The present cumulative dissertation comprises three neuroimaging studies using different techniques, functional tasks and experimental variables of diverse nature to investigate human prefrontal cortex (PFC) (dys)function as well as methodological aspects of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). (1) Both dopamine (DA) availability (“inverted U-model”) and excitatory versus inhibitory DA receptor stimulation (“dual-state theory”) have been linked to PFC processing and cognitive control function. Electroencephalography (EEG) was recorded during a Go/NoGo response inhibition task in 114 healthy controls and 181 adult patients with attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). As a neural measure of prefrontal cognitive response control the anteriorization of the P300 centroid in NoGo- relative to Go-trials (NoGo anteriorization, NGA) was investigated for the impact of genetic polymorphisms modulating catechol-O-methyltransferase efficiency (COMT, Val158Met) in degrading prefrontal DA and inhibitory DA receptor D4 sensitivity (DRD4, 48bp VNTR). Single genes and ADHD diagnosis showed no significant impact on the NGA or behavioral measures. However, a significant COMT×DRD4 interaction was revealed as subjects with relatively increased D4-receptor function (DRD4: no 7R-alleles) displayed an “inverted U”-relationship between the NGA and increasing COMT-dependent DA levels, whereas subjects with decreased D4-sensitivity (7R) showed a U-relationship. This interaction was supported by 7R-allele dose-effects and also reflected by an impact on task behavior, i.e. intraindividual reaction time variability. Combining previous theories of PFC DA function, neural stability at intermediate DA levels may be accompanied by the risk of overly decreased neural flexibility if inhibitory DA receptor function is additionally decreased. The findings of COMT×DRD4 epistasis might help to disentangle the genetic basis of dopaminergic mechanisms underlying prefrontal (dys)function. (2) While progressive neurocognitive impairments are associated with aging and Alzheimer's disease (AD), cortical reorganization might delay difficulties in effortful word retrieval, which is one of the earliest cognitive signs of AD. Therefore, cortical hemodynamic responses were measured with fNIRS during phonological and semantic verbal fluency, and investigated in 325 non-demented, healthy subjects (age: 51-82 years). The predictive value of age, sex, verbal fluency performance and years of education for the cortical hemodynamics was assessed using multiple regression analyses. Age predicted bilaterally reduced inferior frontal junction (IFJ) and increased middle frontal and supramarginal gyri activity in both task conditions. Years of education as well as sex (IFJ activation in females > males) partly predicted opposite effects on activation compared to age, while task performance was not a significant predictor. All predictors showed small effect sizes (-.24 < β < .22). Middle frontal and supramarginal gyri activity may compensate for an aging-related decrease in IFJ recruitment during verbal fluency. The findings of aging-related (compensatory) cortical reorganization of verbal fluency processing might, in combination with other (risk) factors and using longitudinal observations, help to identify neurodegenerative processes of Alzheimer's disease, while individuals are still cognitively healthy. (3) Individual anatomical or systemic physiological sources of variance may hamper the interpretation of fNIRS signals as neural correlates of cortical functions and their association with individual personality traits. Using simultaneous fNIRS and functional magnetic resonance imaging (fMRI) of hemodynamic responses elicited by an intertemporal choice task in 20 healthy subjects, variability in crossmodal correlations and divergence in associations of the activation with trait "sensitivity to reward" (SR) was investigated. Moreover, an impact of interindividual anatomy and scalp fMRI signal fluctuations on fNIRS signals and activation-trait associations was studied. Both methods consistently detected activation within right inferior/middle frontal gyrus, while fNIRS-fMRI correlations showed wide variability between subjects. Up to 41% of fNIRS channel activation variance was explained by gray matter volume (simulated to be) traversed by near-infrared light, and up to 20% by scalp-cortex distance. Extracranial fMRI and fNIRS time series showed significant temporal correlations at the temple. Trait SR was negatively correlated with fMRI but not fNIRS activation elicited by immediate rewards of choice within right inferior/middle frontal gyrus. Higher trait SR increased the correlation between extracranial fMRI signal fluctuations and fNIRS signals, suggesting that task-evoked systemic arousal-effects might