INSTITUTE OF PSYCHOLOGY

We provide a platform for the structured interdisciplinary scientific training of our doctoral as well as postdoctoral researchers within the proposed CRC to meet both individual career needs but also the transfer of knowledge form basic science into application, and the involvement of the public in research questions.

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The external environment is rich with multiple sources of sensory stimulation, and our ability to adapt
to our surroundings requires the efficient use of neural resources to process this dynamic input. Attendingto particular moments in time is a key cognitive capacity instrumental in all animals’ survival.
This requires associations between sensory systems and top-down executive control. How our senses
give us information about the environment changes as we age, often becoming compromised, and
resulting in drastic lifestyle changes, including problems with communicating and learning; ultimately
leading to isolation and further cognitive decline. While previous designs to prolong cognitive functioningacross the lifespan often rely on unisensory training programs, in the ‘real’ world, events often stimulate more than one sensory modality simultaneously and, therefore, may enhance the efficacy ofresource utilisation. The hidden potential underlying multisensory information processing within theseneurocognitive circuits during temporal attention, as well as the changes in these capacities acrossageing, remain unclear. Our project focuses on a key component that is instrumental in cognitive performanceand memory formation, the utilisation of temporal information in multisensory contexts; further, we will determine the potential to enhance these cognitive processes through interventionssuch as external feedback and multisensory training. We evaluate the potential for elevating cognitiveefficiency by manipulating expectations about the timing of sensorially cued events (WP1), testing thetransfer of information across modalities (WP2), and combining sensory categories (WP3) to ultimatelystabilise memory engrams. Across all three aims, we will relate behavioural readouts directly with neuronalactivity on the meso-scale and macro-scale level using functional magnetic resonance imaging(fMRI) in both humans and mice as well as micro-scale single-cell resolution two-photon (2P) Ca2+imaging and immediate early gene (IEG) expression in mice.

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Allocation of attention enables us to focus on the task at hand. However, in a constantly changing environment it is also necessary to explore the environment for the adaptive reallocation of resources. The anterior prefrontal cortex (aPFC) is regarded as a decisive part of a neurocognitive circuit for the neuronal realization of exploratory resource allocation in human and non-human primates. However, rodents (with their less differentiated frontal cortex) also show exploratory resource allocation. We plan to investigate the neural processes of exploratory attentional resource shifts on the macro-scale and meso-scale across humans and Mongolian gerbils. We utilize a novel, complementary foraging paradigm in both species based on exploitation / exploration trade-offs and record brain activity from the aPFC with respect to its local micro- and widespread macro-circuitry. Moreover, there is emerging evidence that exploratory attention is diminished in old age revealed by-sometimes perseverative- exploitative behaviour. Exploratory resource allocation is also likely to be a prerequisite for successful transfer of learning. This will be investigated in collaboration with other subprojects of the CRC.

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Our Research Training Group 2413 is an innovate research program funded by the DFG. We - 13 PhD students and their PIs - are dealing with the idea that cognitive decline in normal aging results from synaptic dysbalances. Hence, we are highly motivated to shed more light on altered synaptic proteostasis, dysfunctions of the immune system, altered functionality of the multipart synapse and changes in neuromodulation.

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THE ROLE OF THE MEDIAL FRONTAL CORTEX IN COGNITIVE CONTROL AND DECISION-MAKING: ANATOMY, CONNECTIONS, REPRESENTATIONS, CAUSALITY

Using cognitive control, people flexibly adapt their behaviour to achieve their goals of action in a changing world. Despite intensive research, there is still no overarching understanding of the mechanisms of cognitive control and its underlying main structure, the posterior medial frontal cortex (pMFC). This is due to the insufficient consideration of the neuroanatomy of the pMFC, its subregions and individual variability, the low sensitivity of group studies, the scarcity of causal evidence in humans, and the use of diverse research methods and paradigms in heterogeneous studies, which makes it difficult to differentiate general principles of cognitive control from study-specific idiosyncrasies. The project aims to solve these problems with two completely new approaches:

A) So-called dense sampling, the comprehensive collection of behavioural, imaging, EEG, eye movement and peripheral physiological data in multiple studies of the same subject as they perform cognitive control demanding tasks, allows variables of cognitive control to be quantified directly or via computer modelling. Multivariate analysis procedures are used to identify general as well as task- and modality-specific representations of these variables and to create a functional mapping of the subregions of the pMFC. The basic idea is that general principles of cognitive control over tasks and context should generalise and always be represented in a similar way.

B) The new non-invasive brain stimulation with transcranial focused ultrasound (tFUS) allows influencing neuronal activity with unprecedented spatial resolution. In combination with EEG and imaging, tFUS will reveal the necessity of sub-areas of the pMFC and some sub-cortical network partners for cognitive control.
In the medium term, this project will open new avenues for studying individual differences and pathological changes in cognitive control.

This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No 101018805).

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Many disorders as well as ageing cause a decline in cognitive functions, yet experimentally inducible
changes in neural resources are required to understand how these declines arise and how they are
counteracted by mechanisms mobilising remaining resources. Lack of sleep destabilises and impairs
cognitive performance and renders mistakes more likely, presumably by functionally depleting neural
resources. In this project we aim to establish and characterise sleep deprivation (SD) as a model to
test and simulate the effects of declining cognitive functions as a result of reduced availability of neural resources (a "functional loss of resources”) in humans. On the other hand, cognitive control may adaptively mobilise resources according to needs and availability. To probe neural resources and mechanisms maintaining cognitive functions in spite of SD effects, cognitive control is investigated using a task allowing us to disentangle contributions of the posterior medial frontal, lateral frontal, and occipital cortices which together form a neural network that facilitates behavioural adaptations. Employing model-based and multivariate pattern analyses (MVPA) to neuroimaging data in rested wakefulness (RW) and after SD, the contributions of individual regions and the network itself will be investigated. Structural predictors of resource vs. vulnerability to SD, such as intracortical myelination, will be explored using microstructural MRI. Orexin (OX) is a neuropeptide that, in interaction with the noradrenergic (NA) system, stabilises and adjusts arousal and may have the potential to revert SD effects. Therefore, its role of in stabilising and restoring neural resources will be studied in pharmacological challenge studies.

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Autosuggestion is one form of self-suggestion and follows the idea that the constant, inner repetition of a thought can be converted into corresponding ideomotor, ideosensory, and ideoaffective states. This concept is certainly captivating, and nowadays used in many life and job coaching concepts. However, empirical evidence on how far and to what extent autosuggestion can indeed alter one’s own neurophysiological bodily states is so far scarce. Here, we use a combination of state-of-the-art neuroimaging technology (7 Tesla functional magnetic resonance imaging, fMRI) together with psychophysical modelling techniques and electrophysiological recordings (EEG), to answer the question of how the inner repetition of an idea influences tactile sensations at the body on a phenomenological, behavioural, and neurophysiological level.

Project funded by the Bial Foundation Research Grants 2019.

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In der Klinik erhobene Daten sind oft weniger aussagekräftig als Ärzte es sich wu¨nschen. Dies liegt nicht nur an der limitierten Anzahl von Tests, sondern auch an subjektiven Einflussfaktoren, wie der Arzt-Patienten-Beziehung oder der Erfahrung des Arztes. Quantitative Daten u¨ber das Verhalten des Patienten in der Häuslichkeit sind oft nicht verfu¨gbar, was ein Problem darstellt, insbesondere fu¨r die Diagnose motorischer Störungen. In diesem Projekt planen wir, neueste Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung u¨ber das "real life tracking” von Handfunktionen zu verwenden um ein neues Medizinprodukt zu entwickeln, den "Diagnostic Glove”. Dieser soll Ärzten helfen, Pathologien der oberen Extremitäten einfacher zu diagnostizieren, im Verlauf zu bewerten und zur Klassifizierung motorischer Erkrankungen heranzuziehen. Fu¨r die Initialisierung des Projektes bearbeiten wir ein häufiges, aber im klinischen Alltag schwierig zu lösendes Problem: die Unterscheidung zwischen Amyotropher Lateralsklerose (ALS), Einschlusskörpermyositis (IBM) und monomelischer Amyotrophie (MMA). Alle drei Erkrankungen zeichnen sich durch eine Beteiligung der oberen Extremitäten aus, die allerdings in fru¨hen Erkrankungsstadien schwer zu unterscheiden sein kann. Das hier vorgeschlagene Projekt setzt sich zum Ziel (i) zu zeigen, dass der Diagnostic Glove verwendet werden kann, um klinisch-relevante Veränderungen der Handmotorik zu klassifizieren, (ii) Algorithmen zu entwickeln, die reliabel zwischen ALS, IBM und MMA unterscheiden können und (iii) ein Patent fu¨r die Software, als ersten Schritt fu¨r die Kommerzialisierung des Produktes, zu erhalten. Dieses Projekt folgt einem Trend in der Medizin, in dem neue Produkte entwickeln werden, die es erlauben, Patientenverhalten im realen Leben zu erfassen. Diese "Medizin zum Mitnehmen” verspricht neue, automatisierte Therapieverfahren, die auf Big Data und Analysealgorithmen basieren um die medizinische Diagnose evidenzbasierter und quantitativer zu gestalten.

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Vision loss affects the ease with which we can explore the environment with eye movements. For instance, patients suffering from a central scotoma place saccade targets into the scotoma region until they have learned to use an extrafoveal retinal location as a saccadic reference point. This often takes months during which the patients suffer from inefficient exploration patterns with few saccades and abnormally wide attentional foci.

Other patients use retinal implants that provide them with residual vision in a small part of their visual field. Depending on the system used, the implants enable eye movements or only head movements to explore the environment. The impact of this limitation on visual search of the environment has only scarcely been investigated.

In the present project, we aim to investigate the impact of partial vision loss on visual search with eye-tracking and functional magnetic resonance imaging. Eye-tracking is used to simulate vision loss with gaze-contingent simulation of vision loss, e.g. with simulated scotomata. In combination with fMRI, we aim to investigate changes in visual search processes on the one hand and changes in the neural representation of the environment on the other hand.

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To respond to a touch, it is often necessary to localize it in space, and not just on the skin. The computation of this external spatial location involves the integration of somatosensation with visual and proprioceptive information about current body posture. Failures in the encoding of this external mapping would prevent us from retrieving the correct location of tactile events, impairing normal interactions with the environment. It would be like feeling the tickle of an insect on the skin, without knowing where to reach out to swat it away. The aim of the current project is to elucidate the mechanisms whereby self-generated movements and preceding tactile information is used by the remapping system to improve tactile localization.

