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Visual attention can be voluntarily focused on a location or automatically attracted by salient features in a visual scene. Studies using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) suggest two networks of visual attention involved in these complementary mechanisms: a dorsal frontoparietal network and a ventral frontoparietal network of visuospatial attention respectively. However, most studies so far have applied non‐natural schematic stimuli. The present study investigates visual attention in images of natural environmental scenes. Adopting previously used eye‐tracker paradigms, we study the influence of task instruction and luminance contrast modifications in pictures on both eye movements and neural activity using Eye‐Tracking and functional Magnetic Resonance Imaging simultaneously. We expect increased top‐down control of attention in a search task compared to a free viewing condition visible in enhanced neural activation in the intraparietal sulcus (IPS) as part of the dorsal frontoparietal network. Strong modifications of luminance contrast should foster bottom‐up processing activating the temporoparietal junction (TPJ) a crucial area in the ventral frontoparietal network of visual attention. Although the obtained eye‐tracking data shows the expected shift of fixations towards locations of increased luminance contrast, we do not find an influence of luminance contrast modifications on neural processing. Comparison of instructions reveals diverse results across participants possibly due to the long presentation duration of stimuli which allowed participant’s attention to wander independently of task instruction. We find bilateral activation in IPS and parahippocampal place area (PPA) as well as bilateral deactivation in the TPJ region independent of task context. This might indicate similar contributions of these areas to free viewing of and search in visual scenes. However, dissociation of target detection and attention during search by deconvolution analysis of data obtained in this study might reveal a more detailed picture of functional involvement of the IPS and TPJ region in processes of visual attention. Remarkably, results show robust activation of the PPA in both tasks, suggesting that the PPA region might not only be activated by houses and open scenes but by narrow scenes (bushes, leaves) of natural outdoor environment as well.

Exekutivfunktionen sind die Grundlage der Aufmerksamkeitssteuerung, Handlungsplanung, Impulskontrolle, und notwendig für zielgerichtetes Handeln. Impulskontrolle bedeutet dabei die Fähigkeit, behaviorale Impulse und Gedanken zu unterdrücken (Evenden, 1999). Erkrankungen, wie die Borderline Persönlichkeitsstörung (BPS) oder die Aufmerksamkeitsdefizit-/ Hyperaktivitätsstörung (ADHS), die sich durch Einschränkungen der Impulskontrolle auszeichnen, gehören zu den häufigsten psychiatrischen Erkrankungen unserer Zeit und sind schwer zu behandeln. Klinische Beobachtungen (Linehan, 1996) wie auch aktuelle Forschungsergebnisse (Silbersweig et al., 2007) zur BPS lassen einen engen Zusammenhang der affektiven und impulsiven Symptomatik vermuten. Ziel der Studie war zum einen, die gestörte Impulskontrolle bei BPS mit Hilfe psychometrischer und neuropsychologischer Verfahren zu bestätigen und zum anderen die komplexe Interaktion affektiver und inhibitorischer Netzwerke mit Hilfe funktioneller Magnetresonanztomographie zu untersuchen. Dazu wurde ein fMRI-Paradigma entwickelt, dass Emotionsinduktion (Ärger, Freude, Neutral) mit einer Impulskontrollaufgabe (Go/NoGo) verband. Neben dem Vergleich mit einer gesunden Kontrollgruppe wurden zur störungsspezifischen Abgrenzung auch Frauen mit ADHS untersucht. Patientinnen mit