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.

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.

Zahlreiche Untersuchungen belegen fundamentale Grenzen in der menschlichen Fähigkeit, mehrere Dinge gleichzeitig zu tun. Aktuelle Theorien zur Verarbeitung von Doppelaufgaben gehen davon aus, dass kognitive Kontrollprozesse den Verarbeitungsstrom mehrerer Aufgaben koordinieren. Funktionell-neuroanatomisch wird insbesondere der laterale Präfrontalcortex (lPFC) mit der Kontrolle zielgerichteten Verhaltens in Verbindung gebracht. Mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) wurde bereits eine Beteiligung des lPFC an der Verarbeitung von Doppelaufgaben nachgewiesen. Die neuronalen Mechanismen der Doppelaufgabenkoordination sind jedoch weitgehend ungeklärt. Die drei fMRT Studien der vorliegenden Dissertation spezifizieren die funktionelle Rolle des lPFC bei der Interferenzverarbeitung in Doppelaufgaben. Die Ergebnisse zeigen (1) die Allgemeinheit der lPFC-Beteiligung über verschiedenen Doppelaufgabensituationen hinweg, (2) die funktionell-neuroanatomische Dissoziierbarkeit verschiedener doppelaufgabenrelevanter Kontrollfunktionen im lPFC , (3) die Bedeutung der Interaktion des lPFC mit posterioren aufgabenrelevanten Regionen für die Kontrolle von Doppelaufgabenverarbeitung. / Numerous studies indicate fundamental limitations in the human ability to do multiple things at the same time. Recent theories on dual-task processing postulate the involvement of cognitive control processes in the coordination of the processing stream of multiple tasks. The most prominent neuroanatomical structure associated with the control of goal-directed human behavior is the lateral prefrontal cortex (lPFC). It has been show with functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) that the lPFC is also involved in the processing of dual tasks. However, the precise role of the lPFC for the control of dual-task processing and the neural mechanisms of dual-task coordination are still widely unknown. The three fMRI studies presented in this dissertation specify the functional role of the lPFC in interference processing in dual tasks.The results show (1) the generality of lPFC involvement across different types of dual-task situations, (2) the functional neuroanatomical dissociability of different dual-task relevant control process in the lPFC, (3) the role of the interaction of the lPFC with posterior task-relevant brain regions for the control of dual-task processing

The temporal specificity of functional magnetic resonance imaging (fMRI) is limited by a sluggish and locally variable hemodynamic response trailing the neural activity by seconds. Here, we demonstrate for an attention capture paradigm that it is, never the less, possible to extract information about the relative timing of regional brain activity during cognitive processes on the scale of 100 ms by comparing alternative signal models representing early versus late activation. We demonstrate that model selection is not driven by confounding regional differences in hemodynamic delay. We show, including replication, that the activity in the dorsal anterior insula is an early signal predictive of behavioral performance, while amygdala and ventral anterior insula signals are not. This specific finding provides new insights into how the brain assigns salience to stimuli and emphasizes the role of the dorsal anterior insula in this context. The general analytic approach, named “Cognitive Timing through Model Comparison” (CTMC), offers an exciting and novel method to identify functional brain subunits and their causal interactions.

While previous studies successfully identified the core neural substrates of the animal subtype of specific phobia, only few and inconsistent research is available for dental phobia. These findings might partly relate to the fact that, typically, visual stimuli were employed. The current study aimed to investigate the influence of stimulus modality on neural fear processing in dental phobia. Thirteen dental phobics (DP) and thirteen healthy controls (HC) attended a block-design functional magnetic resonance imaging (fMRI) symptom provocation paradigm encompassing both visual and auditory stimuli. Drill sounds and matched neutral sinus tones served as auditory stimuli and dentist scenes and matched neutral videos as visual stimuli. Group comparisons showed increased activation in the insula, anterior cingulate cortex, orbitofrontal cortex, and thalamus in DP compared to HC during auditory but not visual stimulation. On the contrary, no differential autonomic reactions were observed in DP. Present results are largely comparable to brain areas identified in animal phobia, but also point towards a potential downregulation of autonomic outflow by neural fear circuits in this disorder. Findings enlarge our knowledge about neural correlates of dental phobia and may help to understand the neural underpinnings of the clinical and physiological characteristics of the disorder.

