenden psychologischen und biologischen Prozesse sind jedoch beim Menschen bisher nur wenig untersucht. Ziel dieser Arbeit war, anhand eines neu entwickelten experimentellen Paradigmas den Einfluss eines psychometrisch bestimmbaren angstspezifischen Faktors sowie der mit Furcht und Angst assoziierten Genotypen Stathmin1, COMT Val158Met und BDNF Val66Met auf die Furchtkonditionierung und Generalisierung konditionierter Furcht zu untersuchen und somit mögliche Risikofaktoren für die Entstehung von Angsterkrankungen zu bestimmen. Hierfür wurden N = 126 gesunde Versuchspersonen (n = 69 weiblich; mittleres Alter M = 23.05, SD = 3.82) für die genannten Polymorphismen genotypisiert und zu ängstlichen und affektiven Symptomen befragt. In einer Akquisitionsphase wurden den Probanden zwei neutrale weibliche Gesichter präsentiert (CS), von denen eines mit einem Schrei sowie einem ängstlichen Gesichtsausdruck (UCS) gepaart wurde. Der sich anschließende Generalisierungstest erfolgte anhand von vier Gesichtern, die in der Ähnlichkeit zwischen den beiden CS schrittweise übergingen. Die Furchtreaktion wurde über die Bewertung von Valenz, Arousal und Kontingenzerwartung sowie über die Hautleitfähigkeitsreaktion (SCR) erfasst. Die Analyse der Fragebögen anhand einer Hauptachsenanalyse und anhand von Strukturgleichungsmodellen erbrachte eine zweifaktorielle Lösung, die die Konstrukte Depression und Angst abbildete. Nur der Faktor Angst war mit einer veränderten Furchtkonditionierung und Furchtgeneralisierung assoziiert: Hoch Ängstliche zeigten eine stärkere konditionierte Furchtreaktion (Arousal) und wiesen eine stärkere Generalisierung der Valenzeinschätzung und Kontingenzerwartung auf. Für den Stathmin1 Genotyp ergaben sich geschlechtsspezifische Effekte. Bei den männlichen Versuchspersonen zeigte sich in Folge der Akquisition ein stärkerer Abfall der Valenz für den CS+ in der Gruppe der Stathmin1 T Allelträger, die ebenfalls eine stärkere Generalisierung der Furchtreaktion, abgebildet in allen verbalen Maßen, aufwiesen. Ein gegenteiliger Befund ergab sich für die Gruppe der Frauen, insofern eine mit dem Stathmin1 C Allel assoziierte höhere Generalisierung der Valenz, des Arousals und der Kontingenzerwartung festgestellt werden konnte. Für den COMT Val158Met Genotyp ergaben sich keine Einflüsse auf die Akquisition der konditionierten Furcht. Für Träger des COMT 158Val Allels zeigte sich jedoch eine stärkere Generalisierung der Valenz und der Kontingenzerwartung. Auch für den BDNF Val66Met Genotyp konnte keine Veränderung der Furchtakquisition beobachtet werden. Es ergaben sich jedoch Hinweise auf eine erhöhte Generalisierung der Kontingenzerwartung in der Gruppe der BDNF 66Val Homozygoten. Für keinen der beschriebenen Faktoren konnte ein Einfluss auf die Furchtkonditionierung oder deren Generalisierung anhand der SCR abgebildet werden. Unsere Ergebnisse weisen auf einen psychometrisch erfassbaren Faktor und genetische Einflüsse hin, die über den Prozess einer stärkeren Generalisierung der konditionierten Furcht das Risiko für die Entstehung von Angsterkrankungen erhöhen können. Jedoch sollten die Befunde in größeren Stichproben repliziert werden. Neben der frühzeitigen Identifikation von Risikofaktoren sollten in zukünftigen Studien darüber hinaus wirksame Maßnahmen zur Prävention und Intervention entwickelt werden, um diesem Risiko entgegen zu wirken. / Besides fear-conditioning the generalization of conditioned fear plays a central role in the pathogenesis and maintanance of fear and anxiety disorders. However, the basic psychological and biological processes of generalization in humans are rarely investigated. The aim of this work was the development of a new experimental paradigm to investigate the influence of a psychometric anxiety-specific factor, as well as of the genotypes Stathmin1, COMT val158met and BDNF val66met, that are associated with fear and anxiety, on fear-conditioning and fear-generalization, and accordingly to identify potential risk factors for the development of anxiety disorders. A sample of N =126 healthy subjects (n = 69 female; mean age M = 23.05, SD = 3.82) were genotyped for the mentioned polymorphisms and were assessed for anxious and affective symptoms. In an acquisition part two neutral female faces were presented (CS), one of them was paired with a scream and an anxious emotional expression (UCS). For the following generalization test four faces were provided that transformed step-by-step in perceptual similarity between the CS. The fear reaction was assessed by ratings of valence, arousal and contingency expectation as well as by the measurement of skin conductance response (SCR). The evaluation of the questionnaires by means of a factor analysis and by structural equation models provided a two factor solution, representing the constructs depression and anxiety. Variations in fear-conditioning and fear-generalization were solely associated with the anxiety factor: High anxious subjects exhibited a stronger conditioned fear reaction (arousal) and a stronger generalization in measures of valence and UCS-expectancy. Gender specific effects were found for the stathmin1 genotype. Male carrieres of the T allele exhibited a stronger decrease in ratings of CS+ valence as well as a stronger generalization of the fear reaction indicated by all rating measures. The female subgroup showed contrary results with an association of the stathmin1 C allele with higher generalization of valence, arousal and UCS-expectancy. We found no influence of the COMT val158met polymorphism on the acquisition of conditioned fear. However, carriers of the COMT 158val allele exhibited a stronger generalization of valence and UCS-expectancy. No changes in fear acquisition were observed in relation to the BDNF val66met genotype, too. However, we found evidence for a higher generalization of UCS-expectancy in the subgroup of BDNF 66val homozygotes. No influence of the above mentioned factors on fear-conditioning and generalization could be represented by means of SCR measures. Our results point to a psychometric factor and genetic influences associated with an elevated risk to develop anxiety disorders by the process of a stronger generalization of conditioned fear. However, the results need to be replicated in larger samples. Beside an early identification of risk factors, future studies should also develop effective prevention and intervention procedures to counteract this risk.