BPS gaben dabei in Selbstbeurteilungsmaßen höhere Impulsivitätswerte als gesunde Kontrollen und ähnlich hohe Werte wie Patientinnen mit ADHS an, waren aber in den Aufgaben behavioraler Impulskontrolle nicht beeinträchtigt. In allen drei Versuchsgruppen ergab sich eine emotionale Modulation durch die vorher induzierten Emotionen. Während aber gesunde Kontrollen für erfolgreiche Inhibition v. a. den inferioren Präfrontalkortex verstärkt rekrutieren, war sowohl in der BPS- als auch in der ADHS eine Modulation im Nucleus subthalamicus zu beobachten. Während Patienten mit BPS entsprechend früherer Befunde mit verstärkter Amygdalaaktivierung auf die Emotion Ärger reagierten, zeigten die Patientinnen mit ADHS veränderte Aktivierungen des affektiven Netzwerkes bei der Emotion Freude. Emotionsunabhängig zeigten sich in der ADHS-Gruppe Hypoaktivierungen im mittleren Cingulum und dorsolateralen Präfrontalkortex. Zusammengefasst entsprechen die Ergebnisse der Annahme eines hyperaktivierten limbischen affektiven Systems und eines hypoaktivierten präfrontalen Kontrollsystems bei Borderline Persönlichkeitsstörung (Depue & Lenzenweger, 2005; Dinn et al., 2004; Posner et al., 2003). Eine emotionale Modulation scheint zu einer kompensatorischen Aktivierung von Hirnregionen des Hemmungsnetzwerkes zu führen. Eine generell beeinträchtige neutrale Impulskontrollfähigkeit scheint in Abgrenzung zur ADHS jedoch nicht vorzuliegen.

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Täglich treffen Menschen zahlreiche Entscheidungen. Häufig stellt sich dabei die Frage, ob man einer direkt verfügbaren Versuchung nachgibt oder versucht, ein in der Zukunft liegendes Ziel zu erreichen. Impulsivität und Selbstkontrolle können dabei als konfligierende Persönlichkeitseigenschaften im Entscheidungsprozess gesehen werden. In der Entscheidungsforschung wird postuliert, dass zwei getrennte Systeme existieren, die bei jeder Wahl berücksichtigt werden: ein eher impulsives und ein reflektives System. Je nach Stärke der Anteile der beiden Systeme werde eine Entscheidung getroffen. Neben behavioralen Theorien haben die Befunde der kognitiven Neurowissenschaften dazu beigetragen, den beschriebenen Systemen relevante Hirnregionen zuzuschreiben: limbische Regionen, vor allem das ventrale Striatum, werden dabei vor allem mit dem impulsiven System in Verbindung gebracht, während kortikale Strukturen, im Besonderen dorsolateraler präfrontaler (DLPFC) und anteriorer cingulärer Kortex (ACC), mit Selbstkontrolle assoziiert werden. Das Belohnungssystem ist eng mit dopaminergen Signalübertragungswegen verbunden, die unter anderem durch Gene für Dopamin- Rezeptor, -Transporter und -Abbau beeinflusst werden. Studien zur Erforschung der behavioralen Grundlagen und neuronalen Zusammenhänge menschlicher Entscheidungen haben bislang vor allem Forced-Choice-Paradigmen verwendet, bei denen sich die Probanden zwischen einer sofort verfügbaren, kleineren Belohnung und einer späteren, größeren Belohnung entscheiden müssen. Bei dieser Operationalisierung erfolgt bei jeder Entscheidung eine eindeutige Zuordnung zum impulsiven oder selbstkontrollierten System, alltägliche Entscheidungen hingegen sind meist deutlich weniger eindeutig und transparent. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein fMRT-Paradigma entwickelt, das menschliche Entscheidungen abbildet, ohne auf diese dichotome Einteilung zurückzugreifen. So sollten mithilfe des Versuchsresistenz-Paradigmas (VR-Paradigma) sowohl Belohnungsareale aktiviert, als auch schwierige Entscheidungen abgebildet werden. Dabei wurden den Probanden in neun Blöcken jeweils zwanzig kleine Geldbeträge (zwischen einem und 99 Cent) angeboten, von denen pro Block nur fünf gutgeschrieben werden konnten. Es wurden zwei aufeinander aufbauende Studien an unterschiedlichen Stichproben durchgeführt: Im Rahmen der ersten Studie wurden 53 männliche Studenten untersucht. Neben dem VR-Paradigma wurden psychologische Fragebögen erhoben, bei 30 Probanden erfolgte außerdem eine genetische Analyse hinsichtlich dreier Dopamin-assoziierter Polymorphismen (COMT Val158Met, DAT1 und DRD2/ANKK1 Taq 1A). In einer zweiten Studie wurden die Daten 16 männlicher alkoholabhängiger Patienten sieben bis 14 Tage nach Beginn eines Entzugs und 16 männlicher Kontrollprobanden analysiert. Diese wurden ebenfalls dem VR-Paradigma unterzogen und begleitend mithilfe psychologischer Fragebögen untersucht. Bei der Auswertung wurden die Entscheidungen im Sinne eines 2x2-Designs nach Antwort (Ja oder Nein) und Höhe (Hoch (≥ individuellem Median der gutgeschriebenen Beträge) oder Niedrig (< individuellem Median) eingeteilt. Dabei sollten Belohnungsreaktionen vor allem bei höheren Beträgen auftreten, während schwierige Entscheidungen und Versuchungsresistenz über die Ablehnung hoher Beträge und die Annahme niedriger Beträge abgebildet werden. Die Auswertung der ersten Studie erbrachte einen signifikanten Unterschied der Reaktionszeiten im VR-Paradigma bezogen auf die Höhe der angebotenen Beträge und die Interaktion von Antwort und Höhe, wobei die Ablehnung eines hohen Betrags die längsten Reaktionszeiten hervorrief. Bei hohen im Vergleich zu niedrigen Beträgen konnten Aktivierungen im bilateralen ventralen Striatum, rechten DLPFC, ACC, in der bilateralen Insula und im inferioren parietalen Lobus (IPL) nachgewiesen werden. Bei der Ausübung von Versuchungsresistenz (Interaktion der Haupteffekte) wurde dagegen der linke DLPFC aktiviert. Im Rahmen einer Konnektivitätsanalyse (psychophysiologische Interaktionen) konnte eine Korrelation der Aktivierung des linken DLPFC mit dem ventralen Striatum nur bei hohen abgelehnten Beträgen, nicht aber bei niedrigen zurückgewiesenen Beträgen gefunden werden. Bezüglich der Verbindung zwischen neuronaler Aktivierung und Persönlichkeit konnten Zusammenhänge der Belohnungsreaktion mit hohen Werten auf Impulsivitätsskalen und für Risikoverhalten sowie niedrigen Werten für Selbstkontrolle nachgewiesen werden. Für die Aktivierung in Kontrollarealen bei Versuchungsresistenz konnte ein entgegengesetzter Effekt beobachtet werden. Die Auswertung der genetischen Daten ergab eine signifikante stärkere Aktivierung des ventralen Striatums bei 10R- Homozygoten. Bei 10R-Homozygoten liegt eine erhöhte Zahl von Dopamin-Transportern an der Synapse vor, was am ehesten zu einer verringerten Verfügbarkeit von Dopamin im synaptischen Spalt führt. Die Auswertung von Studie 2 erbrachte signifikante Unterschiede der Reaktionszeiten nur bezüglich der Höhe der angebotenen Belohnung, die Gruppenzugehörigkeit (Patient- Kontrolle) und die Interaktion der Haupteffekte hatten keinen Einfluss. Die Patienten behielten signifikant häufiger eine Kaufoption bis zum Ende eines Blocks übrig. Bei der neuronalen Aktivierung konnte eine stärkere Aktivierung des linken DLPFC und linken IPL bei Patienten nachgewiesen werden. Außerdem fanden sich signifikant höhere Werte auf impulsivitätsassoziierten Persönlichkeitsskalen für Patienten im Vergleich zu Kontrollen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten mit dem neu entwickelten VR-Paradigma neuronale Aktivierungen in Belohnungs- (v.a. ventrales Striatum) und Kontrollarealen (v.a. linker DLPFC und ACC) nachgewiesen werden. Außerdem scheint eine Konnektivität zwischen DLPFC und ventralem Striatum abhängig von der Notwendigkeit zur Ausübung kognitiver Kontrolle zu bestehen. Das Ausmaß neuronaler Aktivierung war mit Persönlichkeitsmaßen von Impulsivität und Selbstkontrolle korreliert, hier haben also interindividuelle