Inhaltszusammenfassung:
Die vorliegende Arbeit stellt die Hypothese auf, dass menschliches Verhalten aus dem Zusammenspiel zweier unterschiedlicher kognitiver Prozesse – nämlich automatischer und kontrollierter – resultieren kann, wie sie in der Dual-Prozess-Theorie beschrieben sind. Der Spatial-Numerical Association of Response Codes (SNARC)-Effekt ist ein bemerkenswertes Beispiel für automatisches Verhalten, das mithilfe verhaltensbasierter Aufgaben quantifiziert werden kann. Das fronto-parietale Netzwerk, bestehend aus dem linken präfrontalen Kortex (PFC) und dem posterioren parietalen Kortex (PPC), wurde als kritischer Bereich im Zusammenhang mit dem SNARC-Effekt identifiziert. Ein weiteres verhaltensorientiertes Paradigma zur Quantifizierung kontrollierten Verhaltens ist die Stop-Signal-Reaktionszeit (SSRT). Die SSRT ist ein entscheidender Indikator für inhibitorische Kontrolle, da sie die Reaktionszeit beim Stoppen einer initiierten Handlung widerspiegelt. Der rechte inferior frontale Gyrus (rIFG) wurde als wichtiger Bereich für die Reaktionsinhibition identifiziert. Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist ein zunehmend beliebtes Forschungsinstrument zur Manipulation subschwelliger Aktivitätsmuster in kortikalen Regionen und zur Untersuchung ihres kausalen Einflusses auf das Verhalten. Dennoch ist die Interpretation von tDCS-Ergebnissen trotz der relativ einfachen Anwendung mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Insbesondere im Kontext kathodaler tDCS bei kognitiven Aufgaben zeigte sich eine mangelnde Replizierbarkeit, und Studien untersuchten selten die Robustheit und Spezifität von tDCS-Effekten innerhalb eines einzigen Studiendesigns. In Studie I führten wir einen registrierten Bericht zur Robustheit kathodaler tDCS-Effekte auf den SNARC-Effekt, den numerischen Distanz-Effekt (NDE) und die inhibitorische Kontrolle durch. Gesunde Probanden wurden zufällig einer von fünf Gruppen zugewiesen, die entweder eine Schein-tDCS oder eine 1 mA kathodale tDCS an einem von vier Stimulationsorten (links/rechts PFC, links/rechts PPC) erhielten. Die Ergebnisse zeigten in den vordefinierten Analysen eine konzeptuelle Replikation der Reduktion des SNARC-Effekts durch tDCS über dem linken PFC im Vergleich zu Schein- und linker PPC-tDCS. In weiteren explorativen Analysen erschienen tDCS-Effekte auf inhibitorische Kontrolle zeitabhängig, mit verzögerten übungsbezogenen Verbesserungen der SSRT durch kathodale tDCS. Die Schlussfolgerung lautet, dass tDCS eine geringe Spezifität aufweist, individuelle Unterschiede tDCS-Effekte moderieren und verschleiern können, und robuste, reproduzierbare Effekte nur bei hochspezifischen Stimulations-, Probanden- und Aufgabenparametern erreichbar sind.
In Studie II wurde die kortikal übergreifende Umsetzung räumlich-numerischer Assoziationen, die durch tDCS-Effekte aufgedeckt wurden, in Kombination mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) über dem PPC untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass kathodale tDCS über dem linken PFC zu einer Reduktion des SNARC-Effekts führte. Dieses Ergebnis stimmt mit einer früheren fNIRS-Studie überein, die SNARC-Signaturen in bilateralen parietalen Regionen nachgewiesen hatte. Unter der Annahme, dass der SNARC-Effekt kausal durch ein fronto-parietales Netzwerk erzeugt wird, wurde die Hypothese aufgestellt, dass präfrontale kathodale tDCS die PPC-Aktivierung – insbesondere im intraparietalen Sulcus (IPS) – sowie den verhaltensbezogenen SNARC-Effekt reduziert. Ziel der Studie war es, den distalen neuronalen Effekt präfrontaler Neuromodulation auf die hämodynamische Aktivität im Parietalkortex zu untersuchen. Auf neuronaler Ebene führte präfrontale tDCS zu einer Reduktion der linken parietalen Aktivierung. Dieser distale neuronale Effekt wurde sowohl in vorregistrierten primären ROI-Kanalanalysen als auch in sekundären Analysen über alle Kanäle hinweg im Zusammenhang mit dem SNARC-Effekt, nicht aber mit dem NDE, demonstriert. Auf Verhaltensebene reduzierte die präfrontale tDCS den SNARC-Effekt jedoch nicht signifikant. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial der Kombination von Neuromodulation und Neuroimaging zur Aufklärung des fronto-parietalen Netzwerks bei der numerischen Kognition und unterstreichen die Wirksamkeit von fNIRS bei der Untersuchung distaler neuronaler Effekte kathodaler tDCS.
