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Anxiety is an affective state characterized by a sustained, long-lasting defensive response, induced by unpredictable, diffuse threat. In comparison, fear is a phasic response to predictable threat. Fear can be experimentally modeled with the help of cue conditioning. Context conditioning, in which the context serves as the best predictor of a threat due to the absence of any conditioned cues, is seen as an operationalization of sustained anxiety.
This thesis used a differential context conditioning paradigm to examine sustained attention processes in a threat context compared to a safety context for the first time. In three studies, the attention mechanisms during the processing of contextual anxiety were examined by measuring heart rate responses and steady-state-visually evoked potentials (ssVEPs). An additional focus was set on the processing of social cues (i.e. faces) and the influence of contextual information on these cues. In a last step, the correlates of sustained anxiety were compared to evoked responses by phasic fear, which was realized in a previously established paradigm combining predictable and unpredictable threat.
In the first study, a contextual stimulus was associated with an aversive loud noise, while a second context remained unpaired. This conditioning paradigm created an anxiety context (CTX+) and a safety context (CTX-). After acquisition, a social agent vs. an object was presented as a distractor in both contexts. Heart rate and cortical responses, with ssVEPs by using frequency tagging, to the contexts and the distractors were assessed. Results revealed enhanced ssVEP amplitudes for the CTX+ compared to the CTX− during acquisition and during presentation of distractor stimuli. Additionally, the heart rate was accelerated in the acquisition phase, followed by a heart rate deceleration as a psychophysiological marker of contextual anxiety.
Study 2 used the same context conditioning paradigm as Study 1. In contrast to the first study, persons with different emotional facial expressions were presented in the anxiety and safety contexts in order to compare the differential processing of these cues within periods of threat and safety. A similar anxiety response was found in the second study, although only participants who
Abstract
VIII
were aware of the contingency between contexts and aversive event showed a sensory amplification of the threat context, indicated by heart rate response and ssVEP activation. All faces irrespective of their emotional expression received increased attentional resources when presented within the anxiety context, which suggests a general hypervigilance in anxiety contexts.
In the third study, the differentiation of predictable and unpredictable threat as an operationalization of fear and anxiety was examined on a cortical and physiological level. In the predictable condition, a social cue was paired with an aversive event, while in the unpredictable condition the aversive event remained unpaired with the respective cue. A fear response to the predictable cue was found, indicated by increased oscillatory response and accelerated heart rate. Both predictable and unpredictable threat yielded increased ssVEP amplitudes evoked by the context stimuli, while the response in the unpredictable context showed longer-lasting ssVEP activation to the threat context.
To sum up, all three studies endorsed anxiety as a long-lasting defensive response. Due to the unpredictability of the aversive events, the individuals reacted with hypervigilance in the anxiety context, reflected in a facilitated processing of sensory information and an orienting response. This hypervigilance had an impact on the processing of novel cues, which appeared in the anxiety context. Considering the compared stimuli categories, the stimuli perceived in a state of anxiety received increased attentional resources, irrespective of the emotional arousal conveyed by the facial expression. Both predictable and unpredictable threat elicited sensory amplification of the contexts, while the response in the unpredictable context showed longer-lasting sensory facilitation of the threat context.
Renewal of fear is one form of relapse that occurs after successful therapy, resulting from an encounter with a feared object in a context different from the context of the exposure therapy. According to Bouton (1994), the return of fear, provoked by context change, indicates that the fear was not erased in the first place. More importantly, the return of fear indicates that during the exposure session a new association was learned that connected the feared object with “no fear”; yet, as Bouton further argues, this association is context dependent. Such dependence could explain effects like renewal. In a new context, the therapeutic association will not be expressed and thus will no longer inhibit the fear. The assumption that an association is context dependent has been tested and showed robust results (Balooch & Neumann, 2011; Siavash Bandarian Balooch, Neumann, & Boschen, 2012; Culver, Stoyanova, & Craske, 2011; Kim & Richardson, 2009; Neumann & Kitlertsirivatana, 2010). Research for the treatment of anxiety disorders, aiming to reduce fear and, more importantly, prevent relapse, is flourishing. There are several exposure protocols currently under investigation: multiple contexts exposure (MCE), which aims at reducing the return of fear due to renewal (e.g., Balooch & Neumann, 2011); prolonged exposure (PE), which aims at strengthening the inhibitory association during the extinction learning (e.g., Thomas, Vurbic, & Novak, 2009); and reconsolidation update (RU), which aims at “updating” the reconsolidation process by briefly exposing the CS+ before the actual extinction takes place (Schiller et al., 2010). So far, however, few clinical studies conducted on humans have investigated these novel treatment protocols, and as far as I know none has investigated the mechanisms of action behind these protocols with a human clinical sample. The present thesis has three main goals. The first is to demonstrate that exposure therapy in multiple contexts reduces the likelihood of renewal. The second is to examine the mechanisms contributing to the effect of MCE and the third is to shed light on the concept of context in the framework of the conditioning and extinction paradigm. To this end, three studies were conducted. The first study investigated the effect of MCE on renewal, the second and third studies examined working mechanisms of MCE. In the first study thirty spider-phobic participants were exposed four times to a virtual spider. The exposure trials were conducted either in one single context or in four different contexts. Finally, all participants completed both a virtual renewal test, with the virtual spider presented in a novel virtual context, and an in vivo behavioral avoidance