In situations of real threat, showing a fear reaction makes sense, thus, increasing the chance to survive. The question is, how could anybody differentiate between a real and an apparent threat? Here, the slogan counts “better safe than sorry”, meaning that it is better to shy away once too often from nothing than once too little from a real threat. Furthermore, in a complex environment it is adaptive to generalize from one threatening situation or stimulus to another similar situation/stimulus. But, the danger hereby is to generalize in a maladaptive manner involving as it is to strong and/or fear too often “harmless” (safety) situations/stimuli, as it is known to be a criterion of anxiety disorders (AD). Fear conditioning and fear generalization paradigms are well suited to investigate fear learning processes. It is remarkable that despite increasing interest in this topic there is only little research on fear generalization. Especially, most research on human fear conditioning and its generalization has focused on adults, whereas only little is known about these processes in children, even though AD is typically developing during childhood. To address this knowledge gap, four experiments were conducted, in which a discriminative fear conditioning and generalization paradigm was used. In the first two experiments, developmental aspects of fear learning and generalization were of special interest. Therefore, in the first experiment 267 children and 285 adults were compared in the differential fear conditioning paradigm and generalization test. Skin conductance responses (SCRs) and ratings of valence and arousal were obtained to indicate fear learning. Both groups displayed robust and similar differential conditioning on subjective and physiological levels. However, children showed heightened fear generalization compared to adults as indexed by higher arousal ratings and SCRs to the generalization stimuli. Results indicate overgeneralization of conditioned fear as a developmental correlate of fear learning. The developmental change from a shallow to a steeper generalization gradient is likely related to the maturation of brain structures that modulate efficient discrimination between threatening and (ambiguous) safety cues. The question hereby is, at which developmental stage fear generalization gradients of children adapt to the gradients of adults. Following up on this question, in a second experiment, developmental changes in fear conditioning and fear generalization between children and adolescents were investigated. According to experiment 1 and previous studies in children, which showed changes in fear learning with increasing age, it was assumed that older children were better at discriminating threat and safety stimuli. Therefore, 396 healthy participants (aged 8 to 12 years) were examined with the fear conditioning and generalization paradigm. Again, ratings of valence, arousal, and SCRs were obtained. SCRs indicated differences in fear generalization with best fear discrimination in 12-year-old children suggesting that the age of 12 years seems to play an important role, since generalization gradients were similar to that of adults. These age differences were seen in boys and girls, but best discrimination was found in 12-year-old boys, indicating different development of generalization gradients according to sex. This result fits nicely with the fact that the prevalence of AD is higher in women than in men. In a third study, it was supposed that the developmental trajectory from increased trait anxiety in childhood to manifest AD could be mediated by abnormal fear conditioning and generalization processes. To this end, 394 children aged 8 to 12 years with different scores in trait anxiety were compared with each other. Results provided evidence that children with high trait anxiety showed stronger responses to threat cues and impaired safety signal learning contingent on awareness as indicated by arousal at acquisition. Furthermore, analyses revealed that children with high trait anxiety showed overall higher arousal ratings at generalization. Contrary to what was expected, high trait anxious children did not show significantly more fear generalization than children with low trait anxiety. However, high-trait-anxious (HA) participants showed a trend for a more linear gradient, whereas moderate-trait-anxious (MA) and low-trait-anxious (LA) participants showed more quadratic gradients according to arousal. Additionally, after controlling for age, sex and negative life experience, SCR to the safety stimulus predicted the trait anxiety level of children suggesting that impaired safety signal learning may be a risk factor for the development of AD. Results provide hints that frontal maturation could develop differently according to trait anxiety resulting in different stimuli discrimination. Thus, in a fourth experiment, 40 typically developing volunteers aged 10 to 18 years were screened for trait anxiety and investigated with the differential fear conditioning and generalization paradigm in the scanner. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) were used to identify the neural mechanisms of fear learning and fear generalization investigating differences in this neural mechanism according to trait anxiety, developmental aspects and sex. At acquisition, HA participants showed reduced activation in frontal brain regions, but at generalization, HA participants showed an increase in these frontal regions with stronger linear increase in activation with similarity to CS+ in HA when compared to LA participants. This indicates that there is a hyper-regulation in adolescents to compensate the higher difficulties at generalization in form of a compensatory mechanism, which decompensates with adulthood and/or may be collapsed in manifest AD. Additionally, significant developmental effects were found: the older the subjects the stronger the hippocampus and frontal activation with resemblance to CS+, which could explain the overgeneralization of younger children. Furthermore, there were differences according to sex: males showed stronger activation with resemblance to CS+ in the hippocampus and frontal regions when compared to females fitting again nicely with the observation that prevalence rates for AD are higher for females than males. In sum, the studies suggest that investigating developmental aspects of (maladaptive) overgeneralization may lead to better understanding of the mechanisms of manifest anxiety disorders, which could result in development and provision of prevention strategies. Although, there is need for further investigations, the present work gives some first hints for such approaches. / Im Angesicht realer Bedrohung macht es durchaus Sinn, eine Furchtreaktion zu zeigen, denn dadurch kann die Überlebenschance erhöht werden. Die aufkommende Frage hierbei lautet: wie kann man eine “echte” Gefahr von einer “Attrappe” unterscheiden? Hier gilt der Spruch: besser einmal zu viel (Angst), als einmal zu wenig. Es macht also in einer komplexen Umwelt durchaus Sinn, von einer bestimmten Situation oder Gefahrenquelle auf eine andere, dieser ähnlichen, zu generalisieren. Dies birgt allerdings die Gefahr, zu stark zu generalisieren und/oder zu oft vor “harmlosen” Situationen oder Dingen Angst zu haben, wie uns das von den Angststörungen her bekannt ist. Furchterwerb und -generalisierung lassen sich mithilfe von Furchtkonditionierungs- und Generalisierungsparadigmen untersuchen. In Anbetracht der Tatsache, dass Furchtlernen und Furchtgeneralisierung wichtige Rollen in der Entwicklung von Angsterkrankungen zu spielen scheinen, ist es verwunderlich, dass es, trotz zunehmenden Interesses, nur wenig Forschung im Bereich Furchtgeneralisierung gibt. Die meisten Humanstudien hierzu wurden mit erwachsenen Probanden durchgeführt, wohingegen nur sehr wenig über diese Prozesse im Kindesalter bekannt ist. Um diese Wissenslücke etwas zu schließen, wurden in dieser vorliegenden Arbeit vier Studien generiert, in welchen ein differenzielles Furchtkonditionierungs- und Generalisierungsparadigma zum Einsatz kam. In den ersten beiden Experimenten standen Entwicklungsaspekte des Furchterwerbs und der Furchtgeneralisierung im Fokus. In der ersten Studie haben wir deshalb 267 Kinder und 285 Erwachsene mit dem differenziellen Furchtkonditionierungs- und Generalisierungsparadigma untersucht und bezüglich Valenz, Arousal und Hautleitfähigkeitsreaktion verglichen. Während beide Gruppen vergleichbare Konditionierungseffekte aufwiesen, zeigten die Kinder eine stärkere Generalisierung. Dies machte sich sowohl im Arousal als auch in der Hautleitfähigkeit bemerkbar. Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass eine Entwicklung von einem flachen hin zu einem steileren Generalisierungsgradienten möglicherweise auf die Reifung bestimmter Hirnstrukturen zurückzuführen ist, die die effektive Diskriminierung zwischen gefährlichen und (vermeintlich) ungefährlichen Reizen modulieren. Die Frage schließt sich an, in welchem Entwicklungsstadium sich die Generalisierungsgradienten von Kindern denen der Erwachsenen angleichen. Um dieser Frage weiter nachzugehen wurden in der zweiten Studie entwicklungsbedingte Veränderungen der Furchtkonditionierung und -generalisierung bei Kindern und Jugendlichen untersucht. Laut dem ersten Experiment und weiteren Studien, die auf altersbedingte Veränderungen im Furchtlernen hinweisen, lag hier die Annahme zugrunde, dass Kinder mit zunehmendem Alter besser zwischen gefährlichen und (vermeintlich) ungefährlichen Reizen unterscheiden können. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden 396 gesunde Probanden (zwischen 8 und 12 Jahren) mittels des Furchtkonditionierungs- und Generalisierungsparadigmas untersucht. Wie bereits in der ersten Studie wurden Valenz, Arousal und die Hautleitfähigkeitsreaktion ausgewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass Kinder aller Altersstufen vergleichbare Konditionierungseffekte aufweisen, dass aber laut der Hautleitfähigkeitsreaktion 12-jährige Kinder im Vergleich zu den jüngeren Kindern am besten zwischen den Stimuli unterscheiden konnten. Wenn nach Geschlecht aufgeteilt wird, diskriminierten 12-jährige Jungs am besten, was darauf schließen lässt, dass sich Furchtgeneralisierung je nach Geschlecht unterschiedlich entwickeln könnte, was in Anbetracht der Tatsache interessant ist, dass Frauen höhere Prävalenzraten für Angsterkrankungen haben als Männer. Einer dritten Studie liegt die Annahme zugrunde, dass ein Entwicklungsstrang von einer ängstlichen Persönlichkeit hin zu einer Angsterkrankung durch abweichende Furchtkonditionierung und -Generalisierung vermittelt werden könnte. Daher wurden 394 Kinder zwischen 8 und 12 Jahren mit unterschiedlichen Ausprägungen in ihrer Ängstlichkeit mit dem Furchtkonditionierungs- und Generalisierungsparadigma untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Kinder mit hohen Angst Werten je nach dem Grad ihrer Kontingenz-Bewusstheit während der Konditionierung mit stärkerer Erregung auf mit Gefahr assoziierte Reize und beeinträchtigtem Lernen des sicheren Reizes reagierten. Es zeigte sich, dass Kinder mit hohen Angst Werten generell höhere Erregungs-Werte während der Generalisierung aufwiesen als Kinder mit niedrigen Werten. Entgegen den Annahmen generalisierten Kinder mit hoher Ängstlichkeit nicht signifikant stärker als Kinder mit niedrigen Werten. Es gab jedoch einen Trend dahingehend, dass hoch-ängstliche Kinder eher lineare Generalisierungsgradienten aufweisen (was für mehr Generalisierung spricht), während moderat- und niedrig-ängstliche Kinder eher quadratische Gradienten haben (was für bessere Differenzierung spricht). Zudem konnten die SCRs auf den „sicheren“ Stimulus (CS-) den Ängstlichkeitswert voraussagen (nachdem für Alter, Geschlecht und negative Lebenserfahrung korrigiert wurde). Dies könnte bedeuten, dass eine Beeinträchtigung im Lernen des sicheren Reizes ein Risikofaktor für die Entwicklung einer Angsterkrankung im Jugendalter sein könnte. Allgemein liefern die Ergebnisse erste Hinweise darauf, dass sich frontale Hirnstrukturen je nach Ausprägung der Ängstlichkeit unterschiedlich entwickeln könnten, was sich in unterschiedlicher Diskriminierungsfähigkeit spiegeln könnte. Um dem weiter nachzugehen, wurden im vierten Experiment 40 der Norm entsprechend entwickelte Probanden zwischen 10 und 18 Jahren mit unterschiedlichen hoher Ängstlichkeit mittels fMRT auf Unterschiede in der Furchtkonditionierung und -generalisierung hin untersucht. Außerdem wurden Zusammenhänge mit dem Alter und dem Geschlecht der Probanden untersucht. Die frontale Aktivität zeigte sich unterschiedlich je nach Ängstlichkeit, mit stärkerer linearer Zunahme in der Aktivierung mit Ähnlichkeit zum CS+ während der Generalisierung bei hoch ängstlichen Probanden. Dies lässt auf eine Hyperregulierung bei Jugendlichen im Vergleich zu Erwachsenen schließen, wenn es darum geht, die Schwierigkeiten bezüglich der Differenzierung der dem bedrohlichen Reiz sehr ähnlichen Reize zu kompensieren. Diese Hyperregulierung könnte einen Kompensationsmechanismus der hoch ängstlichen Kinder widerspiegeln, welcher mit zunehmendem Alter verschwindet und bei manifesten Angsterkrankungen zusammenbricht. Außerdem konnten signifikante Entwicklungseffekte gefunden werden: je älter die Probanden waren, desto stärker war deren Aktivierung im Hippocampus und in frontalen Regionen während der Generalisierung mit zunehmender Ähnlichkeit zum CS+. Diese Altersunterschiede könnten die Übergeneralisierung jüngerer Kinder erklären und folglich zur Erklärung beitragen, weshalb Angsterkrankungen häufig ihren Ursprung in frühen Altersstufen haben. Männliche Probanden zeigten außerdem stärkere Aktivierung mit zunehmender Ähnlichkeit zum CS+ im Hippocampus und in frontalen Regionen. Dieses Ergebnis ergänzt die Resultate des zweiten Experiments und passt zur Tatsache, dass die Prävalenzraten für Angsterkrankungen für Frauen höher sind als für Männer. Zusammengenommen legen die Studien nahe, dass es sich lohnt, sich mit Entwicklungsaspekten von Furchtgeneralisierung zu befassen. Ein besseres Verständnis von Mechanismen des Furchterwerbs und besonders von Furchtgeneralisierung könnte dabei helfen, die Entstehungsmechanismen von Angsterkrankungen besser zu verstehen und könnte somit bei der Entwicklung von Präventionsansätzen wichtig sein. Obwohl viele Fragen noch offen sind und einige weitere Untersuchungen anstehen, liefert diese Arbeit erste Ideen für solche Ansätze.

This thesis aims for a better understanding of the mechanisms underlying anxiety as well as trauma- and stressor-related disorders and the development of new therapeutic approaches. I was first interested in the associative learning mechanisms involved in the etiology of anxiety disorders. Second, I explored the therapeutic effects of transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS) as a promising new method to accelerate and stabilize extinction learning in humans. For these purposes, I applied differential anxiety conditioning protocols realized by the implementation of virtual reality (VR). Here, a formerly neutral virtual context (anxiety context, CTX+) is presented whereby the participants unpredictably receive mildly aversive electric stimuli (unconditioned stimulus, US). Another virtual context (safety context, CTX-) is never associated with the US. Moreover, extinction of conditioned anxiety can be modeled by presenting the same contexts without US delivery. When unannounced USs were administered after extinction, i.e. reinstatement, the strength of the “returned” conditioned anxiety can provide information on the stability of the extinction memory. In Study 1, I disentangled the role of elemental and conjunctive context representations in the acquisition of conditioned anxiety. Sequential screenshots of two virtual offices were presented like a flip-book so that I elicited the impression of walking through the contexts. Some pictures of CTX+ were paired with an US (threat elements), but not some other screenshots of the same context (non-threat elements), nor the screenshots depicting CTX- (safety elements). Higher contingency ratings for threat compared to non-threat elements revealed elemental representation. Electro-cortical responses showed larger P100 and early posterior negativity amplitudes elicited by screenshots depicting CTX+ compared to CTX- and suggested