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In meiner Promotion beschäftige ich mich mit genetischen und pharmakologisch induzierten Veränderungen im menschlichen Handlungsüberwachungssystem auf Verhaltensebene und deren elektrophysiologischer Korrelate im EEG.

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This project investigates the perception and neural representation of primary rewards, i.e. tastes, of their visual correspondences (secondary rewards) and of their (mis)matched combination in the human brain. Aims of this project are: (1) to identify the motivational, hedonic and category-specific representations (sweet, sour etc.) of primary rewards, (2) to identify the influence of secondary reinforcers on these representations and (3) to identify the effects of overlearned and novel visuo-gustatory correspondences on these and their functional interplay by means of univariate fMRI-approaches, plus functional connectivity, classification analysis and functional hyperalignment.

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Implementation von Datenaufbereitungs- und sicherungskonzepten auf einem Niveau, das den Anforderungen von geldgebenden Institutionen (ERC, DFG) und wissenschaftlicher Zeitschriften entspricht. Dokumentation der in Magdeburg vorhandenen Analysetools. Implementation von Nutzerschnittstellen, die diese und externe Technologien mit deutlich reduzierten technischen Anforderung den Magdeburger Wissenschaftlern zu Verfügung stellen. Ziel ist dabei eine erhöhte Effizienz der technischen Aspekte von Forschungsprojekten und eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit von Analysen. Unter anderem wird dabei eine allgemeine Datenstruktur für Magnetresonanztomographie-Studien etabliert, die zukünftige Analysepfade gruppenübergreifend zugänglich machen.

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This is a long-running project that aims to built a unique resource for studying the brain's natural behavior. It combines brain imaging with other data acquisition techniques to capture a versatile recording of the human response to a prolonged complex natural stimulus, the motion picture "Forrest Gump".

We invite anyone and everyone to participate in this decentralized effort to explore the opportunities of open science in neuroimaging. One of our goals is to document how much (scientific) value can be generated - from the publication of scientific findings derived from this dataset, algorithms and methods evaluated on this dataset, and/or extensions of this dataset by the acquisition and incorporation of new data.

Since 2014, a number of datasets have been publicly released for unrestricted use, covering functional and structural brain imaging, eye tracking, physiological recordings, and numerous annotations of the structure of the movie stimulus. For up-to-date information on available data, funding, and our many collaborators, please see the project homepage.

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Ziel dieses Projektes ist es, die technischen Schwierigkeiten bei der Verbreitung und Nachnutzung von wissenschaftlichen Originaldaten auszuräumen, um so die Zusammenarbeit unabhängiger Arbeitsgruppen im schrittweisen Forschungsprozess zu verbessern. Dazu wird das erfolgreiche Modell einer Software-Distribution zur Anwendung beim "data-sharing" adaptiert. Analog zum Software-Pendant werden alle Komponenten einer "Daten Distribution" entwickelt: Datenpaket-Manager, Paket-Archiv, Schnittstellen für automatisierte und interaktive Nutzung. Die Arbeiten basieren auf zwei Grundprinzipien: 1) Nutzung existierender, unabhängiger Daten-Hosting Dienstleister als Fundament für eine dezentrale data-sharing Plattform. 2) Nutzung einer bereits etablierten Software für Datenverwaltungs- und -transport-Logistik: git-annex, welche wiederum auf dem weit verbreiteten GitVersionskontroll-System aufbaut. Das fertige System "DataGit" wird es erlauben, mit einer einzigen Schnittstelle auf eine große Bandbreite von Daten zugreifen zu können - von einer einzelnen Datei auf dem Webserver einer Arbeitsgruppe bis hin zu großen Datensammlungen auf Portalen wie openfmri.org. DataGit ist kompatibel mit allen Betriebssystemen und präsentiert Nutzern den Datenzugriff nach vertrauten Konzepten wie Dateien und Verzeichnissen, während Nutzerautorisierung und Datentransport transparent abgewickelt werden.

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In this effort we seek to identify the nature of attentional preferences of cognitive behavior, in terms of function (how it affects our behavior), physiology (how it is implemented in the brain), and time (how it is affected by learning/selection history). Specifically, what preferences can it hold, how do these change as a function of experience, and what are the neural codes underlying these representations?

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Heute ist es durch multivariate Analyseverfahren möglich, Informationen aus Hirnaktivierungsmustern zu dekodieren. Dennoch weiß man noch wenig darüber, inwieweit sich neuronale Kodes zwischen Individuen unterscheiden. Nachteil der bisherigen Methoden ist dabei, dass Dekodier-Modelle für jedes individuelle Gehirn separat erstellt werden müssen, da insbesondere die funktionelle Feinstruktur von zwei Gehirnen nur unzureichend in Kongruenz gebracht werden kann. In diesem Projekt werden Methoden entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, Gemeinsamkeiten in der neuronalen Informationsrepräsentation zu entdecken und zu beschreiben, in dem individuelle Hirnaktivitätsmuster in einen gemeinsamen hoch-dimensionalen Raum projiziert werden, um dort Modelle der Repräsentationsräume verschiedener Hirnareale zu erstellen, die für eine große Bandbreite von Umweltreizen und Individuen gültig sind. Dies beinhaltet auch komplexe kortikale Netzwerke die nicht konsistent auf externe Stimulation reagieren (z.B. für soziale Kognition).
Es werden die Algorithmen "Hyperalignment" und "Hyperalignment für funktionelle Konnektivität" entwickelt, die jeweils für die Anwendung auf funktionelle Hirnaktivierungsprofile, beziehungsweise Konnektivitätsmuster zwischen Hirnarealen optimiert sind. Zur Validerung werden Daten mit funktioneller Magnetresonanztomographie bei komplexer visueller und auditorischer Stimulation erhoben, um die zugrundeliegenden Repräsentationsräume zu analysieren.

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Im Jahr 2013 wurde in Zusammenarbeit mehrerer CBBS Arbeitsgruppen ein umfangreicher Datensatz zur Untersuchung der auditorischen Wahrnehmung aufgenommen. Dieser Datensatz ist in der Kombination von Umfang und Paradigma weltweit einzigartig. Versuchspersonen hörten eine Hörfilmfassung des Films "Forrest Gump” während ihre Hirnaktivität und eine Reihe physiologischer Kennwerten für die gesamte Dauer von zwei Stunden kontinuierlich erfasst wurden - in einem der stärksten Magnetresonanztomographen. Diese funktionellen Messungen wurden weiterhin um zahlreiche Aufnahmen der Hirnstruktur ergänzt.

Dieser Datensatz ist 2014 vollständig für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht worden und in der neuen Open-Access Zeitschrift der Nature Publishing Group "Scientific Data” veröffentlicht. Direkt mit der Veröffentlichung wurde der Wettbewerb "real-life cognition challenge” ausgeschrieben, der die beste Verwendung dieses Datensatzes durch eine unabhängige Arbeitsgruppe prämieren sollte und Magdeburg damit in den Fokus der Öffentlichkeit hinsichtlich einer, in allen Wissenschaftsbereichen, immer stärker werdenden open-access und open-data Bewegung rückt.

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The present project is set out to investigate the role of the frontopolar cortex in tracking visual stimulus characteristics. Previous studies have shown that the frontopolar cortex is involved in flexible attention shift between different stimulus dimensions (see Pollmann, 2015, Trends in Cognitive Sciences, for discussion). The present project investigates to what extend (1) low-level stimulus characteristics that are necessary for the flexible shift of attention are represented in the frontopolar cortex and (2) frontopolar regions actively track the necessity for attention shifts and change their activation accordingly. These questions are tackled with two paradigm that reguire different levels of attention shift between stimulus diemensions and multivariate analysis of the resulting fMRI and EEG data.

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The goal of the original research project in the first application phase was to search genome-wide for associations between genetic polymorphisms and electrophysiological endo-/phenotypes of human action monitoring. A genetic approach with a broad focus across many hundreds of thousands of SNPs offered the advantage of systematically and comprehensively determining the contribution of different systems/components in action monitoring. The goal of the continuation application was to further validate and characterize the promising initial results regarding a genetic contribution in action monitoring. The sample collected in the first stage of the application was too small to reach definitive conclusions here. Another focus of the continuation application was the comparison of different methodological approaches to relate genetic information to electrophysiological data (classical association approach, parallel ICA, shape invariant modeling).

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Ziel des Projektes ist es, herauszufinden, inwiefern elektrophysiologische Korrelate der Handlungsüberwachung nach einer Hirnschädigung bzw. einer psychischen Erkrankung im Vergleich zu einer Kontrollgruppe verändert erscheinen bzw. welchen prädiktiven Wert diese Veränderungen für die kognitive Wiederherstellung eines Patienten haben.

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Emotionen werden in der Psychologie von den meisten Autoren als diskrete Kategorien betrachtet (im Gegensatz zur Einordnung emotionaler Zustände auf den Dimensionen Valenz und Arousal), die jeweils ein spezielles Muster von Erleben, Ausdruck, physiologischer Reaktivität und neuronaler Aktivität aufweisen. In Anbetracht dieser Annahme ist eines der großen Probleme der heutigen Emotionspsychologie die häufig fehlende Kohärenz der verschiedenen Aspekte von Emotionen, wie Selbstbericht (Erleben), mimischer Ausdruck und psychophysiologischer Reaktivität (z.B. EKG, elektrodermale Aktivität (EDA)). Betrachtet man Emotionsinduktionsversuche, so findet man trotz des Selbstberichts von Emotionen, zur gleichen Zeit meist nur sehr geringe Häufigkeiten von kompletten prototypischen Mimiken einer Emotion und geringe von dazugehörigen einzelnen Bewegungen (sogenannte Action Units).

