Die Diagnostik von angeborenen Herzfehlern, und vor allem die häufig lebenslange postoperative Verlaufskontrolle dieser Patienten, verlangt nach einem möglichst schonenden und dennoch zuverlässigen bildgebenden Verfahren. In der Regel wird hierzu die Echokardiographie eingesetzt, die jedoch insbesondere bei älteren Patienten aufgrund eines unzureichenden Schallfensters Schwierigkeiten bereitet. Für diese Patienten bietet sich die Magnetresonanztomographie (MRT) als alternatives bildgebendes Verfahren an. Ziel dieser Untersuchung war es, nach der Evaluation zweier funktioneller MRT-Methoden, der Flussmessung im Phantomversuch und der Ventrikelfunktionsanalyse im Vergleich zur 3D-Echokardiographie, verschiedene MR-Methoden an 6 verschiedenen Patientenkollektiven mit verschiedenen angeborenen Herzfehlern unkorrigiert und operativ korrigiert anzuwenden. 1. Bei Patienten mit Aortenisthmusstenose zeigte sich, dass neben der guten Korrelation der Abschätzung des Druckgradienten über einer Stenose oder Re-Stenose mit Hilfe der MR-Flussmessung, auch die drei-dimensionale Rekonstruktion aus der MR-Angiographie (MRA) zusätzliche Informationen liefert. 2. In der postoperativen Verlaufskontrolle von Patienten mit Fallott´scher Tetralogie ergab die Analyse der mit der MRT ermittelten Funktionsparameter Regurgitationsfraktion über der Pulmonalklappe und rechtsventrikulärer Volumina eine Korrelation zwischen der QRS-Dauer und dem rechtsventrikulären enddiastolischen Volumen (RV-EDV), was auf eine mechanoelektrische Interaktion bei der Genese ventrikulärer Arrhythmien hinweist. 3. Die MRT war in der Lage bei Patienten mit kongenital korrigierter Transposition der grossen Gefässe alleine aufgrund der Analyse der Morphologie die Diagnose dieser Fehlbildung zu stellen und in der Mehrzahl der Fälle Begleitfehlbildungen aufzudecken. 4. Mit Hilfe der MR-Flussmessung konnten bei Patienten nach arterieller und atrialer switch Operation zur Korrektur einer kompletten Transposition der grossen Gefässe sowohl Stenosen im Vergleich zur invasiven Herzkatheteruntersuchung sicher quantifiziert werden als auch unphysiologische Flussverhältnisse, die möglicherweise das Auftreten von Stenosen in den Pulmonalarterien oder dem venösen "baffle" begünstigen, erkannt werden. 5. Bei der seltenen Ebsteinanomalie erwies sich die MRT als zuverlässige Methode insbesondere die pathologische Anatomie der Trikuspidalklappe zu detektieren, als auch die Ventrikelfunktion zu quantifizieren. 6. Nach Fontanoperation erwies sich die MRT mit der Ventrikelfunktionsanalyse und Flussmessung ebenfalls als geeignete Methode, um pathologische Flussverhältnisse im Operationsgebiet zu detektieren und ihren möglichen Einfluss auf die ventrikuläre Funktion zu analysieren. In der Primärdiagnostik und insbesondere in der postoperativen Verlaufskontrolle von angeborenen Herzfehlern stellt die MRT somit unter Einsatz der MR-Flussmessung und Ventrikelfunktionsanalyse eine zuverlässige nicht-invasive Methode dar, die auch im Vergleich zur Herzkatheteruntersuchung einige Vorteile aufweist. / The diagnostics of congenital heart disease, and especially the need for frequent lifelong postoperative follow-up examinations, require an imaging modality as gentle and reliable as possible. The method commonly used for this purpose ? echocardiography - is associated with some disadvantages, especially in older patients with an insufficient acoustic window. For these patients magnetic resonance imaging (MRI) is an alternative imaging modality. The aim of this study was to evaluate two functional MR methods, flow measurement with a flow phantom and ventricular function analysis in comparison to 3D echocardiography. These methods were performed in 6 different groups of patients with uncorrected or surgically corrected congenital heart diseases. 1. Beside a good correlation between the estimated pressure gradients in the area of stenoses and re-stenoses in patients with coarctation with the aid of MR flow measurements, three-dimensional reconstruction from MR angiography (MRA) data supplies additional information. 2. The analysis of parameters such as regurgitant fraction over the pulmonary valve and right ventricular volumes derived by MRI in the postoperative follow-up of patients with tetralogy of Fallot showed a correlation to QRS duration which indicates a mechanoelectrical interaction as one etiology of arrhythmias in these patients. 3. The diagnosis of a congenitally corrected transposition of the great arteries could be made only by anatomical evaluation of the MR images. In the majority of patients all additional anomalies could be detected by MRI. 4. With the use of MR flow measurements as compared to gradients measured invasively by cardiac catheterization it was possible to reliably quantify stenoses. Furthermore, unphysiologic flow patterns, which could favor the development of pulmonary artery or "baffle" stenoses, could be detected. 5. MRI could be reliably used to detect the abnormal morphology of the tricuspid valve in patients with Ebstein anomaly and to quantify ventricular function in these patients. 6. Furthermore, after Fontan operation MRI was a suitable method to detect pathologic flow patterns at the operation site and to analyze their potential effects on ventricular function. MRI using the techniques of flow measurements and ventricular function analysis is a reliable non-invasive tool in the primary diagnostic procedure and especially in the postoperative follow-up of congenital heart disease. It has advantages even in comparison with the invasive method of cardiac catheterization.