be trait-dependent. Task-related fNIRS signals might be impacted by regionally and individually weighted sources of anatomical and systemic physiological error variance. Traitactivation correlations might be affected or biased by systemic physiological arousal-effects, which should be accounted for in future fNIRS studies of interindividual differences. / Die vorliegende kumulative Dissertation umfasst drei funktionelle Bildgebungsstudien, welche mit unterschiedlichen methodischen Verfahren, Versuchsaufgaben und experimentellen Variablen Hirnfunktionen des präfrontalen Kortex sowie methodische Aspekte der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) untersuchten. (1) Sowohl die präfrontale Dopamin (DA)-Verfügbarkeit (“inverted U-model”) als auch das Verhältnis der Stimulation von exzitatorischen und inhibitorischen DA- Rezeptoren (“dual-state theory”) wurde mit präfrontaler Verarbeitung und Funktionen wie kognitiver Kontrolle in Verbindung gebracht. Während der Bearbeitung einer Aufgabe zur motorischen Antworthemmung wurden die elektrischen Hirnsignale mittels Elektroenzephalographie (EEG) bei 114 gesunden Probanden und 181 adulten Patienten mit Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung abgeleitet. Als neuronales Maß der präfrontalen kognitiven Antwortkontrolle wurde die Anteriorisierung der P300-Zentroide während NoGo- relativ zu Go-Aufgabenbedingungen verwendet (NoGo-Anteriorisierung, NGA). Die NGA wurde hinsichtlich eines Einflusses von genetischen Polymorphismen untersucht, welche den DA Abbau durch die Katechol-O-Methyltransferase (COMT, Val158Met) bzw. die DA D4-Rezeptorsensitivität (DRD4, 48 bp VNTR) modulieren. Während die NGA weder Gen-Haupteffekte noch Unterschiede zwischen Gesunden und Patienten zeigte, war eine signifikante epistatische COMT×DRD4 Interaktion zu beobachten. Personen mit relativ gesteigerter D4-Rezeptorsensitivität (kein 7R-Allel) zeigten einen umgekehrten U-Zusammenhang zwischen der NGA und steigender COMT-abhängiger DA-Verfügbarkeit, wohingegen Personen mit relativ verringerter D4-Rezeptorsensitivität (7R-Allel) einen U-Zusammenhang zeigten. Diese Gen-Gen Interaktion zeigte DRD4 7R-Alleldosis-Effekte und spiegelte sich auch behavioral in der intraindividuellen Go-Reaktionszeitvariabilität wider. Neuronale Stabilität bei mittlerer DA-Verfügbarkeit könnte mit einem erhöhen Risiko verringerter Flexibilität einhergehen, wenn zusätzlich die inhibitorische DA D4-Rezeptorfunktion eingeschränkt ist. Über die gezeigte Interaktion genetischer Einflussvariablen vereinigen die Ergebnisse bestehende Theorien zur DA-Verfügbarkeit bzw. dem Verhältnis DA-abhängiger neuronaler Erregung und Hemmung mit Einfluss auf präfrontale kognitive Kontrolle. (2) Alterungsprozesse und die Alzheimer-Demenz sind mit Beeinträchtigungen neurokognitiver Funktionen verbunden, wobei eine verringerte Wortflüssigkeit zu den frühesten Symptomen der Alzheimer-Demenz gehört. Kompensatorische Prozesse, welche diesen Symptomen (zunächst) entgegenwirken, können sich in einer Reorganisation kortikaler Verarbeitung zeigen. Zur Untersuchung dieser Prozesse wurden kortikale hämodynamische Antworten während der phonologischen und semantischen Wortflüssigkeit wurden bei 325 nicht-dementen gesunden Personen (Alter: 51-82 Jahre) mittels fNIRS untersucht. Der prädiktive Wert von Alter, Geschlecht, Wortflüssigkeitsleistung und der Ausbildungsjahre der Versuchspersonen bezüglicher der kortikalen hämodynamischen Antworten wurde mittels multipler Regression untersucht. Das Alter war ein signifikanter Prädiktor reduzierter bilateraler Aktivität im Übergangsbereich vom inferior frontalen Gyrus zum temporalen Pol (IFT) und gesteigerter bilateraler Aktivität im mittleren frontalen und supramarginalen Gyrus. Die Ausbildungsjahre und das Geschlecht (IFT-Aktivität bei Frauen höher als bei Männern) zeigten teilweise dem Alter entgegengesetzte Effekte, während die Wortflüssigkeitsleistung keinen signifikanten Einfluss hatte. Alle Prädiktoren zeigten nur kleine Effektstärken (-.24 < β < .22). Die gesteigerte Aktivität im mittleren frontalen und supramarginalen Gyrus könnte einen Kompensationsprozess für gesenkte IFT Aktivität mit steigendem Altern darstellen. Diese Belege einer (kompensatorischen) kortikalen Reorganisation der Verarbeitung von Wortflüssigkeit könnten, in Kombination mit weiteren (Risiko-)Faktoren und im Rahmen longitudinaler Untersuchungen, dazu beitragen neurodegenerative Prozesse einer Alzheimer-Demenz zu erkennen, bevor erste kognitive Symptome erkennbar sind. (3) Einflüsse individueller Anatomie und systemischer physiologischer Artefakte können die Validität der Interpretation von fNIRS Signalen als Korrelate kortikaler Hirnaktivität und Korrelationen dieser Aktivität mit individuellen (Persönlichkeits-)Maßen einschränken. Zur Untersuchung dieser Problematik wurde eine