Es gibt verschiedene mögliche Ursachen für die mangelnde Kohärenz der Emotionselemente. Zum einen könnte es ein Problem des Messinstruments des Selbstberichts sein. Darum soll mittels des Rating Dials versucht werden die Befunde von Mauss et al. (2005) für Trauer zu replizieren, aber auch auf Furcht auszuweiten. Auch die Messung des mimischen Ausdrucks kann natürlich fehlerhaft oder unvollständig sein, sodass relevante Bewegungen nicht erfasst werden, wenn man z.B. nur EMG-Messungen einzelner Muskeln vornimmt. Abhilfe kann hier das FACS liefern, das alle mimischen Bewegungen inklusive Augen- und Kopfbewegungen in Kategorien einteilt.
In der geplanten Pilotstudie soll neben Trauer auch Furcht mittels Filmmaterial induziert werden (ein neutraler Film wird als Kontrollbedingung genutzt). Als abhängige Variable soll der Selbstbericht, die Mimik und die physiologische Reaktion erfasst werden. Es sollen 70 Probanden untersucht werden.
Ziel der Studie ist es für Trauer und Furcht die Kohärenz von Selbstbericht, Mimik und Psychophysiologischer Reaktion (EKG, EDA) zu überprüfen, sowie herauszufinden, ob Furcht möglicherweise durch andere als die bisher angenommenen mimischen Bewegungen ausgedrückt wird. Es sollen zwei Varianten von Kohärenzberechnungen verglichen werden. Zum einen die Kohärenzberechnung auf der Basis der von Ekman angenommenen prototypischen Mimiken (EMFACS). Zum anderen sollen Action Unit-Kombinationen die häufiger während einer der Emotionsinduktionen auftreten als in der neutral-Bedingung als indikativ für die jeweilige Emotion betrachtet werden und zur Kohärenzberechnung herangezogen werden. Eine höhere Kohärenz der einen oder anderen Methode würde für die Zugehörigkeit der jeweiligen AUs zur jeweiligen Emotion sprechen. Sollte mit einer der Methoden die Kohärenz aus der Studie von Mauss et al. (2005) erreicht werden, würde dies auch für die prinzipielle Einheit (Entität) von Emotionen sprechen.

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In diesem Forschungsvorhaben wollen wir den Einfluss von psychologischen Eigenschaften (z.B. Big Five, Motivstärken, Emotionstraits) einer Person auf ihr Informationsverhalten während einer Faktensuche bzw. explorativen Suche untersuchen. Diese Studie ergänzt die bisherigen Arbeiten in B4 um Nutzungsdaten zu interaktiven Dialogen bei konkreten Aufgaben der Informationssuche. Dabei soll das Verhalten des Nutzers basierend auf den o.g. Nutzereigenschaften und dem emotional-motivationalen Zustand des Nutzers in verschiedenen Anreizsituationen (Bezugsnormen) analysiert werden. Die basierend auf den bisherigen Studien erstellten Nutzermodelle in B4 lassen aufgrund der geringen Anzahl an Testpersonen bisher leider keine zuverlässige Nutzermodellierung zu, haben aber sehr wohl belegt (Kotzyba et al., 2015), dass eine Modellierung bei geeigneter Charakterisierung der Nutzer und einer ausreichend großen Nutzerstichprobe möglich ist.

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Das IGF-Szenario ist ein Versuch bzw. Datenaufnahmeszenario im Rahmen des SFB-TRR 62 Companion-Technologie. Dabei interagierten Probanden mit einem technischen System, das Ihnen hilft einen Gangparcours zu durchlaufen. Der Gangparcours soll dazu dienen den Gang zu trainieren. Im Szenario wurden aber mehrere Emotionsinduktionen eingebaut. Sowohl Ärger/Frustration als auch Redeangst sollten hervorgerufen werden.
Mit Hilfe des Facial Action Coding System (Ekman & Friesen, 1978) soll die Mimik kategorisiert werden. Daraus werden dann Emotionen abgeleitet. Die Kategorien von Emotionen dienen dann Kooperationspartnern aus der Elektrotechnik/Informatik um ihre automatischen Erkennungsprogramme zu trainieren.

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The aim of our CBBS neuroscience graduate program (CBBS GP) is to connect students from the Otto von Guericke University (OVGU), the Leibniz Institute for Neurobiology (LIN) and the German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE). The CBBS graduate program is founded by the Center for Behavioral Brain Sciences CBBS, a central scientific institution of the Otto von Guericke University Magdeburg.

Currently, more than 150 PhD students, MD students and postdocs are already registered. Under the umbrella of the Otto von Guericke Graduate Academy (OVG-GA), the CBBS GP offers assistance on arrival in Magdeburg / Germany, helps to overcome bureaucratic hurdles and gives students a guide how to shape their own career. In addition, the CBBS GP organizes German courses in various formats and creates the basis for a scientific exchange thanks to the study groups offered. In addition to the calendar, which now includes all events taking place on the medical campus, the CBBS GP tries to give an overview of the research taking place on that campus with the new ring lecture. The CBBS GP provides information about national and international job offers, including the black board with job advertisements for students, PhDs, MDs and postdocs.

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Die hier beantragte ESF-geförderte internationale OVGU-Graduierten- schule (ESF-GS) Analyse, Bildgebung und Modellierung neuronaler und entzündungsbe- dingter Prozesse (ABINEP) soll die Ausbildung internationaler Promovierender in den be- sonders forschungsstarken Profillinien der Medizinischen Fakultät der Otto-von-Guericke- Universität (OVGU) unterstützen und ausbauen. Die durch diese ESF-GS geförderten OVGU-Profillinien sind die Zentren für Neurowissenschaften (CBBS) und für die Dynami- schen Systeme (CDS, einschließlich Immunologie/Molekulare Medizin der Entzündung). Die ESF-GS umfasst 4 thematische Module mit insgesamt 21 Stipendiaten, die den o.g. Schwerpunkten z.T. parallel zugeordnet sind und die organisatorisch unter dem zentralen Dach der ABINEP ESF-GS zusammengefasst werden sollen. Jedes der 4 thematischen Mo- dule wird mit 5-6 Stipendiaten ausgestattet. Die Module, die Zuordnung der Anzahl der Stipendien und die durch sie unterstützten OVGU-Forschungsstrukturen sind unten aufgeführt. Weiterhin sind die inhaltlich eingebundenen außeruniversitären Partner benannt:

• 1. Neuroinflammation ( 5; CBBS, CDS, OVGU, FME, LIN, DZNE)
• 2. Modellierung neuronaler Netzwerke ( 5; CBBS, OVGU, FME, LIN, DZNE)
• 3. Immunoseneszenz ( 6; CDS, FME, HZI)
• 4. Bildgebung menschlicher Hirnfunktionen ( 5; CBBS, OVGU, FME, LIN, DZNE)

Die CBBS-assoziierten Module weisen eine starke Vernetzung mit den Ingenieur- wissenschaften (v.a. dem Transferschwerpunkt Medizintechnik) auf, die über eine unab- hängig beantragte eigene ESF-GS (MEMoRIAL) gefördert werden sollen. Eine enge Koope- ration zwischen diesen beiden ESF-GS ist geplant, um Synergien sowohl in der Ausbildung der Stipendiaten als auch für innovative neue Forschungsansätze in Zusammenarbeit mit dem Transferschwerpunkt Medizintechnik der OVGU und dem Landesprojekt Autonomie im Alter zu erreichen. Insgesamt fördert die ESF-GS ABINEP die Internationalisierung der anerkannten exzellenten medizinischen Forschung der OVGU.

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Dieses Projekt untersucht die Wahrnehmung und neuronale Repräsentation von Primärverstärkern (Geschmack), deren visuelle Pendants (Sekundärverstärker) und deren (in)kongruente Kombination im menschlichen Gehirn. Ziele sind: (1) Identifikation der motivationalen, hedonischen und katego-riespezifischen (süß, sauer etc.) Repräsentationen von Primärverstärkern, (2) Identifikation des Einflusses von Sekundärverstärken auf diese Repräsentationen und (3) Identifikation der Effekte von neuen und überlernten visuogustatorischen Kombinationen und deren funktionales Zusammenspiel mit univariaten fMRT-Analysen, Konnektivitäts-, Klassifikationsanalysen und Hyperalignment.

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This project investigates the cognitive and neural mechanisms underlying the perception of audiovisual synchrony. Behavioural and psychophysical measures are combined with both high temporal resolution (Magnetoencephalography) and high spatial resolution (functional magnetic resonance) brain imaging techniques. First we attempt to identify the temporal neural dynamics and neuroanatomical substrates of the cognitive processes underlying audiovisual integration. Second, we will investigate the functional properties of these areas, determining those which compute audiovisual synchrony automatically, and those which can be modulated by adaptation. Third, we attempt to determine how the manipulation of simple stimulus parameters (e.g. brightness) modifies the neural processes underlying audiovisual integration. For example, since brightness changes alter the arrival times of visual information in the isocortex, brightness manipulations may reveal how the brain integrates information across the senses despite changing cortical arrival times. Together, the results of this project will significantly broaden our understanding of the cognitive and neural mechanisms of multisensory temporal integration.

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Dieses Projekt wird zusammen mit Dr. Jordi Navarra (P.I.) von dem Hospital Sant Joan de Déu, Barcelona, Spanien, durchgeführt. Es wird  vom Ministerio de Economía y Competitividad gefördert (Fördersumme 87.750 Euro). In diesem Projekt werden die neuronalen Grundlagen von Bewegungen im auditorischen Bereich mit fMRT im Menschen untersucht.

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Dieses europaweite Netzwerk (17 teilnehmende EU-Länder plus Australien, Kanada und Japan) untersucht die philosophischen Konstrukte, linguistische Beschreibungen, psychologische Mechanismen und neuronalen Korrelate von Zeitwahrnehmung

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Investigations of multisensory spatial integration with electroenzephalography (EEG), Magnetenzephalography(MEG) and functional magnetresonaztomography (fMRI) in humans

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This project investigates the cognitive and neural mechanisms underlying the perception of audiovisual synchrony. Behavioural and psychophysical measures are combined with both high temporal resolution (Magnetoencephalography) and high spatial resolution (functional magnetic resonance) brain imaging techniques. First we attempt to identify the temporal neural dynamics and neuroanatomical substrates of the cognitive processes underlying audiovisual integration. Second, we will investigate the functional properties of these areas, determining those which compute audiovisual synchrony automatically, and those which can be modulated by adaptation. Third, we attempt to determine how the manipulation of simple stimulus parameters (e.g. brightness) modifies the neural processes underlying audiovisual integration. For example, since brightness changes alter the arrival times of visual information in the isocortex, brightness manipulations may reveal how the brain integrates information across the senses despite changing cortical arrival times. Together, the results of this project will significantly broaden our understanding of the cognitive and neural mechanisms of multisensory temporal integration.