Unterschiede in neuronaler Aktivierung Auswirkungen auf die Persönlichkeit. Der gefundene Einfluss des DAT1-Gens steht im Gegensatz zu bisherigen Befunden, dies kann mit der unterschiedlichen Operationalisierung zusammenhängen. Unterschiede zwischen alkoholabhängigen Patienten und Kontrollen hinsichtlich einer stärkeren Aktivierung in Kontrollarealen bei Patienten lassen vermuten, dass Patienten einen höheren kognitiven Aufwand zur Kontrollausübung aufwenden müssen. Mithilfe des neuartigen Versuchungsresistenz-fMRT-Paradigmas zur Versuchungsresistenz werden bekannte Hirnregionen im Entscheidungsprozess angesprochen und es bietet darüber hinaus neue Einblicke in Interaktionseffekte. Weiterführende Studien können über eine Anwendung des Paradigmas an einer größeren klinischen Stichprobe in Verbindung mit genetischer Analytik neue Einblicke in Suchtmechanismen und deren Aufrechterhaltung ermöglichen.

Human infants have been shown to have an innate capacity to acquire their mother tongue. In recent decades, the advent of the functional magnetic resonance imaging (fMRI) technique has made it feasible to explore the neural basis underlying language acquisition and processing in children, even in newborn infants (for reviews, see Kuhl & Rivera-Gaxiola, 2008; Kuhl, 2010) . Spontaneous low-frequency (< 0.1 Hz) fluctuations (LFFs) in the resting brain have been shown to be physiologically meaningful in the seminal study (Biswal et al., 1995) . Compared to task-based fMRI, resting-state fMRI (rs-fMRI) has some unique advantages in neuroimaging research, especially in obtaining data from pediatric and clinical populations. Moreover, it enables us to characterize the functional organization of the brain in a systematic manner in the absence of explicit tasks. Among brain systems, the language network has been well investigated by analyzing LFFs in the resting brain. This thesis attempts to investigate the functional connectivity within the language network in typically developing preschool children and the covariation of this connectivity with children’s language development by using the rs-fMRI technique. The first study (see Chapter 2.1; Xiao et al., 2016a) revealed connectivity differences in language-related regions between 5-year-olds and adults, and demonstrated distinct correlation patterns between functional connections within the language network and sentence comprehension performance in children. The results showed a left fronto-temporal connection for processing syntactically more complex sentences, suggesting that this connection is already in place at age 5 when it is needed for complex sentence comprehension, even though the whole functional network is still immature. In the second study (see Chapter 2.2; Xiao et al., 2016b), sentence comprehension performance and rs-fMRI data were obtained from a cohort of children at age 5 and a one-year follow-up. This study examined the changes in functional connectivity in the developing brain and their relation to the development of language abilities. The findings showed that the development of intrinsic functional connectivity in preschool children over the course of one year is clearly observable and individual differences in this development are related to the advancement in sentence comprehension ability with age. In summary, the present thesis provides new insights into the relationship between intrinsic functional connectivity in the brain and language processing, as well as between the changes in intrinsic functional connectivity and concurrent language development in preschool children. Moreover, it allows for a better understanding of the neural mechanisms underlying language processing and the advancement of language abilities in the developing brain.