test with a real spider. This study successfully demonstrated the efficacy of MCE on reducing renewal. Study 2 investigated the working mechanisms behind MCE by utilizing a differential conditioning paradigm and conducting the extinction in multiple contexts, targeting similar renewal attenuation as achieved in study 1. This was followed by two tests that attempted to reveal extinction-relevant associations like ones causing context inhibitory effects. This study had three main hypotheses: (1) The extinction context is associated with the exposure, and thus operates as a safety signal at some point during the extinction; it will therefore compete with the safety learning of the CS, leading to a decreased extinction effect on the CS if the extinction is conducted in only one context. (2) The elements (e.g., room color, furniture) of the extinction context are connected to the therapeutic association and therefore should serve as reminders of the extinction, causing a stronger fear inhibition when presented during a test. (3) Therapy process factors, according to emotional processing theory, determine the renewal effect (e.g., initial fear activation, and within-session and between-session activation are correlated with the strength of renewal). In this study, however, no differences between the groups at the renewal phase were observed, presumably because the extinction was too strong to enable a renewal of fear at the test phase conducted immediately following the extinction. This hence rendered the two inhibitory tests useless. Study 3 aimed at defining the concept of context in the conditioning and exposure framework. Study 3 utilized the phenomenon known as generalization decrement, whereby a conditioned response is reduced due to change in the environment. This allowed context similarity to be quantified. After an acquisition phase in one context, participants were tested in one of three contexts, two of which differed in only one dimension (configuration of objects vs. features). The third group was tested in the same context and served as control group. The goal was to show that both configuration and features play an important role in the definition of context. There was, however, no significant statistical difference between the groups at the test phases, likely because of context novelty effects (participants exposed to a new context following extinction in another context expected a second extinction phase, and thus demonstrated greater fear than expected in all three groups).
Brain-computer interfaces (BCIs) could provide a muscle-independent communication channel to persons with severe paralysis by translating brain activity into device commands. As a means of communication, in particular BCIs based on event-related potentials (ERPs) as control signal have been researched. Most of these BCIs rely on visual stimulation and have been investigated with healthy participants in controlled laboratory environments. In proof-of-principle studies targeted end users gained control over BCI systems; however, these systems are not yet established as an assistive technology for persons who would most benefit from them. The main aim of this thesis is to advance the usability of ERP-BCIs for target users. To this end, five studies with BCIs have been conducted that enabled users to communicate by focusing their attention on external stimuli.
Two studies were conducted in order to demonstrate the advantages and to further improve the practical application of visual BCIs. In the first study, mental workload was experimentally manipulated during prolonged BCI operation. The study showed the robustness of the visual ERP-BCI since users maintained a satisfactory level of control despite constant distraction in the form of background noise. Moreover, neurophysiological markers that could potentially serve as indicators of high mental workload or fatigue were revealed. This is a first step towards future applications in which the BCI could adapt to the mental state of the user (e.g. pauses if high mental workload is detected to prevent false selections). In the second study, a head-mounted display (HMD), which assures that stimuli are presented in the field of view of the user, was evaluated. High accuracies and information transfer rates, similar to a conventional display, were achieved by healthy participants during a spelling task. Furthermore, a person in the locked-in state (LIS) gained control over the BCI using the HMD. The HMD might be particularly suited for initial communication attempts with persons in the LIS in situations, where mounting a conventional monitor is difficult or not feasible.
Visual ERP-BCIs could prove valuable for persons with residual control over eye muscles and sufficient vision. However, since a substantial number of target users have limited control over eye movements and/or visual impairments, BCIs based on non-visual modalities are required. Therefore, a main aspect of this thesis was to improve an auditory paradigm that should enable motor impaired users to spell by focusing attention on different tones. The two conducted studies revealed that healthy participants were able to achieve high spelling performance with the BCI already in the first session and stress the importance of the choice of the stimulus material. The employed natural tones resulted in an increase in performance compared to a previous study that used artificial tones as stimuli. Furthermore, three out of five users with a varying degree of motor impairments could gain control over the system within the five conducted sessions. Their performance increased significantly from the first to the fifth session - an effect not previously observed for visual ERP-BCIs. Hence, training is particularly important when testing auditory multiclass BCIs with potential users.
A prerequisite for user satisfaction is that the BCI technology matches user requirements. In this context, it is important to compare BCIs with already established assistive technology. Thus, the fifth study of this dissertation evaluated gaze dependent methods (EOG, eye tracking) as possible control signals for assistive technology and a binary auditory BCI with a person in the locked-in state. The study participant gained control over all tested systems and rated the ease of use of the BCI as the highest among the tested alternatives, but also rated it as the most tiring due to the high amount of attention that was needed for a simple selection. Further efforts are necessary to simplify operation of the BCI.
The involvement of end users in all steps of the design and development process of BCIs will increase the likelihood that they can eventually be used as assistive technology in daily life. The work presented in this thesis is a substantial contribution towards the goal of re-enabling communication to users who cannot rely on motor activity to convey their thoughts.
