The encoding of auditory spatial acuity (measured as the precision to distinguish between two spatially distinct stimuli) by neural circuits in both auditory cortices is a matter of ongoing research. Here, the event-related potential (ERP) mismatch negativity (MMN), a sensitive indicator of preattentive auditory change detection, was used to tap into the underlying mechanism of cortical representation of auditory spatial information. We characterized the MMN response affected by the degree of spatial deviance in lateral acoustic space using a passive oddball paradigm. Two stimulation conditions (SCs)—specifically focusing on the investigation of the mid- and far-lateral acoustic space—were considered: (1) 65° left standard position with deviant positions at 70, 75, and 80°; and (2) 95° left standard position with deviant positions at 90, 85, and 80°. Additionally, behavioral data on the minimum audible angle (MAA) were acquired for the respective standard positions (65, 95° left) to quantify spatial discrimination in separating distinct sound sources. The two measurements disclosed the linkage between the (preattentive) MMN response and the (attentive) behavioral threshold. At 65° spatial deviations as small as 5° reliably elicited MMNs. Thereby, the MMN amplitudes monotonously increased as a function of spatial deviation. At 95°, spatial deviations of 15° were necessary to elicit a valid MMN. The behavioral data, however, yielded no difference in mean MAA thresholds for position 65 and 95°. The different effects of laterality on MMN responses and MAA thresholds suggest a role of spatial selective attention mechanisms particularly relevant in active discrimination of neighboring sound sources, especially in the lateral acoustic space.

<p>The goal of this study was to elucidate whether articulations of visual-speech are processed phonologically, and in the same manner as auditory-speech. Phonological processing, measured through the amplitude of the Phonological Mapping Negativity (PMN), was compared across three conditions using the electroencephalogram (EEG). Planned polynomial contrasts compared conditions of related and unrelated linguistic stimuli versus a non-linguistic control stimulus. A significant Site x Condition polynomial trend at posterior sites (Pz and Oz) during the N400 tine window revealed that the unrelated condition was most negative in amplitude, an N400-like deflection in the control condition reached similar negative amplitude, while the related condition was the most positive. A significant quadratic trend of PMN amplitude differentiated between the linguistic conditions and the non-linguistic control at site Fz, but did not differentiate the related and unrelated linguistic conditions from each other. These results support a conclusion that non-lexical speech-like and gurning motions of the lips are treated differently than articulations of a meaningful nature. Moreover, the PMN response patterned similarly in the linguistic conditions, compared to the non-linguistic control, indicating phonological processing. The prediction that PMN amplitude will distinguish visual-speech events congruent or incongruent to a phonologically constrained context was not supported.</p> / Master of Science (MSc)

<p>Music, like language, is a universal means of communication unique to humans, and the overlap of music and linguistic cognitive and neurological processes is well established. Performers and listeners alike are drawn to music as an avenue of emotional expression, as music is recognized for its rich emotional content. The study of affective priming indicates the communication of emotion-based concepts: stimuli that are related by affect give rise to response facilitation, an effect not observed to stimuli that are unrelated by affect. The measure of event-related brain potentials (ERPs) reveal, with exquisite temporal accuracy, that music clearly conveys emotion concepts in a manner commensurate to written language and prosody. To date, ERP studies of affective priming with music have involved written language and prosody, and have focused on the N400, an indication of semantic cognitive integration. The current study is the first to measure ERP responses in an affective priming paradigm of music and speech. In addition to the N400, the current study is the first of its kind to measure the N300, indicating cognitive categorization and the P300, reflecting recognition. Three sets of analyses – based on categorically correct responses, behaviourally correct responses and subjective responses – reveal N300 and N400 affective priming effects, corresponding to deliberate cognitive categorization and conceptual integration, respectively.</p> / Master of Science (MSc)