In den dargestellten wissenschaftlichen Arbeiten wurden neue Ansätze und Techniken entwickelt zu folgenden Fragestellungen: - Anwendbarkeit der 31P-MR-Spektroskopie zur Darstellung einer Gewebeischämie - Reproduzierbarkeit der MRT in der Messung linksventrikulärer Parameter zu Masse und Volumina bei dilatativer Kardiomyopathie - Eignung 2-dimensionaler MRT-Messmethoden zur Messung der linksventrikulären Parameter zu Masse und Volumina - Quantifizierung stenosierter Flächen mittels MRT bei hypertrophischer Kardiomyopathie und bei Aortenklappenstenose - Darstellung der entzündlichen Aktivität im Herzmuskel bei Myokarditis - Darstellung der entzündlichen Veränderungen bei kardialer Sarkoidose - Frühzeitige Darstellung des toxischen Myokardschadens nach Anthrazyklin-Therapie. Der Wert der MRT wurde in experimentellen und klinischen Studien im Vergleich zu etablierten Verfahren geprüft. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sich die physikalischen Möglichkeiten in klinisch anwendbare Untersuchungsprotokolle umsetzen lassen und bereits jetzt in der klinischen Routine eingesetzt werden können. / In the presented scientific works new approaches and techniques were developed for: - Application of 31P-MR spectroscopy in myocardial ischaemia - Reproducibility of MRI for the measurement of left ventricular parameter of mass and volume in dilated cardiomyopathy - Suitability of 2-dimensional MRI techniques for measuring left ventricular parameter of mass and volume in dilated cardiomyopathy - Quantification of stenotic orifices by MRI in hypertrophic cardiomyopathy and aortic valve stenosis - Visualisation of the inflammatory activity of the myocardium in myocarditis - Visualisation of the inflammatory changes in cardiac sarcoidosis - Early visualization of the toxic myocardial injury after anthracycline therapy. The value of MRI was tested in experimental and clinical studies in comparison to established modalities. The results have shown that it is possible to transmit the physical possibilities into clinically applicable protocols and to apply them into clinical routine.