simultane Messung hämodynamischer Antworten mit fNIRS und funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) bei 20 gesunden Versuchspersonen durchgeführt, während eine Entscheidungsaufgabe zwischen Geldbeträgen unterschiedlicher Höhe und Aushändigungszeitpunkte durchgeführt wurde. Beide Methoden zeigten konsistente Aktivierung im rechten inferioren/mittleren frontalen Gyrus. Korrelationen der fNIRS mit den fMRT Zeitreihen zeigten jedoch eine hohe Variabilität zwischen den Versuchspersonen. Bis zu 41% der Varianz der fNIRS-Aktivität wurde durch das simulierte individuelle Volumen der von fNIRS erfassten grauen Hirnsubstanz eines Messkanals, und bis zu 20% durch den Abstand zwischen Kopfoberfläche und Kortex, aufgeklärt. Die fMRT-Zeitreihen in der Haut zeigten zudem signifikante Korrelationen mit dem fNIRS-Signal in der Schläfenregion. Während fMRT eine signifikante negative Korrelation der inferioren/mittleren frontalen Gyrus-Aktivität mit dem Persönlichkeitsmerkmal "Belohnungssensitivität" zeigte, war die Korrelation bei fNIRS nicht signifikant. Eine erhöhte Belohnungssensitivität erhöhte zudem die Korrelation zwischen fNIRS und fMRT in der Haut, welches auf eine durch Erregung erhöhte systemisch-physiologische Reaktion in Abhängigkeit des Persönlichkeitsmerkales hindeuten könnte. Die mit fNIRS aufgezeichneten hämodynamischen Antworten unterliegen regionaler und individuell-gewichteter anatomischer und systemisch-physiologischer Fehlervarianz und zukünftige fNIRS-Studien zu interindividuellen Unterschieden sollten diesen Umstand berücksichtigen.

Hintergrund: Die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) umfasst die klinischen Symptome Hyperaktivität, Impulsivität und Unaufmerksamkeit und besitzt eine große erbliche Komponente. Veränderungen des Dopaminstoffwechsels und des präfrontalen Kortex scheinen mit der Erkrankung assoziiert zu sein. Bekannt sind auch Defizite in exekutiven Funktionen wie Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung, welche gemeinsam als ein Endophänotyp der ADHS betrachtet werden. Solche sogenannten intermediären Phänotypen bilden möglicherweise ätiopathogenetisch sinnvollere Untergruppen von Krankheitsbildern als die Unterteilung nach den klassischen Diagnosesystemen. Zahlreiche Untersuchungen zu Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung bei ADHS finden Mittelwertsunterschiede im Vergleich zu gesunden Stichproben in behavioralen und hirnphysiologischen Maßen. Ein genetischer Polymorphismus (Val158Met) mit Einfluss auf die Synthese der Catechol-O-Methyltransferase (COMT) moduliert Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung bei Gesunden und Patienten mit ADHS. COMT ist ein Enzym, das den Abbau von präfrontalem Dopamin katalysiert. Das Valin(Val)-Allel ist mit einer geringeren, das Methionin(Met)-Allel mit einer höheren Verfügbarkeit von Dopamin in kortikalen Arealen assoziiert. Letzteres scheint die Funktion präfrontaler Hirnareale zu optimieren. Ziel: Es ist unklar, ob die beiden Prozesse Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung miteinander in Verbindung stehen, also einen gemeinsamen Endophänotypen bezeichnen, und ob ein möglicher Zusammenhang dieser beiden Funktionen durch Dopamin moduliert wird. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, (1) die bekannten Mittelwertsunterschiede zwischen Patienten mit ADHS und gesunden Kontrollpersonen zu replizieren, (2) den Zusammenhang von Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung mit Korrelationsanalysen zu überprüfen, (3) den Einfluss des COMT-Polymorphismus auf Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung zu untersuchen und (4) festzustellen, ob der COMT-Polymorphismus die Stärke der Korrelationen beeinflusst. Die Fragestellungen 3 und 4 sind aufgrund der kleinen Stichproben als explorativ zu bewerten. Methoden: In die Auswertung aufgenommen wurden 45 erwachsene Patienten mit ADHS und 41 nach Alter, Geschlecht, Händigkeit, Intelligenz, Bildungsniveau und Kopfumfang vergleichbare Kontrollen. Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung wurden durch eine N-Back- bzw. eine Stoppsignal-Aufgabe operationalisiert. Als abhängige Variablen dienten als behaviorale Maße die Anzahl richtiger Antworten, Reaktionszeiten und Effizienz und als hirnphysiologische Parameter Konzentrationsveränderungen von oxygeniertem (O2Hb) und deoxygeniertem Hämoglobin (HHb) in präfrontalen Arealen, die mittels funktioneller Nah-Infrarot Spektroskopie gemessen wurden. Korrelationen wurden zwischen den Kontrollbedingungen (1-Back und Go-Trials) und zwischen den eigentlichen Bedingungen der Arbeitsgedächtnis- und Stoppsignal-Aufgabe (2-Back und Stopperfolge) berechnet. Ergebnisse: Kontrollen und Patienten zeigten hirnphysiologisch aufgabentypische signifikante Aktivierungsmuster, für das Arbeitsgedächtnis mehr ausgeprägt über dem