The present dissertation details a sequence of studies in mild traumatic brain injury, the progression of its effects on the human brain as recorded by event-related electroencephalography, and potential applications of machine learning algorithms in detecting such effects. The work investigated data collected from two populations (in addition to healthy controls): 1) a recently-concussed adolescent group, and 2) a group of retired football athletes who sustained head trauma a number of years prior to testing. Neurophysiological effects of concussion were assessed across both groups with the same experimental design using a multi-deviant auditory oddball paradigm designed to elicit the P300 and other earlier components. Explainable machine learning models were trained to classify concussed individuals from healthy controls. Cross-validation performance accuracies on the recently-concussed (chapter 4) and retired athletes (chapter 3) were 80% and 85%, respectively. Features showed to be most useful in the two studies were different, motivating a study of potential differences between the different injury-stage/age groups (chapter 5). Results showed event-related functional connectivity to modulate differentially between the two groups compared to healthy controls. Leveraging results from the presented work a theoretical model of mild traumatic brain injury progression was proposed to form a framework for synthesizing hypotheses in future research. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

Understanding what constitutes typical adult processing of infant cues and the potential individual variations associated with it is an important early step in comprehending how caregiving practices arise. By adopting a multi-method approach, the present work aimed to enrich the knowledge on adults’ cognitive and electrophysiological responses to infant cues, by focusing on the role of the adults’ sex, the perceived quality of early care from caregivers, and the actual involvement in childcare. Four studies were presented to cover different perspectives on adults’ responses to infant cues, from cognition to electrophysiology and parental behaviors. Methodologies encompassed cognitive experimental tasks, EEG, standardized observations, and self-reported measures. Samples included non-parents, different-sex parents, and same-sex parents. Overall, the present work responded to the recent interest in understanding adults’ responses to infant cues going beyond a heteronormative perspective. Our findings reinforced the argument that differences between males and females, if present in the response to infant stimuli, might not always be biologically determined, but reinforced by societal norms. In addition, we supported the relevance of accounting for both past and current experiences of care when investigating the adults’ cognitive and electrophysiological responses to infant cues. Eventually, we started to gain some knowledge on the neurophysiological correlates of sensitive caregiving in different family contexts. On the whole, considering the complexity of plural family models, we hopefully contributed to socializing the idea that there are different ways of conceiving and understanding parenting nowadays.

Heightened impulsivity and compulsivity are often found in association with both dysfunctional everyday behavior and with psychopathology. Impulsivity and compulsivity are also linked to alterations in behavioral response inhibition and its electrophysiological correlates. However, they are rarely examined jointly and their effect outside of clinical samples is still disputed. This study assesses the influence and interaction of impulsivity and compulsivity as measured by questionnaires (Barratt Impulsiveness Scale, UPPS Impulsive Behavior Scale, and Obsessive–Compulsive Inventory-Revised) on behavioral performance and event-related potentials (N2, P3a, and P3b) in a visual Go/Nogo task. Data from 250 participants from the general population (49% female; age M = 25.16, SD = 5.07) were collected. We used robust linear regression as well as regression tree analyses, a type of machine learning algorithm, to uncover potential non-linear effects. We did not find any significant relationship between the self-report measures and behavioral or neural inhibition effects in either type of analysis, with the exception of a linear effect of the lack of premeditation subscale of the UPPS Impulsive Behavior Scale on behavioral performance. The current sample size was large enough to uncover even small effects. One possibility is that inhibitory performance was unimpaired in a non-clinical sample, suggesting that the effect of these personality traits on inhibition and cognitive control may require a clinical sample or a more difficult task version. Further studies are needed to uncover possible associations and interactions to delineate when impulsivity and compulsivity lead to dysfunctional everyday behavior and psychopathology.