Gesicht und Stimme einer Person sind stark miteinander assoziiert und werden normalerweise als eine Einheit wahrgenommen. Trotz des natürlichen gemeinsamen Auftretens von Gesichtern und Stimmen, wurden deren Wahrnehmung in den Neurowissenschaften traditionell aus einer unisensorischen Perspektive untersucht. Das heißt, dass sich Forschung zu Gesichtswahrnehmung ausschließlich auf das visuelle System fokusierte, während Forschung zu Stimmwahrnehmung nur das auditorische System untersuchte. In dieser Arbeit schlage ich vor, dass das Gehirn an die multisensorische Beschaffenheit von Gesichtern und Stimmen adaptiert ist, und dass diese Adaption sogar dann sichtbar ist, wenn nur die Stimme einer Person gehört wird, ohne dass das Gesicht zu sehen ist. Im Besonderen, untersucht diese Arbeit wie das Gehirn zuvor gelernte Gesichts-Stimmassoziationen ausnutzt um die auditorische Analyse von Stimmen und Sprache zu optimieren. Diese Dissertation besteht aus drei empirischen Studien, welche raumzeitliche Hirnaktivität mittels funktionaler Magnetresonanztomographie (fMRT) und Magnetoenzephalographie (MEG) liefern. Alle Daten wurden gemessen, während Versuchspersonen auditive Sprachbeispiele von zuvor familiarisierten Sprechern (mit oder ohne Gesicht des Sprechers) hörten. Drei Ergebnisse zeigen, dass zuvor gelernte visuelle Sprecherinformationen zur auditorischen Analyse von Stimmen beitragen: (i) gesichtssensible Areale waren Teil des sensorischen Netzwerks, dass durch Stimmen aktiviert wurde, (ii) die auditorische Verarbeitung von Stimmen war durch die gelernte Gesichtsinformation zeitlich faszilitiert und (iii) multisensorische Interaktionen zwischen gesichtsensiblen und stimm-/sprachsensiblen Arealen waren verstärkt. Die vorliegende Arbeit stellt den traditionellen, unisensorischen Blickwinkel auf die Wahrnehmung von Stimmen und Sprache in Frage und legt nahe, dass die Wahrnehmung von Stimme und Sprache von von einem multisensorischen Verarbeitungsschema profitiert. / Face and voice of a person are strongly associated with each other and usually perceived as a single entity. Despite the natural co-occurrence of faces and voices, brain research has traditionally approached their perception from a unisensory perspective. This means that research into face perception has exclusively focused on the visual system, while research into voice perception has exclusively probed the auditory system. In this thesis, I suggest that the brain has adapted to the multisensory nature of faces and voices and that this adaptation is evident even when one input stream is missing, that is, when input is actually unisensory. Specifically, the current work investigates how the brain exploits previously learned voice-face associations to optimize the auditory processing of voices and vocal speech. Three empirical studies providing spatiotemporal brain data—via functional magnetic resonance imaging (fMRI) and magnetoencephalography (MEG)—constitute this thesis. All data were acquired while participants listened to auditory-only speech samples of previously familiarized speakers (with or without seeing the speakers’ faces). Three key findings demonstrate that previously learned visual speaker information support the auditory analysis of vocal sounds: (i) face-sensitive areas were part of the sensory network activated by voices, (ii) the auditory analysis of voices was temporally facilitated by learned facial associations and (iii) multisensory interactions between face- and voice/speech-sensitive regions were increased. The current work challenges traditional unisensory views on vocal perception and rather suggests that voice and vocal speech perception profit from a multisensory neural processing scheme.

