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Frontal asymmetry, a construct invented by Richard Davidson, linking positive and negative valence as well as approach and withdrawal motivation to lateralized frontal brain activation has been investigated for over thirty years. The frontal activation patterns described as relevant were measured via alpha-band frequency activity (8-13 Hz) as a measurement of deactivation in electroencephalography (EEG) for homologous electrode pairs, especially for the electrode position F4/ F3 to account for the frontal relative lateralized brain activation.
Three different theories about frontal activation patterns linked to motivational states were investigated in two studies. The valence theory of Davidson (1984; 1998a; 1998b) and its extension to the motivational direction theory by Harmon-Jones and Allen (1998) refers to the approach motivation with relative left frontal brain activity (indicated by relative right frontal alpha activity) and to withdrawal motivation with relative right frontal brain activation (indicated by relative left frontal alpha activity). The second theory proposed by Hewig and colleagues (2004; 2005; 2006) integrates the findings of Davidson and Harmon – Jones and Allen with the reinforcement sensitivity theory of Jeffrey A. Gray (1982, 1991). Hewig sees the lateralized frontal approach system and withdrawal system proposed by Davidson as subsystems of the behavioral activation system proposed by Gray and bilateral frontal activation as a biological marker for the behavioral activation system. The third theory investigated in the present studies is the theory from Wacker and colleagues (2003; 2008; 2010) where the frontal asymmetrical brain activation patterns are linked to the revised reinforcement sensitivity theory of Gray and McNaughton (2000). Here, right frontal brain activity (indicated by lower relative right frontal alpha activity) accounts for conflict, behavioral inhibition and activity of the revised behavioral inhibition system, while left frontal brain activation (indicated by lower relative left frontal alpha activity) stands for active behavior and the activity of the revised behavioral activation system as well as the activation of the revised flight fight freezing system. In order to investigate these three theories, a virtual reality T-maze paradigm was introduced to evoke motivational states in the participants, offering the opportunity to measure frontal brain activation patterns via EEG and behavior simultaneously in the first study. In the second study the virtual reality paradigm was additionally compared to mental imagery and a movie paradigm, two well-known state inducing paradigms in the research field of frontal asymmetry.
In the two studies, there was confirming evidence for the theory of Hewig and colleages (2004; 2005; 2006), showing higher bilateral frontal activation for active behavior and lateralized frontal activation patterns for approach (left frontal brain activation) and avoidance (right frontal brain activation) behavior. Additionally a limitation for the capability model of anterior brain asymmetry proposed by Coan and colleagues (2006), where the frontal asymmetry should be dependent on the relevant traits driving the frontal asymmetry pattern if a relevant situation occurs, could be found. As the very intense virtual reality paradigm did not lead to a difference of frontal brain activation patterns compared to the mental imagery paradigm or the movie paradigm for the traits of the participants, the trait dependency of the frontal asymmetry in a relevant situation might not be given, if the intensity of the situation exceeds a certain level. Nevertheless there was an influence of the traits in the virtual reality T-maze paradigm, because the shown behavior in the maze was trait-dependent.
The implications of the findings are multifarious, leading from possible objective personality testing via diversification of the virtual reality paradigm to even clinical implications for depression treatments based on changes in the lateralized frontal brain activation patterns for changes in the motivational aspects, but also for changes in bilateral frontal brain activation when it comes to the drive and preparedness for action in patients. Finally, with the limitation of the capability model, additional variance in the different findings about frontal asymmetry can be explained by taking the intensity of a state manipulation into account.