Emotionale Esser neigen dazu, in emotional belastenden Situationen überwiegend süße und fettreiche Nahrung häufig in Abwesenheit von Hunger zu essen, um negative Gefühle zu bewältigen. In unangenehmen emotionalen Zuständen setzen sie sich kaum mit den Emotionen auseinander und essen stattdessen. Es fällt ihnen oft schwer, ihren Emotionen, aber auch ihren Hunger- und Sättigungsgefühlen Aufmerksamkeit zu schenken und diese zu erkennen. Emotionales Essverhalten kann Betroffene davon abhalten, einen konstruktiven Umgang mit den emotionalen Belastungen zu erlernen, und kann zu Übergewicht, den mit Übergewicht einhergehenden ernährungsbedingten Erkrankungen oder gar zu Essstörungen führen. Um diese langfristigen Folgen gar nicht erst entstehen zu lassen, ist es von zentraler Bedeutung, problematischen Formen des emotionalen Essverhaltens vorzubeugen oder sie zu verändern.
Die vorliegende Dissertation umfasst 3 empirische Studien, in denen anhand von standardisierten und selbst entwickelten Fragebögen sowie mithilfe der Experience-Sampling-Methode die Auslöser und die Modifikation emotionalen Essverhaltens untersucht wurden. Die Experience-Sampling-Methode basiert auf alltagsnahen, zeitlich präzisen, multiplen Messungen im Feld.
In der 1. Studie wurde bei gesunden Personen die Wirkung der negativen Gefühle als Auslöser des emotionalen Essverhaltens im Alltag beobachtet. Die Befunde deuten darauf hin, dass keine bestimmten negativen Emotionen zu existieren scheinen, die einen stärkeren Einfluss auf das emotionale Essverhalten haben als andere, und dass alle negativen Gefühle nahezu gleichermaßen das Potenzial bergen, emotionales Essverhalten hervorzurufen.
Diese Erkenntnis ist in die Konzeption eines Trainingsprogramms zur Veränderung des emotionalen Essverhaltens für emotionale Esser eingeflossen, das achtsamkeitsbasierte Konzepte mit verhaltenstherapeutischen Behandlungsmethoden kombiniert.
Die 2. und die 3. Studie überprüften mit einem randomisierten, kontrollierten Design die Machbarkeit und die Wirksamkeit des Gruppentrainings im ambulanten und klinischen Setting. Das Training ließ sich ambulant und in einer Klinik sehr gut umsetzen und wurde von den Teilnehmern weitgehend positiv bewertet.
Im Anschluss an das Training aßen emotionale Esser weniger emotional, indem sie durch die achtsame Selbstbeobachtung lernten, die Essauslöser besser zu erkennen und sie von den körperlichen Hungerempfindungen zu unterscheiden. Vielmehr fingen sie bis zu einem gewissen Grad an, achtsamer zu essen und das Essen zu genießen. Die Emotionsregulation verbesserte sich ebenfalls in vielen Aspekten. Die Trainingsteilnehmer entwickelten die Kompetenzen oder tendierten dazu, ihre Gefühle aufmerksamer wahrzunehmen, klarer zu erkennen und zu benennen, sie stärker positiv zu beeinflussen und sie leichter zu akzeptieren, wenn sie im Augenblick nicht verändert werden konnten.
Somit konnten die Machbarkeit und die Wirksamkeit des entwickelten Trainingsprogramms sowohl im ambulanten Setting als auch in den bedeutendsten Aspekten im klinischen Kontext als Teil eines breiter angelegten Therapiekonzepts nachgewiesen werden.
Die drei vorgelegten Arbeiten liefern einen Beitrag zum Verständnis und zur Veränderung des emotionalen Essverhaltens. Weitergehende Untersuchungen sollten die Merkmale der äußeren Situation als Risikofaktoren für das emotionale Essverhalten analysieren sowie die zeitliche Stabilität der Trainingseffekte testen, die außerhalb einer Katamnese von 3 Monaten liegt. Die Wirksamkeit des Trainingsprogramms könnte ferner gegenüber anderen Therapieverfahren und multizentrisch in unterschiedlichen Kliniken unter zahlreichen Rahmenbedingungen geprüft werden.