In unserer lautsprachlichen Welt ist Kommunikation stark auf das Hören angewiesen. Normalhörende Kinder sammeln in ihren ersten Lebensjahren Hörerfahrungen, die ihre sprachliche Entwicklung unterstützen. Früh ertaubten oder von Geburt an gehörlosen Kindern fehlt diese Möglichkeit bis zur Cochlea-Implantation. Ein Cochlea-Implantat (CI) ist eine Innenohrprothese, die geschädigte sensorische Haarzellen ersetzt und das Hören ermöglicht, wenn der Hörnerv intakt ist. Nach der Implantation beginnen CI-tragende Kinder ohne relevante Hörerfahrung mit der lautsprachlichen Entwicklung und müssen zu gleichaltrigen normalhörenden Kindern aufschließen. Die CI-Funktionen werden in mehreren Sitzungen an die Wahrnehmung der Person angepasst, doch das CI überträgt die Tonwelt nicht so exakt wie ein intaktes Gehör, was die auditive Umgebungswahrnehmung von CI-tragenden Kindern erschwert. Erwachsene CI-Nutzer können bei der Anpassung verbal kommunizieren, Kleinkinder oder Säuglinge jedoch nicht, weshalb ihre Hörwelt weitgehend unbekannt bleibt. Sprache und Musik teilen einige Wahrnehmungseigenschaften: Prosodie (Sprachmelodie) basiert auf Frequenz und Intonation, Emotionen werden durch Rhythmus und Intensität ausgedrückt, und Klangfarbe ermöglicht die Unterscheidung von Sprechstimmen und Instrumenten. Die Studie untersucht die musikalische Hörverarbeitung bei normalhörenden Säuglingen und CI-tragenden Kleinkindern mit vergleichbarem Höralter. Mithilfe der Mismatch Negativity (MMN) im EEG, die unabhängig von der Aufmerksamkeit des Probanden ausgelöst wird, wurde die Hörwahrnehmung objektiv beurteilt. Verschiedene musikalische Qualitäten wurden mit einem Multi-feature-MMN-Paradigma untersucht. Die Stimuli bestanden aus einem Tonlauf von vier Achtelnoten (Alberti-Bass) und wurden in allen Dur- und Moll-Tonarten in randomisierter Reihenfolge dargeboten, wobei der dritte Ton in Tonhöhe (pitch), Klangfarbe (timbre), Intensität (intensity), Rhythmus (rhythm), Glissando (slide) und einem zweiten Standard (standard2) variierte. Die Probanden wurden während der Stimulus-Präsentation geräuschlos abgelenkt. Es wurden Daten von 17 prälingual ertaubten CI-tragenden Kleinkindern (durchschnittlich 1 Jahr und 7 Monate alt) und 21 normalhörenden Säuglingen (6 Monate alt), beide mit 6 Monaten Hörerfahrung, ausgewertet. Für jede Bedingung wurde der Grand Average in beiden Gruppen und deren Untergruppen gebildet, und die MMN in frühen und späten Zeitfenstern analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass CI-tragende Kinder bei allen Devianten eine signifikante MMN zeigten. Die Untergruppe „mit Hörerfahrung“ wies bei timbre, intensity, rhythm und standard2 signifikante Ergebnisse auf, während die Untergruppe „ohne Hörerfahrung“ bei allen Devianten Signifikanzen zeigte. Dies wird jedoch aufgrund der kleinen Stichprobengröße nicht als robust betrachtet. Normalhörende Kinder zeigten bei allen Devianten außer standard2 eine signifikante MMN. CI-tragende Kinder reagierten unerwartet stark auf intensity und schwach auf rhythm, während normalhörende Kinder standard2 nicht wahrnehmen konnten. Erstmals wurde die Hörwahrnehmung von früh implantierten, bilateral CI-tragenden Kindern in ihrem frühen Höralter von sechs Monaten untersucht. CI-tragende Kinder konnten alle untersuchten Abweichungen wahrnehmen, wobei timbre und intensity besser und rhythm schwächer als erwartet wahrgenommen wurden. Normalhörende Kinder konnten standard2 aufgrund ihres Entwicklungsstandes nicht wahrnehmen, während ältere CI-tragende Kleinkinder dies kognitiv leisten konnten. Die CI-tragenden Kinder zeigten eine vergleichbare Fähigkeit zur Wahrnehmung akustischer Reize wie normalhörende Kinder, trotz fehlender oder unterbrochener Hörerfahrung.:Inhaltsverzeichnis Relevanz der Dissertation für den Forschungsbereich 1. Einleitung 1.1. Das auditive System 1.1.1. Anatomie des Ohres 1.1.2. Physiologie der akustischen Wahrnehmung 1.1.3. Embryologische Entwicklung des Innenohres: Der Beginn des Hörens 1.1.4. Kindliche Hörstörungen 1.2. Das Cochlea-Implantat (CI) 1.2.1. Definition und Entwicklung 1.2.2. Aufbau und Funktion 1.2.3. CI-Versorgung bei Kleinkindern 1.3. EEG und evozierte Potentiale 1.3.1. EEG 1.3.2. Ereignis-korrelierte Potentiale 1.3.3. CI-Artefakte 1.4. Bedeutung von Musik für die Entwicklung 1.4.1. Musik als Kulturgut 1.4.2. Psychosoziale Aspekte 1.4.3. Hörwahrnehmungen bis zum Kleinkindalter 1.4.4. Musikwahrnehmung mit CI 2. Experiment 2.1. Motivation 2.2. Stand der Wissenschaft 2.3. Fragestellung und Hypothesen 2.4. Methoden 2.4.1. Probanden 2.4.2. Versuchsdesign 