In der vorliegenden Studie wurden erstmals Kinder und Jugendliche mit Zwangsstörungen in Hinblick auf eine veränderte Aktivierung von anteriorem cingulärem Cortex (ACC) und präfrontalen Arealen elektrophysiologisch untersucht. Zur Durchführung der Studie wurde als Paradigma ein cued Continuous Performance Test (cCPT) mit Aufgabenstellung zu Exekution und Inhibition vorbereiteter motorischer Reaktionen gewählt. In der Auswertung der Daten lag ein besonderer Schwerpunkt auf der Nogo-Anteriorisierung (NGA), die in der topographischen Analyse des ereigniskorrelierten Potentials P300 speziell die Aktivierung von ACC und präfrontalen Arealen erfasst. Um Vergleichswerte von gesunden Kindern und Jugendlichen zu erhalten und zugleich die NGA als elektrophysiologischen Parameter für das Kindes- und Jugendalter in Hinblick auf Auftreten und Beeinflussung durch Alter und Geschlecht zu validieren, wurden gesunde Probanden im Alter von 10 bis 17 Jahren mit einem ausgewogenem Verhältnis der Geschlechter mit dem identischen Studiensetting untersucht. Dabei konnte erstmals für ein kontinuierliches Altersspektrum für Kinder und Jugendliche gezeigt werden, dass die NGA bei älteren Kindern und Jugendlichen als stabiler elektrophysiologischer Parameter auftritt und zur Untersuchung von hirnelektrischer Aktivierung bei psychiatrisch erkrankten Kindern und Jugendlichen qualifiziert. In Übereinstimmung mit den Daten von Erwachsenen ergab sich kein geschlechtsspezifischer Einfluss; auch die mit dem Lebensalter zunehmende Frontalisierung der hirnelektrischen Aktivierung konnte für Kinder und Jugendliche nachvollzogen werden. Die Ergebnisse für jüngere Kinder, die nicht durchgängig eine NGA aufweisen, sind kongruent zu Vorbefunden und könnten einen Hinweis auf eine entwicklungsabhängige Ausbildung der NGA sein. Der Vergleich der Daten von Kindern und Jugendlichen mit Zwangsstörungen mit gesunden Gleichaltrigen zeigte keine signifikanten Unterschiede in der Ausprägung der NGA, die Hypothese einer differierenden Aktivierung von ACC und präfrontalen Arealen ist demnach nicht bestätigt. Unterschiede ergaben sich in den Verhaltensdaten, hier wiesen die Kinder und Jugendlichen mit Zwangsstörungen mehr falsche positive Fehler auf. Ebenfalls verändert war die Latenz der P300 für die Bedingung Go, die für die Patientengruppe verlängert war. Aus diesen Daten ergeben sich Hinweise auf eine veränderte initiale Informationsverarbeitung bei Kindern und Jugendlichen mit Zwangsstörungen in Aufgaben zu motorischer Reaktion. Eine weitere Schlussfolgerung dieser Studie geht aus den deutlichen Unterschieden zu den Daten von erwachsenen Probanden mit Zwangsstörungen hervor. Während bei den gesunden Kindern und Jugendlichen eine Entwicklung hin zu den Daten gesunder Erwachsener gezeigt werden konnte, weisen die differierenden Daten bei den Patienten mit Zwangsstörungen auf abweichende neurophysiologische Abläufe hin, wodurch die Hypothese einer für das Kindes- und Jugendalter spezifischen Pathophysiologie bei Zwangsstörungen gestützt und der weitere Bedarf an eigenständigen Studien mit Kindern und Jugendlichen zu psychiatrischen Erkrankungen unterstrichen wird.
This study aimed at evaluating the performance of the Studentized Continuous Wavelet Transform (t-CWT) as a method for the extraction and assessment of event-related brain potentials (ERP) in data from a single subject. Sensitivity, specificity, positive (PPV) and negative predictive values (NPV) of the t-CWT were assessed and compared to a variety of competing procedures using simulated EEG data at six low signal-to-noise ratios. Results show that the t-CWT combines high sensitivity and specificity with favorable PPV and NPV. Applying the t-CWT to authentic EEG data obtained from 14 healthy participants confirmed its high sensitivity. The t-CWT may thus be well suited for the assessment of weak ERPs in single-subject settings.
In dieser Studie sollte die Bedeutung von genetischer Varianz im Gen des Dopaminrezeptors D2 (DRD2) insbesondere für Fehlermonitoring- und Arbeitsgedächtnisprozesse untersucht werden. Vorstudien implizieren die Relevanz der dopaminergen Neurotransmission für diese Systeme und geben Hinweise, dass Defizite in entsprechenden kognitiven Prozessen für psychiatrische Erkrankungen prädisponieren. Daher wurden die Verhaltensdaten in zwei verschiedenen kognitiven Leistungstests, als auch parallel dazu erhobene Messergebnisse von zwei unterschiedlichen bildgebenden Verfahren für drei ausgewählte, vermutlich funktionale Polymorphismen im DRD2-Gen bei 210 gesunden Kontrollprobanden und 39 schizophrenen Patienten untersucht. Auf der Basis der vorhandenen Literatur hypothetisierten wir Risikoallele für die jeweiligen Polymorphismen: Das A-Allel von DRD2 TAQ1A scheint mit einer verminderten striatalen Rezeptordichte verknüpft zu sein. Das Insertionsallel des DRD2 -141C Ins/Del wird mit Schizophrenie in Verbindung gebracht, wogegen allerdings das Deletionsallel wiederholt mit niedrigerer striataler Rezeptordichte assoziiert wurde. Bei DRD2 rs1076560 scheint das T-Allel für defizitäre Performance bei Arbeitsgedächtnis-Tests verantwortlich zu sein. Zudem wurde hier eine geringere Expression der kurzen Splicevariante D2S des Rezeptors nachgewiesen und dies mit verminderter präfrontaler Aktivität assoziiert. Gemeinsam ist allen Risikoallelen eine Prädisposition für Suchterkrankungen. Unser Ziel war es, diese Risikokonstellationen in unseren Untersuchungen zu replizieren. Das Fehlermonitoring und seine Korrelate Error-related negativity (ERN) und Error-related