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When we look at a face, we carry out distinctive eye movements leading to gaze paths that can easily be discriminated from the gaze paths elicited by other objects. It is well-known that frontal and parietal areas support the planning and execution of such eye movements. However, we recently showed that face and house-specific gaze tracks can be decoded in the fusiform face area (FFA) and the parahippocampal place area (PPA) - even in the absence of a face or house to look at. We concluded that action (gaze) patterns are represented in high-level visual cortex, demonstrating a potential neural basis for close interactions of perception and action. While we think we have presented solid evidence for this counterintuitive mapping of complex gaze patterns in high-level perceptual areas, many questions as to their nature and function remain.
In the first experiment of the present proposal, we want to investigate the nature of this novel finding, specifically at what time the critical information is represented in a gaze track and if it is coded in the sequence or rather the location of fixations. In a second experiment, we want to learn if the gaze tracks elicited when identifying a face respectively identifying a facial emotion expression are represented in different perceptual brain areas. Finally, we plan to investigate if microsaccades elicited during face viewing are represented in a similar way as saccades in the FFA.

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Our previous work has shown that the deficits of contextual cueing in search with central vision loss are not due to a failure to learn repeatedly presented configurations, but due to a failure of memory-guided search that goes along with inefficient saccadic exploration of the search displays. In the current project, we want to address this issue with the aim to improve memory-guided search in individuals with central vision loss by improving saccadic exploration.
 
The main problem of eye movement control following central vision loss is that saccades lead to the foveation of peripheral saccade targets. While this is normally adaptive, bringing peripheral points of interest in full view, it is obviously maladaptive after central vision loss, requiring corrective saccades to bring the point of interest into view at a preferred retinal location (PRL) bordering the area of vision loss. What would be more adaptive in this case is to re-reference the saccade target location to an extrafoveal PRL. It is important to note that PRL-use is not the same as saccadic re-referencing to the PRL. In fact, SR has been found to develop only slowly - over months - in clinical populations suffering from foveal vison loss (von Noorden & Mackensen, 1962; White & Bedell, 1990; Whittaker, Cum­mings, & Swieson, 1991). However, recent experiments with central scotoma simulation (Barraza-Bernal et al., 2017; Kwon et al., 2013; Walsh and Liu, 2014; Liu and Kwon, 2016) have demonstrated ways to induce SR over hours rather than months, as reported in the patient studies. While these reports have shown the feasibility of successful SR training with simulated scotomata, they still leave many open questions, as outlined in the work program. Moreover, it took up to 25 hours of training for the fixations with the PRL to become comparably accurate as with the fovea (Kwon et al., 2013), so even a significant reduction of training hours with improved training techniques would be a considerable progress, making future training programs for patients more feasible. Furthermore, the usefulness of SR-training in AMD-patients (instead of study participants with simulated scotomata) still needs to be established.
Because of the slow spontaneous development of saccadic rereferencing and its importance for efficient visual search (including memory-driven search guidance), the main aim of this proposal is the development of an efficient method to train the fast and durable establishment of saccadic re-referencing (SR) to a PRL in the presence of foveal vision loss and to test effects on memory-guided search in the contextual cueing paradigm as well as its transfer to another important task - reading.

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In vorausgegangenen Experimenten haben wir gezeigt, dass Strukturen des dopaminergen Systems über ihre Rolle beim Belohnungslernen hinaus auch in visuelle Lernprozesse involviert sind, die entweder nur auf kognitive Rückmeldungen oder gar in Abwesenheit externer Rückmeldung auf internen Konfidenzurteilen basieren. In der kommenden Antragsperiode möchten wir darauf aufbauen, indem wir das Zusammenspiel von ventralem Striatum und medialem Temporallappen bei komplexen visuellen Lernprozessen untersuchen. Ausgehend von tierexperimentellen Befunden möchten wir mittels funktioneller Bildgebung untersuchen, wie diese Strukturen bei der Repräsentation von Belohnungserwartung und Vorhersagefehler in räumlichen, sowie zeitlichen Kontexten zusammenwirken. Aufbauend auf unseren Vorarbeiten fassen wir diese Begriffe soweit, dass sie auch Reaktionen auf externe Rückmeldungen über die Korrektheit der Aufgabenerwartung einer­seits, sowie die Bestätigung oder Verletzung implizit gelernter Kontingenzen umfassen. Dazu möchten wir eine Serie von Experimenten mittels hochaufgelöster funktioneller Magnetresonanztomographie durchführen und diese mit einer quantitativen Modellierung verknüpfen. In Anlehnung an tierexperimentelle Befunde pla­nen wir zunächst die Untersuchung eines expliziten Kontextkonditionierungsparadigmas, in dem die Reprä­sentation von motivationalem Wert einer Handlungsalternative und Kontext analysiert wird. Aufbauend auf diesen Befunden möchten wir dann zur Untersuchung impliziter Lernprozesse fortschreiten. Hierzu planen wir, einerseits das Kontextuelle Cueing-Paradigma und andererseits das Serielle Reaktionszeit-Paradigma zu nutzen.

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Retinaimplantate bestehen aus elektronischen Chips, die bei erblindeten Patienten in das Auge implantiert werden, um die Funktion der zugrunde gegangenen Rezeptorzellen zu ersetzen und erhaltene Nervenzellen der Netzhaut zu stimulieren. Auf diese Weise kann ein Seheindruck wiederhergestellt werden, der aber so eingeschränkt ist, dass das Erkennen von Objekten oder Szenen nicht ohne weiteres gelingt. Wir möchten nun für diese Patienten ein Trainingsprogramm entwickeln, dass sie in die Lage versetzt, möglichst zügig zu lernen, Objekte anhand ihres reduzierten, durch das Retinaimplantat vermittelten Sehens zu erkennen.
Dazu versuchen wir, die Objektdarstellung für das Sehen mit Retinaimplantaten (RI) auf verschiedene Weisen zu optimieren. Großer Wert wird darauf gelegt, dass die Objekterkennung auf neue, zuvor nicht gelernte Objektansichten generalisiert, um einen Transfer des Lernens auf Alltagssituationen zu gewährleisten. Um unnötige Belastungen für die Patienten zu minimieren, erfolgt die Entwicklung des Traningsprogramms zunächst an sehgesunden Probanden, die Objektbilder zu erkennen versuchen, die mittels reduzierter Auflösung und spezifischen Verzerrungen das Sehen mittels Retinaimplantaten simulieren.
Ziel des Projekts ist es schließlich, ein computergestütztes Trainingsprogramm für RI-Patienten zu entwickeln, das den Patienten im Anschluss an die Implantation hilft, ihr wiedergewonnenes Sehvermögen möglichst optimal im Alltag zu nutzen.

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Retinal implants (RI) are photoelectric devices that enable otherwise blind patients residual vision due to electrical stimulation of the retina. The perception gained by retinal implants ( RI) is limited by the design of the implant on the one hand and by physiological factors on the other hand (for a recent review see Shepherd et al., 2013). Great progress has been made in the development of RI systems and surgical procedures, leading to certified medical products. In contrast, to our knowledge no scientifically validated perceptual learning programs exist that help the RI patients to make optimal use of their implants. The potential usefulness of perceptual learning regimes derives from the severe limitations of visual perception that current RI technology can offer. In this situation, patients may substantially benefit from learning to recognize objects and scenes in the degraded visual signals that RIs deliver.

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Adaptive perception requires the prioritization of relevant over irrelevant information. When we are looking for a specific book of which we only remember the color of its cover, we can limit our search to mainly that color. The mental representation of what we are looking for is called the attentional template (also target template, search template, attentional set; e.g., Folk et al., 1992). An attentional template is a flexible representation reflecting current selection preferences, as derived from continuously changing task demands and prior selection history. Even though attentional templates are essential for shaping and controlling perception and action in everyday life, surprisingly little is known about their nature. For example, when you look for your car keys, do you look for their shape, their color, or both? In case of the latter, are shape and color integrated in a single representation, or are they independently represented? Can you look for your wallet at the same time, without affecting your key-template? Furthermore, it is often assumed that visual attention is guided by visual templates, but it is perfectly possible that non-visual types of representation (e.g., semantic codes) are also involved. Finally, the nature of the template may change fundamentally in the course of learning, as a result of selection history.AimThe aim of our joint research proposal is to answer the fundamental question of what kind of representation the attentional template is, in terms of function (how it affects our behaviour), physiology (how it is implemented in the brain), and time (how it is affected by learning/selection history). How we flexibly set up new attentional preferences remains one of the great mysteries in cognitive neuroscience, and any reference to templates involves some residual appeal to a homunculus. Although we will not be able to completely banish this homunculus in our research, ourultimate aim is to do the next best thing, to seek fundamental new insights into the nature of this homunculus. To this end, in several other projects we have focused on questions like the number of templates that can be maintained simultaneously, the dynamics of controlling the template, and the influence of different memory systems. In this collaboration we focus on the fundamental question of representation: What is the nature of the attentional template? Specifically, what types of preference can it hold, how do these change as a function of experience, and what are the neural codes underlying these representations? A thorough understanding of the representational properties of attentional templates is a major step on the way towards a neuro cognitive model of attention which will eventually replace the homunculus with a scientific theory of goal-directed perception and action.

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Retinal damage affecting the macula leads to loss of high-resolution vision. Patients learn to use peripheral parts of their retina to replace foveal vision. Because of the lesser receptor density in the retinal periphery, this means a loss of spatial resolution. In the present project, we want to explore whether macular damage entails deficits in visual selective attention and visual long-term memory. From investigations in normal-sighted observers we know of a close link between selective attention and exploration of the environment by means of eye movements. When exploration is impaired by loss of foveal fixation, deficits of attentional selection may be a consequence. Since attentional selection of an object is known to be an important precondition for later retrieval from long-term memory, macular damage may also entail deficits in visual long term memory. We intend to investigate these topics in a series of experiments in which we measure guidance of visual search by implicit learning as well as visual object memory. Speed and accuracy of search and memory will be related to eye movement patterns as well as brain activation. Patient data will further be compared to data from normal-sighted individuals, in whom scotomata will be simulated via gaze-contingent displays.