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Die Borderline-Persönlichkeitsstörung (BPS) ist eine schwere psychiatrische Störung, die durch tiefgreifende Probleme in Emotionsregulation und zwischenmenschlichen Beziehungen gekennzeichnet ist. In der vorliegenden Dissertation wurde die Beziehung zwischen Leitsymptomen der BPS und kognitiven Fähigkeiten, die für die Bewältigung eines gut funktionierenden Alltags notwendig sind (Aufmerksamkeit, adäquate Belohnungsverarbeitung), untersucht. Weiter wurde für zukünftige Untersuchungen der interpersonellen Instabilitäten und Empathiefähigkeit ein neues Stimulus Set zur Erforschung von sozialer Kognition im Alltag erstellt: die ToMenovela. Mittels fMRT-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Ausmaß an selbstberichteter Ängstlichkeit positiv mit der Verarbeitung von emotionalen, ablenkenden Reizen in konfliktbehafteten Bedingungen korreliert. Dies ist ein Hinweis darauf, dass Patientinnen möglicherweise eine erhöhte unbewusste Verarbeitung von irrelevanten Informationen haben, die emotional negativ besetzt sind. Weiter wurde gezeigt, dass das Ausmaß von selbstberichteter Impulsivität negativ mit der neuronalen Signatur der Erwartung von (vermeidbaren) aversiven Konsequenzen korreliert. Dieser Befund steht im Einklang mit dem bei BPD bekannten Phänomen von riskanten Entscheidungen oder selbstschädigendem Verhalten. Die dritte Studie stellt die ToMenovela vor, eine Sammlung von 190 emotional aufgeladenen Photographien mit hoher ökologischer Validität, die von einem fiktiven Freundeskreis handeln. Fragestellungen zur 1. und 3.-Person-Perspektive sowie affektiven und kognitiven Theory of Mind sind durch die Komposition der Fotos möglich. Die Bilder wurden von einer gesunden Kontrollgruppe nach emotionaler Valenz bezüglich der 6 Basis-Emotionen nach Ekman (Freude, Trauer, Wut, Angst, Überraschung, Ekel) bewertet, und stehen nun für den experimentellen Einsatz in der Empathie- und Emotionsforschung, auch über das BPS-Klientel, hinaus zur Verfügung. / Borderline personality disorder (BPD) is a severe mental health disorder characterized by severe problems in emotion regulation and interpersonal relationships. In this dissertation, the relation between core symptoms of BPD and two cognitive abilities that are necessary for a well-functioning daily life, attention and adequate reward processing, were investigated. Furthermore, a new stimulus set for the investigation of social cognition in daily life that is suitable for future research on relational instabilities and trait empathy was generated: the ToMenovela. Using fMRI, it could be shown that self-reported trait anxiety and neural BOLD-response correlated positively during conflict processing in an experimental flanker task with emotional distractors. These results indicate that patients might exhibit more pronounced implicit processing of irrelevant negative emotional information. In a second study, using a reward paradigm, a negative relationship was observed between self-reported impulsivity and neural signature of loss anticipation. This result is in line with recent findings on BPD patients’ tendency towards disadvantageous, risky choices or self-harming decisions. The third publication introduces the ToMenovela, a new stimulus set for the assessment of social interaction in daily life. The ToMenovela presents a set of 190 emotionally charged pictures of a fictitious circle of friends with high ecological validity. The stimulus set is suitable for experimental designs on 1st and 3rd person perspectives, as well as for affective and cognitive Theory of Mind tasks. The stimulus set was rated by healthy control subjects according to emotional valence with respect to Ekman’s basic emotions (happiness, sadness, anger, fear, surprise and disgust) and is available for further use in experiments on empathy and emotions within and beyond the context of research on BPD.