positivity (PE) wurden in einer EEG-Studie untersucht, in der sich 170 Probanden einem sog. Eriksen-Flanker-Task unterzogen. Eine Stichprobe von 39 Patienten mit schizophrenen Psychosen und eine gesunde Kontrollgruppe (n=40) unterzogen sich dem N-Back-Task zur Testung des Arbeitsgedächtnisses. Zusätzlich wurden dabei in einer funktionellen NIRS-Untersuchung Messwerte für oxygeniertes und deoxygeniertes Hämoglobin zur Erfassung der cerebralen Aktivität ermittelt. Wir gingen von der Hypothese aus, dass die Träger der Risikoallele Defizite bei den kognitiven Aufgaben zeigen und sich zusätzlich Veränderungen der Gehirnaktivität nachweisen lassen, die auf Basis der Theorie der neurovaskulären Kopplung als reduzierte Aktivierung interpretiert werden können. Leider konnten die meisten der Hypothesen nicht bestätigt werden. Für DRD2 TAQ1A konnte in der NIRS-Messung lediglich für die Deoxygenierung eine geringere cerebrale Aktivität bei Vorliegen des Risikoallels festgestellt werden, dies allerdings nur rechtsseitig und in der Patientengruppe. Für das Fehlermonitoring konnten keine signifikanten Ergebnisse ermittelt werden. Beim Insertionsallel des DRD2 -141C Ins/Del (rs1799732) fanden wir eine Verringerung der ERN spezifisch bei fehlerhaften Antworten, sowie zusätzlich stärkere Ausprägungen der Persönlichkeitseigenschaft Neurotizismus bei den Risikoallelträgern. Wir werteten vor allem Erstes als möglicherweise prädisponierend für schizophrene Psychosen bzw. Alkoholabhängigkeit und konnten hier also teilweise unsere Hypothesen bestätigen. Die Auswertung der Daten der NIRS-Messung für den rs1799732 erbrachte keine signifikanten Ergebnisse. Bei DRD2 rs1076560 erreichte die Risikogruppe im N-Back-Test entgegen unserer Erwartung sogar ein besseres Leistungsniveau. Mittels bildgebenden Verfahren zeigten sich keine Gruppenunterschiede. Auch die EEG-Studie erbrachte keine signifikanten Ergebnisse. Die Ergebnisse werden auch unter dem Aspekt der Prädisposition zu Abhängigkeitserkrankungen diskutiert, die für alle drei Polymorphismen zu bestehen scheint. Die von uns gewählte Zuordnung der Risikoallele wurde kritisch bewertet. Für die Inkonsistenz der Befunde wurde eine direkte regulatorische Verknüpfung von TAQ1A mit der striatalen Rezeptordichte diskutiert. Zusätzlich wurde mit dem Hinweis auf eine Assoziation mit ANKK1 und ihrem regulatorischem Einfluss auf den NF-κB-Signalweg ein mögliches zukünftiges Erklärungsmodell aufgezeigt. Auch ein durch rs1076560 vermittelter Zusammenhang einer gesteigerten Expression der kurzen Splicevariante D2S mit höherer striataler Aktivität wurde in Frage gestellt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bedeutung des dopaminergen Systems und insbesondere des Dopaminrezeptors D2 für die kognitive Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns und damit auch die Pathophysiologie psychiatrischer Erkrankungen unzweifelhaft bleibt. Jedoch implizieren einige der Ergebnisse komplexere Zusammenhänge zwischen Genotyp und Phänotyp. Anscheinend sind die untersuchten Polymorphismen im DRD2-Gen nicht ausreichend, um Defizite im Fehlermonitoring und Arbeitsgedächtnis zu erklären. Die kombinierte Untersuchung mit anderen Risikogenvarianten im dopaminergen System scheint daher vielversprechender zu sein als eine isolierte Betrachtung von DRD2.
In our current obesogenic environment, exposure to visual food-cues can easily lead to craving and overeating because short-term, pleasurable effects of food intake dominate over the anticipated long-term adverse effects such as weight gain and associated health problems. Here we contrasted these two conditions during food-cue presentation while acquiring event-related potentials (ERPs) and subjective craving ratings. Female participants (n = 25) were presented with either high-calorie (HC) or low-calorie (LC) food images under instructions to imagine either immediate (NOW) or long-term effects (LATER) of consumption. On subjective ratings for HC foods, the LATER perspective reduced cravings as compared to the NOW perspective. For LC foods, by contrast, craving increased under the LATER perspective. Early ERPs (occipital N1, 150-200 ms) were sensitive to food type but not to perspective. Late ERPs (late positive potential, LPP, 350-550 ms) were larger in the HC-LATER condition than in all other conditions, possibly indicating that a cognitive focus on negative long-term consequences induced negative arousal. This enhancement for HC-LATER attenuated to the level of the LC conditions during the later slow wave (550-3000 ms), but amplitude in the HC-NOW condition was larger than in all other conditions, possibly due to a delayed appetitive response. Across all conditions, LPP amplitudes were positively correlated with self-reported emotional eating. In sum, results reveal that regulation effects are secondary to an early attentional analysis of food type and dynamically evolve over time. Adopting a long-term perspective on eating might promote a healthier food choice across a range of food types.