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Multivariate Musteranalysen (MVPA) funktionell-magnetresonanztomographischer Daten haben in letzter Zeit große Verbreitung in den Neurowissenschaften gefunden. Mit MVPA ist die Hoffnung verbunden, räumlich hochaufgelöste Information über Hirnfunktionen zu erhalten. In letzter Zeit wurden jedoch kontroverse Ergebnisse publiziert über den Informationsgehalt von fMRT-Signalen unterschiedlicher Auflösung und deren Beiträge zur Klassifikation von Wahrnehmungsinhalten mittels MVPA. Im vorliegenden Projekt wollen wir systematisch untersuchen, inwieweit die höhere räumliche Auflösung und Sensitivität, die durch hohe Magnetfeldstärke ermöglicht wird, zu einer Verbesserung der Klassifikation von Aktivierungsmustern beitragen. Dazu variieren wir die Feldstärke (3T und 7T), vergleichen verschiedene räumliche Auflösungen miteinander, analysieren den Einfluss der Sensitivität und untersuchen diese Faktoren unter Stimulationsbedingungen, die Unterschiede im neuronalen Erregungsmuster im Submillimeter- bzw. Millimeterbereich hervorrufen. Ziel der Untersuchungen ist die bessere Charakterisierung der Einflussfaktoren auf multivariate Musteranalysen und, damit verbunden, die Optimierung künftiger MVPA-Designs bzgl. Aufnahme und Auswertung.

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In vorausgegangenen Experimenten haben wir gezeigt, dass Strukturen des dopaminergen Systems über Ihre Rolle beim Belohnungslernen hinaus auch in visuelle Lernprozesse involviert sind, die entweder nur auf kognitiven Rückmeldungen oder gar in Abwesenheit externer Rückmeldung auf internen Konfidenzurteilen basieren. In der kommenden Antragsperiode möchten wir darauf aufbauen, indem wir das Zusammenspiel von ventralem Striatum und medialem Temporallappen bei komplexen visuellen Lernprozessen untersuchen. Ausgehend von tierexperimentellen Befunden möchten wir mittels funktioneller Bildgebung untersuchen, wie diese Strukturen bei der Repräsentation von Belohnungserwartung und Vorhersagefehler in räumlichen sowie zeitlichen Kontexten zusammenwirken. Aufbauend auf unseren Vorarbeiten fassen wir diese Begriffe soweit, dass sie auch Reaktionen auf externe Rückmeldungen über die Korrektheit der Aufgabenerwartung einer­seits sowie die Bestätigung oder Verletzung implizit gelernter Kontingenzen umfassen. Dazu möchten wir eine Serie von Experimenten mittels hochaufgelöster funktioneller Magnetresonanztomographie durchführen und diese mit einer quantitativen Modellierung verknüpfen. In Anlehnung an tierexperimentelle Befunde pla­nen wir zunächst die Untersuchung eines expliziten Kontextkonditionierungsparadigmas, in dem die Reprä­sentation von motivationalem Wert einer Handlungsalternative und Kontext analysiert wird. Aufbauend auf diesen Befunden möchten wir dann zur Untersuchung impliziter Lernprozesse fortschreiten. Hierzu planen wir, einerseits das Kontextuelle Cueing-Paradigma und andererseits das Serielle Reaktionszeit-Paradigma zu nutzen.

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Die Verknüpfung von Merkmalen zu Objekten ist ein klassisches Thema der visuellen Neurowissenschaften. Belege für eine Involvierung des posterioren Parietalcortex kommen in erster Linie aus Läsionsstudien, während Bildgebungsexperimente bisher uneindeutig blieben. Während frühere funktionelle Magnetresonanzstudien (fMRT) die visuelle Suche nach Merkmalsverknüpfungen mit einfacher Merkmalssuche verglichen, möchten wir einen alternativen Weg gehen. In der Verknüpfung von hochauflösender fMRT und multivariaten Analysemethoden planen wir, durch Merkmals- oder Konjunktionsänderungen hervorgerufene Aktivationsmuster direkt zu vergleichen, um über Ihre Unähnlichkeit Schlüsse auf die Repräsentation von Merkmalsverknüpfungen im posterioren Parietalcortex zu ziehen. Ein besonderes Augenmerk soll dabei auf die Repräsentation von Merkmalsverknüpfungen zwischen visuellen Dimensionen (wie Orientierung und Farbe) und innerhalb einer Dimension gelegt werden, weil die genannten Läsionsstudien erste Hinweise darauf geben, dass der posteriore Parietalcortex insbesondere in die Verarbeitung von transdimensionalen Merkmalsverknüpfungen involviert sein könnte.

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Retinal damage affecting the macula leads to loss of high-resolution vision. Patients learn to use peripheral parts of their retina to replace foveal vision. Because of the lesser receptor density in the retinal periphery, this means a loss of spatial resolution. In the present project, we want to explore whether macular damage entails deficits in visual selective attention and visual long-term memory. From investigations in normal-sighted observers we know of a close link between selective attention and exploration of the environment by means of eye movements. When exploration is impaired by loss of foveal fixation, deficits of attentional selection may be a consequence. Since attentional selection of an object is known to be an important precondition for later retrieval from long-term memory, macular damage may also entail deficits in visual long term memory. We intend to investigate these topics in a series of experiments in which we measure guidance of visual search by implicit learning as well as visual object memory. Speed and accuracy of search and memory will be related to eye movement patterns as well as brain activation. Patient data will further be compared to data from normal-sighted individuals, in whom scotomata will be simulated via gaze-contingent displays.

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Aufmerksamkeit kann implizit, durch Regelhaftigkeiten in der Außenwelt, gesteuert werden. Diese müssen dabei gar nicht bewußt wahrgenommen werden. Solche Regelhaftigkeiten zu entdecken, ermöglicht uns eine effizientere visuelle Suche. Ein experimentelles Paradigma, in dem sich eine solche implizite Aufmerksamkeitssteuerung zeigt, ist das kontextuelle Cueing-Paradigma (Chun & Jiang, 1998), welches auf inzidentellem Lernen der räumlichen Anordnung von Items in einem Suchdisplay beruht. Kontextuelles Cueing ist verhaltensseitig gut untersucht. Weniger bekannt ist hingegen die neuronale Basis diese Effekts. Einzig die Beteiligung medial temporaler Strukturen wird, mit widersprüchlichen Befunden, diskutiert (Chun & Phelps, 1999; Manns & Squire, 2001). Die geplanten funktionellen Bildgebungsexperimente haben drei Schwerpunkte. Zum einen soll untersucht werden, welche Prozesse und kortikale Strukturen das inzidentelle Lernen wiederholter räumlicher Anordnungen in der visuellen Suche unterstützen. Zweitens soll die neuronale Basis des inzidentellen Lernens selbst von den neuronalen Korrelaten der Expression des Lernens abgegrenzt werden. Drittens soll untersucht werden, welche neuronalen Strukturen auf Änderungen der räumlichen Regelhaftigkeiten reagieren, um eine Neuausrichtung der Aufmerksamkeit zu ermöglichen.

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Primary and secondary reinforcers motivate the behavior of humans. Reward prediction is important as differences between predicted and actual outcome of an event are used as a learning signal. Delayed or improbable rewards are discounted but discounting functions differ markedly between subjects. We are seeking to pinpoint the neural correlates of reward during learning in healthy and pathological states

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In diesem Projekt wollen wir untersuchen, inwieweit das mesocorticale dopaminerge Belohnungssystem neben der Vermittlung von Konditionierungsphänomenen auch in visuelles Kategorielernen involviert ist. Am Paradigma des Informations-Integrations-Lernens, bei dem Kategoriezugehörigkeit in Abwesenheit einer leicht verbalisierbaren Zuordnungsregel erlernt wird, wollen wir untersuchen, inwieweit das Belohnungssystem an diesen Lernprozessen beteiligt ist, wenn Lernen durch (1) positive Verstärkung (Belohnung), (2) Rückmeldung ohne explizite Verstärkung oder (3) ohne explizite Rückmeldung erfolgt. Aktivierung in Strukturen des mesocorticalen dopaminergen Systems werden zu corticalen Arealen in Beziehung gesetzt. Dies betrifft einerseits Areale, die visuelle Suche und Aufmerksamkeitssteuerung unterstützen sowie andererseits visuelle Areale im Occipitotemporalcortex, die in die Verarbeitung visueller Merkmale und Objekte eingebunden sind. Multivariate voxelbasierte Klassifikationsverfahren werden dabei, teils in Kombination mit räumlich hochaufgelöster fMRT bei hoher Feldstärke (7T) eingesetzt, um die Kodierung von Gewinnerwartung, Gewinn-/Rückmeldungsunsicherheit und Gewinn/Rückmeldung in den Arealen des dopaminergen Systems zu analysieren. Die Kombination dieser Verfahren mit ereigniskorrelierter fMRT-Analyse erlaubt die Analyse von Teilaspekten wie Gewinnerwartung und Vorhersagefehler innerhalb eines Versuchsdurchgangs sowie von Lernprozessen über Versuchsdurchgänge hinweg.

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Aufmerksamkeit kann implizit, durch Regelhaftigkeiten in der Außenwelt, gesteuert werden. Diese müssen dabei gar nicht bewußt wahrgenommen werden. Solche Regelhaftigkeiten zu entdecken, ermöglicht uns eine effizientere visuelle Suche. Ein experimentelles Paradigma, in dem sich eine solche implizite Aufmerksamkeitssteuerung zeigt, ist das kontextuelle Cueing-Paradigma (Chun & Jiang, 1998), welches auf inzidentellem Lernen der räumlichen Anordnung von Items in einem Suchdisplay beruht. Kontextuelles Cueing ist verhaltensseitig gut untersucht. Weniger bekannt ist hingegen die neuronale Basis diese Effekts. Einzig die Beteiligung medial temporaler Strukturen wird, mit widersprüchlichen Befunden, diskutiert (Chun & Phelps, 1999; Manns & Squire, 2001). Die geplanten funktionellen Bildgebungsexperimente haben drei Schwerpunkte. Zum einen soll untersucht werden, welche Prozesse und kortikale Strukturen das inzidentelle Lernen wiederholter räumlicher Anordnungen in der visuellen Suche unterstützen. Zweitens soll die neuronale Basis des inzidentellen Lernens selbst von den neuronalen Korrelaten der Expression des Lernens abgegrenzt werden. Drittens soll untersucht werden, welche neuronalen Strukturen auf Änderungen der räumlichen Regelhaftigkeiten reagieren, um eine Neuausrichtung der Aufmerksamkeit zu ermöglichen.