Aufmerksamkeit auf visuelle Reize kann durch top-down Such- Strategien oder durch bottom-up Eigenschaften des visuellen Reizes gesteuert werden. Die Eigenschaft einer bestimmten Position, aus einer visuellen Szene heraus zu stechen, wird als Salienz bezeichnet. Es wird angenommen, dass auf neuronaler Ebene eine Salienzkarte existiert. Bis heute ist strittig, wo die Repräsentation einer solchen Karte im Gehirn lokalisiert sein könnte. Im Rahmen dieser Dissertation wurden drei Experimente durchgeführt, die verschiedene Aspekte von bottom-up Salienz-Verarbeitung mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie untersuchten. Während die Aufmerksamkeit auf einen Fixationspunkt gerichtet war, wurde die neuronale Reaktion auf unterschiedlich saliente Stimuli in der Peripherie untersucht. In den ersten zwei Experimenten wurde die neuronale Antwort auf Orientierungskontrast und Luminanzkontrast untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Salienz möglicherweise verteilt im visuellen System kodiert ist. Im dritten Experiment wurden natürliche Szenen als Stimuli verwendet. Im Einklang mit den Ergebnissen der ersten beiden Experimente wurde hier graduierte Salienz in frühen und späten visuellen Arealen identifiziert. Darüber hinaus konnten Informationen über die salientesten Positionen aus weiter anterior liegenden Arealen, wie dem anterioren intraparietalen Sulcus (aIPS) und dem frontalen Augenfeld (FAF), dekodiert werden. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse auf eine verteilte Salienzverarbeitung von unterschiedlichen low-level Merkmalen in frühen und späten visuellen Arealen hin, die möglicherweise zu einer merkmalsunabhängigen Salienzrepräsentation im posterioren intraparetalen Sulcus zusammengefasst werden. Verschiebungen der Aufmerksamkeit zu den salientesten Positionen werden dann im aIPS und im FAF vorbereitet. Da die Probanden mit einer Fixationsaufgabe beschäftigt waren, wird die Salienz vermutlich automatisch verarbeitet. / Attention to visual stimuli can be guided by top-down search strategies or by bottom-up information. The property of a specific position to stand out in a visual scene is referred to as saliency. On the neural level, a representation of a saliency map is assumed to exist. However, to date it is still unclear where such a representation is located in the brain. This dissertation describes three experiments that investigated different aspects of bottom-up saliency processing in the human brain using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Neural responses to different salient stimuli presented in the periphery were investigated while top-down attention was directed to the central fixation point. The first two experiments investigated the neural responses to orientation contrast and to luminance contrast. The results indicate that saliency is potentially encoded in a distributed fashion in the visual system and that a feature-independent saliency map is calculated late in the processing hierarchy. The third experiment used natural scenes as stimuli. Consistent with the results of the other two experiments, graded saliency was identified in striate and extrastriate visual cortex, in particular in posterior intraparietal sulcus (pIPS), potentially reflecting a representation of feature-independent saliency. Additionally information about the most salient positions could be decoded in more anterior brain regions, namely in anterior intraparietal sulcus (aIPS) and frontal eye fields (FEF). Taken together, the results suggest a distributed saliency processing of different low-level features in striate and extrastriate cortex that is potentially integrated to a feature-independent saliency representation in pIPS. Shifts of attention to the most salient positions are then prepared in aIPS and FEF. As participants were engaged in a fixation task, the saliency is presumably processed in an automatic manner.

