Common neural substrates for uncertainty processing in decision-making and perception
Final Report Abstract
Neben der weithin bekannten Reaktion auf Änderungen der Helligkeit reagiert die Pupille auf zahlreiche kognitive Faktoren und liefert wertvolle Einblicke in Mechanismen der Entscheidungsfindung. Aufbauend auf eigenen Vorarbeiten sollte das vorliegende Projekt zunächst zu einem bessren Verständnis der Entscheidungsvariablen, welche die Pupillengröße beeinflussen, beitragen. Sodann sollten mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) diejenigen Gehirnregionen identifiziert werden, die zur Steuerung der Pupillengröße beitragen, und gleichzeitig die entsprechenden Entscheidungsvariablen repräsentieren. Ein besonderer Schwerpunkt sollte dabei auf der Interaktion verschiedener Varianten kognitiver und perzeptueller Unsicherheit, wie sie bei komplexen Entscheidungsprozessen bzw. mehrdeutigen Reizen auftreten, liegen. Da neben Entscheidungs- auch Gedächtnisprozesse die Pupillengröße beeinflussen, untersuchten wir zunächst den Zusammenhang zwischen episodischem Gedächtnis und Pupillenverengung. Eine stärkere Verengung der Pupille während der Speicherung einer natürlichen Szene sagte einen besseren Abruf des entsprechenden Bildes bei einer späteren Präsentation vorher. Zusammen mit einem Unterschied zwischen alten und neuen Bildern während des Gedächtnisabrufs deutet dies auf die Bedeutung eines „Neuheits“-Signals sowohl für das spätere Erinnern als auch für die Pupillenverengung hin. Dieses Ergebnis unterstreicht vor dem Hintergrund einer von uns gefundenen mit Überraschung assoziierten Pupillenweitung die Notwendigkeit, scheinbar ähnliche Variablen – wie Neuheit (novelty) und Überraschung (surprise) – sorgfältig voneinander abzugrenzen. In einer Serie von Studien konnten wir zunächst eine Pupillenweitung bei der Betrachtung schmerzhafter oder sozial peinlicher Szenen nachweisen, die jeweils für spezielle Patientengruppen (juvenile myoklonische Epilepsie bzw. Autismus-Spektrum-Störungen) geringer ausgeprägt war. Durch geeignet konstruiertes Bildmaterial konnten wir ausschließen, dass die die Ungewöhnlichkeit der schmerzhaften Situation die Pupillenweitung auslöst. Durch die Kombination des Pupillensignals mit gleichzeitig aufgenommenen fMRT-Daten konnten die für die Verarbeitung von Schmerzempathie bzw. Fremdscham jeweils zuständigen Hirnregionen sowohl in den Kontrollgruppen als auch in den Patientengruppen verlässlich identifiziert werden. Um den für die Pupillenweitung als solche vermutlich hauptsächlich zuständigen locus coeruleus (LC) mittels fMRT zu untersuchen, wurden zunächst fMRT-Sequenzen diesbezüglich optimiert. Mit diesen Sequenzen konnten wir dann sowohl anhand von Kippfiguren den Effekt perzeptueller Unsicherheit als auch anhand eines einfachen „Kartenspiels“ den Effekt kognitiver Unsicherheit auf Pupille und Hirnaktivität untersuchen. Damit konnten wir zunächst früher gefundene Effekte replizieren und sind gleichzeitig in der Lage, perzeptuelle und kognitive Unsicherheit in denselben Individuen miteinander in Beziehung zu setzen. In weiteren Arbeiten zum Thema perzeptuelle Unsicherheit konnten wir einen Einfluss von Belohnung und Bestrafung auf die Wahrnehmung multistabiler Reize zeigen und deren Interaktion mit Aufmerksamkeit untersuchen sowie multistabile Wahrnehmung als Modell für perzeptuelle Unsicherheit mit einem einfachen Netzwerkmodell modellieren. Weiterhin konnten wir zeigen, dass ein Teil der Netzwerke, die gewöhnlich mit der Auflösung perzeptueller Mehrdeutigkeit in Verbindung gebracht werden, lediglich der Überwachung der eigenen Wahrnehmung zum Zweck des Berichts dient. Schließlich deuten erste Daten in Patienten mit REM- Schlafverhaltensstörung (RBD) auf eine Bestätigung der Rolle des LC für die Verarbeitung von unsicheren Reizen und der damit zusammenhängenden Pupillenweitung hin. Zusammengefasst bestätigen die bereits abgeschlossen Arbeiten die Rolle der Pupille als reichhaltiges Signal für kognitive und perzeptuelle Entscheidungsfindung unter Unsicherheit. Die gleichzeitige Erhebung von pupillometrischen Daten mit fMRT erlaubt uns dabei detaillierte Einblicke in die (neuro-)physiologischen Mechanismen, die solchen Entscheidungsprozessen zu Grunde liegen.
Publications
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(2013). Pupil responses allow communication in locked-in syndrome patients. Current Biology, 23(15), R647-R648
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(2015). Apathy and noradrenaline: silent partners to mild cognitive impairment in Parkinson's disease? Current Opinion in Neurology, 28(4), 344-350
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(2015). Competition with and without priority control: linking rivalry to attention through winner-take-all networks with memory. Annals of the New York Academy of Sciences, 1339, 138-153
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(2015). Fronto-insula network activity explains emotional dysfunctions in juvenile myoclonic epilepsy: combined evidence from pupillometry and fMRI. Cortex, 65, 219-231
Paulus, F.M., Krach, S., Blanke, M., Roth, C., Belke, M., Sommer, J., Müller-Pinzler, L., Menzler, K., Jansen, A., Rosenow, F, Bremmer, F., Einhäuser, W., & Knake, S.
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(2015). NeuralPathways of Embarrassment and their Modulation by Social Anxiety. NeuroImage, 119, 252-261
Müller-Pinzler, L., Gazzola, V., Keysers, C., Sommer, J., Jansen, S., Frässle, S., Einhäuser, W., Paulus, F.M., & Krach, S.
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(2015). Reward modulates perception in binocular rivalry. Journal of Vision, 15(1):15.1.11
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