Moderne Mehr-Ebenen-Ansätze gehen davon aus, dass Emotionen auf unterschiedlichen Ebenen der Informationsverarbeitung und durch unterschiedliche Prozesse erzeugt werden. Im Rahmen des ‘dual memory model of emotion’ werden diese Prozesse als schematische (automatische) und propositionale (kontrollierte) Verarbeitungsprozesse bezeichnet. Darüber hinaus integriert das Modell Strategien zur Emotionsregulation, wie Aufmerksamkeitslenkung und semantische Elaborierung emotionaler Information. Über die zugrundeliegenden neuronalen Korrelate weiß man bisher allerdings noch wenig. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung behavioraler und neuronaler Korrelate der schematischen und propositionalen Verarbeitungsprozesse und wie diese durch interindividuelle Differenzen in der Affektivität und in der kognitiven Verarbeitung von Emotionen moduliert werden. Interindividuelle Differenzen im aktuellen negativen Affekt waren mit Aktivitätsveränderungen in der Insula während der schematischen Verarbeitung negativer Stimuli assoziiert. Dies kann als verstärkte Verarbeitung des hedonischen Wertes negativer Stimuli in Individuen mit hohem aktuellen negativen Affekt interpretiert werden. Interindividuelle Differenzen in der Zustandsangst und im kognitiven Verarbeiten von Emotionen modulierten behaviorale und neuronale Korrelate propositionaler Verarbeitungsprozesse. Hohe Zustandsangst und Schwierigkeiten im kognitiven Verarbeiten von Emotionen waren assoziiert mit erhöhtem kognitiven Aufwand, wenn der emotionale Gehalt der Stimuli ignoriert werden musste. Die neuronalen Befunde deuten darauf hin, dass für Individuen mit Schwierigkeiten im kognitiven Verarbeiten von Emotionen Aufmerksamkeitslenkung im Vergleich zu Elaborierung emotionaler Informationen eine weniger effektive Strategie zur Emotionsregulation darstellt. / Modern multi-level theories claim that emotion may be generated by different ways using different processes. The dual memory model of emotion refers to these processes as schematic processing (automatic) and propositional processing (controlled). The model further integrates emotion regulatory strategies, such as re-direction of attention and emotional elaboration as essential components of emotion processing. However, research on the neurobiological correlates of the different processing modes is scarce. Hence, the present work focuses on the identification of behavioral and neural correlates of the hypothesized processing modes and how these are modulated by individual differences in affectivity and in the cognitive processing of emotions. Individual differences in state negative affect were associated with altered activity in the insula during schematic processing of negative emotional information. This may indicate increased processing of the hedonic dimension of aversive stimuli in individuals with high state negative affect. Individual differences in state anxiety and in the cognitive processing of emotions modulated behavioral and neural correlates of propositional processing of emotional information. Specifically, in individuals with high state anxiety and with difficulties to cognitively process emotions, re-direction of attention was associated with increased cognitive effort. Findings at the neural level indicate that re-direction of attention as compared to elaboration of emotional information may represent a less effective emotion regulatory strategy in individuals with difficulties to cognitively process emotions.

Subjects participating in magnetic resonance imaging (MRI) examinations regularly report anxiety and stress related reactions. This may result in impaired data quality and premature termination of scans. Moreover, cognitive functions and neural substrates can be altered by stress. While prior studies investigated pre–post scan differences in stress reactions only, the present study provides an in-depth analysis of mood changes and hormonal fluctuations during the time course of a typical fMRI session. Thirty-nine subjects participated in the study. Subjective mood, salivary alpha-amylase (sAA) and cortisol were assessed at six time points during the lab visit. Associations between hormonal data and neural correlates of a visual detection task were observed using a region of interest approach applied to the thalamic region. Mood and hormonal levels changed significantly during the experiment. Subjects were most nervous immediately after entering the scanner. SAA was significantly elevated after MRI preparation. A subgroup of n = 5 (12.8%) subjects showed pronounced cortisol responses exceeding 2.5 nmol/l. Preliminary fMRI data revealed an association between sAA levels and left thalamic activity during the first half of the experiment that disappeared during the second half. No significant correlation between cortisol and thalamic activity was observed. Results indicate that an fMRI experiment may elicit subjective and neuroendocrine stress reactions that can influence functional activation patterns.