Electroencephalography (EEG) often fails to assess both the level (i.e., arousal) and the content (i.e., awareness) of pathologically altered consciousness in patients without motor responsiveness. This might be related to a decline of awareness, to episodes of low arousal and disturbed sleep patterns, and/or to distorting and attenuating effects of the skull and intermediate tissue on the recorded brain signals. Novel approaches are required to overcome these limitations. We introduced epidural electrocorticography (ECoG) for monitoring of cortical physiology in a late-stage amytrophic lateral sclerosis patient in completely locked-in state (CLIS) Despite long-term application for a period of six months, no implant related complications occurred. Recordings from the left frontal cortex were sufficient to identify three arousal states. Spectral analysis of the intrinsic oscillatory activity enabled us to extract state-dependent dominant frequencies at <4, similar to 7 and similar to 20 Hz, representing sleep-like periods, and phases of low and elevated arousal, respectively. In the absence of other biomarkers, ECoG proved to be a reliable tool for monitoring circadian rhythmicity, i.e., avoiding interference with the patient when he was sleeping and exploiting time windows of responsiveness. Moreover, the effects of interventions addressing the patient's arousal, e.g., amantadine medication, could be evaluated objectively on the basis of physiological markers, even in the absence of behavioral parameters. Epidural ECoG constitutes a feasible trade-off between surgical risk and quality of recorded brain signals to gain information on the patient's present level of arousal. This approach enables us to optimize the timing of interactions and medical interventions, all of which should take place when the patient is in a phase of high arousal. Furthermore, avoiding low responsiveness periods will facilitate measures to implement alternative communication pathways involving brain-computer interfaces (BCI).
In dieser Dissertation untersuchten wir die neuronalen Korrelate des Training-Effektes einer auditorischen P300 Gehirn-Computer Schnittstelle mittels fMRI Analyse in einem prä-post Design mit zehn gesunden Testpersonen. Wir wiesen in drei Trainings-sitzungen einen Trainingseffekt in der EEG-Analyse der P300 Welle nach und fanden entsprechende Kontraste in einer prä-post Analyse von fMRI Daten, wobei in allen fünf Sitzungen das gleiche Paradigma verwendet wurde. In der fMRI Analyse fanden wir fol-gende Ergebnisse: in einem Target-/ Nichttarget Kontrast zeigte sich verstärkte Aktivie-rung in Generatorregionen der P300 Welle (temporale und inferiore frontale Regionen) und interessanterweise auch in motorassoziierten Arealen, was höhere kognitiver Pro-zesse wie Aufmerksamkeitslenkung und Arbeitsspeicher widerspiegeln könnte. Der Kon-trast des Trainingseffektes zeigte nach dem Training einen stärkeren Rebound Effekt im Sinne einer verstärkten Aktivierung in Generatorregionen der P300 Welle, was eine ver-besserte Erkennung und Prozessierung von Target-Stimuli reflektieren könnte. Eine Ab-nahme von Aktivierung in frontalen Arealen in diesem Kontrast könnte durch effizientere Abläufe kognitiver Prozesse und des Arbeitsgedächtnis erklärt werden.
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.
Current brain-computer interface (BCIs) software is often tailored to the needs of scientists and technicians and therefore complex to allow for versatile use. To facilitate home use of BCIs a multifunctional P300 BCI with a graphical user interface intended for non-expert set-up and control was designed and implemented. The system includes applications for spelling, web access, entertainment, artistic expression and environmental control. In addition to new software, it also includes new hardware for the recording of electroencephalogram (EEG) signals. The EEG system consists of a small and wireless amplifier attached to a cap that can be equipped with gel-based or dry contact electrodes. The system was systematically evaluated with a healthy sample, and targeted end users of BCI technology, i.e., people with a varying degree of motor impairment tested the BCI in a series of individual case studies. Usability was assessed in terms of effectiveness, efficiency and satisfaction. Feedback of users was gathered with structured questionnaires. Two groups of healthy participants completed an experimental protocol with the gel-based and the dry contact electrodes (N = 10 each). The results demonstrated that all healthy participants gained control over the system and achieved satisfactory to high accuracies with both gel-based and dry electrodes (average error rates of 6 and 13%). Average satisfaction ratings were high, but certain aspects of the system such as the wearing comfort of the dry electrodes and design of the cap, and speed (in both groups) were criticized by some participants. Six potential end users tested the system during supervised sessions. The achieved accuracies varied greatly from no control to high control with accuracies comparable to that of healthy volunteers. Satisfaction ratings of the two end-users that gained control of the system were lower as compared to healthy participants. The advantages and disadvantages of the BCI and its applications are discussed and suggestions are presented for improvements to pave the way for user friendly BCIs intended to be used as assistive technology by persons with severe paralysis.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Angstsensitivität auf die Emotionsverarbeitung und selektive Aufmerksamkeitsprozesse. Anhand des Angstsensitivitätsindex-3 (ASI-3) wurden die Probanden in stark und wenig angstsensitiv eingeteilt. Der Selbstbeurteilungsfragebogen ASI-3 erfasst in welchem Maß die betreffende Person auf typische angstauslösende Stimuli mit Symptomen reagiert (Kemper, et al., 2009). Bei 53 gesunden, freiwilligen Probanden wurde, während der Präsentation von Bildern mit positiven, negativen und neutralen Inhalt, ein EEG (Elektroenzephalogramm) abgeleitet. In Anlehnung an das Paradigma von Schupp und Kollegen (Schupp, et al., 2007) wurde jede Bildkategorie jeweils in einem Durchgang als Target- und gleichzeitig die beiden anderen Kategorien als Non-Target-Bedingung dargeboten. Außerdem wurde ein Durchgang mit der Anweisung „alle gleich beachten“ (PB-Bedingung) durchgeführt. Die Angstsensitivität beeinflusst den Verlauf des EPN (early posterior negative potential). Bei hoch angstsensitiven Probanden zeigt sich ein stärker negativer Verlauf der EPN-Amplitude als bei wenig Angstsensitiven. Diese Aussage gilt für die Darbietung von neutralen und positiven Bildern bei der PB-Bedingung. Bei Probanden mit hoher Angstsensitivität verläuft sowohl bei der Target-Bedingung als auch bei der Non-Target-Bedingung das EPN signifikant negativer, als bei denjenigen mit niedriger Angstsensitivität. Ebenfalls zeigte sich das EPN-Potential während der Target- und Non-Target-Bedingung bei positiven und neutralen Bildern für hoch angstsensitive Probanden signifikant negativer als bei wenig angstsensitiven Probanden. Im LPP (late positive potential) zeigte sich kein Einfluss der Angstsensitivität auf den Verlauf des Potentials. Keine geschlechtsspezifischen Unterschiede konnten im LPP und EPN festgestellt werden.