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Die neuronale Basis von Aufmerksamkeitskontrollprozessen soll mit der funktionellen Magnetresonanztomographie untersucht werden. Insbesondere dient das Projekt der Entwicklung neuartiger Analysemethoden, die die multivariate Analyse von Hirnaktivationsmustern erlauben. Zu diesem Zweck kooperieren wir mit dem Department of Psychology der Princeton University (insbes. Prof. Jim Haxby, Ph.D.), die auf diesem Gebiet eine der weltweit führenden Institutionen sind.

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Modulatorische Aufmerksamkeitseffekte in sensorischen Großhirnarealen sind gut bekannt. In dieser Studie untersuchen wir, inwieweit solche Aufmerksamkeitseffekte auch im Motorkortex zu beobachten sind. Dazu wird ein räumliches Hinweisreizverfahren verwendet, um Aufmerksamkeitsausrichtungen auf Punkte in der linken und rechten Raumhälfte zu generieren. Mittels funktioneller Magnetresonanztomographie untersuchen wir, inwieweit die Aktivität des primären motorischen Kortex durch die Aufmerksamkeitsausrichtung moduliert wird. Weiterhin untersuchen wir mittels trankranieller Magnetstimulation (TMS) und Elektromyographie, inwieweit diese Aktivierung in eine beschleunigte motorische Antwort mündet.

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Bei hohen Aufgabenanforderungen kann die Bearbeitung dadurch effizienter werden, daß Ressourcen beider Hemisphären gemeinsam genutzt werden. Diese Annahme wird durch Experimente zum bilateralen Verteilungsvorteil nahegelegt. Bei diesen Experimenten wurde beobachtet, daß manche Aufgaben schneller bearbeitet werden, wenn die zu verarbeitenden Reize über beide Gesichtsfeldhälften verteilt dargeboten werden, im Vergleich zur Darbietung in einer Gesichtsfeldhälfte. Dieser Verteilungsvorteil tritt insbesondere bei komplexeren Aufgaben auf, während er bei einfachen Aufgaben eher nicht auftritt, ja sogar hier die Bearbeitung von Reizen innerhalb einer Gesichtsfeldhälfte effizienter sein kann. Während dieser Effekt in einer Reihe verschiedener Aufgaben gezeigt wurde, so ist doch noch weitgehend unklar, was die Komplexität einer Aufgabe ausmacht, die dann zu einem bilateralen Verteilungsvorteil führt. Diese Frage wollen wir mit Verhaltensexperimenten und funktioneller Magnetresonanztomographie an hirngesunden Probanden untersuchen. Mittels einer Patientenstichprobe mit Teilläsionen des Corpus callosum wollen wir darüberhinaus untersuchen, welche Kommissuren an der interhemisphärischen Ressourcenteilung beteiligt sind.

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Wir untersuchen die Wirksamkeit der Prismaadaptationsmethode und einer neuen "Kognitiven" Adaptation in der Behandlung des Neglectsyndroms. Das Projekt dient zum einen der Überprüfung der Nutzbarkeit der Prismaadaptation in der Behandlung des Neglect und zum anderen der Aufklärung der zugrundeliegenden Prozesse.

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Das Ziel der bisher durchgeführten Untersuchungen bestand darin, die neuronalen Korrelate perzeptuellen Lernens mittels funktioneller Magnet-Resonanz-Tomographie (fMRT) abzubilden. Dazu wurden zwei Experimentalreihen zum Lernen einer Orientierungsunterscheidung (Ahissar & Hochstein, 2002) und zum Lernen der Krümmungsdiskrimination von Scheinkanten (Rubin, Nakayama & Shapley, 2002) durchgeführt, um sie auf ihre Eignung für die Implementierung in einem Kern-Spin-Design zu testen. Das letztgenannte Paradigma erwies sich insofern als geeigneter, als der zeitliche Verlauf der Lerneffekte besser vorhersagbar war und das neuronale Korrelat der lernbedingten Veränderungen eindeutig bestimmt werden konnte. Wir haben eine Gruppe von 24 Personen in der Aufgabe trainiert und ihre Hirnaktivität mittels fMRT gemessen. Personen, die signifikante lerninduzierte Verbesserungen zeigten, unterschieden sich von Personen, die nicht gelernt hatten vor allem darin, dass eine Zunahme der neuronalen Aktivität, erschlossen aus dem BOLD-Signal, in den retinotop organisierten frühen visuellen Arealen (V1,V2) zu beobachten war. In einem behavioralen Nachfolgeexperiment haben wir bei 15 Probanden die Langzeittrainingseffekte sowie deren Spezifität untersucht. Es zeigte sich, dass die Wahrnehmungsverbesserungen über einen Zeitraum von 10 Monaten stabil waren. Allerdings waren die Leistungsverbesserungen auf den trainierten Ort im Gesichtsfeld beschränkt, d.h. es war keine Übertragung der verbesserten Wahrnehmungsleistungen auf andere als die trainierten Gesichtsfeldpositionen möglich. Wir haben ein zweites FMRI-Experiment durchgeführt, in dem wir die technischen Parameter verändert haben, um die räumliche Genauigkeit der Aktivierungslokalisation zu verbessern. Trotz der, infolge der erhöhten Auflösung, verringerten Sensitivität des Signals, zeigen erste Ergebnisse, dass die räumliche Lokalisation tatsächlich exakter gelungen ist. Die Ergebnisse bezüglich der neuronalen Aktivität in Reaktion auf Scheinkanten werden zur Zeit analysiert.

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Investigation on neural substrates of exogenous and endogenous induced covert shifts of attention by means of behavioural, event-related potential and functional magnetic resonance recordings in healthy and brain-damaged patients with attentional disorders.

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Bei hohen Aufgabenanforderungen kann die Bearbeitung dadurch effizienter werden, daß Ressourcen beider Hemisphären gemeinsam genutzt werden. Diese Annahme wird durch Experimente zum bilateralen Verteilungsvorteil nahegelegt. Bei diesen Experimenten wurde beobachtet, daß manche Aufgaben schneller bearbeitet werden, wenn die zu verarbeitenden Reize über beide Gesichtsfeldhälften verteilt dargeboten werden, im Vergleich zur Darbietung in einer Gesichtsfeldhälfte. Dieser Verteilungsvorteil tritt insbesondere bei komplexeren Aufgaben auf, während er bei einfachen Aufgaben eher nicht auftritt, ja sogar hier die Bearbeitung von Reizen innerhalb einer Gesichtsfeldhälfte effizienter sein kann. Während dieser Effekt in einer Reihe verschiedener Aufgaben gezeigt wurde, so ist doch noch weitgehend unklar, was die Komplexität einer Aufgabe ausmacht, die dann zu einem bilateralen Verteilungsvorteil führt. Diese Frage wollen wir mit Verhaltensexperimenten und funktioneller Magnetresonanztomographie an hirngesunden Probanden untersuchen. Mittels einer Patientenstichprobe mit Teilläsionen des Corpus callosum wollen wir darüberhinaus untersuchen, welche Kommissuren an der interhemisphärischen Ressourcenteilung beteiligt sind.

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Unsere ta¨glichen Entscheidungen und Verhaltensweisen werden maßgeblich davon beeinflusst wie und wohin wir unsere Aufmerksamkeit richten. Die Ausrichtung der Aufmerksamkeit ist außerdem in vielen Situationen Voraussetzung fu¨r erfolgreiches Lernen. Der Lernerfolg eines Kindes ha¨ngt zum Beispiel davon ab, ob es schafft seine Aufmerksamkeit auf unterrichtsrelevante Inhalte zu lenken oder ob es sich von der Umgebung ablenken la¨sst. Diese Aufmerksamkeitsprozesse laufen ha¨ufig unbewusst ab und werden nicht nur durch aktuelle Umgebungsreize, sondern auch durch fru¨here Lernerfahrungen moduliert. So wenden sich Personen mit Abha¨ngigkeitserkrankungen mit erho¨hter Wahrscheinlichkeit Reizen zu, die fru¨her gemeinsam mit dem Suchtstoff aufgetreten sind, was zum Auftreten von Ru¨ckfa¨llen beitragen kann. Die Forschung unserer Arbeitsgruppe bescha¨ftigt sich mit diesem Zusammenspiel von Lernen, Aufmerksamkeit und Verhalten und dessen Vera¨nderung u¨ber die Lebensspanne und bei psychischen Erkrankungen. Zur Beantwortung unserer Fragestellungen nutzen wir eine Methodenkombination aus Verhaltensexperimenten und neurowissenschaftlichen Bildgebungsverfahren. Die Ergebnisse unserer Forschung sollen dazu genutzt werden, Werkzeuge zu entwickeln, die Patienten in lebensnahen Situationen dabei unterstu¨tzen, Sto¨rungen der Aufmerksamkeitsausrichtung zu u¨berwinden. Dies kann beispielsweise u¨ber zielgruppenspezifische Handy-Apps geschehen, die im Alltag eingesetzt werden ko¨nnen.

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Recent work in this subproject has demonstrated that both implicit and explicit rewards are involved in the incidental learning of repeated spatial configurations. Implicitly, reward signals were obtained from the putamen when a search target was found at a learnt location within a repeated spatial search context. Explicit monetary reward led to enhanced search guidance in repeated configurations. Medial frontal and retrosplenial cortex were core areas of the underlying neural architecture. For the next funding period, we propose to further investigate the nature of reward enhancement of spatial contextual cueing with respect to the role of relative reward value and with respect to the role of reward versus punishment (monetary gain versus loss). In addition, the specificity of the reward-related enhancement will be tested by contrasting context learning and target location probability learning as well as by investigating the contribution of visual working memory capacity. A new aspect will consist of developmental studies of reward modulation of contextual cueing over the lifespan. In particular, we will study age-related changes during learning, expression of learning and relearning of incidentally acquired contextual cues in visual search and examine how the implicit processes interact with motivational factors and working memory capacity.

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Das Projekt beinhaltet eine Pilotstudie, in welcher die Fähigkeit Belohnungen aufzuschieben sowie die Risikoaversion im Kontext ökonomischer Entscheidungsprozesse untersucht wird. Zusätzlich soll durch ein Training die ökonomische Entscheidungfindung im Alter verbessert werden.