Studie III zeigte die Wirksamkeit kortikaler exzitatorischer anodaler tDCS zur Modulation der SSRT, wodurch die Reaktionsinhibition verbessert wurde. Laut neuroimaging-Studien ist der rIFG an der inhibitorischen Kontrolle beteiligt, was durch anodale tDCS über dem rIFG verbessert werden kann. Es lässt sich eine Parallele ziehen zwischen Frauen, die mit Adipositas kämpfen, und solchen, die ein restriktives Essverhalten zeigen, jedoch nicht die formalen diagnostischen Kriterien für eine Essstörung erfüllen. Es wurde beobachtet, dass diese Personen, d. h. restriktive Esserinnen (RE), eine verminderte Fähigkeit zur Regulation motorischer Reaktionen im Vergleich zu nicht restriktiven Esserinnen (URE) aufweisen. Aufbauend auf früheren tDCS-Ergebnissen untersuchte Studie III die potenzielle Übertragung dieser Erkenntnisse auf RE, um zu ermitteln, ob der Stimulationsort einen entscheidenden Einfluss auf die Modulation von Reaktionsinhibition und Essverlangen hat. Die Ergebnisse bestätigten ein Defizit in der inhibitorischen Kontrolle bei RE mit längeren SSRTs im Vergleich zu URE ohne Stimulation. Eine Reduktion der SSRTs bei RE deutete auf eine Verbesserung der Inhibition hin. Die Ergebnisse deuten auf eine Spezifität der rIFG-Stimulation in Risikogruppen im Hinblick auf inhibitorische Kontrolle unabhängig vom Verlangen hin.
Das vorliegende Projekt zeigte regionsspezifische und aufgabenabhängige Wirkungen der Neuromodulationspolarität im Hinblick auf tDCS-Effekte. Die Beobachtung, dass experimentell induzierte Aktivitätssteigerungen die inhibitorische Kontrolle im rechten rIFG beeinflussten, unterstützt die These, dass die Stimulation die inhibitorische Kontrolle im rIFG gezielt verbesserte und somit einen kausalen Beitrag dieses Hirnareals zu Inhibitionsdefiziten belegt. Die Ergebnisse der Studie I wurden repliziert, wobei tDCS über dem linken PFC implizite Assoziationen in Bezug auf die Rolle des Arbeitsgedächtnisses im SNARC-Effekt reduzierte, was durch neuronale Signaturen im PPC (Studie I, Studie II) unterstützt wurde. Zukünftige Studien sollten diesen Bedarf berücksichtigen, indem sie fNIRS oder fMRT einsetzen, um die Aktivierung weiterer Zielregionen für Verlangen und Inhibition zu überwachen. Eine umfassende Erörterung der Stärken und Schwächen des Projekts, der Auswirkungen und der künftigen Forschungsrichtungen erfolgt im nächsten Abschnitt.