In dieser EEG Untersuchung wurde der Einfluss von zuvor präsentierten Abfolgen wütender und neutraler Gesichtsausdrücke auf die neurokognitive Verarbeitung eines aktuell wahrgenommenen Gesichts unter Berücksichtigung des modulierenden Effekts der individuellen Ängstlichkeit, sowie eines sozial stressenden Kontextes und einer erhöhten kognitiven Auslastung erforscht.
Die Ergebnisse lieferten bereits auf der Ebene der basalen visuellen Gesichtsanalyse Belege für eine parallele Verarbeitung und Integration von strukturellen und emotionalen Gesichtsinformationen. Zudem konnte schon in dieser frühen Phase ein genereller kontextueller Einfluss von Gesichtssequenzen auf die kognitive Gesichtsverarbeitung nachgewiesen werden, welcher sogar in späteren Phasen der kognitiven Verarbeitung noch zunahm.
Damit konnte nachgewiesen werden, dass die zeitliche Integration, d.h. die spezifische Abfolge wahrgenommener Gesichter eine wichtige Rolle für die kognitive Evaluation des aktuell perzipierten Gesichtes spielt. Diese Ergebnisse wurden zudem in einer Revision des Gesichtsverarbeitungsmodells von Haxby und Kollegen verordnet und in einer sLORETA Analyse dargestellt.
Die Befunde zur individuellen Ängstlichkeit und kognitiven Auslastung bestätigten außerdem die Attentional Control Theorie und das Dual Mechanisms of Control Modell.
Ausgangspunkt für diese Arbeit war die Diskrepanz zwischen der vielfach belegten Schwierigkeit schizophrener Patienten bei der Dekodierung emotionaler Gesichtsausdrücke und dem mangelhaften Wissen über die hierfür verantwortlichen Prozesse. In der Literatur der letzten Jahre gab es einige viel versprechende Ergebnisse, die nahe legten, dass mit dem Elektroenzephalogramm (EEG) sowohl die Verarbeitung von Gesichtern, als auch der Mimik messbar ist. Somit wäre das EEG eine geeignete Methode den Prozess der Emotionsdekodierung bei schizophrenen Patienten zu untersuchen. Diese Arbeit untersucht folgende zwei Hauptfragestellungen. Erstens, wie lassen sich die für die Verarbeitung von Gesichtern und das Erkennen von emotionalen Gesichtsausdrücken verantwortlichen kognitiven Prozesse mit Hilfe ereigniskorrelierter Potentiale des EEGs reliabel messen? Zweitens, sind diese Prozesse bei schizophrenen Patienten im Vergleich zu gesunden Probanden beeinträchtigt? Zur Klärung der ersten Fragestellung wurden drei Stichproben gesunder Personen untersucht. Es zeigte sich in allen drei Untersuchungen, dass sich die Verarbeitung von Gesichtern im Vergleich zu Kontrollreizen in einer negativen Komponente um 170 ms über temporalen Elektrodenpositionen widerspiegelt (Gesichterpeak, N170). Die N170 konnte mit dem Quellenlokalisationsprogramm LORETA unter anderem im Gyrus Fusiformis, der entsprechenden Hirnregion für die Gesichtsverarbeitung, lokalisiert werden. Für die Dekodierung emotionaler Gesichtsausdrücke konnten keine wiederholbaren Effekte nachgewiesen werden. Im Weiteren wurde die Gesichtsverarbeitung bei schizophrenen Patienten untersucht. 22 als schizophren diagnostizierte Patienten wurden mit einer nach dem Alter, dem Geschlecht und dem Bildungsstatus angepassten Kontrollgruppe verglichen. In dieser Auswertung deutete sich bei schizophrenen Patienten ein Defizit in den frühen Verarbeitungsschritten von Gesichtern an. Dieses Ergebnis wurde in dieser Art noch nicht gezeigt und reiht sich ein in Studien, die sowohl strukturelle Veränderungen in den für die Gesichtsverarbeitung wesentlichen Hirnregionen bei schizophrenen Patienten zeigen konnten als auch ein allgemeines Defizit früher visueller Verarbeitung nahe legen.