dorso-lateralen präfrontalen Kortex (DLPFC), für die Antworthemmung mehr über dem inferioren frontalen Kortex (IFC). Fragestellung 1: Patienten zeigten im Vergleich zu den gesunden Kontrollpersonen signifikante Defizite in allen erhobenen behavioralen Maßen. Sie zeigten auch signifikant reduzierte Anstiege von O2Hb über dem linken und rechten IFC für Stopperfolge und eine statistisch tendenziell verringerte O2Hb-Konzentration im linken DLPFC für die 2-Back-Bedingung. Es fanden sich jedoch auch Defizite in den einfachen Kontrollaufgaben (behaviorale Maße und O2Hb während 1-Back). Nach einer Anpassung der Gruppen für die Unterschiede in den Kontrollaufgaben blieben die Gruppenunterschiede in den Aufgaben für Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung bestehen. Fragestellung 2: Nur bei den Patienten und nur für die behavioralen Maße zeigten sich signifikante positive Assoziationen. Die Effizienz während 1-Back korrelierte mit der Reaktionszeit während der Go-Trials, und die Effizienz während 2-Back korrelierte mit der Stoppsignal-Reaktionszeit. Diese beiden Korrelationen unterschieden sich statistisch nicht in ihrer Stärke. In den für die Unterschiede in den Kontrollaufgaben angepassten Gruppen blieb nur die Korrelation der Kontrollaufgaben tendenziell signifikant, die Korrelation von Effizienz während 2-Back und Stoppsignal-Reaktionszeit verschwand. Die Patienten zeigten erhöhte Impulsivität (erhoben mit einem Fragebogen), die positiv mit behavioralen Maßen der beiden untersuchten Prozesse korrelierte. Fragestellung 3: Für 1-Back (O2Hb in rechter Hemisphäre) und 2-Back (O2Hb in linker Hemisphäre) wurden statistisch tendenzielle COMT x Gruppe Interaktionen gefunden. Für 1-Back zeigten die Kontrollen mit dem Val/Val-Genoytp sowohl im Vergleich zu Kontrollen mit dem Met/Met-Genotyp als auch im Vergleich zu Patienten mit zwei Val-Allelen eine signifikant höhere O2Hb-Konzentration. Gleichzeitig wies die Analyse der Verhaltensdaten auf eine höhere Effizienz der Kontrollen mit Met-Allelen im Vergleich zu Patienten mit Met-Allelen hin. Für 2-Back zeigte der Val/Val-Genotyp der Kontrollen eine höhere O2Hb-Konzentration als der Val/Val-Genotyp der Patienten. Zusätzlich wies der Met/Met-Genotyp in der ADHS-Gruppe einen stärkeren Anstieg von O2Hb im Vergleich zu dem Val/Val-Genotyp in der ADHS-Gruppe auf. Die Analyse der Verhaltensdaten zeigte eine höhere Effizienz der Kontrollen im Vergleich zu den Patienten für die Gruppen mit einem oder zwei Val-Allelen. Für Stopperfolge zeigten sich signifikante COMT x Gruppe Interaktionen für O2Hb in beiden Hemisphären. Die Kontrollen mit Val/Met-Genotyp hatten höhere O2Hb-Konzentrationen als Kontrollen mit Val/Val- oder Met/Met-Genotyp und als Patienten mit Val/Met-Genotyp. Patienten mit Val/Met-Genotyp hatten langsamere Stoppsignal-Reaktionszeiten im Vergleich zu den Kontrollen mit Val/Met-Genotyp. Fragestellung 4: Die Korrelationen in Abhängigkeit der Stichproben und COMT-Gruppen zeigten unterschiedlich hohe und unterschiedlich gerichtete Korrelationskoeffizienten. Nur in der Gruppe der Patienten und nur für die Verhaltensdaten wurden positive Assoziationen für alle COMT-Gruppen gefunden, vergleichbar mit den Ergebnissen aus Fragestellung 2. Diskussion: Die behavioralen und hirnphysiologischen Unterschiede in den Aufgaben zum Arbeitsgedächtnis und zur Antworthemmung zwischen Patienten mit ADHS und Kontrollen replizieren gut die Ergebnisse früherer Arbeiten. Ausgehend von den Gruppenunterschieden in den einfachen Kontrollaufgaben muss aber überlegt werden, inwieweit Patienten mit ADHS auch in einfachen psychomotorischen Aufgaben bereits Defizite zeigen. Die Korrelation behavioraler Maße der eigentlichen Arbeitsgedächtnis- und Inhibitionsaufgabe in der Gruppe der Patienten, die allerdings die Assoziation der Kontrollaufgaben nicht überschritt, und die mit dem Anpassen für Unterschiede in den Kontrollenaufgaben verschwand, lässt Zweifel an dem spezifischen Zusammenhang der beiden Prozesse bei ADHS aufkommen. Zudem werfen die positiven Assoziationen dieser Prozesse (behaviorale Maße) mit der Impulsivität (Fragebogen) die Frage auf, ob es sich um die Operationalisierung des gleichen Konstrukts handelt bzw. ob Impulsivität in Form behavioraler Tests das Gleiche misst wie Impulsivität auf symptomatischer Ebene. Ein Faktor, der möglicherweise Einfluss auf die Korrelationen zwischen den Aufgaben hat, könnte der Dopamingehalt sein, wie er in der vorliegenden Arbeit durch den COMT Polymorphismus operationalisiert wurde. Die Ergebnisse der COMT x Gruppe Interaktionen zeigten eine erhöhte O2Hb-Konzentration der Val-Allelträger der Kontrollen für die N-Back-Aufgaben bei teilweise besserer Effizienz und eine erhöhte O2Hb-Konzentration und teilweise schnellere Stoppsignal-Reaktionszeit der Val/Met-Allelträger der Kontrollen bei Stopperfolgen. Unsere