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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.

This doctoral thesis investigated the role of the neuromodulator serotonin on four different value-based decision making tasks, using an acute tryptopahin intervention and an associative genetic approach - a naturally occuring variation in the promoter region of the serotonin transporter gene (5-HTTLPR). Additionally, structural (DTI) and functional aspects (BOLD-fMRI) of the brain were assessed using magnetic resonance imaging in relation to decision-making. Overall, we only found limited evidence for a serotonergic effect on decision-making that was restricted to a genetic association with risk-seeking for losses behaviour that could no be corroborated by differences in tonic serotonin levels or white matter microstructure. / In der vorliegenden Doktorarbeit wurde die Rolle des Neuromodulators Serotonin hinsichtlich vier verschiedener wertbasierter Entscheidungsfindungsaufgaben untersucht, wobei eine akute Tryptophanintervention und ein assoziativer genetischer Ansatz, eine natürlich vorkommende Variation in der Promoterregion des Serotonintransportergens (5-HTTLPR), zur Anwendung gekommen sind. Zusätzlich wurden strukturelle (DTI) und funktionelle Aspekte (BOLD-fMRI) des Gehirns mittels Magnetresonanztomographie in Bezug auf die Entscheidungsfindung erhoben. Insgesamt fanden wir nur eine begrenzte Evidenz eines serotonergen Effekts auf Entscheidungsverhalten, die sich auf eine genetische Assoziation mit risikofreudigem Verhalten bei Verlusten beschränkte. Diese Assoziation ließ sich nicht durch Unterschiede im tonischen Serotoninspiegel oder der Mikrostruktur der weißen Substanz erhärten.

Background: Although several neurophysiological models have been proposed for panic disorder with agoraphobia (PD/AG), there is limited evidence from functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies on key neural networks in PD/AG. Fear conditioning has been proposed to represent a central pathway for the development and maintenance of this disorder; however, its neural substrates remain elusive. The present study aimed to investigate the neural correlates of fear conditioning in PD/AG patients. Method: The blood oxygen level-dependent (BOLD) response was measured using fMRI during a fear conditioning task. Indicators of differential conditioning, simple conditioning and safety signal processing were investigated in 60 PD/AG patients and 60 matched healthy controls. Results: Differential conditioning was associated with enhanced activation of the bilateral dorsal inferior frontal gyrus (IFG) whereas simple conditioning and safety signal processing were related to increased midbrain activation in PD/AG patients versus controls. Anxiety sensitivity was associated positively with the magnitude of midbrain activation. Conclusions: The results suggest changes in top-down and bottom-up processes during fear conditioning in PD/AG that can be interpreted within a neural framework of defensive reactions mediating threat through distal (forebrain) versus proximal (midbrain) brain structures. Evidence is accumulating that this network plays a key role in the aetiopathogenesis of panic disorder.

Obesity is associated with structural and functional alterations in brain areas that are often functionally distinct and anatomically distant. This suggests that obesity is associated with differences in functional connectivity of regions distributed across the brain. However, studies addressing whole brain functional connectivity in obesity remain scarce. Here, we compared voxel-wise degree centrality and eigenvector centrality between participants with obesity (n=20) and normal-weight controls (n=21). We analyzed resting state and task-related fMRI data acquired from the same individuals. Relative to normal-weight controls, participants with obesity exhibited reduced degree centrality in the right middle frontal gyrus in the resting-state condition. During the task fMRI condition, obese participants exhibited less degree centrality in the left middle frontal gyrus and the lateral occipital cortex along with reduced eigenvector centrality in the lateral occipital cortex and occipital pole. Our results highlight the central role of the middle frontal gyrus in the pathophysiology of obesity, a structure involved in several brain circuits signaling attention, executive functions and motor functions. Additionally, our analysis suggests the existence of task-dependent reduced centrality in occipital areas; regions with a role in perceptual processes and that are profoundly modulated by attention.

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.