conjunctive representation. These results support the dual context representation in anxiety acquisition in healthy individuals. Study 2 addressed the effects of tVNS on the stabilization of extinction learning by using a context conditioning paradigm. Potentiated startle responses as well as higher aversive ratings in CTX+ compared to CTX- indicate successful anxiety conditioning. Complete extinction was found in startle responses and valence ratings as no differentiation between CTX+ and CTX- suggested. TVNS did not affect extinction or reinstatement of anxiety which may be related to the inappropriate transferability of successful stimulation parameters from epilepsy patients to healthy participants during anxiety extinction. Therefore, in Study 3 I wanted to replicate the modulatory effects of tVNS on heart rate and pain perception by the previously used parameters. However, no effects of tVNS were observed on subjective pain ratings, on pain tolerance, or on heart rate. This led to the conclusion that the modification of stimulation parameters is necessary for a successful acceleration of anxiety extinction in humans. In Study 4, I prolonged the tVNS and, considering previous tVNS studies, I applied a cue conditioning paradigm in VR. Therefore, during acquisition a cue (CS+) presented in CTX+ predicted the US, but not another cue (CS-). Both cues were presented in a second context (CTX-) and never paired with the US. Afterward, participants received either tVNS or sham stimulation and underwent extinction learning. I found context-dependent cue conditioning only in valence ratings, which was indicated by lower valence for CS+ compared to CS- in CTX+, but no differential ratings in CTX-. Successful extinction was indicated by equal responses to CS+ and CS-. Interestingly, I found reinstatement of conditioned fear in a context-dependent manner, meaning startle response was potentiated for CS+ compared to CS- only in the anxiety context. Importantly, even the prolonged tVNS had no effect, neither on extinction nor on reinstatement of context-dependent cue conditioning. However, I found first evidence for accelerated physiological contextual extinction due to less differentiation between startles in CTX+ compared to CTX- in the tVNS than in the sham stimulated group. In sum, this thesis first confirms the dual representation of a context in an elemental and a conjunctive manner. Second, though anxiety conditioning and context-dependent cue conditioning paradigms worked well, the translation of tVNS accelerated extinction from rats to humans needs to be further developed, especially the stimulation parameters. Nevertheless, tVNS remains a very promising approach of memory enhancement, which can be particularly auspicious in clinical settings. / Ziel dieser Arbeit war es, die zu Grunde liegenden Mechanismen von Angst- sowie Trauma- und belastungsbezogene Störungen besser verstehen zu lernen und neue Therapieansätze zu entwickeln. Dabei lag mein Interesse zunächst bei den assoziativen Lernmechanismen, die bei der Entstehung von Angststörungen involviert sind. Darüber hinaus untersuchte ich die therapeutischen Effekte der transkutanen Vagusnervstimulation (tVNS) als neue und vielversprechende Methode, um das Extinktionslernen bei Menschen zu beschleunigen und zu stabilisieren. Zu diesem Zweck verwendete ich differenzielle Angstkonditionierungsparadigmen in virtueller Realität (VR). Dabei wird den Probanden ein neutraler virtueller Kontext (CTX) gezeigt, in dem sie unvorhersehbare, leicht schmerzhafte elektrische Reize (unkonditionierter Stimulus, US) erhalten. Durch die erlernte Assoziation wird dieser Kontext zum (Angstkontext, CTX+). Ein zweiter virtueller Kontext, in dem die Probanden nie einen US erhalten, wird deshalb zum Sicherheitskontext (CTX-). Die Extinktion konditionierter Angst wiederum kann im Labor nachgestellt werden, indem beide Kontexte ohne US dargeboten werden. Werden aber den Probanden nach der Extinktion unangekündigte US appliziert (Reinstatement), dann kann die Stärke der zurückgekehrten Angst Aufschluss über die Stabilität des Extinktionsgedächtnisses geben. Mit diesem Modell untersuchte ich in Studie 1 die beiden Rollen der elementaren und der konjunktiven Repräsentation eines Kontexts während der Akquisition von konditionierter Angst. Nacheinander aufgenommene Bildschirmfotos zweier virtueller Büroräume wurden dabei wie in einem Daumenkino kurz hintereinander dargeboten, so dass der Eindruck entstand durch die Räume zu laufen. Der US wurde gleichzeitig mit manchen Bildern des CTX+ präsentiert (Gefahrenelemente), jedoch nie mit andere Bilder des CTX+ (keine-Gefahrenelemente) und auch nie mit Bildern, die CTX- darstellten (Sicherheitselemente). Höhere Kontingenzratings für Gefahrenelemente im Vergleich zu keine-Gefahrenelemente sprachen für die elementare Kontextrepräsentation. Elektrokortikale Signale zeigten höhere Amplituden der P100 und der frühen posterioren Negativität, die von Bildschirmfotos des CTX+ im Vergleich zum CTX- evoziert wurden, und weisen auf konjunktive Kontextrepräsentation hin. Insgesamt unterstützen diese Befunde die duale Repräsentation eines Kontexts während der Angstakquisition bei gesunden Probanden. Studie 2 thematisierte die Effekte der tVNS auf Extinktionslernen. Potenzierte Schreckreaktionen und aversivere Ratings in CTX+ verglichen mit CTX- sprachen für erfolgreiche Angstkonditionierung. Vollständige Extinktion wurde in der Schreckreaktion und in Valenzratings gefunden, da sich die Reaktionen auf CTX+ und CTX- am Ende dieser Phase nicht mehr unterschieden. Jedoch beeinflusste tVNS während der Extinktion weder das Extinktionslernen noch reduzierte sie die Wiederkehr der Angst. Aufgrund der Neuheit dieses Forschungsbereichs wurden Stimulationsparameter aus der Anwendung der tVNS bei Epilepsiepatienten gewählt. Die Übertragbarkeit auf gesunde Probanden während Angstextinktion blieb noch unklar. Deshalb sollte in Studie 3 ein tVNS Effekt auf die Herzrate und die Schmerzwahrnehmung repliziert werden, und zwar mit genau diesen Stimulationsparametern. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass tVNS weder subjektive Schmerzratings, noch die Schmerztoleranz, noch die Herzrate der gesunden Probanden beeinflusste. Schlussfolgernd mussten in den folgenden Untersuchungen die tVNS Parameter geändert werden, um eine erfolgreiche Wirkung der tVNS bei gesunden Probanden zu ermöglichen. In Studie 4 verlängerte ich die Stimulationszeit und adaptierte das verwendete Konditionierungsmodell zu einem Furchtkonditionierungsparadigma in VR. Dabei wurde der US während der Akquisition durch einen Hinweisreiz (CS+) im Angstkontext angekündigt, nicht jedoch durch einen zweiten Hinweisreiz (CS-). Beide Hinweisreize wurden außerdem in einem zweiten Kontext (CTX-) dargeboten und nie mit einem US gepaart. Danach unterzogen sich die gesunden Probanden entweder einer verum tVNS oder einer Scheinstimulation und durchliefen Extinktionslernen. Kontext-abhängige Furchtkonditionierung fand ich nur in Valenzratings, da die Probanden CS+ im Angstkontext negativer bewerteten als CS- und gleich im Sicherheitskontext. Erfolgreiche Extinktion zeigte sich in gleichen Bewertungen des CS+ und CS-. Interessanterweise fand ich kontext-abhängige Angstwiederkehr, d.h. Schreckreaktionen waren nur in CTX+ für CS+ potenziert im Vergleich zum CS-. Die verlängerte Stimulationszeit der tVNS hatte keinen Effekt, weder auf die Extinktion, noch auf die Wiederkehr der kontext-abhängigen konditionierten Furcht. Außerdem zeigten sich erste Tendenzen zu beschleunigter Extinktion des Kontextlernens durch tVNS, da die Schreckreaktion zwischen CTX+ und CTX- in der tVNS Gruppe weniger differenziert ausfiel als in der scheinstimulierten Gruppe. Zusammenfassend bestätigt diese Arbeit die duale Repräsentation eines Kontexts während der Angstakquisition auf neuronaler und subjektiver Ebene. Außerdem wurden erfolgreiche Angstkonditionierungs- und kontextabhängige Furchtkonditionierungs-paradigmen etabliert. Trotz keiner oder schwacher Effekte der tVNS auf Extinktion und Angstwiederkehr bleibt sie ein sehr vielversprechender Ansatz der Gedächtnissteigerung, der vor allem für den klinischen Kontext relevant ist.