Ergebnisse entsprechen nicht unbedingt den Annahmen aus der Literatur, dass das Met-Allel das günstige Allel in Bezug auf gute präfrontale Hirnfunktion sei. Diese Unterschiede in den COMT x Gruppe Interaktionen legen eine Abhängigkeit präfrontaler Hirnfunktionen vom allgemeinen dopaminergen Gehalt (Patienten vs. Kontrollen), vom präfrontalen dopaminergen Niveau (COMT-Genotyp) und von der Aufgabenart (Arbeitsgedächtnis vs. Antworthemmung) nahe. Diese Hypothese wird unterstützt durch die Unterschiede in den Korrelationskoeffizienten der beiden Prozesse in Abhängigkeit der Stichproben und Genotyp-Gruppen. Schlussfolgerung: Die Befunde stützen nicht die Annahme, dass es sich bei Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung um zusammenhängende Funktionen bei ADHS oder Gesunden handelt, oder dass der exekutive Endophänotyp einen einheitlichen Subtyp der ADHS darstellt. Zudem scheint eine mögliche Assoziation der beiden Prozesse von mehreren Faktoren wie z. B. der Dopamin-Konzentration moduliert zu werden. Zukünftige Arbeiten sollten die Fragestellungen bearbeiten, welche Faktoren den Zusammenhang dieser Prozesse beeinflussen und welche Kombination solcher Faktoren eine Subgruppe von Patienten mit ADHS mit einem gemeinsamen exekutiven Endophänotyp darstellen könnten. / Objective: The highly heritable psychiatric disease Attention Deficit-/Hyperactivity Disorder (ADHD) is characterized by symptoms of hyperactivity, impulsivity, and inattention. The pathophysiology seems to involve alterations in the dopaminergic neurotransmitter system as well as changes in the prefrontal cortex. Working memory and response inhibition are two executive functions that have repeatedly been found to be deficient in ADHD patients, and have therefore been proposed as potential endophenotypes of the disease. Such so called intermediate phenotypes are thought to be more closely related to aetiopathogenetic factors than subtypes defined according to the classical diagnostic systems. Many studies have shown mean group differences for working memory and response inhibition in ADHD samples as compared to healthy control groups, both with respect to behavioural and brain imaging variables. A genetic polymorphism (Val158Met) in the gene coding for the enzyme catechol O methyltransferase (COMT) modulates working memory and response inhibition functions in controls and patients with ADHD. COMT catalyzes the degradation of prefrontal dopamine. The valine(val-)allele is associated with a low, the methionine(met-)allele with a high level of dopamine in cortical areas. The met-allele seems to be beneficial for prefrontal functions. Aim: It is an open question, if the two processes of working memory and response inhibition are associated, i. e. if they characterize the same endophenotype, and if a possible association of these processes is modulated by dopamine. The present work aims at (1) replicating previously shown mean group differences, (2) analyzing the association of working memory and response inhibition in a correlational analyses, (3) investigating the influence of COMT on working memory and response inhibition, and (4) measuring the influence of COMT on the strength of the correlations between the two processes of working memory and response inhibition. Questions 3 and 4 are indicated as exploratory analyses due to small sample sizes. Methods: 45 adult patients with ADHD und 41 healthy controls were included in the analyses. The two groups were comparable for age, gender, handedness, intelligence, education level, and head perimeter. Working memory and response inhibition were operationalized by an n-back and a stop signal task. Behavioural dependent variables were the number of correct answers, reaction times, and efficiency. Dependent physiological parameters were concentration changes of oxygenated (O2Hb) and deoxygenated haemoglobin (HHb) in prefrontal cortical areas as assessed by functional near-infrared spectroscopy. Correlations were calculated between control conditions (1-back und go-trials) and between the active conditions of the working memory and response inhibition tasks (2-back und successful stop signals). Results: Controls and patients showed task-specific significant activation patterns, for working memory over dorso-lateral prefrontal cortex (DLPFC) and for response inhibition over inferior frontal cortex (IFC). Question 1: Compared to the control sample, patients had deficits in all behavioural parameters. They also showed significantly reduced increases in O2Hb in bilateral IFC for successful stop trials, and a statistical trend for a reduced increase in the left DLPFC for the 2-back condition. Furthermore, deficits were found in the simple control tasks (behavioural parameters and O2Hb during 1-back). After matching of the groups for differences in control tasks, group differences