Mit der EEG-Umlage wurden bis zum Jahr 2023 die Förderkosten für den Ökostromausbau auf die Stromverbraucher umgelegt. Ursprünglich knüpfte die Umlagepflicht an eine Stromlieferung an, weshalb der eigenerzeugte Strom nicht erfasst war. Das sog. Eigenstromprivileg wurde mit dem EEG 2014 grundsätzlich abgeschafft. Allerdings führten diverse Ausnahmetatbestände dazu, dass ein Großteil der Eigenverbrauchsmengen weiterhin privilegiert waren.
Die Arbeit untersucht, in welchem Maße dieser Flickenteppich an unterschiedlichen Regelungen auf die verfassungs- und europarechtlichen Rahmenbedingungen zurückzuführen ist. Neben einer systematischen Erfassung des einfachgesetzlichen Rechtsrahmens erfolgt eine Analyse, inwiefern das Verfassungs- und Europarecht den gesetzlichen Gestaltungsspielraum für staatlich veranlasste, jedoch privatrechtlich ausgestaltete Umlagesysteme einschränkt.
Der Catechol-O-Methyltransferase (COMT) Val158Met Polymorphismus (rs4680) ist am Abbau von Dopamin und Noradrenalin im menschlichen Gehirn beteiligt. In bisherigen Studien konnte gezeigt werden, dass das Met-Allel mit einer erhöhten Reaktivität auf negative Stimuli assoziiert ist. Auf Basis der Tonischen/ Phasischen Dopaminhypothese wird postuliert, dass diese erhöhte Reaktivität auf negative Reize durch defizitäre Disengagementprozesse verursacht sein könnte. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, diese theoretische Annahme mithilfe von Blickbewegungsmessungen zu überprüfen und zu untersuchen, ob die erhöhte Reaktivität sich auch in verlängerten Disengagementlatenzen von negativen Reizen widerspiegelt. Es wurden dafür drei Studien durchgeführt, in denen eine adaptierte Version der emotionalen Antisakkadenaufgabe in Verbindung mit einer Blickbewegungsmessung eingesetzt wurde. In der zweiten Studie wurde zusätzlich eine EEG-Messung durchgeführt. Außerdem wurde in der dritten Studie die Aufmerksamkeitslokation manipuliert. In der ersten und zweiten Studie zeigte sich nicht wie erwartet ein linearer Effekt in Relation zum COMT Val158Met Polymorphismus, sondern ein Heterosiseffekt. Dieser Effekt zeigte sich nur in der einfacheren Prosakkadenbedingung. In der ersten Studie wurde der Heterosiseffekt bei negativen Reizen gefunden, wohingegen in der zweiten Studie der Heterosiseffekt nur in einer EEG- Komponente, der Early Posterior Negativity (EPN), aber sowohl bei positiven als auch negativen Reizen gefunden wurde. In der dritten Studie zeigte sich kein Genotypeffekt. Es wird vermutet, dass der COMT Effekt in der emotionalen Verarbeitung aufgabenspezifisch sein könnte und daher, neben linearen Zusammenhängen, unter bestimmten Umständen auch ein Heterosiseffekt auftreten kann. Die Ergebnisse sollten nicht auf eine männliche Stichprobe generalisiert werden, da in allen Studien lediglich weibliche Versuchspersonen teilnahmen.
Background:
In major depressive disorder (MDD), electrophysiological and imaging studies suggest reduced neural activity in the parietal and dorsolateral prefrontal cortex regions. In the present study, neural correlates of emotional processing in MDD were analyzed for the first time in a pre-/post-treatment design by means of magnetoencephalography (MEG), allowing for detecting temporal dynamics of brain activation.
Methods:
Twenty-five medication-free Caucasian in-patients with MDD and 25 matched controls underwent a baseline MEG session with passive viewing of pleasant, unpleasant, and neutral pictures. Fifteen patients were followed-up with a second MEG session after 4 weeks of antidepressant monopharmacotherapy with mirtazapine. The corresponding controls received no intervention between the measurements. The clinical course of depression was assessed using the Hamilton Depression scale.
Results:
Prior to treatment, an overall neocortical hypoactivation during emotional processing, particularly at the parietal regions and areas at the right temporoparietal junction, as well as abnormal valence-specific reactions at the right parietal and bilateral dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) regions were observed in patients compared to controls. These effects occurred <150ms, suggesting dysfunctional processing of emotional stimuli at a preconscious level. Successful antidepressant treatment resulted in a normalization of the hypoactivation at the right parietal and right temporoparietal regions. Accordingly, both dlPFC regions revealed an increase of activity after therapy.
Conclusions:
The present study provides neurophysiological evidence for dysfunctional emotional processing in a fronto-parieto-temporal network, possibly contributing to the pathogenesis of MDD. These activation patterns might have the potential to serve as biomarkers of treatment success.
Background:
In major depressive disorder (MDD), electrophysiological and imaging studies suggest reduced neural activity in the parietal and dorsolateral prefrontal cortex regions. In the present study, neural correlates of emotional processing in MDD were analyzed for the first time in a pre-/post-treatment design by means of magnetoencephalography (MEG), allowing for detecting temporal dynamics of brain activation.
Methods:
Twenty-five medication-free Caucasian in-patients with MDD and 25 matched controls underwent a baseline MEG session with passive viewing of pleasant, unpleasant, and neutral pictures. Fifteen patients were followed-up with a second MEG session after 4 weeks of antidepressant monopharmacotherapy with mirtazapine. The corresponding controls received no intervention between the measurements. The clinical course of depression was assessed using the Hamilton Depression scale.