Um eine Entscheidung zu treffen, muss Information interpretiert und in eine Handlung übersetzt werden. Dafür wird die a priori Wahrscheinlichkeit bezüglich der Entscheidungsalternativen in den Prozess der Entscheidungsfindung integriert und löst Mechanismen der Handlungsvorbereitung aus. In der vorliegenden Dissertation habe ich untersucht, welche Vorbereitungsprozesse aufgrund von wahrscheinlichkeitsbasierter Vorinformation stattfinden und welche Gehirnareale mit der Integration dieser Information assoziiert sind. Um diese Fragen zu beantworten, habe ich eine Verhaltensstudie, eine Studie mit Ableitung des Elektroenzephalogramms (EEG) und eine Studie mittels der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) mit simultaner Ableitung des EEGs durchgeführt. Die Versuchspersonen bearbeiteten währenddessen eine Zahlenvergleichsaufgabe mit einem Hinweisreiz, der Wahrscheinlichkeitsinformation bezüglich der erforderlichen Antwort enthielt. Die Reaktionszeit wurde durch die wahrscheinlichkeitsbasierte Vorinformation des Hinweisreizes parametrisch moduliert (Studie 1). Daraus lässt sich schlussfolgern, dass Vorbereitungsprozesse in Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeitsinformation stattfinden. Die EEG Studie (Studie 2) ergab einen parametrischen Effekt von Wahrscheinlichkeitsinformation auf die Amplitude der Contingent Negative Variation (CNV), einer EEG-Komponente, die Vorbereitungsprozesse auf prämotorischer Ebene reflektiert. Darüber hinaus fand sich mittels einer Dipolquellenanalyse ein Dipol im anterioren Cingulum (ACC), dessen Aktivität ebenfalls durch die Wahrscheinlichkeitsinformation parametrisch moduliert war. Diese Ergebnisse lassen auf prämotorische Vorbereitungsprozesse aufgrund von Wahrscheinlichkeitsinformation schließen. In den fMRT-Ergebnissen zeigte sich eine parametrisch modulierte neuronale Aktivierung im posterioren Teil des medial-frontalen Kortex (pMFC), die auf eine Kontrollfunktion zur Handlungsanpassung dieses Areals zurückgeführt werden kann (Studie 3a). Um dynamische Fluktuationen der Wahrscheinlichkeitsverarbeitung zu untersuchen, wurde die CNV Amplitude der Einzeltrials in das Modell der fMRT-Analyse integriert (Studie 3b). Die CNV Amplitude korrelierte mit der neuronalen Aktivität in einem Netzwerk, bestehend aus frontalen, parietalen und striatalen Arealen, das mit allgemeiner wahrscheinlichkeitsunabhängiger Handlungsvorbereitung im Zusammenhang steht. Dagegen zeigten sich im dorsolateralen Präfrontalkortex (DLPFC), im inferioren frontalen Gyrus (IPG) und im inferioren Parietallappen (IPL) Aktivierungen, die sich auf die dynamische Integration von Wahrscheinlichkeitsinformation zurückführen lassen. / To prepare actions in advance, prior information about the probability of decision alternatives is integrated into the decision-making process. In the present dissertation, I investigated preparatory processes elicited by prior probability (PP) and the neural basis of PP processing. In three studies, I collected behavioral data and, furthermore, recorded electroencephalographic (EEG) data separately as well as simultaneously with functional magnetic resonance imaging (fMRI). While applying these methods, participants had to perform a number comparison task with a precue delivering PP about a subsequent response-demanding stimulus. The probability precue elicited the preparation of the response, as shown by the parametrical modulation of response time (RT) depending on PP (Study 1). The EEG study (Study 2) revealed a parametrical effect of PP on the contingent negative variation (CNV) during the foreperiod, which is an indicator for premotor response preparation. Furthermore, a dipole was located in the anterior cingulate cortex (ACC) with its activity parametrically modulated by PP. These EEG results suggest that PP influences premotor response preparation in a parametrical fashion. An analysis of fMRI data showed that neural activity in the posterior medial frontal cortex (pMFC) increased with increasing PP (Study 3a), which is attributed to a monitoring function of this region with respect to behavioral adjustment and initiation of response preparation depending on the PP. By applying an EEG-informed fMRI analysis (Study 3b), I focused on trial-to-trial fluctuations in PP processing and general response preparation as represented by the single-trial CNV amplitude. I found that the CNV amplitude was correlated with neural activity in a network consisting of frontal, parietal, and striatal regions reflecting general preparatory processes independently of PP. Parts of the network, namely, the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), the inferior frontal gyrus (IFG), and the inferior parietal lobule (IPL), showed activations, which exclusively represented the contributions of PP to the CNV amplitude fluctuations. These results suggest that PP elicits premotor response preparation and activates the pMFC parametrically signaling the need for behavioral adjustment. In contrast, DLPFC, IFG, and IPL are involved in dynamically fluctuating PP processing mechanisms.

Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass räumlich selektive Aufmerksamkeit visuelle und auditive Reizverarbeitung beeinflusst. Bestehende Modellvorstellungen sind, aufgrund der geringen Kenntnisse vergleichbarer somatosensorischer Effekte, schwer zu einem allgemeinen Mechanismus generalisieren. Mittels zeitlich-räumlich hoch aufgelöster Messmethoden wurde in dieser Dissertation Effekte räumlich selektiver Aufmerksamkeit auf die bewusste Wahr-nehmung und kortikale Verarbeitung somatosensorischer Reize untersucht. Im Einzelnen wurde gezeigt, dass die räumlich selektive Aufmerksamkeit die Maskierung eines überschwelli-gen Reizes an einer Hand durch einen starken Reiz an der anderen Hand moduliert. Mittels Elektroenzephalografie (EEG) wurde nachgewiesen, dass nach der Stimulation die Verarbei-tung in einem fronto-parietalen Netzwerk den Zugang ins Bewusstsein signalisiert. Der Be-fund einer der bewussten Wahrnehmung zeitlich vorausgehenden neuronalen Desynchronisa-tion im frontalen Kortex und in S1 erlaubt eine Erweiterung bestehender Modellvorstellun-gen. In einer simultanen EEG-funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) -Studie wurde gezeigt, dass räumlich selektive Aufmerksamkeit die Signalverarbeitung während einer frühen sensorischen Phase der Reizverarbeitung beeinflusst (50 ms). Dieser Effekt korrelierte mit den Blutflußveränderungen in S1. Zusammenfassend zeigen die Studien, dass räumlich selektive Aufmerksamkeit zwar frühe somatosensorische Aktivität in S1 sowie die Wahrnehmung so-matosensorischer Reize moduliert, dies jedoch keine hinreichende Bedingung für die bewusste Wahrnehmung ist. Hingegen ist die attentional kontrollierte Desynchronisation somatosenso-rischer Rhythmen vor der Stimulation, die eine verstärkte fronto-parietale Reizverarbeitung nach sich zieht, hierfür entscheidend. / Numerous studies have shown that selective orientation of attention to a stimulus location modulates visual and auditory stimulus processing. Due to the relatively little knowledge about comparable effects of attention in the somatosensory system, existing models can barely be assigned to general cortical mechanisms. The studies conducted in this dissertation should therefore contribute to this knowledge. Effects of spatial selective attention on conscious per-ception and cortical processing of somatosensory stimuli have been investigated by applying recording methods with high temporal and spatial resolutions. Specifically, it was shown that spatial selective attention modulates masking of supra-threshold stimulus on one hand by a strong stimulus applied to the other hand. Using electroencephalography (EEG), it was dem-onstrated that processing in a fronto-parietal network but not early S1-activation signals the entry into conscious perception. The finding of neuronal desynchronisation in the frontal cor-tex and S1 preceding conscious stimulus perception permits the extension of the existing models. With the aim of localizing the temporal effects of spatial selective attention, a simul-taneous EEG-functional magnetic resonance imaging (fMRI)-study was conducted. In con-trast to findings of visual attention, it was shown that orientation of attention enhances soma-tosensory processing at an early stage of stimulus processing (50 ms). This effect correlated with the changes of cortical blood flow in S1. Together, these studies show that spatial-selective attention modulates early activity in S1 as well as conscious perception of somatosen-sory stimuli. Nevertheless, this is not sufficient for an entrance into conscious perception. Instead, attentionally controlled pre-stimulus desynchronisation of somatosensory rhythmic activity, followed by an increased fronto-parietal stimulus processing are necessary prerequi-sites for conscious perception.