remained significant for tasks of working memory and response inhibition. Question 2: Significant positive associations were found only for the patients and only for behavioural variables. Efficiency during 1-back correlated with reaction time during go-trials, and efficiency during 2-back correlated with stop signal reaction time, with no statistical difference between the strength of these correlations. Only the correlation of the control tasks remained significant as a trend after matching of the groups for differences in the control tasks. The significant correlation of efficiency during 2-back und stop signal reaction time disappeared. Patients showed an elevated impulsivity (assessed by a questionnaire) correlating positively with behavioural measures of both tasks. Question 3: For the 1-back (O2Hb and right hemisphere) and 2-back condition (O2Hb and left hemisphere) COMT x group interactions were found as a statistical trend. For 1-back, controls with the val/val-genotype had higher oxygenation levels than controls with the met/met-genotype. Controls with val-alleles had higher O2Hb concentration changes than patients with val-alleles. Analysis of the behavioural data revealed higher efficiency for controls with met-alleles in contrast to patients with met-alleles. For 2-back, controls with the val/val-genotype showed higher oxygenation than val/val-allele carriers within the group of patients. Additionally, the met/met-genotype in the ADHD group had higher O2Hb changes than the val/val-genotype in the ADHD group. Behavioural analyses indicated higher efficiency in controls compared to patients for the groups with one or two val-alleles. For successful stop signals, significant COMT x group interactions were found for O2Hb in both hemispheres. Controls with the val/met-genotype had higher oxygenation than controls with the val/val- or met/met-genotype, and than patients with the val/met-genotype. Patients with the val/met-genotype had slower stop signal reaction times as compared to controls with the val/met-genotype. Question 4: Correlations showed differences in strength and direction depending on samples and COMT groups. Only for the patients and only for behavioral variables significant positive associations were found for all COMT groups, comparable to the results of question 2. Discussion: The behavioural and physiological differences observed between patients with ADHD and controls replicate previous findings. Considering differences in control tasks, it is an important issue for future research to investigate group differences in simple psychomotor tasks. The correlation for behavioural measures of working memory and response inhibition in the group of patients, which did not exceed the association of behavioural measures for the control tasks, and which disappeared after matching of groups for differences in control tasks, raises doubts regarding the hypothesis of a specific association of these two processes in ADHD. Considering the correlation of these processes (behavioural measures) with impulsivity (questionnaire), the question arises, whether impulsivity in terms of behavioural task measures reflects the same construct as impulsivity at a symptomatic level. One factor that might potentially influence correlations between tasks could be the level of extracellular prefrontal dopamine, as indicated by the COMT polymorphism in the present investigation. Results of the COMT x group interactions revealed an increased oxygenation and to some extent increased efficiency of the controls with val-allels for the n-back tasks and an increased oxygenation and to some extent a fastened stop signal reaction time of the controls with val/met-genotype. Our results do not correspond to the assumptions from literature indicating an association of the met allele with beneficial prefrontal functions. Differences in COMT x group interactions suggest that prefrontal functions depend on general dopaminergic level (patients vs. controls), on prefrontal dopaminergic level (COMT genotype), and on task type (working memory vs. response inhibition). This hypothesis is supported by the differences in correlations of both processes in dependence of sample and genotype group. Conclusion: Our findings do not directly support the assumption, that working memory and response inhibition are associated functions in patients with ADHD or controls, or that the executive phenotype is one integrative subtype of ADHD. Furthermore, a possible association of both functions seems to depend on several factors, e. g. dopaminergic level as shown in the current investigation. Future investigations should address the open questions as to which factors influence this association and what combinations of such factors might constitute a subgroup of patients with ADHD with an integrative executive endophenotype.