Although functional magnetic resonance imaging (fMRI) has gained increasing importance in investigating neural substrates of anxiety disorders, less is known about the stress eliciting properties of the scanner environment itself. The aim of the study was to investigate feasibility, self-reported distress and anxiety management strategies during an fMRI experiment in a comprehensive sample of patients with panic disorder and agoraphobia (PD/AG). Within the national research network PANIC-NET, n = 89 patients and n = 90 controls participated in a multicenter fMRI study. Subjects completed a retrospective questionnaire on self-reported distress, including a habituation profile and exploratory questions about helpful strategies. Drop-out rates and fMRI quality parameters were employed as markers of study feasibility. Different anxiety measures were used to identify patients particularly vulnerable to increased scanner anxiety and impaired data quality. Three (3.5%) patients terminated the session prematurely. While drop-out rates were comparable for patients and controls, data quality was moderately impaired in patients. Distress was significantly elevated in patients compared to controls; claustrophobic anxiety was furthermore associated with pronounced distress and lower fMRI data quality in patients. Patients reported helpful strategies, including motivational factors and cognitive coping strategies. The feasibility of large-scale fMRI studies on PD/AG patients could be proved. Study designs should nevertheless acknowledge that the MRI setting may enhance stress reactions. Future studies are needed to investigate the relationship between self-reported distress and fMRI data in patient groups that are subject to neuroimaging research.

Accumulating evidence suggests that the magnetic resonance imaging (MRI) scanner can act as a stressor, eliciting subjective and neuroendocrine stress responses. Approaches to familiarize subjects with the scanner could help minimizing unintended effects on neural activation patterns of interest. Controlled studies on the effects of a scanner training are however missing. Using a comparative design, we analyzed within- and between session changes in subjective and neuroendocrine stress parameters in 63 healthy, scanner-naïve adults who participated in a two-day training protocol in an MRI, mock, or lab environment. A habituation task was used to assess within-session changes in subjective and neuroendocrine (cortisol) stress parameters; between-session changes were indicated by differences between days. MRI and mock, but not lab training were successful in reducing subjective distress towards the scanner. In contrast, cortisol reactivity towards the training environment generally increased during day 2, and the percentage of cortisol responders particularly rose in the mock and MRI groups. Within-session habituation of subjective arousal and anxiety was observed during both days and irrespective of training condition. Present findings demonstrate that training in a scanner environment successfully reduces subjective distress, but may also induce sensitization of endocrine stress levels during repeated scanning. Subjective distress can further be stabilized by acclimating subjects to the environment prior to the MRI assessment, including a short habituation phase into the assessment protocol. If replicated, present findings should be considered by researchers employing repeated measurement designs where subjects are exposed to a scanner more than once.

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In der vorliegenden Studie wurde mittels der Bildgebung des funktionellen MRT die Dynamik der neuronalen Hirnmechanismen untersucht, die es dem Menschen erlauben, durch kurzfristigen Verzicht auf Belohnungen seinen Verhaltenserfolg langfristig zu optimieren. Durch den Vergleich zweier Extremgruppen gesunder Probanden (hoch- versus niedrig- impulsive Probanden) sollte ein möglicher Zusammenhang zwischen der Impulsivität und dem funktionellen Zusammenspiel frontostriataler Regelkreise während des aktiven Prozesses der Entscheidungsfindung dargestellt werden. Die vorliegende Studie hat gezeigt, dass gesunde, nicht- klinische Individuen, die sich selbst mittels der Barratt- Impulsivitätsskala als hoch- impulsiv charakterisiert haben, ihr Verlangen nach einer direkten Belohnung erfolgreich durch Aktivierung zweier komplementärer Hirnmechanismen kontrollieren können. Als erster Mechanismus ist festzuhalten, dass selbstkontrollierte Entscheidungen zu einer Abschwächung der belohnungsabhängigen Aktivierung im Nucleus accumbens führten, welche von einer ansteigenden inversen Verbindung mit dem anteroventralen präfrontalen Kortex begleitet wurde. Der zweite Mechanismus ist, dass HI- Probanden ihren Wunsch nach einer höherwertigen, aber suboptimalen Belohnung in Abhängigkeit von der Wertigkeit der unmittelbaren Belohnung durch Downregulation im ventromedialen präfrontalen Kortex kontrollierten. Diesem Mechanismus folgte eine ansteigende inverse Kopplung mit dem ventralen Striatum. Von entscheidender Bedeutung ist dabei, dass sich diese neuronalen Mechanismen qualitativ von denen der extrem- kontrollierten Probanden unterschieden. Insgesamt lässt sich sagen, dass diese Ergebnisse darauf hindeuten, dass es persönlichkeitsspezifische neuronale Mechanismen gibt, die es hoch-impulsiven Probanden ermöglichen, ihren Wunsch nach einer unmittelbaren Belohnung zu kontrollieren.