Akute Enzephalitiden treten überwiegend sporadisch mit klinisch heterogener Manifestation auf und können durch Viren, andere Erreger oder Autoimmunprozesse verursacht sein, häufig bleibt die Ätiologie unklar. Ziel dieser Arbeit war es, Ursache und klinisches Erscheinungsbild einer konsekutiven Gruppe immunkompetenter erwachsener Enzephalitispatienten, deren funktionelles, neuropsychologisches und soziales Outcome im Langzeitverlauf sowie einen möglichen Hirnsubstanzverlust mittels Planimetrie von Magnetresonanztomogrammen zu untersuchen. Die retrospektive Analyse von 111 Patienten erbrachte eine eindeutige ätiologische Zuordnung in nur 28 % der Fälle; am häufigsten waren Varizella-zoster-Virus und Herpes-simplex-Virus-I. An nicht-viralen Erregern sind Mycoplasmen hervorzuheben. Mit der cranialen Magnetresonanztomographie waren bei ca. 50 % parenchymatöse Veränderungen nachweisbar. Die Sensitivität der Elektroenzephalographie betrug über 80 %. Ein Drittel der Patienten mußte intensivmedizinisch behandelt werden. Die Letalität war mit knapp 2 % gering. Die follow-up-Untersuchung von 73 Patienten mit durchschnittlich drei Jahre zurückliegender akuter Enzephalitis ergab bei 86 % der Patienten einen günstigen bis befriedigenden Verlauf mit erhaltener Selbständigkeit. Bei den ungünstig verlaufenden Fällen dominierten kognitive Beeinträchtigungen und pharmakoresistente Epilepsien, hochgradige körperliche Behinderungen persistierten nur bei 4 %. Neuropsychologisch meßbare Defizite persistierten nur bei einer geringen Zahl von Patienten. Im Vergleich zu einer Kontrollgruppe ergaben sich Defizite insbesondere für diejenigen Patienten, die während der akuten Enzephalitis viele epileptische Anfälle erlitten hatten. Diese Gruppe von Patienten hatte auch eine signifikant deutlichere Zunahme der planimetrisch bestimmten ventricle-brain-ratio, also einen stärkeren Verlust an Hirnparenchym, als die anderen Patienten. Auch die subjektive Lebensqualität war bei dieser Gruppe von Patienten am stärksten beeinträchtigt. Unabhängig vom Krankheitserreger erscheint somit das Auftreten von Serien oder Status epileptischer Anfälle bei akuten Enzephalitiden ein Prädiktor für einen ungünstigen Verlauf zu sein. / Acute encephalitis occurs mainly sporadically with heterogenous clinical manifestations and can be caused by viruses, other infectious agents or autoimmune disease; often the etiology remains unclear. The aim of this study was to analyze causes and clinical features in a consecutive study population of immunocompetent adults with acute encephalitis and to evaluate their functional, neuropsychological and social long-term outcome as well as a possible loss of brain parenchyma by means of magnetic resonance imaging planimetry. Retrospective analysis of 111 patients demonstrated a definite pathogen in only 28 % of cases, most common were Varicella-zoster virus and Herpes-simplex virus type I. The most important non-viral agent was Mycoplasma. Parenchymal lesions could be identified by cranial magnetic resonance imaging in about 50 %. Electroencephalography had a sensitivity of about 80 %. One third of the patients required intensive care therapy. Mortality was low with less than 2 %. Follow-up examination of 73 patients who had suffered from encephalitis on the average three years before demonstrated a good or satisfiable outcome with preserved independence in 86 %. In cases with unfavourable outcome, cognitive impairment and pharmaco-resistent epilepsy dominated; high-grade physical impairment persisted in only 4 %. Neuropsychologically measurable deficits persisted only in a small number of patients. Compared to a control group, impairment was predominantly found in those patients who had suffered from serial epileptic fits or status epilepticus. This group of patients also had a distinct increase of planimetrically measured ventricle-brain-ratio, i.e. a marked loss of brain parenchyma. Furthermore, self-estimated quality of life was most strongly impaired in those patients. Thus, the occurence of serial epileptic fits or status epilepticus during acute encephalitis seems to predict an unfavourable outcome, independently of the pathogenic agent.