Induktion präfrontaler Dysfunktion bei gesunden Probanden durch inhibitorische TMS: Eine NIRS-Messung / Induction of a prefrontal dysfunction on healthy subjects with inhibitory TMS: a near-infrared spectroscopy (NIRS) study

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Deficient self-control leads to shortsighted decisions and incurs severe personal and societal costs. Although neuroimaging has advanced our understanding of neural mechanisms underlying self-control, the ecological validity of laboratory tasks used to assess self-control remains largely unknown. To increase ecological validity and to test a specific hypothesis about the mechanisms underlying real-life self-control, we combined functional MRI during valuebased decision-making with smartphone-based assessment of real-life self-control in a large community sample (N = 194). Results showed that an increased propensity to make shortsighted decisions and commit self-control failures, both in the laboratory task as well as during real-life conflicts, was associated with a reduced modulation of neural value signals in the ventromedial prefrontal cortex in response to anticipated long-term consequences. These results constitute the first evidence that neural mechanisms mediating anticipations of future consequences not only account for self-control in laboratory tasks but also predict real-life self-control, thereby bridging the gap between laboratory research and real-life behavior.

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Pathologisches Glücksspiel (PG) ist eine psychiatrische Erkrankung, die gerade erst im DSM-5 der gleichen Kategorie wie substanzgebundene Suchterkrankungen zugeordnet wurde. Bildgebungsstudien zu Substanzabhängigkeit beobachteten funktionelle und strukturelle Veränderungen im präfrontalen Kortex (PFC) und mesolimbischen Belohnungssystem (d.h. Striatum). Für PG wurden ähnliche Veränderungen berichtet; jedoch gibt es kaum Studien, die sich mit verschiedenen Aspekten funktioneller und struktureller Korrelate in diesen Regionen beschäftigen. Diese Arbeit untersuchte PG Patienten, alkoholabhängige (AD) Patienten und Kontrollpersonen (HC) mit Magnetresonanztomografie. In Analyse I wurden funktionelle Gehirndaten während der Belohnungsaufgabe zwischen den drei Gruppen verglichen. In Analyse II wurde das Volumen grauer Substanz mit voxelbasierter Morphometrie und in Analyse III die intrinsische Gehirnaktivität mit einer seedbasierten funktionellen Konnektivitätsanalyse von PG Patienten und HC ausgewertet. Die Analysen ergaben veränderte Aktivierungen in frontostriatalen Arealen während der Verarbeitung von Verlustvermeidung für PG Patienten im Vergleich zu HC. PG Patienten unterschieden sich dabei in ihrer Aktivierung von AD Patienten während der Antizipation von Geldverlust. Weiterhin zeigten PG Patienten erhöhte Volumina grauer Substanz und eine erhöhte funktionelle Konnektivität in frontostriatalen Arealen im Vergleich zu HC. Die Ergebnisse liefern weitere Hinweise für eine veränderte Belohnungsverarbeitung in PG und betonen die Bedeutung der Verlustvermeidungsverarbeitung. Die Volumenveränderungen im und die erhöhte Konnektivität zwischen dem PFC and Belohnungssystem deuten auf eine veränderte Interaktion zwischen diesen Regionen hin. Da solche Veränderungen in kortikostriatalen Systemen Ähnlichkeiten zu denen in Substanzabhängigkeiten aufweisen, unterstützen die Ergebnisse die neue Klassifikation des PG im DSM-5. / Pathological gambling (PG) is a psychiatric disorder newly classified under the same category as substance use disorders in the DSM-5. Neuroimaging studies on substance-related addictions reported functional and structural changes in the prefrontal cortex (PFC) and the mesolimbic reward system (i.e., striatum). For PG, findings are not that extensive, but also demonstrate altered reward processing and prefrontal function. However, there is a lack of studies focusing on different aspects of functional and structural correlates within these areas in PG. This thesis investigated PG patients, alcohol dependent (AD) patients and healthy controls with magnetic resonance imaging (MRI). In analysis I, functional brain data of a reward paradigm was compared between the three groups. In analysis II, local gray matter volume of PG patients and controls was processed via voxel-based morphometry. Resting-state data of PG patients and controls was analyzed via seed-based functional connectivity in analysis III. Results revealed altered brain responses in fronto-striatal areas during loss avoidance processing in PG patients as compared to controls. Importantly, PG patients differed in their brain responses from AD patients during the prospect of monetary loss. Moreover, PG patients showed an increase in local gray matter volume and functional connectivity in frontal-striatal areas as compared to controls. Our results add further evidence for an altered reward processing in PG and underline the importance of loss avoidance processing. Moreover, our findings of volumetric alterations within and increased connectivity between PFC and reward system, suggest an altered interaction between these brain regions. Since such alterations in cortico-striatal circuits resemble those reported for substance-related addictions, our findings support the new classification of PG in the DSM-5.