Emotionale Esser neigen dazu, in emotional belastenden Situationen überwiegend süße und fettreiche Nahrung häufig in Abwesenheit von Hunger zu essen, um negative Gefühle zu bewältigen. In unangenehmen emotionalen Zuständen setzen sie sich kaum mit den Emotionen auseinander und essen stattdessen. Es fällt ihnen oft schwer, ihren Emotionen, aber auch ihren Hunger- und Sättigungsgefühlen Aufmerksamkeit zu schenken und diese zu erkennen. Emotionales Essverhalten kann Betroffene davon abhalten, einen konstruktiven Umgang mit den emotionalen Belastungen zu erlernen, und kann zu Übergewicht, den mit Übergewicht einhergehenden ernährungsbedingten Erkrankungen oder gar zu Essstörungen führen. Um diese langfristigen Folgen gar nicht erst entstehen zu lassen, ist es von zentraler Bedeutung, problematischen Formen des emotionalen Essverhaltens vorzubeugen oder sie zu verändern. Die vorliegende Dissertation umfasst 3 empirische Studien, in denen anhand von standardisierten und selbst entwickelten Fragebögen sowie mithilfe der Experience-Sampling-Methode die Auslöser und die Modifikation emotionalen Essverhaltens untersucht wurden. Die Experience-Sampling-Methode basiert auf alltagsnahen, zeitlich präzisen, multiplen Messungen im Feld. In der 1. Studie wurde bei gesunden Personen die Wirkung der negativen Gefühle als Auslöser des emotionalen Essverhaltens im Alltag beobachtet. Die Befunde deuten darauf hin, dass keine bestimmten negativen Emotionen zu existieren scheinen, die einen stärkeren Einfluss auf das emotionale Essverhalten haben als andere, und dass alle negativen Gefühle nahezu gleichermaßen das Potenzial bergen, emotionales Essverhalten hervorzurufen. Diese Erkenntnis ist in die Konzeption eines Trainingsprogramms zur Veränderung des emotionalen Essverhaltens für emotionale Esser eingeflossen, das achtsamkeitsbasierte Konzepte mit verhaltenstherapeutischen Behandlungsmethoden kombiniert. Die 2. und die 3. Studie überprüften mit einem randomisierten, kontrollierten Design die Machbarkeit und die Wirksamkeit des Gruppentrainings im ambulanten und klinischen Setting. Das Training ließ sich ambulant und in einer Klinik sehr gut umsetzen und wurde von den Teilnehmern weitgehend positiv bewertet. Im Anschluss an das Training aßen emotionale Esser weniger emotional, indem sie durch die achtsame Selbstbeobachtung lernten, die Essauslöser besser zu erkennen und sie von den körperlichen Hungerempfindungen zu unterscheiden. Vielmehr fingen sie bis zu einem gewissen Grad an, achtsamer zu essen und das Essen zu genießen. Die Emotionsregulation verbesserte sich ebenfalls in vielen Aspekten. Die Trainingsteilnehmer entwickelten die Kompetenzen oder tendierten dazu, ihre Gefühle aufmerksamer wahrzunehmen, klarer zu erkennen und zu benennen, sie stärker positiv zu beeinflussen und sie leichter zu akzeptieren, wenn sie im Augenblick nicht verändert werden konnten. Somit konnten die Machbarkeit und die Wirksamkeit des entwickelten Trainingsprogramms sowohl im ambulanten Setting als auch in den bedeutendsten Aspekten im klinischen Kontext als Teil eines breiter angelegten Therapiekonzepts nachgewiesen werden. Die drei vorgelegten Arbeiten liefern einen Beitrag zum Verständnis und zur Veränderung des emotionalen Essverhaltens. Weitergehende Untersuchungen sollten die Merkmale der äußeren Situation als Risikofaktoren für das emotionale Essverhalten analysieren sowie die zeitliche Stabilität der Trainingseffekte testen, die außerhalb einer Katamnese von 3 Monaten liegt. Die Wirksamkeit des Trainingsprogramms könnte ferner gegenüber anderen Therapieverfahren und multizentrisch in unterschiedlichen Kliniken unter zahlreichen Rahmenbedingungen geprüft werden.
The main goals of the present thesis were to investigate how food deprivation influences food related disgust and to identify mental mechanisms that might underlie alterations in food related disgust. For this purpose, 9 studies were conducted that employed direct and indirect measures of attitudes, biological measures of affect as well as measures of real eating behavior and food choice, and compared responses of deprived and non deprived subjects on each of these measures. Spontaneous facial reactions were assessed via EMG and revealed that food deprived subjects showed weaker disgust reactions than satiated participants when being confronted with photographs of disgusting foods. Interestingly, deprived and non deprived subjects evaluated disgusting foods equally negative on a conscious level of information processing, indicating that food deprivation has the potential to attenuate food related disgust irrespective of conscious evaluations. Furthermore, it was found that food deprived participants readily consumed disgust related foods (“genetically modified foods”), while satiated participants rejected those foods. Again, no difference emerged between deprived and non deprived subjects in respect to their conscious evaluations of genetically modified foods (that were negative in both experimental groups). The dissociation between conscious evaluations and actual eating behavior that was observed amongst food deprived participants resembles the dissociation between conscious evaluations and facial reactions, thereby corroborating the assumption that alterations in food related disgust might directly influence eating behavior without changing conscious evaluations of foods. The assumption that a shift in automatic attitudes towards disgusting foods might be responsible for these effects received only partial support. That is, there was only a non significant tendency for food deprived subjects to evaluate disgusting foods more positive than satiated subjects on an automatic level of information processing. Instead, the results of the present thesis suggest that food deprived subjects exhibit a stronger motivation than satiated subjects to approach disgusting foods immediately. More precisely, food deprived participants exhibited strong approach motivational tendencies towards both, palatable and disgusting foods in an “Approach- Avoidance Task” whereas satiated participants only approached palatable (but not disgusting) foods on an automatic level of information processing. Moreover, food deprivation seems to change the subjective weighting of hedonic and functional food attributes in the context of more elaborated decisions about which foods to pick for consumption and which foods to reject. It was found that individual taste preferences were of minor importance for food deprived subjects but very important for satiated subjects when actually choosing between several food alternatives. In contrast, functional food attributes (e.g., immediate availability of a given food, large portion size) were more important selection criteria for food deprived subjects than for satiated subjects. Thus, food deprived participants were less picky than satiated participants, but showed a clear preference for those food alternatives that were functional in ending a state of food deprivation quickly – even if this meant choosing a food that was not considered tasty. Taken together, the present thesis shows that physiological need states (e.g., food deprivation) are tightly linked to the affective and motivational processing of need relevant cues. This link is so strong that food deprivation even modulates affective and motivational reactions as well as eating behavior and choice behavior towards disgusting (but need relevant) foods.
