Diese kumulative Dissertation umfasst zwei Studien zu den räumlichen und zeitlichen neuronalen Dynamiken des visuellen Arbeitsgedächtnisses (VA). Die erste Studie untersuchte, wie die oberflächlichen und tiefen Schichten des präfrontalen Kortex (PFC) zur Enkodierung, Aufrechterhaltung und zum Abruf von VA-Informationen bei unterschiedlichen Gedächtnisbelastungen beitragen. Die Ergebnisse zeigten, dass die oberflächlichen PFC-Schichten bei hoher Belastung während der Verzögerung und des Abrufs stärker aktiviert waren. Multivariate Decodierungstechniken zeigten eine dynamische neuronale Kodierung mit drei Clustern generalisierter Aktivitätsmuster in den Phasen der Enkodierung, Verzögerung und des Abrufs. Es gab jedoch keine Generalisierung zwischen diesen Phasen, was auf unterschiedliche neuronale Populationen für jede Phase hinweist. Die zweite Studie untersuchte die Mechanismen, die VA bei Ablenkungen aufrechterhalten. Dabei wurden Daten aus einer früheren Studie erneut analysiert, in der die Teilnehmer drei Arten von Aufgaben ausführten: eine mit einer leeren Verzögerungsphase, eine mit einem Orientierungsablenker und eine mit einem Rauschablenker. Die Studie analysierte die zeitliche Generalisierung der neuronalen Codes in Regionen des visuellen Kortex und prüfte, ob VA und Ablenker dieselben neuronalen Subräume nutzen. Die Ergebnisse zeigten eine dynamische Kodierung während der frühen und späten Verzögerungsphasen. Zudem wurden VA und der Orientierungsablenker in getrennten, nicht überlappenden Subräumen aufrechterhalten, was auf unterschiedliche neuronale Populationen für VA und Ablenker hindeutet. Zusammenfassend erweitert die Dissertation das Verständnis darüber, wie der PFC und visuelle Areale VA-Informationen aufrechterhalten, insbesondere unter unterschiedlichen Belastungen und Ablenkungen. Sie liefert zudem neue Ansätze zur Untersuchung der zeitlichen neuronalen Dynamik dieser Prozesse. / This cumulative thesis covers two scientific studies exploring the spatial and temporal neural dynamics of visual working memory (VWM) processes. The first study examined the contributions of the prefrontal cortex (PFC) layers—superficial and deep—during VWM encoding, maintenance, and retrieval under two memory load conditions. Results revealed heightened activation in the superficial layers of the PFC during high-load trials, particularly in the maintenance and retrieval phases. Using multivariate decoding techniques, the study assessed the temporal stability of neural codes distinguishing high- and low-load trials, identifying a dynamic code with three distinct clusters of generalization during encoding, delay, and retrieval phases. Notably, there was no generalization of neural patterns across these phases, suggesting distinct neural populations for each stage. The second study focused on the mechanisms enabling VWM maintenance in the presence of distractions. Reanalyzing prior data, the study examined VWM trials featuring either a blank delay, an orientation distractor, or a noise distractor. The study explored the temporal generalization of neural codes across visual cortex regions and whether VWM and distractors shared neural subspaces. Findings indicated dynamic neural coding during early and late memory delay periods. Additionally, VWM and orientation distractors were maintained in separate, non-overlapping subspaces, suggesting distinct neural populations for VWM and perceptual distractors. Collectively, this thesis enhances our understanding of how the PFC and visual areas support VWM maintenance and control, particularly under varying loads and distractions. It also introduces novel approaches for investigating the temporal neural dynamics underlying these processes.

In den letzten Jahren wurde es dank der Entwicklung moderner Bildgebungsverfahren möglich, die neuronalen Korrelate kognitiver Arbeitsprozesse teilweise aufzudecken und immer besser zu verstehen. Durch diese Fortschritte ist es heute möglich, diese identifizierten Systeme im Rahmen der Erforschung psychiatrischer Erkrankungen auf Dysregulationen zu untersuchen. Dabei wird seit einigen Jahren der Suche nach Endophänotypen eine tragende Rolle zuteil. Endophänotypen befinden sich dabei intermediär zwischen dem klinischen Phänotyp und dem für die Krankheit kodierenden Genotyp. Ihre Identifizierung soll in Zukunft dazu beitragen, das nach neuesten Erkenntnissen nicht mehr aktuelle psychiatrische Klassifikationssystem zu reformieren und damit eine krankheitsgerechtere Einteilung der einzelnen Diagnosegruppen zu gewährleisten. In diesem Rahmen wurden in der hier vorliegenden Arbeit drei verschiedene neuronale Systeme, die dem Belohnungssystem, dem verbalen sowie visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnis und den Aufmerksamkeitsprozessen zugrunde liegen, in Bezug auf ihre Relevanz als potentielle Endophänotypen getestet. 20 erstgradige Angehörige von schizophrenen Patienten unterzogen sich in diesem Zuge einer etwa einstündigen fMRT- Untersuchung, während der sie Aufgaben zur Aktivierung dieser neuronalen Netzwerke lösen sollten. Die dabei gemachten Funde indizieren Dysregulationen verschiedener neuronaler Areale während aller Aufgaben. In Bezug auf vorherige Studien zu Endophänotypen sowohl mit Angehörigen als auch mit Schizophrenen konnten diese Funde in den wissenschaftlichen Hintergrund eingeordnet werden. Dabei konnten einige vielversprechende Beobachtungen festgehalten werden. Es ergaben sich potentielle Endophänotypen in Bereichen neuronaler Hirnstrukturen, die der Verarbeitung von kognitiven Kontrollprozessen zugrunde liegen. Des Weiteren konnte eine Dysregulation vor allem des rechten anterioren Thalamus konstatiert werden. Auch Hyperaktivierungen in Arealen des PFCs und im prämotorischen Kortex konnten ebenfalls durch Funde anderer Studien bestätigt werden. Zusammenfassend stehen die wissenschaftlichen Forschungen zur Endophänotypenfrage wohl noch am Anfang eines langen, jedoch sehr vielversprechenden Weges, der die aktuellen Klassifikationssysteme in Zukunft revolutionieren könnte. Die ersten Schritte sind getan und müssen nun in weiteren, umfangreicheren und möglicherweise auch präziseren Studien fortgeführt werden.