Die Stressharnkontinenz wird durch die morphofunktionelle Einheit von Urethra, M. levator ani und der Fascia endopelvina gewährleistet, der Begriff "Stressharnkontinenz-Kontrollsystem" verkörpert diese Komplexität. In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems kontinenter Nulliparae kernspintomographisch untersucht, um den Normalbefund zu definieren. Auf Grundlage dieser Untersuchungsergebnisse wurden Frauen mit Stressharninkontinenz (HI) kernspintomographisch untersucht, um eine Nomenklatur der MRT-Pathomorphologie des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems bei Stressharninkontinenz vorzuschlagen. Bei den kontinenten Nulliparae (n = 20) zeigte die MRT-Morphometrie von Urethra, M. levator ani und Fascia endopelvina erhebliche anatomische Normvarianten (z.B. Urethraquerschnittsfläche von 1,7 ( 0,4 cm², Ratio 2,4; Volumen des M. levator ani 33,1 ( 8,1 cm³, Ratio 2,5), die in der "Ratio" (Vielfaches des größten zum kleinsten Messwert) zum Ausdruck kommen, eine Definition des "Normalwertes" noch nicht zulassen und ein konstitutionelles Risiko für die Entstehung einer Funktionsstörung des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems vermuten lassen. Aufgrund der morphometrischen Normvarianten des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems kontinenter Nulliparae wurden bei den Frauen mit HI (n = 54) die MRT-Befunde von Urethra, M. levator ani und Fascia endopelvina nach qualitativen Kriterien bewertet. Eine in der PD-gewichteten Aufnahme erhöhte Signalintensität der quergestreiften Muskulatur wurde pathologisch gewertet und ist durch biochemische bzw. morphologische Veränderungen der Muskulatur (Atrophie, vermehrte Fett-, Wasser- oder Laktateinlagerung) bedingt. Der Vergleich beider Studienkollektive zeigte diese HI-typische Veränderung am M. sphincter urethrae externus und M. levator ani (0 % bei Nulliparae vs. 50 % bzw. 28 % bei Frauen mit HI). Ein dorsaler Substanzverlust des M. sphincter urethrae externus (0 % bei Nulliparae vs. 37 % bei Frauen mit HI) und ein einseitiger Substanzverlust des M. levator ani (0 % bei Nulliparae vs. 30 % bei Frauen mit HI) können ebenfalls als HI-typisch gewertet werden. Der Verlust der symphysenwärts konkaven Konfiguration der vorderen Vaginalwand ist durch einen lateralen Fasziendefekt bedingt und HI-typisch (0 % bei Nulliparae vs. 39 % bei Frauen mit HI). Zentrale Fasziendefekte haben ebenfalls einen Einfluss auf die Pathogenese der HI (0 % bei Nulliparae vs. 39 % bei Frauen mit HI). MRT-Untersuchungen des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems tragen zum Verständnis der Anatomie und ihrer Normvarianten bei und können Befunde objektivieren, die den aktuellen Theorien zur Pathogenese der HI gerecht werden. Die MRT hat damit einen hohen Stellenwert in der urogynäkologischen Forschung. / The preservation of urinary continence during stress is ensured by the morphofunctional unit of the urethra, the levator ani muscle, and the endopelvic fascia, whose complex interaction is reflected by the cover term "stress urinary continence control system". The present study investigated the morphology of the stress urinary continence control system in continent nulliparous women by magnetic resonance imaging (MRI) to define its normal anatomy. Based on these results, MRI was performed in women with stress urinary incontinence (UI) to develop a consistent terminology for the pathomorphologic changes of the stress urinary continence control system in stress UI visualized by MRI. In the continent nulliparous women (n = 20) MRI morphometry of the urethra, levator ani muscle, and endopelvic fascia revealed considerable variation in normal anatomy (e.g., cross-sectional area of urethra: 1.7 ( 0.4 cm², ratio 2.4; volume of levator ani muscle: 33.1 ( 8.1 cm³, ratio 2.5) as reflected by the calculated ratios (relation between the maximum and minimum values). These results preclude the definition of normal values and suggest that there is a constitutional risk for the development of dysfunction of the stress urinary continence control system. Because of the morphometric variation found in the normal stress urinary continence control system in continent nulliparious women, the MR images of the urethra, levator ani muscle, and endopelvic fascia acquired in women with UI (n = 54) were analyzed according to qualitative criteria. An increased signal intensity of striated muscle on proton-density-weighted images was classified as abnormal. This increase is caused by biochemical or morphologic changes of the muscle (atrophy, increased deposition of fat, water, or lactate). Comparison of both study groups demonstrated this typical UI-associated change in the external urethral sphincter muscle and the levator ani muscle (0 % in nulliparous women vs. 50 % and 28 %, respectively, in women with UI). A dorsal loss of muscle mass of the external urethral sphincter (0 % in nulliparous women vs. 37 % in UI) and a unilateral loss of mass of the levator ani muslce (0 % in nulliparous women vs. 30 % in women with UI) can likewise be regarded as typical features of UI. Another typical finding in UI is the loss of the hammock configuration of the anterior vaginal wall that is caused by a lateral fascial defect (0 % in nulliparous women vs. 39 % in UI). Defects of the central fascia are likewise involved in the pathogenesis of UI (0 % in nulliparous women vs. 39 % in UI). MRI studies of the stress urinary continence control system help us to gain new insights into its anatomy and normal morphologic variation and yield objective results to corroborate current theories on the pathogenesis of UI. Hence MRI has an important role in urogynecologic research.