Abstract:
The present thesis puts forward the hypothesis that human behavior may result from the interplay of two distinct cognitive processes, namely automatic and controlled, as outlined in the dual-process theory. The Spatial-Numerical Association of Response Codes (SNARC) effect is a notable instance of behavior that can be quantified using behavioral tasks. The fronto-parietal network, comprising the left prefrontal cortex (PFC) and the posterior parietal cortex (PPC), has been identified as a critical region involved in the SNARC effect. Another behavioral paradigm used to quantify controlled behavior is the Stop-Signal Reaction Time (SSRT). The SSRT is a critical indicator of inhibitory control, reflecting the person's reaction time in stopping an initiated response. The right inferior frontal gyrus (rIFG) has been identified as a critical region involved in response inhibition. Neurostimulation with transcranial direct current stimulation (tDCS) is an increasingly popular research tool for manipulating subthreshold activity patterns in cortical regions and investigating their causal involvement in behavior. Nevertheless, the interpretation of tDCS results poses significant challenges, despite the relative ease of application. The findings have exhibited a lack of replicability, particularly in the context of cathodal tDCS in cognitive tasks, and studies have seldom examined the robustness and specificity of tDCS effects within a single study design. In Study I, we conducted a registered report on the robustness of cathodal tDCS effects on the SNARC effect, the Numerical Distance Effect (NDE), and inhibitory control. Accordingly, healthy volunteers were randomly assigned to one of five groups to receive sham tDCS or 1 mA cathodal tDCS to one of four stimulation sites (left/right PFC, left/right PPC). The findings revealed that, in the predefined analyses, we conceptually replicated the reduction of the SNARC effect by left PFC tDCS relative to sham and left PPC tDCS. In further exploratory analyses, tDCS effects on inhibitory control appeared to be time-dependent, with delayed practice-related improvements in SSRT due to cathodal tDCS. The conclusion drawn from these findings indicates that tDCS exhibits poor specificity, that individual differences can moderate and conceal tDCS effects, and that robust and reproducible tDCS effects are attainable with highly specific stimulation, population, and task parameter settings.
In Study II, the cross-cortical implementation of spatial-numerical associations revealed by tDCS effects was investigated in conjunction with functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) over the PPC. The results indicated that cathodal tDCS applied to the left PFC led to a reduction in the SNARC effect. This finding aligns with a prior neuroimaging study employing fNIRS, which had previously demonstrated the presence of SNARC effect signatures in bilateral parietal regions. Assuming that the SNARC effect is causally generated by a fronto-parietal network, it was hypothesized that prefrontal cathodal tDCS would reduce PPC activation, specifically in the intraparietal sulcus (IPS), and the behavioral SNARC effect. The present study sought to investigate the distant neural effect of prefrontal neuromodulation on hemodynamic activity in the parietal cortex. At the neuronal level, prefrontal tDCS led to a reduction in left parietal activation. This neuronal effect of tDCS in a remote site was demonstrated in both preregistered primary region-of-interest (ROI) channel analyses and secondary all-channel analyses associated with the SNARC effect, but not with the NDE. However, at the behavioral level, prefrontal tDCS did not significantly reduce the SNARC effect. The findings demonstrate the potential of combining neuromodulation and neuroimaging techniques to elucidate the fronto-parietal network involved in numerical cognition and underscore the efficacy of fNIRS in assessing the distant neural effects of cathodal tDCS.
Study III demonstrated the efficacy of cortical excitatory anodal tDCS in modulating the SSRT, thereby enhancing response inhibition. According to neuroimaging studies, the rIFG is involved in inhibitory control, which in turn could be improved by neuromodulation such as anodal tDCS over the rIFG. A parallel can be drawn between women struggling with obesity and those who exhibit restrained eating behaviors but do not meet the formal diagnostic criteria for an eating disorder. It has been observed that these individuals, i.e., restrained eaters (RE), have a reduced ability to regulate their motor responses compared to unrestrained eaters (URE). Building upon the preliminary findings from earlier tDCS studies, Study III examined the potential translation of these findings to the realm of RE to ascertain whether the location of stimulation exerted a pivotal influence on the modulation of response inhibition and food craving. The results of the study replicated an inhibitory control deficit in RE with longer SSRTs in comparison to URE without stimulation, and reduced SSRTs in RE indicated an improvement in inhibitory control. The results suggest a specificity of rIFG stimulation in at-risk groups with respect to inhibitory control independent of craving.
The present project demonstrated regional specificity and task-induced activity dependence of neuromodulation polarity with regard to tDCS effects. The observation that the experimentally induced activity enhancement influenced inhibitory control in the rIFG supports the claim that stimulation specifically improved inhibitory control in the rIFG, thus establishing a causal contribution of this brain area to inhibitory control deficits. The findings of Study I were replicated, with tDCS applied over the left PFC reducing implicit association related to the role of working memory in the SNARC effect, which is controlled by the PFC as seen neural signature effects in PPC (Study I, Study II). However, it is crucial for future studies to address this need by employing fNIRS or functional magnetic resonance imaging (fMRI) to monitor activation in other target regions for craving and inhibition. A comprehensive discussion of the strengths and weaknesses of the project, implications and future research directions is provided in the next section.
Restrained Eating