2.4.3. Versuchsablauf 2.4.4. Elektrophysiologische Ableitung 2.4.5. Datenanalyse 2.5. Ergebnisse 2.5.1. Patientengruppe (CI-tragende Kinder) 2.5.2. Kontrollgruppe (normalhörende Kinder) 2.5.3. Übersicht über die CI- und die NH-Gruppe 2.5.4. Die Auswirkung des CI-Artefakts auf die MMN 3. Diskussion 3.1. Hörwahrnehmung CI-tragender Kinder 3.1.1. Pitch 3.1.2. Timbre 3.1.3. Intensity 3.1.4. Rhythm 3.1.5. Slide 3.1.6. Standard2 3.1.7. Globaler Vergleich der diskutierten Studien 3.2. Hörwahrnehmung normalhörender 6 Monate alter Säuglinge 3.3. Untergruppen „mit“ und „ohne Hörerfahrung“ 3.4. Latenzen 3.5. Fazit 3.6. Limitationen 3.7. Ausblick 4. Zusammenfassung 4.1. Deutsch 4.2. English Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Anlage 1: Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Anlage 2: Erklärung zur Einhaltung aktueller gesetzlicher Vorgaben

Die emotionale Valenz von Wörtern beeinflusst deren kognitive Verarbeitung. Ungeklärt ist, obwohl von zentraler Bedeutung für die Disziplinen der Psycholinguistik und der Neurowissenschaften, die Frage nach dem funktionellen Lokus von Emotionseffekten in der visuellen Wortverarbeitung. In der vorliegenden Dissertation wurde mit Hilfe von Ereignis-korrelierten Potentialen (EKPs) untersucht, ob emotionale Valenz auf lexikalischen oder auf semantischen Wortverarbeitungsstufen wirksam wird. Vorausgegangene Studien weisen auf einen post-lexikalischen Lokus von Emotionseffekten hin, wobei einige wenige heterogene Befunde von sehr frühen Emotionseffekten auch einen lexikalischen Lokus vermuten lassen. In der vorliegenden Arbeit wurden drei emotions-sensitive EKP Komponenten beobachtet, die distinkte zeitliche und räumliche Verteilungen aufwiesen, und daher verschiedene Wortverarbeitungsstufen zu reflektieren scheinen. Die Ergebnisse wurden im Rahmen von allgemeinen Annahmen aktueller Wortverarbeitungs- und semantischer Repräsentationsmodelle diskutiert. Als zentrales Ergebnis kann benannt werden, dass Emotion am stärksten semantische Wortverarbeitungsstufen beeinflusste. Hieraus wurde geschlussfolgert, dass emotionale Valenz einen Teil der Wortbedeutung darstellt. Eine Interaktion mit einem lexikalischen Faktor sowie sehr frühe Emotionseffekte deuten auf einen zusätzlichen Lokus auf lexikalischen oder sogar perzeptuellen Wortverarbeitungsstufen hin. Dies bedeutet, Emotion veränderte die visuelle Wortverarbeitung auf multiplen Stufen, dabei konnten separate emotions-sensitive EKP Komponenten, die unterschiedlichen Randbedingungen unterliegen, mit jeweils einem frühen (pre-)lexikalischen und einem späten semantischen Lokus in der Wortverarbeitung in Verbindung gesetzt werden. Die Befunde stützen Wortverarbeitungsmodelle, die zeitlich flexible und interaktive Wortverarbeitungsstufen annehmen. / Emotional valence of words influences their cognitive processing. The functional locus of emotion effects in the stream of visual word processing is still elusive, although it is an issue of great importance for the disciplines of psycholinguistics and neuroscience. In the present dissertation event-related potentials (ERPs) were applied to examine whether emotional valence influences visual word processing on either lexical or semantic processing stages. Previous studies argued for a post-lexical locus of emotion effects, whereas a lexical locus has been indicated by a few heterogeneous findings of very early emotion effects. Three emotion-related ERP components were observed that showed distinct temporal and topographic distributions, and thus seem to reflect different processing stages in word recognition. Results are discussed within a framework of common assumptions from word recognition and semantic representation models. As a main finding, emotion impacted most strongly semantic processing stages. Thus, emotional valence can be considered to be a part of the meaning of words. However, an interaction of emotion with a lexical factor and very early emotion effects argued for an additional functional locus on lexical, or even on perceptual processing stages in word recognition. In conclusion, emotion impacted visual word processing on multiple stages, whereas distinct emotion-related ERP components, that are subject to different boundary conditions, were associated each with an early (pre-)lexical locus or a late semantic locus. The findings are in line with models of visual word processing that assume time-flexible and interactive processing stages, and point out the need for integration of word recognition models with models of semantic representation.