Laut der „Bayesian Brain“-Hypothese ist Wahrnehmung ein Inferenzprozess, der von sensorischen Daten abhängt, aber auch von Vorannahmen über die Wahrscheinlichkeit sensorischer Daten und ihrer Zuverlässigkeit. Feedback aus der Umgebung verbessert das Lernen und hilft dem Gehirn, diesen Inferenzprozess zu optimieren. In vorherigen Arbeiten wurde gezeigt, dass unzuverlässiges Feedback die perzeptuelle Genauigkeit beeinträchtigt und Fehlwahrnehmungen in Rauschsignalen erhöht. In dieser Arbeit wurde die Hypothese untersucht, dass der Effekt von unzuverlässigem Feedback einer geringeren Gewichtung sensorischer Daten im Inferenzprozess entspricht. Hierzu wurden zwei Studien mit visuellen Reizen durchgeführt: Studie I umfasste zwei Verhaltensexperimente; Studie II umfasste ein Experiment mit funktioneller Magnetresonanztomographie. Unter der Annahme einer Abwertung sensorischer Information infolge unzuverlässigen Feedbacks wurde eine Verringerung der perzeptuellen Leistung vorhergesagt und eine Verschiebung der Wahrnehmungsinferenz zu experimentell induzierten Vorannahmen. Auf neuronaler Ebene wurde untersucht, ob sich sensorische Repräsentationen im primären visuellen Kortex (V1) als Folge unzuverlässigen Feedbacks verschlechtern würden. In allen Experimenten wurde in einer Kontrollbedingung zuverlässiges Feedback gegeben. Die Ergebnisse beider Studien zeigten eine Abnahme der perzeptuellen Leistung nach unzuverlässigem versus zuverlässigem Feedback. Darüber hinaus verließen sich die Probanden zunehmend auf induzierte Vorannahmen. Auf neuronaler Ebene zeigte sich eine Verrauschung sensorischer Repräsentationen in V1 als Folge unzuverlässigen Feedbacks. Zusammenfassend zeigt sich, dass die Induzierung von Überzeugungen über die Zuverlässigkeit sensorischer Informationen durch manipuliertes Leistungsfeedback einen systematischen Einfluss auf perzeptuelle Inferenz hat und dass sich diese Veränderungen in frühen sensorischen Arealen manifestieren. / According to the Bayesian brain hypothesis, perception is an inferential process that depends not only on sensory data, but also on our beliefs about likely sensory data and their reliability. Feedback from the environment improves this inferential process. Indeed previous studies have shown that unreliable feedback impairs task performance and increases illusory pattern perception in noise. In this thesis, we explored the hypothesis that the effect of unreliable feedback is a down-weighting of sensory information in perceptual inference. We conducted two studies comprising visual stimuli: Study I comprised two behavioural experiments and Study II comprised a functional magnetic resonance imaging experiment. Based on the hypothesis that sensory data would be down-weighed after unreliable feedback , we predicted that perceptual performance would deteriorate and that perceptual inference would shift towards experimentally induced priors. Further, we investigated whether the sensory data representations in the primary visual cortex (V1) deteriorate as a result of unreliable feedback. Reliable feedback was used as a control condition in all the experiments. Data from both studies demonstrated that performance did decrease following unreliable feedback compared to reliable feedback. Moreover, observers increasingly relied on prior information as the feedback about their percepts became unreliable. At the neural level, low-level stimulus representations deteriorated in V1 with unreliable feedback. To sum up, our results show that inducing beliefs about the reliability of sensory information by manipulating performance feedback can systematically influence perceptual inference and that these changes manifest at the earliest stages of cortical sensory processing.