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Da gerade die Auseinandersetzung mit mathematischen Inhalten zu einem gelungenen Start ins Schulleben sowie einer erfolgreichen Schulkarriere beiträgt, möchten wir im Projekt "Früh übt sich . - gewusst wie" Bedingungen für eine positive Entwicklung mathematischer Fähigkeiten von Vorschulkindern identifizieren. Hierbei werden wir die Faktoren Elternhaus und Kindergarten sowie Merkmale des Kindes selbst näher betrachten. Das Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zur Beantwortung folgender Forschungsfragen:

• Was sind optimale Voraussetzungen für frühkindliche Entwicklungsprozesse?
• Wodurch lassen sich Entwicklungsunterschiede im Bereich mathematischer Fähigkeiten am besten vorhersagen?
• Welchen Einfluss haben familiäre Sozialisationsfaktoren auf die Entwicklung mathematischer Fähigkeiten?
• Welche Möglichkeiten bietet eine ganzheitliche Betrachtung von Frühförderung?

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Die Mehrfamilientherapie (MFT) ist ein evidenzbasiertes Verfahren zur Behandlung von psychischen Störungen, psychiatrischen Symptomen und körperlichen Erkrankungen bei Kindern, Jugendlichen und Erwachsenen. Hierbei werden Patienten und deren Familien direkt und aktiv in den therapeutischen Prozess einbezogen. Die MFT nutzt dabei nicht nur die Ressourcen der einzelnen Familienmitglieder und deren Beziehungen, sondern fokussiert zentral auf den Austausch der Familien untereinander. Dabei wird handlungsorientiert mit szenischen Arbeitsformen gearbeitet. In einer Vielzahl von Wirksamkeitsstudien konnten die positiven Effekte dieser Therapieform bestätigt und für einzelne Krankheitsbilder wie z.B. Schizophrenie, Essstörungen und körperlichen Erkrankungen genauer spezifiziert werden. In der Magdeburger Tagesklinik der Kinder- und Jugendpsychiatrie ist die Mehrfamilientherapie ein wesentlicher Behandlungsbaustein. Es werden Kinder und Jugendliche im Alter von 3 bis 18 Jahren in unterschiedlichen Altersgruppen behandelt. Eine Besonderheit in Magdeburg ist die Anwendung der MFT altersgruppenspezifisch mit unterschiedlichen Krankheitsbildern. Die Gemeinsamkeit dieser Gruppen ist die Altergruppe und nicht das Störungsbild, wobei gleiche und ähnliche Krankheitsbilder in den Gruppen vorkommen. Bisher existieren kaum Studien, die systematisch untersucht haben, was die Teilnehmer von Mehrfamiliengruppen als hilfreich erleben, wovon sie am meisten profitieren und was sich durch die Teilnahme für sie verändert. Dies untersuchen wir unter Verwendung einer Zeitreihenanalyse für die verschiedenen Altersgruppen in unserer Tagesklinik. Neben einer Prä- und Posttestmessung vor und nach der Behandlung eines Patienten liegt der Schwerpunkt der Studie in der Befragung der Patienten, ihrer Familien und der Therapeuten nach jeder Mehrfamilientherapiesitzung. Die Ergebnisse der Befragungen über mehrere Messzeitpunkte werden verglichen und spezifische Wirkmechanismen dieses Behandlungsansatzes in den verschiedenen Altersbereichen überprüft.

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Ziel des Projektes ist es, ein Programm zur Förderung intellektueller, insbesondere mathematische Fähigkeiten im Kindergarten zu entwickeln und zu evaluieren. Damit soll gleichzeitig einen Beitrag zur Begabungsförderung im Vorschulalter geleistet werden. Das Training besteht aus 16 Übungseinheiten und umfasst die acht kognitiven Bereiche: Visuelle Differenzierungsfähigkeit, Räumliches Vorstellen und Visualisieren, Zahlbegriff, Mengenauffassung, Einfache Rechenoperationen, Umgang mit Symbolen, Erfassen abstrakt-logischer Zusammenhänge, Ursache-Wirkungs-Beziehungen. Die Effektivität des Förderprogramms wird mit Hilfe eines Pre-Post-Test-Designs mit Kontrollgruppe bestimmt. Teilnehmer/-innen sind 5- bis 6-jährige Vorschulkinder aus verschiedenen Kindertagesstätten der Stadt Magdeburg.Das Projekt ist am Diagnostik-, Interventions- und Evaluationszentrum am Institut für Psychologie der Otto-von-Guericke-Universität angesiedelt

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Nonretinal vision is a term for visual experience in the absence of external stimulation (e.g., visual imagery, visual working memory, visual hallucination). Many previous studies have found that humans can use nonretinal vision to influence visual perceptual task performance (e.g., holding the identity of an upcoming target in mind prior to performing a search), but different studies have made vastly different conclusions about the extent of this influence. One issue is that individual differences in nonretinal vision are rarely taken into account, but they may greatly impact perception. For example, there is a wide spectrum of nonretinal visual vividness: on one end, there are people who cannot visualize even familiar concrete objects (aphantasia). On the other end, some people have such strong nonretinal vividness that it interferes with visual perception on a daily basis, as in the case of synaesthesia (e.g., uncontrollably imagining colors attached to letters of the alphabet).

The main goal of this project is to investigate the extent to which individual differences in nonretinal vividness and precision impact behavioral and cortical correlations with visual perception.

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This project is part of the Research Training Group (RTG) 2413 "The aging synapse (SynAGE)"
Cf. http://gp.cbbs.eu/synage-tp13/
RTG 2413: The Aging Synapse - Molecular, Cellular and Behavioral Underpinnings of Cognitive Decline
Our aging society has benefitted in large from advances in modern medicine in the last century. By 2050 the global number of elderly dependent people will supposedly have reached 277 million (Prince et al., 2013) with approximately every fourth Western citizen being over the age of 65 (Cracknell, 2010). This demographic change poses an increasing burden with incurred economic, infrastructural, and last but not least large social expenses - especially if it comes down to decline of cognitive function in the elderly. Thus, there is an urgent need for a better understanding of such cognitive decline in order to develop strategies for maintaining and improving mental health and quality of life in the elderly population. Current research in this field focuses mainly on dementia and associated neurodegenerative diseases. Much less investigated and in many aspects neglected, however, are the consequences of normal aging as such for synaptic, cellular and neuronal network properties. Normal aging is associated with a decline in sensory, motor, and cognitive function, in particular working memory, cognitive flexibility and multi-tasking capacity, and although relatively mild as compared to dementia, this negatively impacts on health and life quality. In fact, there is cumulating evidence that not only genetic factors contribute to the course of aging but also individual lifestyle habits such as rich diet, little to no exercise, stress, provoked development of the metabolic syndrome, vascular alterations, all of which negatively impact on cognitive function in the elderly as well.
The innovative research program of RTG2413 SynAGE deals with the idea that cognitive decline in normal aging results from subtle synaptic alterations that impart an imbalance between stability and plastic properties of spine synapses and that is qualitatively different from neurodegeneration. This will further involve changes in the properties and functionality of the extracellular matrix, communication and interaction with glia cells and cells of the immune system, neuromodulation, and ultimately otherwise compensatory mechanisms. We aim to understand these processes of synaptic aging from a molecular, cellular as well as behavioral angle by jointly addressing transversal, intimately linked themes forming a comprehensive framework for inspiring thesis projects with high societal relevance.

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Kognitive Kontrolle ermöglicht zielorientiertes Verhalten und flexible Anpassungen an neu auftretende Schwierigkeiten bei Handlungen sowie die Kompensation und zukünftige Vermeidung eigener Handlungsfehler. In den letzten drei Jahrzehnten wurde die Implementierung dieser essentiellen Funktion im Gehirn des Menschen intensiv erforscht, so dass es einen rasanten Schub beim Verständnis der kognitiven Kontrolle gab. Es wurde eine Vielzahl von Theorien und Modellen entwickelt, die sich allerdings schwer zusammenfassen oder widerlegen lassen. Es stellt sich als ausgesprochen schwierig dar, die multiplen Parameter, die in verschiedenen Untersuchungsparadigmen in der für die kognitive Kontrolle Hauptregion der Hirnrinde (speziell des posterioren medialen frontalen Kortex, pMFC) repräsentiert zu sein scheinen, zu integrieren, eventuelle subregionale Spezifizierungen zu entdecken und die Gemeinsamkeiten und Unterschiede ihrer zugrundeliegenden computationalen Mechanismen zu erkennen. Ursachen sind unter anderem die starke Heterogenität und mangelnde Standardisierung der Paradigmen und die häufig fehlende mathematische/biophysikalische Formalisierung in computationalen Modellen.

Ziel des Projektes NovACoDe ist es, prototypische Untersuchungsparadigmen für die Erforschung und Quantifizierung kognitiver Leistungen bei der kognitiven Kontrolle, Handlungsüberwachung und Entscheidung zu entwickeln und zu testen. Die Paradigmen sollen möglichst folgende Kriterien erfüllen:

1. Robustheit, Reliabilität und zeitliche Effizienz. Die Paradigmen sollen so aufgebaut sein, dass sie eine hohe Reliabilität bei wiederholter Testung zeigen, dass sie robust sind gegenüber dem Untersuchungskontext (Labor, Klinik) und dass sie statistisch reliable Daten in möglichst kurzer Untersuchungszeit liefern. Sie sollen auch für Patienten gut durchführbar sein.
2. Relevante Parameter von kognitiver Kontrolle und Entscheidungen sollen aus den Verhaltensdaten direkt oder durch komputationale Modellierung quantifizierbar sein (siehe unten).
3. Die Paradigmen sollen an Bildgebung und Elektrophysiologie so angepasst werden, dass Korrelate der unter 2 genannten Parameter direkt messbar oder mittels multivariater Mustererkennungsverfahren dekodierbar sind.

Für diese Paradigmen sollen komputationale Modelle entwickelt bzw. angepasst werden, die das Verhalten der Versuchspersonen reproduzieren können und so die Bestimmung latenter Parameter erlauben. Die Anwendbarkeit der Paradigmen soll in Pilotstudien mit EEG belegt werden. Im Ergebnis soll eine Batterie von auf kognitive Kontrolle und Entscheidungen fokussierten standardisierten Untersuchungsparadigmen entstehen, die zur Untersuchung kausaler Zusammenhänge z.B. mittels Hirnstimulation bei Gesunden und für klinische und klinisch-orientierte Studien an Patienten mit neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen eingesetzt werden.