Die Fähigkeit, Zustände in der Außenwelt zu beurteilen und zu kategorisieren, wird unter dem Oberbegriff „perzeptuelles Entscheiden“ zusammengefasst. In der vorliegenden Arbeit wurde funktionelle Magnetresonanztomografie mit multivariater Musteranalyse verbunden, um offene Fragen zur perzeptuellen Entscheidungsfindung zu beantworten. In der ersten Studie (Hebart et al., 2012) wurde gezeigt, dass der visuelle und parietale Kortex eine Repräsentation abstrakter perzeptueller Entscheidungen aufweisen. Im frühen visuellen Kortex steigt die Menge entscheidungsspezifischer Information mit der Menge an verfügbarer visueller Bewegungsinformation, doch der linke posteriore parietale Kortex zeigt einen negativen Zusammenhang. Diese Ergebnisse zeigen, wo im Gehirn abstrakte Entscheidungen repräsentiert werden und deuten darauf hin, dass die gefundenen Hirnregionen unterschiedlich in den Entscheidungsprozess involviert sind, je nach Menge an verfügbarer sensorischer Information. In der zweiten Studie (Hebart et al., submitted) wurde gezeigt, dass sich eine Repräsentation der Entscheidungsvariable (EV) im fronto-parietalen Assoziationskortex finden lässt. Ferner weist die EV im rechten ventrolateralen präfrontalen Kortex (vlPFC) einen spezifischen Zusammenhang mit konfidenzbezogenen Hirnsignalen im ventralen Striatum auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Konfidenz aus der EV im vlPFC berechnet wird. In der dritten Studie (Christophel et al., 2012) wurde gezeigt, dass der Kurzzeitgedächtnisinhalt im visuellen und posterioren parietalen Kortex, nicht jedoch im präfrontalen Kortex repräsentiert wird. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass der Gedächtnisinhalt in denselben Regionen enkodiert wird, die auch perzeptuelle Entscheidungen repräsentieren können. Zusammenfassend geben die hier errungenen Erkenntnisse Aufschluss über den neuronalen Code des perzeptuellen Entscheidens von Menschen und stellen ein vollständigeres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse in Aussicht. / Perceptual decision-making refers to the ability to arrive at categorical judgments about states of the outside world. Here we use functional magnetic resonance imaging and multivariate pattern analysis to identify decision-related brain regions and address a number of open issues in the field of perceptual decision-making. In the first study (Hebart et al., 2012), we demonstrated that perceptual decisions about motion direction are represented in both visual and parietal cortex, even when decoupled from motor plans. While in early visual cortex the amount of information about perceptual choices follows the amount of sensory evidence presented on the screen, the reverse pattern is observed in left posterior parietal cortex. These results reveal the brain regions involved when choices are encoded in an abstract format and suggest that these two brain regions are recruited differently depending on the amount of sensory evidence available. In the second study (Hebart et al., submitted), we show that the perceptual decision variable (DV) is represented throughout fronto-parietal association cortices. The DV in right ventrolateral prefrontal cortex covaries specifically with brain signals in the ventral striatum representing confidence, demonstrating a close link between the two variables. This suggests that confidence is calculated from the perceptual DV encoded in ventrolateral prefrontal cortex. In the third study (Christophel et al., 2012), using a visual short-term memory (VSTM) task, we demonstrate that the content of VSTM is represented in visual cortex and posterior parietal cortex, but not prefrontal cortex. These results constrain theories of VSTM and suggest that the memorized content is stored in regions shown to represent perceptual decisions. Together, these results shed light on the neuronal code underlying perceptual decision-making in humans and offer the prospect for a more complete understanding of these processes.

Das Reizdarmsyndrom (RDS) ist eine funktionale Darmerkrankung mit einer Prävalenz von 10.000 – 20.000/100.000 in verschiedenen Kulturen. Keine einzelne physiologische oder psychologische Ursache konnte bisher isoliert werden. Ein sensitiver und spezifischer Maker sind herabgesetzte rektale Schmerzschwellen. Veränderungen der cerebralen viszerosensorischen und nozizeptiven Repräsentation sind mit Neuroimaging-Studien untersucht worden. Die Verarbeitung von Reizen unterhalb der Wahrnehmungsschwelle scheint sich von der Verarbeitung bewusster Reize zu unterscheiden. Wir untersuchten daher sub- und supraliminale rektale Wahrnehmung von 8 RDS-Patienten und 8 parallelisierten gesunden Kontrollprobanden. Die Reizschwelle wurde mit Hilfe eines Tracking-Paradigmas bestimmt. In einer funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT)-Studie wurden Reize unter, über und in der Nähe der Wahrnehmungsschwelle in einem pseudorandomisierten Blockdesign präsentiert. Bei supraliminaler Stimulation gesunder Probanden konnten der bekannte spinothalamische und vagale Pfad repliziert werden. Bei subliminaler Stimulation zeigte sich in einer Einzelauswertung eine ähnliche Verarbeitung, damit konnten die Vorergebnisse hier ebenfalls repliziert werden. In der Gruppenauswertung fand sich Aktivierung nur in Arealen, die bei supraliminaler Stimulation nicht aktiv waren. RDS-Patienten zeigten weniger Aktivität bei subliminaler und mehr bei liminaler Stimulation. Bei supraliminaler Stimulation zeigten sich unterschiedliche aktivierte Areale. Insbesondere war der Amygdala-Hippocampus-Komplex bei Patienten stärker aktiviert. Die Ergebnisse bei supraliminaler und liminaler Stimulation können als verstärkte Aufmerksamkeit auf eben wahrnehmbare Darmreize und als verstärkte emotionale Verarbeitung interpretiert werden. Bei der subliminalen Stimulation kann man schwächere Aktivität schmerzunterdrückender Netze annehmen oder von einem methodischen Artefakt ausgehen. / Irritable bowel syndrome (IBS) is a functional bowel disease with a prevalence of 10.000 - 20.000/100.000 across cultures. So far, no single physiological or psychological reason has been identified. Nevertheless, reduced rectal pain thresholds represent a sensitive and specific marker. Alterations in cerebral viscerosensory and nociceptive representation have been addressed using neuroimaging studies. Processing of stimuli below conscious perception level seems to differ from consciously perceived stimuli. Thus, we examined sub- and supraliminal rectal perception in 8 patients with IBS and 8 healthy matched control subjects. Perception thresholds were assessed by a tracking paradigm. In an functional magnetic resonance imaging (fMRI) study using a block design, stimuli below, above, or around the subjective perception threshold were presented in pseudo-randomized order. At supraliminal stimulation in healthy controls, results of previous studies were replicated and confirmed a spinothalamic and a vagal pathway of visceral sensory perception and suggested processing in amygdala and hippocampus. At subliminal stimulation in healthy controls, previous results were also replicated showing similar processing in single subject analysis. Results of a group analysis yielded only activity in areas not activated at supraliminal stimulation. IBS patients showed less pronounced activity during subliminal stimulation and much more pronounced activity at liminal stimulation. At supraliminal stimulation, different areas showed active in both groups. In particular, the amygdala-hippocampus complex was more active in patients. Results at liminal and supraliminal stimulation can be interpreted as enhanced attention to around-threshold rectal stimuli and more pronounced emotional processing of conciously perceived stimuli. Results at subliminal stimulation can be understood as weaker activity of perception-suppressing pathways or as methodological artifact.