Fragestellung: Die Trichterbildung der proximalen Urethra ist ein typischer, aber nicht beweisender Befund bei Frauen mit Streßharninkontinenz. In der Studie wurde geprüft , ob spezifische pathomorphologische Veränderungen des Kontinenzkontrollsystems bei Frauen mit Trichterbildung gehäuft vorkommen und ob der Trichterbildung der Urethra ein diagnostischer Aussagewert zukommt. Methoden: 54 Frauen (mittleres Alter 52±11 Jahre) mit einer klinisch und urodynamisch gesicherten Streßharninkontinenz und ohne vorhergehende urogynäkologische Operationen wurden standardisiert kernspintomographisch (Protonendichte. Gewichtete Aufnahmen, transversale Schnittebene in Höhe der proximalen Urethra) untersucht. Folgende pathomorphologische Veränderungen des Strßharnkontinenzkontrollsystems wurden unterschieden: Urethradefekte, Defekte des M. levator ani und Defekte der Fascia endopelvina. Die Trichterbildung der Urethra wurde beim Pressen mit Hilfe der Introitussonographie diagnostiziert. Ergebnisse: Im Untersuchungskollektiv fanden sich 32 Frauen mit und 22 Frauen ohne Trichterbildung der Urethra. Streßharninkontinenz in Kombination mit einer Trichterbildung war signifikant vermehrt assoziiert mit einer Strukturveränderung des M. levator ani im MRT-Bild (erhöhte Signalintensität) und einem introitussonographisch diagnostizierten vertikalen Deszensus. Defekte der Urethralmuskulatur und der endopelvinen Faszie wurden nicht vermehrt gefunden. Schlußfolgerungen: Die Trichterbildung der Urethra reflektiert eine funktionellen Zustand der Urethra, welcher durch multifunktionelle pathomorphologische Veränderungen des Sreßharnkontinenzkontrollsystems bedingt ist. Die Diagnose Trichterbildung der Urethra besitzt keine diagnostische Relevanz. / Aims of study: Funneling of the proximal urethra is a typical ultrasound finding in stress urinary incontinence but no definitive proof. The study was performed to determine whether women with funneling of the urethra show specific pathomorphologic changes of the continence control system at MR imaging and whether the demonstration of urethral funneling has any diagnostic relevance. Methods: Fifty-four women (mean age 52±11 years) with clinically and urodynamically proven stress urinary incontinence without prior urogynecologic surgery underwent standardized MR imaging (proton-density-weighted sequence, transverse section orientation at the level of the proximal urethra). The following pathomorphologic changes of the stress urinary continence control system were distinguished: urethral defects, defects of levator ani muscle and defects of endopelvic fascia. Funneling of the urethra was confirmed by introital ultrasound during pressing. Results: In the study group were 32 women with and 22 woman without urethral funnelling. Stress urinary incontinence in combination with funneling of the urethra was found to be associated with a significant increase in structural changes of the levator muscle at MR imaging (increased signal intensity) and vertical prolapse at ultrasound. Defects of urethral muscles and defects of endopelvic fascia were not found to be increased. Conclusions: Funneling of the urethra reflects a functional condition of the urethra caused by multifunctional pathomorphologic changes of the stress continence control system. The demonstration of urethral funneling has no any diagnostic relevance.

Die vorliegende Habilitationsschrift zu „Computer-based diagnostic and prognostic approaches in medical research using brain MRI“ ist in zwei Abschnitte gegliedert. Konkret wird im ersten Abschnitt eine Übersicht über verschiedene Aspekte des Computer- und MRT-basierten Vorhersageansatzes gegeben. Im zweiten Abschnitt werden die Artikel aus diesem Feld beschrieben, die ich für die Habilitation eingereicht habe. Konkret beginnt der erste Abschnitt der Habilitationsschrift damit, das grundlegende methodische Konzept des Vorhersageansatzes zu beschreiben. Danach werden die drei prozeduralen Stadien beschrieben, die seine Anwendung charakterisieren, d.h. die Phase der Feature-Bestimmung, des Trainings von Regressionsalgorithmen und schließlich des Tests dieser Algorithmen mit Daten unbekannter Genese. Daran schließt sich eine Beschreibung der Entwicklung des Ansatzes in Form von drei Epochen an, die charakterisiert sind durch die Entdeckung diagnostischer Information in Signalen der Magnetresonanz, die erste Nutzung statistischer Regressionsverfahren zu deren Analyse, und die massenhaften Anwendung des Ansatzes. Schließlich werden zum Ende des ersten Abschnittes die Forschungsfragen skizziert, die mit dem Ansatz adressiert werden, d.h. die automatisierte Diagnostik, die Verfeinerung bestehender diagnostischer Richtlinien und die Identifikation neuer Biomarker. Im zweiten Abschnitt beschreibe ich im Detail die Forschungsartikel, die ich im Rahmen der Habilitation eingereicht habe. Über diese Artikel oder Studien hinweg wurden alle oben genannten Forschungsfragen adressiert, die mit dem Verfahren in der Literatur untersucht werden. Darüber hinaus wurden vielfältige technische Herausforderungen des Ansatzes in unterschiedlicher Weise bearbeitet. Zusammenfassend lässt sich daher sagen, dass die vorliegende Habilitationsschrift und die darin beschriebenen Fachartikel einen umfassenden Überblick über die konzeptionelle und methodische Vielfalt des