One of the major challenges in neuroscience is to understand the neuronal processes that underlie learning and memory. For example, what biochemical pathways underlie the coincidence detection between stimuli during classical conditioning, or between an action and its consequences during operant conditioning? In which neural substructures is this information stored? How similar are the pathways mediating these two types of associative learning and at which level do they diverge? The fly Drosophila melanogaster is an appropriate model organism to address these questions due to the availability of suitable learning paradigms and neurogenetic tools. It permits an extensive study of the functional role of the gene S6KII which in Drosophila had been found to be differentially involved in classical and operant conditioning (Bertolucci, 2002; Putz et al., 2004). Genomic rescue experiments showed that olfactory conditioning in the Tully machine, a paradigm for Pavlovian olfactory conditioning, depends on the presence of an intact S6KII gene. This rescue was successfully performed on both the null mutant and a partial deletion, suggesting that the removal of the phosphorylating unit of the kinase was the main cause of the functional defect. The GAL4/UAS system was used to achieve temporal and spatial control of S6KII expression. It was shown that expression of the kinase during the adult stage was essential for the rescue. This finding ruled out a developmental origin of the mutant learning phenotype. Furthermore, targeted spatial rescue of S6KII revealed a requirement in the mushroom bodies and excluded other brain structures like the median bundle, the antennal lobes and the central complex. This pattern is very similar to the one previously identified with the rutabaga mutant (Zars et al., 2000). Experiments with the double mutant rut, ign58-1 suggest that both rutabaga and S6KII operate in the same signalling pathway. Previous studies had already shown that deviating results from operant and classical conditioning point to different roles for S6KII in the two types of learning (Bertolucci, 2002; Putz, 2002). This conclusion was further strengthened by the defective performance of the transgenic lines in place learning and their normal behavior in olfactory conditioning. A novel type of learning experiment, called “idle experiment”, was designed. It is based on the conditioning of the walking activity and represents a purely operant task, overcoming some of the limitations of the “standard” heat-box experiment, a place learning paradigm. The novel nature of the idle experiment allowed exploring “learned helplessness” in flies, unveiling astonishing similarities to more complex organisms such as rats, mice and humans. Learned helplessness in Drosophila is found only in females and is sensitive to antidepressants. / Eine der größten Herausforderungen in der Neurobiologie ist es, die neuronalen Prozesse zu verstehen, die Lernen und Gedächtnis zugrundeliegen. Welche biochemischen Pfade liegen z.B. der Koinzidenzdetektion von Reizen (klassische Konditionierung) oder einer Handlung und ihren Konsequenzen (operante Konditionierung) zugrunde? In welchen neuronalen Unterstrukturen werden diese Informationen gespeichert? Wie ähnlich sind die Stoffwechselwege, die diese beiden Arten des assoziativen Lernens vermitteln und auf welchem Niveau divergieren sie? Drosophila melanogaster ist wegen der Verfügbarkeit von Lern-Paradigmen und neurogenetischen Werkzeugen ein geeigneter Modell-Organismus, zum diese Fragen zu adressieren. Er ermöglicht eine umfangreiche Studie der Funktion des Gens S6KII, das in der Taufliege in klassischer und operanter Konditionierung unterschiedlich involviert ist (Bertolucci, 2002; Putz et al., 2004). Rettungsexperimenten zeigen, dass die olfaktorische Konditionierung in der Tully Maschine (ein klassisches, Pawlow’sches Konditionierungsparadigma) von dem Vorhandensein eines intakten S6KII Gens abhängt. Die Rettung war sowohl mit einer vollständigen, als auch einer partiellen Deletion erfolgreich und dies zeigt, dass der Verlust der phosphorylierenden Untereinheit der Kinase die Hauptursache des Funktionsdefektes war. Das GAL4/UAS System wurde benutzt, um die S6KII Expression zeitlich und räumlich zu steuern. Es wurde gezeigt, dass die Expression der Kinase während des adulten Stadiums für die Rettung hinreichend war. Dieser Befund schließt eine Entwicklungsstörung als Ursache für den mutanten Phänotyp aus. Außerdem zeigte die gezielte räumliche Rettung von S6KII die Notwendigkeit der Pilzkörper und schloss Strukturen wie das mediane Bündel, die Antennalloben und den Zentralkomplex aus. Dieses Muster ist dem vorher mit der rutabaga Mutation identifizierten sehr ähnlich (Zars et al., 2000). Experimente mit der Doppelmutante rut, ign58-1 deuten an, dass rutabaga und S6KII im gleichen Signalweg aktiv sind. Vorhergehende Studien hatten bereits gezeigt, dass die unterschiedlichen Ergebnisse bei operanter und klassischer Konditionierung auf verschiedenen Rollen für S6KII in den zwei Arten des Lernens hindeuten (Bertolucci, 2002; Putz, 2002). Diese Schlussfolgerung wurde durch den mutanten Phänotyp der transgenen Linien in der Positionskonditionierung und ihr wildtypisches Verhalten in der klassischen Konditionierung zusätzlich bekräftigt. Eine neue Art von Lern-Experiment, genannt „Idle Experiment“, wurde entworfen. Es basiert auf der Konditionierung der Laufaktivität, stellt eine operante Aufgabenstellung dar und überwindet einige der Limitationen des „Standard“ Heat-Box Experimentes. Die neue Art des Idle Experimentes erlaubt es, „gelernte Hilflosigkeit“ in Fliegen zu erforschen, dabei zeigte sich eine erstaunliche Ähnlichkeit zu den Vorgängen in komplizierteren Organismen wie Ratten, Mäusen oder Menschen. Gelernte Hilflosigkeit in der Taufliege wurde nur in den Weibchen beobachtet und wird von Antidepressiva beeinflusst.

Pavlovian fear conditioning describes a form of associative learning in which a previously neutral stimulus elicits a conditioned fear response after it has been temporally paired with an aversive consequence. Once acquired, the fear response can be extinguished by repeatedly presenting the former neutral stimulus in the absence of the aversive consequence. Although most patients suffering from anxiety disorders cannot recall a specific conditioned association between a formerly neutral stimulus and the feeling of anxiety, the produced behavioral symptoms, such as avoidance or safety behavior to prevent the anticipated aversive consequence are commonly exhibited in all anxiety disorders. Moreover, there is considerable similarity between the neural structures involved in fear and extinction in the rodent and in the human. Translational research thus contributes to the understanding of neural circuitries involved in the development and maintenance of anxiety disorders, and further provides hypotheses for improvements in treatment strategies aiming at inhibiting the fear response. Since the failure to appropriately inhibit or extinguish a fear response is a key feature of pathological anxiety, the present preclinical research focuses on the interplay between the amygdala and the medial prefrontal cortex (mPFC) during fear learning with particular regard to the prefrontal recruitment during fear extinction and its recall. By firstly demonstrating an increased mPFC activity over the time course of extinction learning with functional near-infrared spectroscopy, the main study of this dissertation focused on repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) as brain stimulation technique suitable to enhance extinction learning. Since hypofrontality is assumed to underlie the maintenance of pathological anxiety, rTMS application revealed an increased mPFC activity, which resulted in a decreased fear response on the behavioral level both during extinction learning as well as during the recall of extinction 24 hours later and in the absence of another stimulation. The following attempt to improve the generalization of extinction with rTMS from an extinguished stimulus to a second stimulus which was reinforced but not extinguished was at least partially evidenced. By revealing an increased prefrontal activity to the non-extinguished stimulus, the active and the placebo rTMS condition, however, did not differ on behavioral parameters. These preclinical findings were discussed in the light of genetic and environmental risk factors with special regard