Die korrekte Wahrnehmung stimmlicher Information ist eine Grundvoraussetzung erfolgreicher zwischenmenschlicher Kommunikation. Die Stimme einer anderen Person liefert Information darüber wer spricht (Sprechererkennung), was gesagt wird (stimmliche Spracherkennung) und über den emotionalen Zustand einer Person (stimmliche Emotionserkennung). Autismus Spektrum Störungen (ASS) sind mit Einschränkungen in der Sprechererkennung und der stimmlichen Emotionserkennung assoziiert, während die Wahrnehmung stimmlicher Sprache relativ intakt ist. Die zugrunde liegenden Mechanismen dieser Einschränkungen sind bisher jedoch unklar. Es ist beispielsweise unklar, auf welcher Verarbeitungsstufe diese Einschränkungen in der Stimmenwahrnehmung entstehen oder ob sie mit einer Dysfunktion stimmensensitiver Hirnregionen in Verbindung stehen. Im Rahmen meiner Dissertation haben wir systematisch Stimmenverarbeitung und dessen Einschränkungen bei Erwachsenen mit hochfunktionalem ASS und typisch entwickelten Kontrollprobanden (vergleichbar in Alter, Geschlecht und intellektuellen Fähigkeiten) untersucht. In den ersten beiden Studien charakterisierten wir Sprechererkennung bei ASS mittels einer umfassenden verhaltensbezogenen Testbatterie und zweier funktionaler Magnet Resonanz Tomographie (fMRT) Experimente. In der dritten Studie untersuchten wir Mechanismen eingeschränkter stimmlicher Emotionserkennung bei ASS. Unsere Ergebnisse bringen neue Kenntnisse für Modelle zwischenmenschlicher Kommunikation und erhöhen unser Verständnis elementarer Mechanismen, die den Kernsymptomen in ASS wie Schwierigkeiten in der Kommunikation, zugrunde liegen könnten. Beispielsweise unterstützen unsere Ergebnisse die Annahme, dass Einschränkungen in der Wahrnehmung und Integration basaler sensorischer Merkmale (i.S. akustischer Merkmale der Stimme) entscheidend zu Einschränkungen in sozialer Kognition (i.S. Sprechererkennung und stimmliche Emotionserkennung) beitragen. / The correct perception of information carried by the voice is a key requirement for successful human communication. Hearing another person’s voice provides information about who is speaking (voice identity), what is said (vocal speech) and the emotional state of a person (vocal emotion). Autism spectrum disorder (ASD) is associated with impaired voice identity and vocal emotion perception while the perception of vocal speech is relatively intact. However, the underlying mechanisms of these voice perception impairments are unclear. For example, it is unclear at which processing stage voice perception difficulties occur, i.e. whether they are rather of apperceptive or associative nature or whether impairments in voice identity processing in ASD are associated with dysfunction of voice-sensitive brain regions. Within the scope of my dissertation we systematically investigated voice perception and its impairments in adults with high-functioning ASD and typically developing matched controls (matched pairwise on age, gender, and intellectual abilities). In the first two studies we characterised the behavioural and neuronal profile of voice identity recognition in ASD using two functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments and a comprehensive behavioural test battery. In the third study we investigated the underlying behavioural mechanisms of impaired vocal emotion recognition in ASD. Our results inform models on human communication and advance our understanding for basic mechanisms which might contribute to core symptoms in ASD, such as difficulties in communication. For example, our results converge to support the view that in ASD difficulties in perceiving and integrating lower-level sensory features, i.e. acoustic characteristics of the voice might critically contribute to difficulties in higher-level social cognition, i.e. voice identity and vocal emotion recognition.