Ansatzes geben. / This habilitation thesis on ‘Computer-based diagnostic and prognostic approaches in medical research using brain MRI’ is divided in two parts – an introductory first part that gives an overview on various aspects of the computer- and MRI-based disease prediction approach and a second part describing the research articles from this field that I submitted for habilitation. In particular, in the first part the habilitation synopsis starts by outlining the basic methodological concept of the disease prediction approach and by describing the three fundamental procedural stages characterizing it, i.e. the feature determination, training and test stages. Then, it continues by delineating the development of the approach in terms of three epochs that are characterized by the discovery of diagnostic information in MR signals, the first use of statistical regression techniques to analyze this information, and the mass use of the approach. Finally, it outlines the research aims pursued with the approach, i.e. automated diagnosis, refinement of diagnostic guidelines, and identification of novel diagnostic biomarkers. In the second part, I describe the peer-reviewed research articles that I submitted for habilitation. Across these articles or studies respectively, all of the three research aims pursued with the approach were addressed. Furthermore, technical challenges connected to the approach were addressed in various different fashions. Thus together, these studies and this habilitation thesis provide a substantial overview on the methodological and conceptual diversity of the field.

Diese kumulative Dissertation umfasst zwei Studien zu den räumlichen und zeitlichen neuronalen Dynamiken des visuellen Arbeitsgedächtnisses (VA). Die erste Studie untersuchte, wie die oberflächlichen und tiefen Schichten des präfrontalen Kortex (PFC) zur Enkodierung, Aufrechterhaltung und zum Abruf von VA-Informationen bei unterschiedlichen Gedächtnisbelastungen beitragen. Die Ergebnisse zeigten, dass die oberflächlichen PFC-Schichten bei hoher Belastung während der Verzögerung und des Abrufs stärker aktiviert waren. Multivariate Decodierungstechniken zeigten eine dynamische neuronale Kodierung mit drei Clustern generalisierter Aktivitätsmuster in den Phasen der Enkodierung, Verzögerung und des Abrufs. Es gab jedoch keine Generalisierung zwischen diesen Phasen, was auf unterschiedliche neuronale Populationen für jede Phase hinweist. Die zweite Studie untersuchte die Mechanismen, die VA bei Ablenkungen aufrechterhalten. Dabei wurden Daten aus einer früheren Studie erneut analysiert, in der die Teilnehmer drei Arten von Aufgaben ausführten: eine mit einer leeren Verzögerungsphase, eine mit einem Orientierungsablenker und eine mit einem Rauschablenker. Die Studie analysierte die zeitliche Generalisierung der neuronalen Codes in Regionen des visuellen Kortex und prüfte, ob VA und Ablenker dieselben neuronalen Subräume nutzen. Die Ergebnisse zeigten eine dynamische Kodierung während der frühen und späten Verzögerungsphasen. Zudem wurden VA und der Orientierungsablenker in getrennten, nicht überlappenden Subräumen aufrechterhalten, was auf unterschiedliche neuronale Populationen für VA und Ablenker hindeutet. Zusammenfassend erweitert die Dissertation das Verständnis darüber, wie der PFC und visuelle Areale VA-Informationen aufrechterhalten, insbesondere unter unterschiedlichen Belastungen und Ablenkungen. Sie liefert zudem neue Ansätze zur Untersuchung der zeitlichen neuronalen Dynamik dieser Prozesse. / This cumulative thesis covers two scientific studies exploring the spatial and temporal neural dynamics of visual working memory (VWM) processes. The first study examined the contributions of the prefrontal cortex (PFC) layers—superficial and deep—during VWM encoding, maintenance, and retrieval under two memory load conditions. Results revealed heightened activation in the superficial layers of the PFC during high-load trials, particularly in the maintenance and retrieval phases. Using multivariate decoding techniques, the study assessed the temporal stability of neural codes distinguishing high- and low-load trials, identifying a dynamic code with three distinct clusters of generalization during encoding, delay, and retrieval phases. Notably, there was no generalization of neural patterns across these phases, suggesting distinct neural populations for each stage. The second study focused on the mechanisms enabling VWM maintenance in the presence of distractions. Reanalyzing prior data, the study examined VWM trials featuring either a blank delay, an orientation distractor, or a noise distractor. The study explored the temporal generalization of neural codes across visual cortex regions and whether VWM and distractors shared neural subspaces. Findings indicated dynamic neural coding during early and late memory delay periods. Additionally, VWM and orientation distractors were maintained in separate, non-overlapping subspaces, suggesting distinct neural populations for VWM and perceptual distractors. Collectively, this thesis enhances our understanding of how the PFC and visual areas support VWM maintenance and control, particularly under varying loads and distractions. It also introduces novel approaches for investigating the temporal neural dynamics underlying these processes.