Hintergrund: Die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) umfasst die klinischen Symptome Hyperaktivität, Impulsivität und Unaufmerksamkeit und besitzt eine große erbliche Komponente. Veränderungen des Dopaminstoffwechsels und des präfrontalen Kortex scheinen mit der Erkrankung assoziiert zu sein. Bekannt sind auch Defizite in exekutiven Funktionen wie Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung, welche gemeinsam als ein Endophänotyp der ADHS betrachtet werden. Solche sogenannten intermediären Phänotypen bilden möglicherweise ätiopathogenetisch sinnvollere Untergruppen von Krankheitsbildern als die Unterteilung nach den klassischen Diagnosesystemen. Zahlreiche Untersuchungen zu Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung bei ADHS finden Mittelwertsunterschiede im Vergleich zu gesunden Stichproben in behavioralen und hirnphysiologischen Maßen. Ein genetischer Polymorphismus (Val158Met) mit Einfluss auf die Synthese der Catechol-O-Methyltransferase (COMT) moduliert Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung bei Gesunden und Patienten mit ADHS. COMT ist ein Enzym, das den Abbau von präfrontalem Dopamin katalysiert. Das Valin(Val)-Allel ist mit einer geringeren, das Methionin(Met)-Allel mit einer höheren Verfügbarkeit von Dopamin in kortikalen Arealen assoziiert. Letzteres scheint die Funktion präfrontaler Hirnareale zu optimieren. Ziel: Es ist unklar, ob die beiden Prozesse Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung miteinander in Verbindung stehen, also einen gemeinsamen Endophänotypen bezeichnen, und ob ein möglicher Zusammenhang dieser beiden Funktionen durch Dopamin moduliert wird. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, (1) die bekannten Mittelwertsunterschiede zwischen Patienten mit ADHS und gesunden Kontrollpersonen zu replizieren, (2) den Zusammenhang von Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung mit Korrelationsanalysen zu überprüfen, (3) den Einfluss des COMT-Polymorphismus auf Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung zu untersuchen und (4) festzustellen, ob der COMT-Polymorphismus die Stärke der Korrelationen beeinflusst. Die Fragestellungen 3 und 4 sind aufgrund der kleinen Stichproben als explorativ zu bewerten. Methoden: In die Auswertung aufgenommen wurden 45 erwachsene Patienten mit ADHS und 41 nach Alter, Geschlecht, Händigkeit, Intelligenz, Bildungsniveau und Kopfumfang vergleichbare Kontrollen. Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung wurden durch eine N-Back- bzw. eine Stoppsignal-Aufgabe operationalisiert. Als abhängige Variablen dienten als behaviorale Maße die Anzahl richtiger Antworten, Reaktionszeiten und Effizienz und als hirnphysiologische Parameter Konzentrationsveränderungen von oxygeniertem (O2Hb) und deoxygeniertem Hämoglobin (HHb) in präfrontalen Arealen, die mittels funktioneller Nah-Infrarot Spektroskopie gemessen wurden. Korrelationen wurden zwischen den Kontrollbedingungen (1-Back und Go-Trials) und zwischen den eigentlichen Bedingungen der Arbeitsgedächtnis- und Stoppsignal-Aufgabe (2-Back und Stopperfolge) berechnet. Ergebnisse: Kontrollen und Patienten zeigten hirnphysiologisch aufgabentypische signifikante Aktivierungsmuster, für das Arbeitsgedächtnis mehr ausgeprägt über dem dorso-lateralen präfrontalen Kortex (DLPFC), für die Antworthemmung mehr über dem inferioren frontalen Kortex (IFC). Fragestellung 1: Patienten zeigten im Vergleich zu den gesunden Kontrollpersonen signifikante Defizite in allen erhobenen behavioralen Maßen. Sie zeigten auch signifikant reduzierte Anstiege von O2Hb über dem linken und rechten IFC für Stopperfolge und eine statistisch tendenziell verringerte O2Hb-Konzentration im linken DLPFC für die 2-Back-Bedingung. Es fanden sich jedoch auch Defizite in den einfachen Kontrollaufgaben (behaviorale Maße und O2Hb während 1-Back). Nach einer Anpassung der Gruppen für die Unterschiede in den Kontrollaufgaben blieben die Gruppenunterschiede in den Aufgaben für Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung bestehen. Fragestellung 2: Nur bei den Patienten und nur für die behavioralen Maße zeigten sich signifikante positive Assoziationen. Die Effizienz während 1-Back korrelierte mit der Reaktionszeit während der Go-Trials, und die Effizienz während 2-Back korrelierte mit der Stoppsignal-Reaktionszeit. Diese beiden Korrelationen unterschieden sich statistisch nicht in ihrer Stärke. In den für die Unterschiede in den Kontrollaufgaben angepassten Gruppen blieb nur die Korrelation der Kontrollaufgaben tendenziell signifikant, die Korrelation von Effizienz während 2-Back und Stoppsignal-Reaktionszeit verschwand. Die Patienten zeigten erhöhte Impulsivität (erhoben mit einem Fragebogen), die positiv mit behavioralen Maßen der beiden untersuchten Prozesse korrelierte. Fragestellung 3: Für 1-Back (O2Hb in rechter Hemisphäre) und 2-Back (O2Hb in linker Hemisphäre) wurden statistisch tendenzielle COMT x Gruppe Interaktionen gefunden. Für 1-Back zeigten die Kontrollen mit dem Val/Val-Genoytp sowohl im Vergleich zu Kontrollen mit dem Met/Met-Genotyp als auch im Vergleich zu Patienten mit zwei Val-Allelen eine signifikant höhere O2Hb-Konzentration. Gleichzeitig wies die Analyse der Verhaltensdaten auf eine höhere Effizienz der Kontrollen mit Met-Allelen im Vergleich zu Patienten mit Met-Allelen hin. Für 2-Back zeigte der Val/Val-Genotyp der Kontrollen eine höhere O2Hb-Konzentration als der Val/Val-Genotyp der Patienten. Zusätzlich wies der Met/Met-Genotyp in der ADHS-Gruppe einen stärkeren Anstieg von O2Hb im Vergleich zu dem Val/Val-Genotyp in der ADHS-Gruppe auf. Die Analyse der Verhaltensdaten zeigte eine höhere Effizienz der Kontrollen im Vergleich zu den Patienten für die Gruppen mit einem oder zwei Val-Allelen. Für Stopperfolge zeigten sich signifikante COMT x Gruppe Interaktionen für O2Hb in beiden Hemisphären. Die Kontrollen mit Val/Met-Genotyp hatten höhere O2Hb-Konzentrationen als Kontrollen mit Val/Val- oder Met/Met-Genotyp und als Patienten mit Val/Met-Genotyp. Patienten mit Val/Met-Genotyp hatten langsamere Stoppsignal-Reaktionszeiten im Vergleich zu den Kontrollen mit Val/Met-Genotyp. Fragestellung 4: Die Korrelationen in Abhängigkeit der Stichproben und COMT-Gruppen zeigten unterschiedlich hohe und unterschiedlich gerichtete Korrelationskoeffizienten. Nur in der Gruppe der Patienten und nur für die Verhaltensdaten wurden positive Assoziationen für alle COMT-Gruppen gefunden, vergleichbar mit den Ergebnissen aus Fragestellung 2. Diskussion: Die behavioralen und hirnphysiologischen Unterschiede in den Aufgaben zum Arbeitsgedächtnis und zur Antworthemmung zwischen Patienten mit ADHS und Kontrollen replizieren gut die Ergebnisse früherer Arbeiten. Ausgehend von den Gruppenunterschieden in den einfachen Kontrollaufgaben muss aber überlegt werden, inwieweit Patienten mit ADHS auch in einfachen psychomotorischen Aufgaben bereits Defizite zeigen. Die Korrelation behavioraler Maße der eigentlichen Arbeitsgedächtnis- und Inhibitionsaufgabe in der Gruppe der Patienten, die allerdings die Assoziation der Kontrollaufgaben nicht überschritt, und die mit dem Anpassen für Unterschiede in den Kontrollenaufgaben verschwand, lässt Zweifel an dem spezifischen Zusammenhang der beiden Prozesse bei ADHS aufkommen. Zudem werfen die positiven Assoziationen dieser Prozesse (behaviorale Maße) mit der Impulsivität (Fragebogen) die Frage auf, ob es sich um die Operationalisierung des gleichen Konstrukts handelt bzw. ob Impulsivität in Form behavioraler Tests das Gleiche misst wie Impulsivität auf symptomatischer Ebene. Ein Faktor, der möglicherweise Einfluss auf die Korrelationen zwischen den Aufgaben hat, könnte der Dopamingehalt sein, wie er in der vorliegenden Arbeit durch den COMT Polymorphismus operationalisiert wurde. Die Ergebnisse der COMT x Gruppe Interaktionen zeigten eine erhöhte O2Hb-Konzentration der Val-Allelträger der Kontrollen für die N-Back-Aufgaben bei teilweise besserer Effizienz und eine erhöhte O2Hb-Konzentration und teilweise schnellere Stoppsignal-Reaktionszeit der Val/Met-Allelträger der Kontrollen bei Stopperfolgen. Unsere Ergebnisse entsprechen nicht unbedingt den Annahmen aus der Literatur, dass das Met-Allel das günstige Allel in Bezug auf gute präfrontale Hirnfunktion sei. Diese Unterschiede in den COMT x Gruppe Interaktionen legen eine Abhängigkeit präfrontaler Hirnfunktionen vom allgemeinen dopaminergen Gehalt (Patienten vs. Kontrollen), vom präfrontalen dopaminergen Niveau (COMT-Genotyp) und von der Aufgabenart (Arbeitsgedächtnis vs. Antworthemmung) nahe. Diese Hypothese wird unterstützt durch die Unterschiede in den Korrelationskoeffizienten der beiden Prozesse in Abhängigkeit der Stichproben und Genotyp-Gruppen. Schlussfolgerung: Die Befunde stützen nicht die Annahme, dass es sich bei Arbeitsgedächtnis und Antworthemmung um zusammenhängende Funktionen bei ADHS oder Gesunden handelt, oder dass der exekutive Endophänotyp einen einheitlichen Subtyp der ADHS darstellt. Zudem scheint eine mögliche Assoziation der beiden Prozesse von mehreren Faktoren wie z. B. der Dopamin-Konzentration moduliert zu werden. Zukünftige Arbeiten sollten die Fragestellungen bearbeiten, welche Faktoren den Zusammenhang dieser Prozesse beeinflussen und welche Kombination solcher Faktoren eine Subgruppe von Patienten mit ADHS mit einem gemeinsamen exekutiven Endophänotyp darstellen könnten.