Background: Learning by conditioning is a key ability of animals and humans for acquiring novel behavior necessary for survival in a changing environment. Aberrant conditioning has been considered a crucial factor in the etiology and maintenance of panic disorder with agoraphobia (PD/A). Cognitive-behavioral therapy (CBT) is an effective treatment for PD/A. However, the neural mechanisms underlying the effects of CBT on conditioning processes in PD/A are unknown. Methods: In a randomized, controlled, multicenter clinical trial in medication-free patients with PD/A who were treated with 12 sessions of manualized CBT, functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used during fear conditioning before and after CBT. Quality-controlled fMRI data from 42 patients and 42 healthy subjects were obtained. Results: After CBT, patients compared to control subjects revealed reduced activation for the conditioned response (CS+ > CS–) in the left inferior frontal gyrus (IFG). This activation reduction was correlated with reduction in agoraphobic symptoms from t1 to t2. Patients compared to control subjects also demonstrated increased connectivity between the IFG and regions of the “fear network” (amygdalae, insulae, anterior cingulate cortex) across time. Conclusions: This study demonstrates the link between cerebral correlates of cognitive (IFG) and emotional (“fear network”) processing during symptom improvement across time in PD/A. Further research along this line has promising potential to support the development and further optimization of targeted treatments.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist ein nicht-invasives Bildgebungsverfahren, mit dem Veränderungen der neuronalen Aktivität im Gehirn mit hoher räumlicher Auflösung erfasst werden können. Mit der fMRT-Bildgebung bei neurowissenschaftlichen Experimenten wurden in den letzten beiden Jahrzehnten bedeutende Erkenntnisse für die Hirnforschung und Medizin gewonnen. Mit Hilfe dieser Methode werden neuronale Aktivitätsunterschiede bei der Durchführung einer bestimmten Aufgabe, z. B. dem Betrachten von Bildern mit emotionalen Inhalten, erfasst und die Daten unabhängig von der Messung zu einem späteren Zeitpunkt statistisch ausgewertet. Mit Hilfe des technischen Fortschritts im letzten Jahrzehnt ist es darüber hinaus möglich geworden, fMRT-Daten direkt zur Aufnahmezeit zu verarbeiten und auszuwerten. Dies wird als Echtzeit-fMRT bezeichnet, wenn die Datenverarbeitung schneller erfolgt als die Aufnahme eines Hirnvolumens (aktuell ca. zwei Sekunden). Die Ergebnisse der Echtzeitdatenverarbeitung können dann wiederum als Steuerbefehle für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Daher wird dies auch als Hirn-Computer-Schnittstelle (Brain Computer Interface, BCI) mittels fMRT bezeichnet. Die Echtzeitverarbeitung von fMRT-Daten ermöglicht mehrere neue Anwendungen. Dazu gehören unter anderem die Qualitätskontrolle zur Laufzeit von fMRT-Experimenten, die schnelle funktionelle Lokalisierung von Hirnarealen entweder für neurowissenschaftliche Experimente oder intraoperativ, die Kontrolle des Experimentes mittels des Probandenverhaltens und insbesondere die Möglichkeit, sogenannte fMRT-Neurofeedbackexperimente durchzuführen. Bei diesen Experimenten lernen Probanden, die Aktivität von definierten Hirnarealen willentlich zu beeinflussen. Das Ziel dabei ist, Veränderungen in ihrem Verhalten zu generieren. Die Umsetzung eines BCIs mittels Echtzeit-fMRT ist eine interdisziplinäre Aufgabenstellung von MR-Physik, Informatik und Neurowissenschaften um