Results:
Prior to treatment, an overall neocortical hypoactivation during emotional processing, particularly at the parietal regions and areas at the right temporoparietal junction, as well as abnormal valence-specific reactions at the right parietal and bilateral dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) regions were observed in patients compared to controls. These effects occurred <150ms, suggesting dysfunctional processing of emotional stimuli at a preconscious level. Successful antidepressant treatment resulted in a normalization of the hypoactivation at the right parietal and right temporoparietal regions. Accordingly, both dlPFC regions revealed an increase of activity after therapy.
Conclusions:
The present study provides neurophysiological evidence for dysfunctional emotional processing in a fronto-parieto-temporal network, possibly contributing to the pathogenesis of MDD. These activation patterns might have the potential to serve as biomarkers of treatment success.
Wesentlicher Inhalt der vorliegenden Dissertation war die EEG-Ableitung und EKP-Messung zur Untersuchung des sensorischen Gatings anhand des P50-Paarstimulus-Paradigmas bei einer Gruppe von ADHS-Patienten (n=23) sowie einer vergleichbaren Gruppe gesunder Erwachsener (n=25). Die Ableitung des EEGs erfolgte nach dem allgemein anerkannten internationalen 10/20-System, die Auswertung mit der Software Brain-Vision-Analyzer®. Bislang beschränkten sich viele Studien zur ADHS allein auf Untersuchungen im Kindesalter, da es sich bei der Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS) um eine der häufigsten psychiatrischen Störungen des Kindes- und Jugendalters überhaupt handelt. Da diese bei Betroffenen meist aber bis in das Erwachsenenalter fortbesteht, lag der Schwerpunkt dieser Arbeit speziell auf der Untersuchung erwachsener ADHS-Patienten. In der ADHS-Gruppe konnte ein beeinträchtigtes Sensorisches Gating mit höheren Gatingquotienten im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe gezeigt werden. Des Weiteren galt es, mögliche Einflüsse des COMT-Val/Met-Polymorphismus auf die P50 herauszuarbeiten. Hypothetisch sollten Probanden mit dem katalytisch aktiveren Val/Val-Allel und dem dadurch resultierenden relativen Dopaminmangel ein schlechteres Sensorisches Gating aufweisen, als Probanden mit den Allelausprägungen Val/Met oder Met/Met. In der Patientengruppe fanden sich diesbezüglich keine signifikanten Unterscheidungen. Hingegen wiesen Träger des Val-Allels in der gesunden Normgruppe eine Beeinträchtigung des Gatings mit dem Nachweis der größten Gatingquotienten auf. Weitere signifikante Unterschiede zwischen den Allelen Val/Met und Met/Met wurden nicht gezeigt. Auch die bildschematische Darstellung der EEG-Datensätze mittels LORETA kam zu dem Ergebnis einer verstärkten frontalen Hirnaktivierung zum Zeitpunkt des Teststimulus (tS) im superioren frontalen Cortex in der gesunden Kontrollgruppe und gilt als Ausdruck normal funktionierender (inhibitorischer) Gating-Regelkreise. Diese verstärkte Aktivierung des frontalen Cortex fand sich bei ADHS-Patienten nicht und stützt somit die Hypothese eines Gating-Defizits bei ADHS-Patienten bedingt durch ein präfrontales Defizit.
Ein positiver Einfluss von Nikotin auf die P50 konnte nicht gezeigt werden, wobei aufgrund der kleinen Studiengröße keine abschließende Beurteilung möglich scheint.
Ob die Messung der P50 nach Beobachtung eines einschränkten Gatings bei ADHS-Patienten künftig als Endophänotyp der adulten ADHS-Erkrankung herangezogen werden kann, bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten. Basierend auf den vorliegenden Ergebnissen scheinen weitere Studien an größeren Kollektiven sinnvoll. Neben dem COMT-Polymorphismus ist ggf. die Untersuchung von Polymorphismen weiterer Dopamin relevanter Enzyme und deren Einfluss auf das sensorische Gating zu diskutieren.