Die Stimme ist reich an grundlegenden Kommunikationselementen: Sie transportiert Sprache, sowie auch paralinguistische Informationen, wie den emotionale Zustand und die Identität des Sprechers. Im Vergleich zur Sprach- und Emotionsverarbeitung ist die Stimmerkennung bei weitem weniger gut erforscht. Dies ist erstaunlich, angesichts der allgegenwärtigen Relevanz der stimmbasierten Personenerkennung. Ein Ansatz neue Erkenntnisse zur Stimmerkennung zu erlangen, ist die Untersuchung von Personen, die ein selektives Defizit in der Stimmerkennung aufweisen. Dieses Defizit wird Phonagnosie bezeichnet. In der vorliegenden Dissertation untersuche ich Personen, bei denen Phonagnosie nach einer Hirnschädigung aufgetreten ist (i.e. erworbene Phonagnosie) und Personen, bei denen Phonagnosie entwicklungsbedingt und nicht durch eine offensichtliche Hirnschädigung bedingt ist (i.e. entwicklungsbedingte Phonagnosie). Die zugrunde liegenden kognitiven, neuro-funktionalen und neuro-anatomischen Mechanismen der Phonagnosie habe ich detailliert mit Hilfe von umfangreichen Verhaltensuntersuchungen sowie funktionaler und struktureller Magnetresonanztomographie charakterisiert. Die Ergebnisse der Dissertation bereichern das derzeitige Stimmerkennungsmodel durch: (i) Neue Erkenntnisse darüber welche Gehirnregionen notwendig sind, um eine Stimme zu erkennen. (ii) Und durch die empirische Bekräftigung der Annahme, dass Stimmerkennung ein mehrstufiger kognitiver Prozess ist, der verschiedene Subformen der Phonagnosie bedingt. Darüber hinaus tragen neue wissenschaftliche Erkenntnisse zur Stimmerkennung maßgeblich dazu bei, praktische Anwendungsbereiche wie klinische Therapieprogramme und künstliche Stimmerkennungprogramme weiterzuentwickeln. / The voice contains elementary social communication cues: it conveys speech, as well as paralinguistic information pertaining to the emotional state or the identity of the speaker. In contrast to neuroscientific research on vocal-speech and vocal-emotion processing, voice-identity processing has been less explored. This seems surprising, given the day-to-day significance of person recognition by voice. A valuable approach to unravel how voice-identity processing is accomplished is to investigate people who have a selective deficit in voice recognition. Such a deficit has been termed phonagnosia. In the present dissertation, I investigate phonagnosia following brain damage (i.e. acquired phonagnosia), as well as phonagnosia cases without apparent brain lesion (i.e. developmental phonagnosia). I in-depth characterise the underlying cognitive, neural-functional, and neuro-anatomical mechanisms of phonagnosia by means of comprehensive behavioural testing as well as functional and structural magnetic resonance imaging. The findings of this dissertation inform the current model of voice-identity processing by (i) delivering novel evidence of brain regions that crucially contribute to voice-identity processing, and by (ii) emphasising the multistage nature of voice-identity processing. We showed that dysfunction at different cognitive stages results in behaviourally distinct phonagnosia sub-types. Generally, advanced scientific knowledge about voice-identity processing as provided in the current dissertation also propels practical applications such as clinical treatment programs and artificial voice-recognition systems.

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.