das Verständnis des menschlichen Gehirns zu verbessern und neue Therapieansätze zu gestalten. Für diese hard- und softwaretechnisch anspruchsvolle Aufgabe gibt es einen enormen Bedarf an neuen Algorithmen zur Datenverarbeitung und Ansätzen zur verbesserten Datenakquise. In diesem Zusammenhang präsentiert die vorliegende Arbeit ein neues Softwareframework, das einerseits eine integrierte Gesamtlösung für die Echtzeit-fMRT darstellt und in seinen Teilmodulen eine abstrakte Basis für eine universelle Methodenentwicklung anbietet. Diese Arbeit beschreibt die grundlegenden abstrakten Konzepte und die Implementierung in ein neues Softwarepaket namens ’Brain Analysis in Real-Time’ (BART). Der Fokus der Arbeit liegt auf zwei Kernmodulen, die für universelle Gestaltung von sogenannten adaptiven Paradigmen und die Einbindung von Echtzeit-fMRT-Datenverarbeitungsalgorithmen konzipiert sind. Bei adaptiven Paradigmen werden zur Laufzeit eines Experiments physiologische Parameter (z. B. Herzrate) oder Verhaltensdaten (z. B. Augenbewegungen) simultan zu den fMRT-Daten erfasst und analysiert, um die Stimulation eines Probanden entsprechend zu adaptieren. Damit kann die Zuverlässigkeit der Daten, die zur Auswertung zur Verfügung stehen, optimiert werden. Die vorliegende Arbeit präsentiert das dazu notwendige abstrakte Grundkonzept des neuen Softwareframeworks und die ersten konkreten Implementierungen für die Datenverarbeitung und adaptive Paradigmen. Das Framework kann zukünftig mit neuen methodischen Ideen erweitert werden. Dazu gehören die Einbindung neuer Datenverarbeitungsalgorithmen, wie z. B. Konnektivitätsanalysen und die Adaption von Paradigmen durch weitere physiologische Parameter. Dabei ist insbesondere die Kombination mit EEG-Signalen von großem Interesse. Außerdem bietet das System eine universelle Grundlage für die zukünftige Arbeit an Neurofeedbackexperimenten. Das in dieser Arbeit entwickelte Framework bietet im Vergleich zu bisher vorgestellten Lösungsansätzen ein Ein-Computer-Setup mit einem erweiterbaren Methodenspektrum. Damit wird die Komplexität des notwendigen technischen Setups reduziert und ist nicht auf einzelne Anwendungsfälle beschränkt. Es können flexibel neue Datenverarbeitungsalgorithmen für ein fMRT-BCI eingebunden und vielgestaltige Anwendungsfälle von adaptiven Paradigmen konzipiert werden. Eine Abstraktion der Stimulation und die Kombination mit der Echtzeitauswertung ist bisher einzigartig für neurowissenschaftliche Experimente. Zusätzlich zu den theoretischen und technischen Erläuterungen werden im empirischen Teil der vorliegenden Arbeit neurowissenschaftliche Experimente, die mit dem Softwarepaket BART durchgeführt wurden, vorgestellt und deren Ergebnisse erläutert. Dabei wird die Zuverlässigkeit und Funktionsweise der Implementierung in allen Teilschritten der Datenerfassung und -verarbeitung validiert. Die Ergebnisse verifizieren die Implementierung einer parallelisierten fMRT-Analyse.Weiterhin wird eine erste konkrete Umsetzung für ein adaptives Paradigma vorgestellt, bei dem zur Laufzeit die Blickrichtung der Probanden berücksichtigt wird. Die Ergebnisse zeigen die signifikanten Verbesserungen der Reliabilität der fMRT-Ergebnisse aufgrund der optimierten Datenqualität durch die Adaption des Paradigmas. Zusammengefasst umfasst die vorliegende Arbeit eine interdisziplinäre Aufgabe, die sich aus der Verarbeitung von MR-Daten in Echtzeit, einem neuen abstraktes Softwarekonzept für Entwicklung neuer methodischer Ansätze und der Durchführung von neurowissenschaftlichen Experimenten zusammensetzt.