to the combination of a risk variant of the neuropeptide S receptor 1 gene polymorphism (NPSR1 rs324981) and anxiety sensitivity. While the protective homozygous AA genotype group showed no correlation with anxiety sensitivity, the NPSR1 T genotype group exhibited an inverse correlation with anxiety sensitivity in the presence of emotionally negative stimuli. In light of other findings assuming a role of the NPSR1 T allele in panic disorder, the revealed hypofrontality was discussed to define a risk group of patients who might particularly benefit from an augmentation of exposure therapy with rTMS. Taken together, the presented studies support the central role of the prefrontal cortex in fear extinction and suggest the usefulness of rTMS as an augmentation strategy to exposure therapy in order to decrease therapy relapse rates. The combination of rTMS and extinction has been herein evidenced to modulate fear processes in a preclinical approach thereby establishing important implications for the design of future clinical studies. / Die Furchtkonditionierung nach Pavlov beschreibt einen assoziativen Lernmechanismus bei dem ein ursprünglich neutraler Stimulus nach wiederholter kontingenter Darbietung mit einem aversiven Stimulus zu einer konditionierten Furchtreaktion führt, die darauffolgend allein durch den nun konditionierten Reiz ausgelöst werden kann. Obwohl die meisten Angstpatienten keine initiale Reiz-Reaktionsverbindung erinnern können, gelten die Mechanismen der Furchtkonditionierung als Erklärungsmodelle für die Entstehung und Aufrechterhaltung von Angststörungen. Evidenz erhalten sie zudem durch den Einsatz und die Wirksamkeit expositionsbasierter Methoden in der Behandlung von Angststörungen. Ihnen liegt die Extinktion einer erworbenen konditionierten Reaktion zugrunde, bei der der konditionierte Reiz wiederholt ohne seine erwartete aversive Konsequenz dargeboten wird. Dies führt in der Folge zu einer abnehmenden Furchtreaktion. Da die neuronalen Strukturen, die in den Erwerb und die Extinktion einer konditionierten Furchtreaktion involviert sind, weitgehend speziesübergreifend sind, lassen sich aus Tiermodellen wertvolle Hypothesen zur Verbesserung bestehender Behandlungsstrategien mit dem Ziel der Reduktion der erworbenen Furchtreaktion generieren. Eine unzureichende Inhibition bzw. Extinktion der Furchtreaktion gilt als Charakteristikum von pathologischer Angst. Die im Rahmen dieser Dissertation vorgestellten Studien beschäftigen sich mit dem zugrundliegenden neurobiologischen Ungleichgewicht zwischen der Amygdala und dem Präfrontalkortex, das als ursächlich für die Aufrechterhaltung pathologischer Angst vermutet wird. Zunächst wird hierbei eine Untersuchung vorgestellt, bei der die zunehmende Beteiligung des Präfrontalkortex' über den Verlauf eines Extinktionstrainings erstmals mit der funktionellen Nahinfrarot- Spektroskopie dargestellt werden konnte. Da zunehmende Evidenz auf eine unzureichende präfrontale Kortexaktivierung bei pathologischer Angst hindeutet, beschäftigt sich die Hauptstudie dieser Dissertation mit der Fragestellung, ob die Aktivität des Präfrontalkortex' mit Hilfe der repetitiven transkraniellen Magnetstimulation (rTMS) gesteigert werden kann. In Analogie zu tierexperimentellen Untersuchungen konnte in einer Gruppe gesunder Probanden nach einer Stimulation mit rTMS verglichen mit einer Placebobedingung eine verringerte Furchtreaktion gezeigt werden, die auch während des Abrufs des Extinktionsgedächtnis nach 24 Stunden und unabhängig von einer erneuten Stimulation noch nachweisbar war. In einem nächsten Schritt wurde, wiederum in Anlehnung an tierexperimentelle Studien, die Generalisierung eines Extinktionstrainings auf einen ebenfalls konditionierten, aber nicht extingierten Stimulus untersucht. Hierbei zeigte sich eine partielle Bestätigung der Hypothesen. So konnten zwar auf behavioraler Ebene keine Gruppenunterschiede zwischen einer aktiven und einer Placebobedingung detektiert werden, in der aktiven Gruppe ließ sich 24 Stunden nach der Stimulation jedoch eine erhöhte präfrontale Kortexaktivierung auf den nicht-extingierten Stimulus zeigen. Diese Studienergebnisse werden auf Basis einer weiteren Arbeit zu Gen-Umwelt-Einflüssen diskutiert. Hierbei konnte eine Konstellation bestehend aus der Risikovariante (T Allel) des Neuropeptid S Rezeptor Gens (NPSR1 rs324981) und einer erhöhten Angstsensitivität im Unterschied zu einer homozygoten AA Genotyp-Gruppe mit einer verringerten präfrontalen Kortexaktivierung auf negative emotionale Stimuli assoziiert werden. Unter Einbezug des literarischen Kontexts zu NPSR1 und dem Auftreten der Panikstörung legen diese Ergebnisse nahe, dass insbesondere solche und ähnliche Risikogruppen von einer Augmentationsstrategie mit rTMS profitieren könnten. Zusammenfassend bestätigen die vorliegenden Studien die Rolle des Präfrontalkortex bei der Furchtextinktion und legen den Einsatz der rTMS für die Verbesserung der Expositionstherapie nahe. Aus diesen präklinischen Arbeiten werden Hinweise für die Umsetzung von klinischen Studien generiert, die über die Augmentation von Exposition mit rTMS zu einer Rückfallreduktion bei der Therapie von Angststörungen beitragen könnten.

Endogenous clocks help animals to anticipate the daily environmental changes. These internal clocks rely on environmental cues, called Zeitgeber, for synchronization. The molecular clock consists of transcription-translation feedback loops and is located in about 150 neurons (Helfrich-Förster and Homberg, 1993; Helfrich-Förster, 2005). The core clock has the proteins Clock (CLK) and Cycle (CYC) that together act as a transcription activator for period (per) and timeless (tim) which then, via PER and TIM block their own transcription by inhibiting CLK/CYC activity (Darlington et al., 1998; Hardin, 2005; Dubruille and Emery, 2008). Light signals trigger the degradation of TIM through a blue-light sensing protein Cryptochrome (CRY) and thus, allows CLK/CYC to resume per and tim transcription (Emery et al., 1998; Stanewsky et al., 1998). Therefore, light acts as an important Zeitgeber for the clock entrainment. The mammalian clock consists of similarly intertwined feedback loops. Endogenous clocks facilitate appropriate alterations in a variety of behaviors according to the time of day. Also, these clocks can provide the phase information to the memory centers of the brain to form the time of day related associations (TOD). TOD memories promote appropriate usage of resources and concurrently better the survival success of an animal. For instance, animals can form time-place associations related to the availability of a biologically significant stimulus like food or mate. Such memories will help the animal to obtain resources at different locations at the appropriate time of day. The significance of these memories is supported by the fact that many organisms including bees, ants, rats and mice demonstrate time-place learning (Biebach et al. 1991; Mistlberger et al. 1997; Van der Zee et al. 2008; Wenger et al. 1991). Previous studies have shown that TOD related memories rely on an internal clock, but the identity of the clock and the underlying mechanism remain less well understood. The present study demonstrates that flies can also form TOD associated odor memories and further seeks to identify the appropriate mechanism. Hungry flies were trained in the morning to associate odor A with the sucrose reward and subsequently were exposed to odor B without reward. The same flies were exposed in the afternoon to odor B with and odor A without reward. Two cycles of the 65 reversal training on two subsequent days resulted in the significant retrieval of specific odor memories in the morning and afternoon tests. Therefore, flies were able to modulate their odor preference according to the time of day. In contrast, flies trained in a non-reversal manner were unable to form TOD related memories. The study also demonstrates that flies are only able to form time-odor memories when the two reciprocal training cycles occur at a minimum 6 h interval. This work also highlights the role of the internal state of flies in establishing timeodor memories. Prolonged starvation motivates flies to appropriate their search for the food. It increases the cost associated with a wrong choice in the T-maze test as it precludes the food discovery. Accordingly, an extended starvation promotes the TOD related changes in the odor preference in flies already with a single