Bei einer Gruppe von 9 gesunden Probanden wurde während einer EEG-Ableitung mit 64 Kanälen der Span-of-Apprehension-Test durchgeführt. Auf der Verhaltensebene zeigte sich mit Zunahme des Schweregrades des SAT, d.h. mit Zunahme der Distrakto-renanzahl, eine Verlängerung der Reaktionszeiten sowie eine Zunahme der Fehlerrate. Weder auf der Verhaltensebene noch bei den evozierten Potentialen fand sich ein Un-terschied zwischen Zielbuchstaben F oder T. Eine erhöhte Anforderung an die Probanden während des SAT spiegelt sich in den evo-zierten Potentialen wie folgt wieder: Die frühen Potentiale (p150) zeigen erhöhte Amp-lituden sowie erniedrigte Latenzen, d.h. die Aktivität tritt früher und stärker auf. Dies kann mit der für die schwierigere Aufgabe notwendigerweise verstärkten Aufmerksam-keitsleistung erklärt werden. Dagegen treten die später evozierten Potentiale (p300) bei erhöhter Anforderung mit verlängerter Latenz und niedrigerer Amplitude auf. Zudem bewegen sich die Feldschwerpunkte auseinander. Dies kann zwar auf eine diffusere und oberflächlichere Aktivierung von Neuronenverbänden aufgrund der komplexeren Auf-gabenstellung hinweisen. Da jedoch auch die Fehlerrate anstieg, ist als plausible Erklä-rung anzunehmen, dass die synchrone Neuronenaktivität, die zur Aufgabenbewältigung nötig ist, bei Überschreiten der Leistungsgrenze Unregelmäßigkeiten im Sinne fehler-hafter Prozesse aufweist, die sich im Mittelwert der hirnelektrischen Potentiale als Amplitudenreduktion, auf Verhaltensebene durch falsche Antworten abbilden. Die Daten der Verhaltensebene stimmen mit den Erkenntnissen diverser neuropsycho-logischer Untersuchungen überein. Die Ergebnisse aus den kognitiv-evozierten Potenti-alen passen gut zu den aus der Literatur bekannten modulierenden Variablen Komplexi-tät und Aufmerksamkeit. In dieser Studie konnte nun erstmals mit einer hochauflösenden EEG-Untersuchung systematisch der modulierende Einfluss des Schwierigkeitsgrades des SAT auf die Komponenten der evozierten Potentiale nachgewiesen werden, d.h. inwieweit Kompo-nenten der evozierten Potentiale graduell je nach Schweregrad der Aufgabe verändert werden. Gerade in der Forschung mit schizophren erkrankten Patienten wurde der SAT als Verhaltensmaß eingesetzt. Diese Patientengruppe zeichnet sich durch Defizite im Bereich der Aufmerksamkeitsleistung und folglich Defizite in der Bearbeitung komple-xerer Aufgaben aus. Aus der Kombination beider Methoden lassen sich in Zukunft bei dem auch für diese Patientengruppe leicht durchzuführenden Test Aussagen über die Veränderung der hirnelektrischen Aktivität gegenüber gesunden Probanden erwarten. Als wesentliche Schlussfolgerung für die Aktivierung von messbaren hirnphysiologi-schen Prozessen durch kognitive Aufgaben kann festgestellt werden, dass eine Steige-rung des Schwierigkeitsgrades über die optimale individuelle Leistung hinaus zur Kon-tamination der Messungen mit fehlerhaften Prozessen zu führen scheint und somit zu schwer oder nicht interpretierbaren Ergebnissen führt. Dies erfordert ein grundsätzli-ches Umdenken bei der Anwendung und Entwicklung von neurophysiologischen Tests in der modernen funktionellen Hirnforschung, da diese Tests traditionell v. a. durch Variablen auf Verhaltensebene beurteilt werden (nämlich Fehlerraten), die erst dann aussagekräftig werden, wenn das System hirnphysiologisch gesehen bereits übersteuert ist.
The main prediction of the Uncanny Valley Hypothesis (UVH) is that observation of humanlike characters that are difficult to distinguish from the human counterpart will evoke a state of negative affect. Well-established electrophysiological [late positive potential (LPP) and facial electromyography (EMG)] and self-report [Self-Assessment Manikin (SAM)] indices of valence and arousal, i.e., the primary orthogonal dimensions of affective experience, were used to test this prediction by examining affective experience in response to categorically ambiguous compared with unambiguous avatar and human faces (N = 30). LPP and EMG provided direct psychophysiological indices of affective state during passive observation and the SAM provided self-reported indices of affective state during explicit cognitive evaluation of static facial stimuli. The faces were drawn from well-controlled morph continua representing the UVH' dimension of human likeness (DHL). The results provide no support for the notion that category ambiguity along the DHL is specifically associated with enhanced experience of negative affect. On the contrary, the LPP and SAM-based measures of arousal and valence indicated a general increase in negative affective state (i.e., enhanced arousal and negative valence) with greater morph distance from the human end of the DHL. A second sample (N = 30) produced the same finding, using an ad hoc self-rating scale of feelings of familiarity, i.e., an oft-used measure of affective experience along the UVH' familiarity dimension. In conclusion, this multi-method approach using well-validated psychophysiological and self-rating indices of arousal and valence rejects for passive observation and for explicit affective evaluation of static faces the main prediction of the UVH.
Obsessive compulsive disorder (OCD) and attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) are two of the most common neuropsychiatric diseases in paediatric populations. The high comorbidity of ADHD and OCD with each other, especially of ADHD in paediatric OCD, is well described. OCD and ADHD often follow a chronic course with persistent rates of at least 40–50 %. Family studies showed high heritability in ADHD and OCD, and some genetic findings showed similar variants for both disorders of the same pathogenetic mechanisms, whereas other genetic findings may differentiate between ADHD and OCD. Neuropsychological and neuroimaging studies suggest that partly similar executive functions are affected in both disorders. The deficits in the corresponding brain networks may be responsible for the perseverative, compulsive symptoms in OCD but also for the disinhibited and impulsive symptoms characterizing ADHD. This article reviews the current literature of neuroimaging, neurochemical circuitry, neuropsychological and genetic findings considering similarities as well as differences between OCD and ADHD.