Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen von externen Störquellen und intrinsischer Variabilität auf die Verarbeitung und Erkennung von akustischen Signalen am Modellsystem der Feldheuschrecke Chorthippus biguttulus zu untersuchen. Damit sowohl die Gesangserkennung am sich verhaltenden Tier als auch die dieser Erkennung zugrunde liegende neuronale Verarbeitung untersucht werden konnte, wurde ein Weibchengesang verwendet, dessen zeitliches Muster durch zufällige Amplitudenmodulationen gestört wurde. Durch die Degradation mit verschiedenen Frequenzbändern konnte überprüft werden, ob bestimmte Modulationsfrequenzen die Signalerkennung stärker beeinflussen als andere. Mit zunehmender Störung der Gesangsstruktur kam es in den Verhaltenstests an Männchen zu einer Abnahme der Erkennungsleistung. Die Stärke der tolerierten Degradation war dabei in der Regel nicht unterschiedlich für die getesteten Degradationsbänder. Die Unterschiede in den neuronalen Antworten, welche entweder durch die artifizielle extrinsische Degradation oder durch interne Fehler in der auditorischen Verarbeitung verursacht wurden, konnten durch eine Spiketrain-Metrik quantifiziert werden. Diese Analyse zeigte, dass die Auswirkung der extrinsischen Signaldegradation von den Rezeptoren über die lokalen Interneurone zu den aufsteigenden Interneuronen abnahm, während es zu einem signifikanten Anstieg der intrinsischen Variabilität kam. Die Stärke der Degradation war dabei erneut nicht unterschiedlich für die getesteten Degradationsbänder. Durch die Bestimmung von neurometrischen Schwellen konnten die Grenzen der Signalerkennung der Männchen mit der Rauschtoleranz der einzelnen auditorischen Neurone verglichen werden. Die kritischen Degradationsstufen, die so ermittelt werden konnten, stimmten teilweise erstaunlich gut überein. Somit sind die Grenzen der Signalerkennung durch die Analyse der Antwortkapazitäten der ersten drei Verarbeitungsstufen relativ gut erklärbar. / The aim of this study was to investigate the effects of extrinsic and intrinsic noise sources on signal recognition and processing within the acoustic communication system of the grasshopper Chorthippus biguttulus. To test both - signal recognition of behaving animals and the underlying auditory processing mechanisms - a female song was used, whose temporal pattern was disturbed by random amplitude modulations. Due to the degradation with various modulation bands, it was possible to test if distinct modulation frequencies have more pronounced effects on signal recognition than others. Behavioural tests on males of Chorthippus biguttulus showed that progressive degradation of the song pattern induced a decrease in recognition performance. The strength of degradation tolerated generally was the same for different modulation bands. The differences between neuronal responses, which were either caused by the artificial extrinsic degradation or internal errors during auditory processing, could be quantified by a spiketrain metric. This analysis showed that the effect of extrinsic signal degradation was much more severe for receptors and local interneurons than for ascending interneurons, whereas there was a significant increase of intrinsic variability with higher levels of processing. The strength of the degradation was again not different for different modulation bands. Signal recognition could be compared with the noise tolerance of individual auditory neurons by determining neurometric thresholds. The average critical degradation levels, to some extend, matched the critical degradation level for behaviour. Thus, by means of analysing the response capacities of neurons from the first three levels of auditory processing, the limits of signal detection are relatively well explained.

In der realen Welt müssen Agenten oft aus teilweise-informativen Beobachtungen den (sich verändernden) latenten Zustand der Umgebung lernen, um optimale Entscheidungen zu treffen. Dies erfordert den dynamischen Wechsel zwischen relativer kognitiver Flexibilität und Stabilität. In dieser Dissertation stelle ich drei Studien vor, die untersuchten, ob zeitliche neuronale Variabilität, gemessen mit funktioneller Magnetresonanztomographie in Menschen, als neuronaler Marker der kognitiven Flexibilität in diesem Aufgabenkontext dient. Unsere Ergebnisse zeigten, dass bei jüngeren Erwachsenen effizienteres Lernen in einer stationären Umgebung mit einer stärkeren Kompression der neuronalen Variabilität einherging (Kapitel 1) und dass weniger neuronale Variabilität mit mehr kognitiver Stabilität und besserer Lernleistung in einer dynamischen Umgebung verbunden war (Kapitel 2). Bei älteren Erwachsenen hingegen war höhere neuronale Variabilität mit mehr kognitiver Stabilität verbunden, was eine Heuristik der Wiederholung vorheriger Entscheidungen darstellte (Kapitel 2). Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Kompression von neuronaler Variabilität die Verwendung eines erlernten internen Modells der Umgebung reflektieren könnte, um Entscheidungen unter Unsicherheit zu treffen. Darüber hinaus fanden wir, dass individuelle Unterschiede in der Dopaminsystemkapazität, gemessen mit Positronen-Emissions-Tomographie, mit neuronaler Variabilität in verhaltensrelevanten Gehirnregionen zusammenhing (Kapitel 2), und dass die Verabreichung eines Dopamin-Vorläufers die neuronale Variabilität und Aufgabenleistung bei älteren Erwachsenen in einer dynamischen Lernumgebung gemeinsam modulierte (Kapitel 3), abhängig von der Reihenfolge der Medikamentengabe. Dies liefert erste Hinweise darauf, dass dopaminerge Mechanismen der neuronalen Variabilität während des Lernens und Entscheidungsfindung unter Unsicherheit über die menschliche Lebensspanne hinweg zugrunde liegt. / In the real world, agents often need to learn about the (changing) latent state of the environment from partially informative observations to make optimal decisions. This requires them to dynamically shift between mental modes of relative cognitive flexibility and stability. In this this dissertation I present three studies that investigated whether moment-to-moment neural variability, measured with functional magnetic resonance imaging in humans, may serve as a neural marker of cognitive flexibility in this task context. We found that in younger adults, more efficient learning in a stationary environment was related to more neural variability compression with increasing evidence exposure (Chapter 1) and that less neural variability related to more cognitive stability and better task performance during learning in a dynamic environment (Chapter 2). In older adults, however, more neural variability related to more cognitive stability, which reflected a decision heuristic to repeat previous choices (Chapter 2). Together, these findings suggest that neural variability compression may reflect the use of a learned internal model of the environment to guide decision-making under uncertainty, rather than reflecting cognitive flexibility/stability per se. Furthermore, we found that individual differences in dopamine system capacity, measured with positron emission tomography, was linked to neural variability in behaviorally-relevant brain regions (Chapter 2) and that administration of a dopamine precursor jointly modulated neural variability and task performance in older adults in a drug-order dependent manner (Chapter 3) during learning in a dynamic environment. These findings provide first evidence that dopaminergic mechanisms may support neural variability during learning and decision-making under uncertainty across the human lifespan.