In dieser Dissertation zeige ich anhand einer Reihe von Beispielen, wie das Langzeitgedächtnis die perzeptuelle Verarbeitung beeinflussen kann. Anhand einer Aufgabe zur visuellen Aufmerksamkeit verdeutliche ich, inwiefern episodische Erinnerungen perzeptuelle Distrakoreffekte reduzieren können. In Experiment 1 sollten Versuchspersonen zuvor gelernte Worte entweder ins Gedächtnis zu rufen oder die Erinnerung an die Worte zu unterdrücken. Anschließend mussten sie unter Zeitdruck neue, bisher nicht präsentierte Worte semantisch einordnen, wobei die Zielworte von den zuvor abgerufenen oder unterdrückten Worten flankiert waren. Da die flankierenden Worte für die semantische Entscheidungsaufgabe irrelevant und die Versuchspersonen instruiert worden waren, diese zu ignorieren, kann von einem perzeptuellen Distraktoreffekt ausgegangen werden. Distraktoreffekte waren für zuvor unterdrückte Gedächtnisinhalte im Vergleich zur abgerufenen Gedächtnisinhalten deutlich reduziert, was nahelegt, dass episodische Gedächtnisinhalte die Wahrnehmung beeinflussen. Auf dieser Erkenntnis aufbauend zeige ich in Experiment 2, wie die suppressionsinduzierte Reduktion der Verarbeitung von Distraktorreizen durch individuelle Differenzen maskiert werden kann. Schließlich wurden den Versuchspersonen in Experiment 3 in einer „Attentional-Blink“-Aufgabe unbekannte Objekte als zweites von zwei aufeinander folgenden Zielobjekten dargeboten. Versuchspersonen konnten Objekte, die mit einer neu gelernten semantischen Information assoziiert waren, besser erkennen als Objekte, die mit minimaler Information assoziiert waren. Dieser Effekt ging mit einer Modulation der ereigniskorrelierten Potenziale 100ms nach Erscheinen des Reizes einher. Diese Ergebnisse zeigen, dass Inhalte aus dem Langzeitgedächtnis Wahrnehmungsprozesse beeinflussen können und leisten damit einen weiteren Beitrag zur Erkenntnis, dass die Wahrnehmung gegenüber höheren Kognitionen nicht unabhängig ist. / Numerous studies are emerging which suggest that long-term memories can influence early perceptual processing. Notwithstanding, these finding have come under fire from critics who view perceptual processing as independent of cognition. In this dissertation I demonstrate novel instances of long-term memory effects on perceptual processing, both in the context of an attentional task where I look at the extent to which episodic memory can reduce perceptual distraction and in a conscious detection task where I assess the effect of semantic knowledge on peoples ability to consciously detect briefly presented objects. In experiment one, participants retrieved or suppressed previously memorised words. Following this task, participants made speeded semantic judgments on novel target words that were flanked by the words that had previously undergone suppression or retrieval. Because the flanking words were irrelevant to the semantic judgment and were supposed to be ignored, any influence of their presence on semantic judgment speed can be taken as a marker of perceptual distraction. Results showed that the tendency for flankers to distract from target processing was markedly reduced if those flankers had undergone suppression. In experiment two, I expanded upon this finding by showing how this suppression-induced reduction in distractor processing can be masked by individual differences. Finally, in experiment three, I presented pictures of novel objects to participants as the second of two targets in an attentional blink paradigm. Results showed that participants were able to perceive objects associated with newly acquired semantic knowledge better than objects associated with minimal knowledge, a finding that was associated with a modulation of event-related brain potentials 100 msec after stimulus onset. Taken together, these experiments contribute to the growing body of evidence showing that information from long-term memory can influence perceptual processing.