Das Projekt war zunächst für den Zeitraum 01. Juli 2021 bis 30. Juni 2022 mit einer Gesamtsumme in Höhe von 151.536 Euro bewilligt. Im Mai 2022 wurde eine Verlängerung des Projektzeitraums bis 30. November 2022 und eine Erhöhung der Mittelzuweisung um 10.943,19 Euro auf insgesamt 162.479,19 Euro festgesetzt. Aktuell werden eine wissenschaftliche Mitarbeiterin, Frau Dr. Lieneke Janssen, sowie zwei studentische Hilfskräfte aus den Projektmitteln finanziert. Projektleiter ist Professor Dr. Markus Ullsperger, Lehrstuhl für Neuropsychologie an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

Das Projekt trug bereits wesentlich zur Entwicklung eines Lernparadigmas bei, bei dem verschiedene Parameter, z.B. die Höhe einer Belohnung und für das Lernen irrelevante Überraschungen, manipuliert werden und deren Repräsentationen in den Hirnströmen aufgeschlüsselt werden können (Kirschner H, Fischer AG, Ullsperger M (2022) Feedback-related EEG dynamics separately reflect decision parameters, biases, and future choices. NeuroImage 259:119437. doi: 10.1016/j.neuroimage.2022.119437).

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Im Rahmen der internationalen Graduiertenschule on Analysis, Imaging, and Modeling of Neuronal and Inflammatory Processes (ABINEP), Modul 4 "Human Brain Imaging for diagnosing neurocognitive disorders" werden Mechanismen wertebasierter Entscheidungen und ihrer Abweichungen vom Optimum bei Gesunden und bei Patienten mit psychischen Störungen untersucht. Dabei wird insbesondere auf Mechanismen des relative learning fokussiert. Die Untersuchungen werden multimodal (EEG, MEG, fMRT) durchgeführt.

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The aim of the proposed study is to investigate in a genome wide fashion the association between genomic polymorphisms and endo- / phenotypes of human performance monitoring in terms of surface electroencephalogram (EEG), in order to investigate the genetic basis and genetic mechanisms of cognitive control processes. This is a continuation of project KL 2337 / 2-1 (term 2 years until 30.09.2012). To date, in a multicentric approach at the Radboud University of Nijmegen, the Netherlands, and at the Max Planck Institute for human Cognitive and Brain Sciences, Leipzig, Germany, N = 1000 young, healthy subjects were characterized in terms of behavioral and EEG phenotypes and their genetic material collected. In 686 of these subjects, the genotyping has been completed. A preliminary genome-wide association analysis (GWAS) provided evidence of association between response time, post-error slowing (PES) and error-related negativity (ERN) amplitude with different genomic loci and single nucleotide polymorphisms (SNP). Furthermore, we were able to establish the feasibility of the analysis by means of parallel independent component analysis (parallel ICA). The proposed project is designed to complete the data collection or collection of a step-up cohort to secure the findings and to provide means for a more detailed analysis.

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This project addresses the role of the habenula (Hb) in motivated behaviour of humans. The Hb is an important relay on a major descending pathway from the forebrain to the brain stem with predominantly inhibitory influence on monoaminergic nuclei, thereby controlling release of dopamine and serotonin to the forebrain. The project aims at understanding the contribution of the Hb to active and passive avoidance and to learning from aversive events. This comprises studying habenular activity, its structural and functional embedding in pallido-habenulo-mesencephalo-striatal networks, and its neurochemical interactions. To this end, high-resolution structural, diffusion-weighted and functional MRI, pharmacological challenges, and in-vivo receptor density mapping using positron emission tomography will be performed in healthy volunteers. Understanding habenular functions is important not only for fundamental neurosciences but also for clinical neuropsychiatry, because dysfunction of the Hb has been suggested to contribute to the pathophysiology of psychiatric disorders, such as affective disorders and addiction. Therefore, we will search for volume and connectivity aberrations of the Hb in patients with addiction.

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To err is human. While cognitive neuroscience has made substantial progress in understanding the brain s ability to detect errors and to adapt behavior accordingly, the neurobiological reasons and conditions for making mistakes are still poorly understood. Sleep deprivation leads to lower task performance and increased error rates. The proposed project aims at investigating the brain mechanisms that underlie the commission of errors in goal-directed behavior in rested wakefulness and after sleep deprivation. Using combined EEG and fMRI, we will investigate whether different types of errors can be distinguished and predicted based on specific spatiotemporal patterns of brain activity evolving before the error occurs. An interference task has been designed such that perceptual processing of task-relevant and distracting stimuli can be decoded separately by means of machine learning techniques thereby providing a tool to  investigate the effects of arousal and selective attention. Thus, general disengagement from task can be distinguished from distraction and maladaptive misallocation of selective attention. The planned study will help predicting errors based on brain activity patterns and understanding the neurobiological mechanisms underlying the performance deficits after sleep deprivation. It will furthermore be the starting point of a long-term collaboration of two laboratories providing complementary expertise with respect to performance monitoring, attention, cognitive changes induced by sleep deprivation and multimodal cognitive neuroscience methods.

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The consortium will develop computational models of learning and decision making and test them in two biological systems, humans and macaques. The models shall account for the use of different sources of information on action outcomes to guide future behavior: feedback on real outcomes, fictive feedback on outcomes that would have been obtained had a different action been chosen, and observational feedback on action outcomes seen in other actors in social situations. We expect that the same computational principles apply for all information sources but that the learning parameters differ quantitatively between feedback type and species. Model fits to behavior and model-based analyses of neural data will reveal brain correlates of the computational variables. We expect to find anatomical and functional dissociations during monitoring of the different sources of feedback information and later convergence on a single mechanism implementing changes to future behavior. Using complementary methods in two primate species will lead to better generalizability of the models, better understanding of underlying neural mechanisms, and mutually informed choice of recording sites and analysis.

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Decision making in a dynamically changing world often depends on beliefs about the current state of the world. Some states may be constant but noisy and this stochasticity is reflected in expected uncertainty. In contrast, when states change significantly, unexpected uncertainty, i.e., uncertainty about the state itself is induced. Furthermore, different sources of information may sometimes converge, but in other cases diverge, and decisions should optimally be based on the most reliable source of information available or a weighted integration of discrepant observations.

Prior studies have found that activity in visual areas covaries with the degree of surprise which drives the speed of learning representable as a learning rate, yet it is unknown whether this is a flexible process. Learning itself is implemented by a network of higher cortical regions including parietal and anterior prefrontal cortex, yet how these networks dynamically relate and where the information itself converges is unknown.
In this project, we will develop a task that is suited to investigate dynamically weighted learning and decode its informational content. It will allow to directly and parametrically quantify how much humans base their decisions on different sources of information while also allowing to measure updates in the beliefs of the validity of each source and compare these to the performance of a Bayes optimal learner.

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In a changeable, uncertain environment it is necessary for goal-directed, motivated behavior to flexibly react to appetitive and aversive events and to learn from them in order to approach favorable situations and to avoid unfavorable ones. The neuromodulators dopamine (DA) and serotonin (5-HT) have been implicated in appetitive and aversive Pavlovian and instrumental learning and the associated behavioral responses. In the present proposal we focus on the habenula, a small epithalamic brain structure, which controls a major descending pathway from the forebrain to the mesencephalon thereby exerting strong influence on dopamine (DA) and serotonin (5-HT) release in the telencephalon. In primates it has been implicated in performance monitoring and value-based decision making, particularly in learning to avoid actions entailing losses or aversive outcomes. In humans, habenular dysfunction seems associated with psychiatric diseases, particularly major depressive disorder (MDD). However, knowledge about habenular function and connectivity in humans is sparse, because previous research has often neglected this small structure. The proposed project capitalizes on the increased accessibility of the human habenula due to advances in neuroimaging leading to higher signal-to-noise ratio at higher spatial resolution. It aims at understanding the role of the habenula in decision making with a focus on avoiding negative action outcomes. A converging methods approach will be applied to access the functional activity of the habenula and to unravel its anatomical and functional interaction with other brain regions implicated in motivated behavior: Using high-resolution functional magnetic resonance imaging in healthy volunteers, habenular activity and functional connectivity will be studied during rest, Pavlovian conditioning of rewarding and aversive events and during an instrumental probabilistic learning task allowing to disentangle approach- and avoidance-learning. By means of diffusion-weighted imaging (dwMRI) and probabilistic tractography individual connectivity profiles of the habenula with subcortical and cortical structures will be established. These connectivity profiles and other connectivity measures will be correlated with behavioral and neuroimaging data. In addition, the goal of this project phase is to establish behavioral and imaging protocols enabling a long-term research focus of the habenula in pathological states and in close relation to the neurochemistry orchestrated by this brain region.

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How do we change from performing a monotonous task on automatic pilot to controlled behaviour? A network of brain regions is important for this type of adaptive behaviour by signalling the need for controlled behaviour, implementing a cautious response strategy, and facilitating more controlled behaviour. However, although we know which brain regions are involved in these processes, how all these separate regions of the brain work together to produce adaptive behaviour remains a mystery. The current project aims to use a combination of brain stimulation techniques to study how this feat is
achieved in the healthy human brain.

The goal of the proposed project is to investigate how the frontal cortex causally interacts with posterior brain areas to produce proactive and reactive control over behavior.

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Over the past decade numerous studies have revealed alterations in performance monitoring and decision making in obsessive-compulsive disorder. The aims of the current project are: (1) to further investigate these changes to specify the underlying mechanism; and (2) to determine relationships with clinical phenotypes (such as obsession and compulsions) of obsessive-compulsive disorder.

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Emotional experience is based upon the interplay between the instantaneous appraisal of salient stimuli, provided by limbic brain areas, on the one hand, and prefrontal control mechanisms to adequately regulate the initial emotional response, on the other hand. In psychiatric disorders that are characterized by emotional hyperarousal, an imbalance of these two processes has been assumed. Models of emotional (dys)regulation may contribute to a better understanding of pathological anxiety experienced by patients with obsessive compulsive disorder (OCD). Initial evidence suggests that OCD is characterized by emotion regulation difficulties as indicated by self-report measures. Further, OCD appears to be linked to functional changes in brain areas implicated in emotion processing and emotion regulation. Thus, neuroimaging findings have demonstrated increased activity in both limbic and frontal brain areas during symptom provocation in OCD, suggesting altered cortico-limbic interactions, when OCD-relevant stimuli are being processed. However, emotion regulation strategies have not yet been directly examined in OCD. Therefore, this project aims at investigating cognitive emotion regulation in OCD by using event-related potentials and examining whether emotion regulation deficits can be compensated when emotion regulation is guided externally.

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