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Bisherige Studien liefern Hinweise für das Auftreten von aktiven Prozessen der Reihenfolgekoordination in Doppelaufgaben. Diese Prozesse sind notwendig für die Regulation der Bearbeitungsreihenfolge von zwei Aufgaben. Bisher ist jedoch wenig über die kognitiven und neuronalen Mechanismen bekannt, die diesen Prozessen zugrunde liegen. Ziel der vorliegenden Dissertation war deshalb die Überprüfung eines Modells aktiver Reihenfolgekoordination in Doppelaufgaben. Das Modell nimmt an, dass diese Prozesse auf Repräsentationen zurückgreifen, die Informationen über die Verarbeitungssequenz zweier Aufgaben enthält. Zusätzlich macht das Modell Annahmen über (1) den Ort der Verarbeitung und (2) den genauen Inhalt dieser Repräsentationen. Weiterhin enthält das Modell die Annahmen, dass (3) der präfrontale Kortex kausal in Reihenfolgekoordination involviert ist und dass (4) diese Prozesse von unterschiedlichen Kriterien beeinflusst werden. In dieser Dissertation wurde das Model in einer Reihe von vier Studien überprüft. Dazu wurde ein Doppelaufgabenparadigma mit zufällig wechselnder Aufgabenreihenfolge verwendet. Ich konnte zeigen, dass die Reihenfolgerepräsentationen im Arbeitsgedächtnis aufrechterhalten und aktiv verarbeitet werden. Ich konnte weiterhin zeigen, dass diese Repräsentationen nur Information über die Sequenz der Aufgaben enthalten. Spezifische Aufgabeninformation wird hingegen separat repräsentiert. Durch den Einsatz transkranieller Magnetstimulation konnte ich zudem nachweisen, dass der präfrontale Kortex eine kausale Rolle für Reihenfolgekoordination spielt. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass Anforderungen an Reihenfolgekoordinationsprozesse in Situationen, in denen Probanden ein von außen vorgegebenes Reihenfolgekriterium befolgen, erhöht sind im Vergleich zu Situationen, in denen Probanden ein auf einer freien Wahl basierendes Kriterium nutzen können. Die Implikationen dieser Ergebnisse werden unter Berücksichtigung des vorgeschlagenen Modells diskutiert. / Evidence from behavioral as well as neurophysiological studies indicates the occurrence of active task-order coordination processes in dual-task situations. These processes are required for planning and regulating the processing sequence of two tasks that overlap in time. So far, however, the cognitive and neural mechanisms underlying active task-order coordination are highly underspecified. To tackle this issue, in the present dissertation I tested a model of task-order coordination in dual-task situations. This model assumes that task-order coordination relies on representations that contain information about the processing sequence of the two component tasks. In addition, the model includes assumptions about the (1) locus of processing as well as (2) the exact content of these order representations. The model further assumes that (3) the lateral prefrontal cortex is causally involved in implementing task-order coordination processes and that (4) these processes are affected by different order criteria. I tested this model in a series of four studies by applying a dual-task paradigm with randomly changing task order. I demonstrated that task-order representations are actively maintained and processed in working memory during dual tasking. Moreover, I found that these order representations only contain information about the processing sequence of tasks, whereas specific component task information is represented separately. By applying transcranial magnetic stimulation, I also provided evidence for the causal role of the lateral prefrontal cortex for task-order coordination. Furthermore, I showed that the demands on task-order coordination are increased when participants have to adhere to an external and mandatory order criterion compared to when they can use an internally generated order criterion that is based on free choice. The implications of these results as well as an outlook for future research will be discussed in the framework of the proposed model.