cycle of reversal training. Intriguingly, prolonged starvation is required for the time-odor memory acquisition but is dispensable during the memory retrieval. Endogenous oscillators promote time-odor associations in flies. Flies in constant darkness have functional rhythms and can form time-odor memories. In contrast, flies kept in constant light become arrhythmic and demonstrated no change in their odor preference through the day. Also, clock mutant flies per01 and clkAR, show compromised performance compared to CS flies when trained in the time-odor conditioning assay. These results suggest that flies need a per and clk dependent oscillator for establishing TOD related memories. Also, the clock governed rhythms are necessary for the timeodor memory acquisition but not for the retrieval. Pigment-Dispersing Factor (PDF) neuropeptide is a clock output factor (Park and Hall, 1998; Park et al., 2000; Helfrich-Förster, 2009). pdf01 mutant flies are unable to form significant time-odor memories. PDF is released by 8 neurons per hemisphere in the fly brain. This cluster includes the small (s-LNvs) and large (l-LNvs) ventral lateral neurons. Restoring PDF in these 16 neurons in the pdf01 mutant background rescues the time-odor learning defect. The PDF neuropeptide activates a seven transmembrane G-protein coupled receptor (PDFR) which is broadly expressed in the fly brain (Hyun et al., 2005). The present study shows that the expression of PDFR in about 10 dorsal neurons (DN1p) is sufficient for robust time-odor associations in flies. 66 In conclusion, flies use distinct endogenous oscillators to acquire and retrieve time-odor memories. The first oscillator is light dependent and likely signals through the PDF neuropeptide to promote the usage of the time as an associative cue during appetitive conditioning. In contrast, the second clock is light independent and specifically signals the time information for the memory retrieval. The identity of this clock and the underlying mechanism are open to investigation. / Die endogenen circadianen Uhren helfen Tieren, die täglichen Veränderungen der Umwelt zu antizipieren. Diese internen Uhren stützen sich auf externe Umweltreize, sogenannte Zeitgeber, die den Tagesrhythmus vorgeben. Im Fliegengehirn bilden etwa 150 Neuronen die zentrale innere Uhr (Helfrich-Förster and Homberg, 1993; Helfrich- Förster, 2005). Diese Neuronen exprimieren die molekulare Uhr, die aus Transkriptions- Translations-Feedback-Schleifen besteht. Die Uhr besitzt die Proteine Clock (CLK) und Cycle (CYC), die zusammen die Transkription von period (per) und timeless (tim) aktivieren. PER und TIM bilden dann ein Heterodimer um die Transkription von clk und cyc zu blockieren (Darlington et al., 1998; Hardin, 2005; Dubruille and Emery, 2008). Lichtsignale lösen den Abbau von TIM durch das für blaues Licht sensitive‚ 'Sensing Protein Cryptochrome‘ (CRY) aus, daß wiederum CLK und CYC freisetzt um die per und tim Transkription wieder aufzunehmen (Emery et al., 1998; Stanewsky et al., 1998). Daher wirkt Licht als wichtiger Zeitgeber. Die innere Uhr der Säuger besteht aus ähnlich miteinander verflochtenen Rückkopplungsschleifen. Die internen Uhren ermöglichen und erleichtern Verhaltensveränderungen in einer Vielzahl von Situation, entsprechend der Tageszeit. Zudem wird die Information den jeweiligen Speicherorten im Gehirn bereit gestellt, um zeitbezogene Gedächtnisbildung zu ermöglichen. Zeitabhängige Gedächtnisbildung sorgt für eine angemessene Nutzung der Ressourcen und sichert gleichzeitig das Überleben des Tieres. Zum Beispiel können Tiere Zeit-Ort-Assoziationen im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit einer biologisch wichtigen Ressource, wie Nahrung oder Paarungspartnern bilden. Solche Assoziationen helfen dem Tier Ressourcen an verschiedenen Orten, abhängig von der Tageszeit, zu erschließen. Die Wichtigkeit dieser Fähigkeit wird durch die Tatsache gestützt, daß zum Beispiel Bienen, Ameisen, Ratten und Mäuse ein zeitlich abhängiges Ortgedächtnis bilden können (Biebach et al. 1991; Mistlberger et al. 1997; Van der Zee et al. 2008; Wenger et al. 1991). Frühere Studien haben gezeigt, daß zeitbezogene Erinnerungen auf einer internen Uhr beruhen. Die genaue Identität dieser Uhr und die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch nicht ausreichend bekannt. In der vorliegenden Studie wird gezeigt, daß Fliegen in der Lage sind ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Zudem wird versucht die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu identifizieren. Hungrige Fliegen werden zu verschiedenen Tageszeiten konditioniert verschiedene Gerüche mit einer Saccharose-Belohnung zu assoziieren. Morgens ist Geruch A mit Zucker gepaart während Geruch B ohne Zucker präsentiert wird, am Nachmittag ist Geruch B belohnt, Geruch A nicht. Dieses reziproke Training wird an zwei aufeinander folgenden Tagen durchgeführt. Am dritten Tag werden die Fliegen entweder am Morgen oder Nachmittag auf ihre Geruchspräferenz zwischen A und B getestet. Die Fliegen modulieren ihre Geruchspräferenz abhängig von der Tageszeit. Im Gegensatz dazu sind Fliegen, die nicht mittels eines reziproken Trainings konditioniert wurden, nicht in der Lage, ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Die Ergebnisse zeigen auch, daß Fliegen nur dann in der Lage sind zeitbezogene Erinnerungen zu bilden, wenn die beiden reziproken Trainingszyklen mindestens 6 h voneinander getrennt durchgeführt werden. Die Arbeit ebeleuchtet zudem die Rolle des internen Zustands der Fliegen im Kontext des zeitabhängigen olfaktorischen Gedächtnisses. Länger andauernder Hunger motiviert die Fliegen stärker ihre Suche nach Nahrung zeitlich anzupassen. Schon ein Zyklus reziproken Trainings reicht für die Bildung Zeit-spezifischen Geruchsgedächtnisses aus. Die Erhöhung der Kosten, die mit einer falschen Wahl in einem T-maze-Test verbunden ist, kann offenbar zeitabhängige Änderungen der Geruchspräferenzen in Fliegen begünstigen. Erstaunlicherweise begünstigt der Hunger speziell die Gedächtnisbildung, ist jedoch für den Test nicht erforderlich. Endogene circadiane Oszillatoren werden für das zeitabhängige olfaktorische Gedächtnis der Fliegen gebraucht. Fliegen, die im Dauerdunkel gehalten wurden, zeigen rhythmisches Verhalten so wie zeitbezogenes olfaktorisches Gedächtnis. Im Gegensatz dazu sind im Dauerlicht aufgezogene Fliegen arrhythmisch und zeigen kein Zeit-spezifisches Geruchsgedächtnis. Zudem sind auch die arrhythmischen Mutanten per01 und clkAR in der Zeit-Geruchskonditionierung gestört. Diese Ergebnisse legen nahe, daß Fliegen einen per- und clk-abhängigen Oszillator benötigen, der von externen Lichtsignalen abhängig ist, um ein zeitabhängiges olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. Außerdem wird der durch die innere Uhr vorgegebene Rhythmus nur während der Gedächtnisbildung und nicht für das Abrufen des Gelernten benötigt. Pigment dispersing factor (PDF) ist ein Neuropeptid, das von Neuronen der inneren Uhr gebildet wird (Park and Hall, 1998; Park et al., 2000; Helfrich-Förster, 2009). Die pdf01-Mutante ist nicht in der Lage ein signifikantes zeitbezogenes olfaktorisches Gedächtnis zu bilden. PDF wird von jeweils einer Gruppe von 8 Neuronen pro Hemisphäre, die die kleinen und großen ventral-lateralen Neuronen umfaßt, sezerniert. Die Wiederherstellung der Expression von PDF in diesen 16 Neuronen im pdf01 Mutanten Hintergrund, rettet das zeitabhängige olfaktorische Gedächtnis. Das PDF-Neuropeptid aktiviert einen sieben-Transmembran-G-Protein- gekoppelten Rezeptor (PDFR), der weit verbreitet im Fliegenhirn exprimiert wird (Hyun et al., 2005). Diese Studie zeigt, daß die Expression von PDFR in ~ 10 dorsalen Neuronen (DN1p) für eine robuste zeitabhängige olfaktorische Gedächtnisbildung in Fliegen ausreicht. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Fliegen verschiedene endogene Oszillatoren benutzen um ein zeitabhängiges olfaktorische Gedächtnis zu bilden und abzurufen. Der erste Oszillator ist lichtabhängig und wahrscheinlich durch das PDF- Neuropeptid vermittelt. Es ermöglicht die Verwendung der Information 'Zeit' als assoziatives Signal während der appetitiven Konditionierung. Im Gegensatz dazu ist die zweite Uhr lichtunabhängig und vermittelt speziell die Zeitinformation für die Gedächtnisabfrage. Die Identität der zweiten Uhr und der zugrunde liegende Mechanismus sowie die zugrunde liegende Kommunikation zwischen den Neuronen, bedarf weiterer Untersuchungen.