Biologische Marker für Aufmerksamkeitsverzerrungen bei sozialer Ängstlichkeit und deren Modifikation
(2019)
Diese Dissertationsschrift beschäftigt sich mit biologischen Korrelaten von Aufmerksamkeits-verzerrungen und eruiert deren Modifikation in einem längsschnittlich angelegten Experiment. Hierfür wurden über 100 sozial-ängstliche Teilnehmer mit Hilfe einer Screening-Prozedur gewonnen und hinsichtlich der Ausprägung einer ereigniskorrelierten Lateralisation namens „N2pc“ untersucht.
Während der ersten Labormessung indizierte die N2pc bei der Bearbeitung eines Dot Probe Paradigmas einen mittelgroßen, statistisch hochbedeutsamen Attentional Bias hin zu wütenden Gesichtern im Vergleich zu neutralen. Das hierfür klassischerweise verwendete Maß von Reaktionszeitunterschieden hingegen konnte diese Verzerrung der Aufmerksamkeit nicht abbilden. Ferner zeigten weder die elektrophysiologische noch die behaviorale Messgröße einen Zusammenhang mit Fragebögen sozialer Angst, was teilweise auf ein Fehlen interner Konsistenz zurückgeführt werden kann.
Im weiteren Verlauf absolvierten die überwiegend weiblichen Teilnehmer an acht unterschiedlichen Terminen über zwei bis vier Wochen fast 7000 Durchgänge eines Aufmerksamkeitsverzerrungsmodifikationstrainings oder einer aktiven Kontrollprozedur. Daraufhin zeigte sich eine Auslöschung der ereigniskorrelierten Lateralisation, allerdings in einem späteren Zeitfenster als erwartet. Dieses Verschwinden des Attentional Bias blieb bis elf Wochen nach Ende der Trainingsprozedur stabil. Außerdem trat dieselbe Modifikation ebenfalls für die Kontrollgruppe auf. Die selbstberichtete Schwere der Symptomausprägung veränderte sich zwar nicht, allerdings konnte eine Reduktion des Persönlichkeitsmerkmals Neurotizismus verzeichnet werden, welches konzeptuell mit dem Begriff der Ängstlichkeit eng verwoben ist.
Durch explorative Folgeanalysen konnte eine stärkere Modulation der rechten Großhirnhälfte, also durch Reize im linken visuellen Halbfeld aufgedeckt werden. Eine Neuberechnung des Attentional Bias separat für jede Hemisphäre scheint daher auch für künftige Untersuchungen angebracht. Ferner wurde als Träger der Modifikation über die Zeit eine Veränderung der Hyperpolarisation nach der N2-Komponente identifiziert. Ob durch eine Anpassung der Prozedur eine Modulation einer früheren ereigniskorrelierten Komponente erzielt werden kann, bleibt zum aktuellen Zeitpunkt unbeantwortet.
Brain computer interfaces based on sensorimotor rhythms modulation (SMR-BCIs) allow people to emit commands to an interface by imagining right hand, left hand or feet movements. The neurophysiological activation associated with those specific mental imageries can be measured by electroencephalography and detected by machine learning algorithms. Improvements for SMR-BCI accuracy in the last 30 years seem to have reached a limit. The currrent main issue with SMR-BCIs is that between 15% to 30% cannot use the BCI, called the "BCI inefficiency" issue. Alternatively to hardware and software improvements, investigating the individual characteristics of the BCI users has became an interesting approach to overcome BCI inefficiency. In this dissertation, I reviewed existing literature concerning the individual sources of variation in SMR-BCI accuracy and identified generic individual characteristics. In the empirical investigation, attention and motor dexterity predictors for SMR-BCI performance were implemented into a trainings that would manipulate those predictors and lead to higher SMR-BCI accuracy. Those predictors were identified by Hammer et al. (2012) as the ability to concentrate (associated with relaxation levels) and "mean error duration" in a two-hand visuo-motor coordination task (VMC). Prior to a SMR-BCI session, a total of n=154 participants in two locations took part of 23 min sessions of either Jacobson’s Progressive Muscle Relaxation session (PMR), a VMC session, or a control group (CG). No effect of PMR or VMC manipulation was found, but the manipulation checks did not consistently confirm whether PMR had an effect of relaxation levels and VMC on "mean error duration". In this first study, correlations between relaxation levels or "mean error duration" and accuracy were found but not in both locations. A second study, involving n=39 participants intensified the training in four sessions on four consecutive days or either PMR, VMC or CG. The effect or manipulation was assessed for in terms of a causal relationship by using a PRE-POST study design. The manipulation checks of this second study validated the positive effect of training on both relaxation and "mean error duration". But the manipulation did not yield a specific effect on BCI accuracy. The predictors were not found again, displaying the instability of relaxation levels and "mean error duration" in being associated with BCI performance. An effect of time on BCI accuracy was found, and a correlation between State Mindfulness Scale and accuracy were reported. Results indicated that a short training of PMR or VMC were insufficient in increasing SMR-BCI accuracy. This study contrasted with studies succeeding in increasing SMR-BCI accuracy Tan et al. (2009, 2014), by the shortness of its training and the relaxation training that did not include mindfulness. It also contrasted by its manipulation checks and its comprehensive experimental approach that attempted to replicate existing predictors or correlates for SMR-BCI accuracy. The prediction of BCI accuracy by individual characteristics is receiving increased attention, but requires replication studies and a comprehensive approach, to contribute to the growing base of evidence of predictors for SMR-BCI accuracy. While short PMR and VMC trainings could not yield an effect on BCI performance, mindfulness meditation training might be beneficial for SMR-BCI accuracy. Moreover, it could be implemented for people in the locked-in-syndrome, allowing to reach the end-users that are the most in need for improvements in BCI performance.