Emotionale Bedeutung erleichtert die Verarbeitung geschriebener Sprache. Dies zeigt sich sowohl in Verhaltensmaßen als auch in ereigniskorrelierten Potenzialen (EKPs) und resultiert vermutlich aus automatischer Aufmerksamkeitszuweisung auf Grund der hohen intrinsischen Relevanz von emotionalen Reizen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Mechanismen von Emotionseffekten in geschriebener Sprache, insbesondere den Zeitverlauf der Emotionseffekte, die Beteiligung des peripheren Nervensystems, sowie die Rolle der Emotionsdimensionen Valenz und Erregung. Emotionseffekte in EKPs beginnen mit einer Latenz von 100 ms nach Stimulusonset. Dies deutet auf die Existenz eines schnellen und automatischen Erkennungssystems für emotionale Wörter hin. Zeitverlauf und Verteilung der Emotionseffekte weisen große Ähnlichkeit zu Befunden für emotionale Bilder auf und lassen auf ein domänenübergreifenden System zur Emotionserkennung schließen. Übereinstimmend mit dieser Annahme zeigen sich weitere Ähnlichkeiten in der Verarbeitung emotionaler Wörter und Bilder in einer Studie, die die Interaktion von stimulusbasierter Aufmerksamkeit und Emotion in der Wortverarbeitung untersuchte. Die Ergebnisse dieser Studie legen auf Grund des arbiträren Charakters von Schriftsprache den Schluss nahe, dass der Verarbeitungsvorteil für emotionale Reize zu einem geringeren Anteil als bisher vermutet auf biologischer Relevanz beruht. Neben diesen Ähnlichkeiten zeigt sich ein domänenspezifischen Unterschied in der Emotionsverarbeitung. Während die Darbietung emotionaler Bilder oft mit erhöhter Aktivierung des autonomen Nervensystems einhergeht, zeigen Befunde zur Pupillenaktivität, dass die Verarbeitung emotionaler Wörter nicht zwangsläufig zu autonomer Aktivierung führen muss; stattdessen scheint der Verarbeitungsvorteil für emotionale Wörter darauf zu beruhen, dass weniger kognitive Ressourcen für deren Verarbeitung notwendig sind. / Emotional meaning impacts the processing of written words, leading to facilitated processing that is visible not only in behavioral parameters, but also in event-related potentials (ERPs). It has been suggested that this processing benefit occurs because emotional stimuli involuntarily attract attention, possibly based on their higher intrinsic relevance. The present work investigates the conditions of emotion effects in word recognition, focusing on the time course of emotional processing, on the involvement of autonomic activation, and on contributions of emotional dimensions valence and arousal. In ERPs, emotion effects were evident from approximately 100 ms after stimulus onset, providing evidence for a fast and automatic detection and facilitation of emotional words. The time course and topography of emotion effects is in parallel to findings for affective pictures and suggests the existence of a common system for the extraction of emotional content across stimulus domains. In line with these findings, interactions of stimulus-triggered attention and emotion during word recognition are highly similar to interactions in picture processing. Due to the symbolic nature of words, this finding implies that emotion detection is less dependent on biological relevance than previously assumed. Apart from these analogies, the present results revealed a difference in emotional processing across stimulus domains. While affective pictures have frequently been reported to elicit augmented activity in the autonomic nervous system, evidence from pupillary responses indicates that emotional words do not mandatorily trigger autonomic activation. Instead, the processing advantage visible in behavioral measures seems to result from cognitive facilitation of emotional words.