Learning and memory processes of operant conditioning in the heat-box were analysed. Age, sex, and larval desity were not critical parameters influencing memory, while low or high activity levels of flies were negatively correlated with their performance. In a search for conditioning parameters leading to high retention scores, intermittent training was shown to give better results than continuous training. As the memory test is the immediate continuation of the conditioning phase just omitting reinforcement, we obtain a memory which consists of two components: a spatial preference for one side of the chamber and a stay-where-you-are effect in which the side preference is contaminated by the persistence of heat avoidance. Intermittent training strengthens the latter. In the next part, memory retention was investigated. Flies were trained in one chamber and tested in a second one after a brief reminder training. With this direct transfer, memory scores reflect an associative learning process in the first chamber. To investigate memory retention after extended time periods, indirect transfer experiments were performed. The fly was transferred to a different environment between training and test phases. With this procedure an after-effect of the training was still observed two hours later. Surprisingly, exposure to the chamber without conditioning also lead to a memory effect in the indirect transfer experiment. This exposure effect revealed a dispositional change that facilitates operant learning during the reminder training. The various memory effects are independent of the mushroom bodies. The transfer experiments and yoked controls proved that the heat-box records an associative memory. Even two hours after the operant conditioning procedure, the fly remembers that its position in the chamber controls temperature. The cAMP signaling cascade is involved in heat-box learning. Thus, amnesiac, rutabaga, and dunce mutants have an impaired learning / memory. Searching for, yet unknown, genes and signaling cascades involved in operant conditioning, a Drosophila melanogaster mutant screen with 1221 viable X-chromosome P-element lines was performed. 29 lines with consistently reduced heat avoidance/ learning or memory scores were isolated. Among those, three lines have the p[lacW] located in the amnesiac ORF, confirming that with the chosen candidate criteria the heat-box is a useful tool to screen for learning and /or memory mutants. The mutant line ignP1 (8522), which is defective in the gene encoding p90 ribosomal S6 kinase (S6KII), was investigated. The P-insertion of line ignP1 is the first Drosophila mutation in the ignorant (S6KII) gene. It has the transposon inserted in the first exon. Mutant males are characterized by low training performance, while females perform well in the standard experiment. Several deletion mutants of the ignorant gene have been generated. In precise jumpouts the phenotype was reverted. Imprecise jumpouts with a partial loss of the coding region were defective in operant conditioning. Surprisingly, null mutants showed wild-type behavior. This might indicate an indirect effect of the mutated ignorant gene on learning processes. In classical odor avoidance conditioning, ignorant null mutants showed a defect in the 3-min, 30-min, and 3-hr memory, while the precise jumpout of the transposon resulted in a reversion of the behavioral phenotype. Deviating results from operant and classical conditioning indicate different roles for S6KII in the two types of learning. / Es wurden die Lern- und Gedächtnisprozesse bei der operanten Konditionierung in der Hitzekammer untersucht. Alter, Geschlecht und Larvendichte waren keine kritischen Parameter, die das Gedächtnis beeinflussten, während sowohl niedrige als auch hohe Laufaktivität der Fliegen mit deren Performance negativ korreliert war. Auf der Suche nach Konditionierungsparametern, die zu hohen Gedächtniswerten führen, lieferte ein Training mit mehreren Training/Test-Intervallen bessere Ergebnisse als ein kontinuierliches Training. Da der Gedächtnistest, bei dem die Hitze abgestellt wird, direkt im Anschluß an die Konditionierungsphase erfolgt, erhalten wir einen Gedächtniswert, der zwei Komponenten beinhaltet: eine räumliche Präferenz für eine Kammerhälfte und einem "bleib-wo-du-bist Effekt", der sich aus Seitenpräferenz und langanhaltender Hitzevermeidung per se zusammensetzt. Ein Training mit mehreren Training/Test-Intervallen verstärkt letzteren Effekt. Im nächsten Teil meiner Arbeit wurde der Gedächtnisabfall untersucht. Fliegen wurden in einer Kammer trainiert und nach einem kurzen Erinnerungstraining in einer zweiten Kammer getestet. In diesem direkten Transfer spiegeln die Gedächtniswerte einen assoziativen Lernprozeß wieder, der in der ersten Kammer stattfindet. Um den Gedächtnisabfall nach längeren Zeitintervallen untersuchen zu können, wurden indirekte Transferexperimente durchgeführt. Die Fliege wurde dazu zwischen Trainings- und Testphasen in eine andere Umgebung gebracht. Mit Hilfe dieser Methode konnte ein Nacheffekt noch zwei Stunden nach dem Training beobachtet werden. Überraschenderweise führt im indirekten Transferexperiment ein Aufenthalt in der Kammer auch ohne Konditionierung zu einem Gedächtniseffekt. Dieser "Aufenthaltseffekt" spiegelt eine dispositionelle Veränderung wieder, die das operante Lernen während des Erinnerungstrainings begünstigt. Die verschiedenen Gedächtniseffekte sind pilzkörperunabhängig. Transferexperimente und Yoked-Kontrollen zeigten, dass in der Hitzekammer assoziatives Gedächtnis gemessen wird. Selbst zwei Stunden nach der operanten Konditionierung, erinnert sich die Fliege daran, dass ihre Position in der Kammer die dortige Temperatur kontrolliert. Die cAMP Signaltransduktionskaskade ist an den Lernprozessen der Fliegen in der Hitzekammer beteiligt. amnesiac, rutabaga und dunce Mutanten haben daher eine verminderte Lern- / Gedächtnisleistung. Um nach bisher unbekannten Genen und Signalkaskaden zu suchen, die in der operanten Konditionierung eine Rolle spielen, wurde ein Drosophila melanogaster Mutanten Screen mit 1221 lebensfähigen X-chromosomalen P-element Linien durchgeführt. 29 Linien mit konsistet reduzierten Lern- oder Gedächtniswerten wurden isoliert. Darunter befanden sich drei Linien mit einer p[lacW] Insertion im amnesiac ORF. Dieses Ergebnis bestätigt, dass die Hitzekammer mit den gewählten Kriterien ein hilfreiches Werkzeug bei der Suche nach Lern- und / oder Gedächtnismutanten ist. Die Mutante ignP1 (8522), die im Gen für p90 ribosomale S6 kinase (S6KII) einen Defekt besitzt, wurde untersucht. Die P-Insertion des ignP1 Stammes ist die erste Mutation im ignorant (S6KII) Gen. Das Transposons ist im ersten Exon inseriert. Männliche Mutanten sind durch eine niedrige Trainingsperformance gekennzeichnet, während sich Weibchen im Standardexperiment wildtypisch verhalten. Mehrere Deletionsmutanten im ignorant Gen wurden hergestellt. In präzisen Exzisionslinien war der Phänotyp revertiert, während impräzise Exzisionslinien mit teilweisem Verlust der kodierenden Region in der operanten Konditionierung einen Defekt zeigten defekt. Überraschenderweise wurde bei Nullmutanten wildtypisches Verhalten beobachtet. Dies könnte auf einen indirekten Effekt des mutierten ignorant Gens auf Lernprozesse hindeuten. Bei der klassischen Duftkonditionierung zeigten ignorant Nullmutanten einen Defekt im 3-min, 30-min und 3-Stunden Gedächtnis, während präzise Exzisionen des Transposons zu einer Reversion des Verhaltensphänotyps führten. Voneinander abweichende Ergebnisse bei der operanten und klassischen Konditionierung weisen darauf hin, dass S6KII unterschiedliche Rollen in diesen Formen des Lernens spielt.