Objective: Brain Computer Interfaces (BCI) provide a muscle independent interaction channel making them particularly valuable for individuals with severe motor impairment. Thus, different BCI systems and applications have been proposed as assistive technology (AT) solutions for such patients. The most prominent system for communication utilizes event-related potentials (ERP) obtained from the electroencephalogram (EEG) to allow for communication on a character-by-character basis. Yet in their current state of technology, daily life use cases of such systems are rare. In addition to the high EEG preparation effort, one of the main reasons is the low information throughput compared to other existing AT solutions. Furthermore, when testing BCI systems in patients, a performance drop is usually observed compared to healthy users. Patients often display a low signal-to-noise ratio of the recorded EEG and detection of brain responses may be aggravated due to internally (e.g. spasm) or externally induced artifacts (e.g. from ventilation devices). Consequently, practical BCI systems need to cope with mani-fold inter-individual differences. Whilst these high demands lead to increasing complexity of the technology, daily life use of BCI systems requires straightforward setup including an easy-to-use graphical user interface that nonprofessionals can handle without expert support. Research questions of this thesis: This dissertation project aimed at bringing forward BCI technology toward a possible integration into end-users' daily life. Four basic research questions were addressed: (1) Can we identify performance predictors so that we can provide users with individual BCI solutions without the need of multiple, demanding testing sessions? (2) Can we provide complex BCI technology in an automated, user-friendly and easy-to-use manner, so that BCIs can be used without expert support at end-users' homes? (3) How can we account for and improve the low information transfer rates as compared to other existing assistive technology solutions? (4) How can we prevent the performance drop often seen when bringing BCI technology that was tested in healthy users to those with severe motor impairment? Results and discussion: (1) Heart rate variability (HRV) as an index of inhibitory control (i.e. the ability to allocate attention resources and inhibit distracting stimuli) was significantly related to ERP-BCI performance and accounted for almost 26% of variance. HRV is easy to assess from short heartbeat recordings and may thus serve as a performance predictor for ERP-BCIs. Due to missing software solutions for appropriate processing of artifacts in heartbeat data (electrocardiogram and inter-beat interval data), our own tool was developed that is available free of charge. To date, more than 100 researchers worldwide have requested the tool. Recently, a new version was developed and released together with a website (www.artiifact.de). (2) Furthermore, a study of this thesis demonstrated that BCI technology can be incorporated into easy-to-use software, including auto-calibration and predictive text entry. Naïve, healthy nonprofessionals were able to control the software without expert support and successfully spelled words using the auto-calibrated BCI. They reported that software handling was straightforward and that they would be able to explain the system to others. However, future research is required to study transfer of the results to patient samples. (3) The commonly used ERP-BCI paradigm was significantly improved. Instead of simply highlighting visually displayed characters as is usually done, pictures of famous faces were used as stimulus material. As a result, specific brain potentials involved in face recognition and face processing were elicited. The event-related EEG thus displayed an increased signal-to-noise ratio, which facilitated the detection of ERPs extremely well. Consequently, BCI performance was significantly increased. (4) The good results of this new face-flashing paradigm achieved with healthy participants transferred well to users with neurodegenerative disease. Using a face paradigm boosted information throughput. Importantly, two users who were highly inefficient with the commonly used paradigm displayed high accuracy when exposed to the face paradigm. The increased signal-to-noise ratio of the recorded EEG thus helped them to overcome their BCI inefficiency. Significance: The presented work at hand (1) successfully identified a physiological predictor of ERP-BCI performance, (2) proved the technology ready to be operated by naïve nonprofessionals without expert support, (3) significantly improved the commonly used spelling paradigm and (4) thereby displayed a way to effectively prevent BCI inefficiency in patients with neurodegenerative disease. Additionally, missing software solutions for appropriate handling of artifacts in heartbeat data encouraged development of our own software tool that is available to the research community free of charge. In sum, this thesis significantly improved current BCI technology and enhanced our understanding of physiological correlates of BCI performance.