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WITHDRAWN: Belohnungsassoziierte Veränderungen im EEG - Lassen sich Gewinn- und Verlusterleben bei Glücksspielen mittels evozierter Potenziale und EEG-Oszillationen abbilden?
Accepted Manuscript Title: Belohnungsassoziierte Ver¨anderungen im EEG - Lassen sich Gewinn- und Verlusterleben bei Glucksspielen ¨ mittels evozierter Potenziale und EEG-Oszillationen abbilden? Author: Daniela Krause Kristina Adorjan Simon Langgartner PII: DOI: Reference:
S1439-4847(17)30027-3 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.neulab.2017.06.004 NEULAB 10245
To appear in:
Please cite this article as: D. Krause, K. Adorjan, S. Langgartner, Belohnungsassoziierte Ver¨anderungen im EEG - Lassen sich Gewinn- und Verlusterleben bei Glddotucksspielen mittels evozierter Potenziale und EEG-Oszillationen abbilden?, Neurophysiologie-Labor (2010), http://dx.doi.org/10.1016/j.neulab.2017.06.004 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.
Belohnungsassoziierte Veränderungen im EEG Lassen sich Gewinn- und Verlusterleben bei Glücksspielen mittels evozierter Potenziale und EEG-Oszillationen abbilden?
Daniela Krause, Kristina Adorjan, Simon Langgartner
ip t
Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie, Klinikum der Universität München, LMU München
cr
Titel (Englisch)
Reward related changes in EEG - unexpected gains and losses can be measured with event-
M
an
Eingereicht am 13. Juni 2017 Angenommen am 26. Juni 2017
us
related potentials and oscillatory EEG activity
Zusammenfassung (Deutsch)
In Studien mit bildgebenden Verfahren (z.B. fMRT) fanden sich im Zusammenhang mit
ed
Stimuli (positives oder negatives Feedback), die durch das zentrale Belohnungssystem verarbeitet werden, Veränderungen der neuronalen Aktivität in verschiedenen kortikalen und
ce pt
subkortikalen Hirnregionen. Im Rahmen einer EEG-Studie wurde nun ein Paradigma entwickelt, um ereigniskorrelierte Potentiale (ERP) und EEG-Oszillationen (ERO) in Zusammenhang mit Gewinn- oder Verlust-Feedback elektrophysiologisch abzuleiten und zu analysieren. Sowohl die ERP als auch die Oszillationen wiesen nach einem Gewinn- oder Verlust-Feedback gegenüber einer neutralen Bedingung Unterschiede auf, sodass die
Ac
Aktivität des zentralen Belohnungssystems auch elektrophysiologisch differenziell untersucht werden konnte.
Summary (Englisch) Previous neuroimaging studies identified brain areas associated with reward processing following reward or punishment and showed altered neuronal activities. The present study aimed to examine, whether feedback-based experiences of gains and losses are associated with electrophysiological correlates. Healthy participants were investigated using a gambling task, which focused on non-predictable gain and loss experiences. Electroencephalography
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(EEG) recordings were performed during task execution to assess electrophysiological correlates of reward processing. Event related potentials (ERPs) and event related oscillations (EROs) were analysed upon feedback of gains/losses (high and small). The data revealed differences of feedback related changes for gains/losses compared to the neutral condition. P3 parameters were significantly increased for high gains/losses compared to both neutral and small gains/losses and therefore depended on the amount of feedback. Electrophysiology
ip t
techniques can be used to investigate feedback processing upon a gambling task indicating brain reward processing as well as disease-specific or treatment-associated alterations of the
cr
reward system.
Schlüsselwörter:
Elektroenzephalographie,
us
.
event-related
event
related
an
oscillations, gambling task.
potentials,
Keywords: Electroencephalography, event-related potentials, event related oscillations,
M
gambling task.
Korrespondierende Autorin:
ce pt
PD Dr. Daniela Krause
ed
Interessenkonflikt: Keiner
Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie Ludwig-Maximilians-Universität Nußbaumstr. 7, 80336 München
Ac
Tel: +49-89-440055553
Email: [email protected]
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In unserem Verhalten sind wir sehr von Feedback abhängig, das heißt, unsrer Verhalten ist beeinflussbar: Positives Feedback verstärkt die Wahrscheinlichkeit, dass eine vorherige Handlung wiederholt wird, negatives Feedback vermindert diese Wahrscheinlichkeit. Dieses unterschiedliche Verhalten ist durch verschiedenste Neuronennetzwerke bedingt, die durch Außenreize aktiviert werden. Je nach dem welches Feedback ein Mensch bekommt, werden unterschiedliche Gehirnregionen angesprochen. Speziell Bildgebungsstudien konnten
ip t
Erkenntnisse liefern, die eine Korrelation von Feedback und der Aktivität bestimmter Regionen im Gehirn nachwiesen. Im menschlichen Gehirn zeigten sich vor allem drei
cr
Regionen bei Feedback relevant: der orbitofrontale Kortex (OFC), der Nucleus Accumbens und die Amygdala. Alle diese Regionen spielen auch bei der Emotionsregulierung eine
us
entscheidende Rolle. Aber nicht nur Bildgebungsstudien, sondern auch bei verschiedenen publizierten EEG-Untersuchungen konnten in Studien unterschiedliche Aktivitäten genau
an
dieser drei Gehirnregionen mittels evozierte Potenziale und Oszillationen nachgewiesen werden [1,2].
M
Wir führten eine Untersuchung durch, um die belohnungsassoziierten Veränderungen im EEG bei gesunden Spielern eines digitalen Glücksspiels (Gambling-Paradigma) zu messen. Wobei
vorhersehbar war.
ed
bei diesem Glücksspiel das Feedback, also Belohnung oder Verlust („Bestrafung“) nicht
Zu diesem Zweck wurden insgesamt 29 gesunde Probanden (14 Männer und 15 Frauen) über
ce pt
Anzeigen rekrutiert. Die Teilnehmer waren zwischen 22 und 49 Jahre alt und das Vorliegen einer psychischen Erkrankung (z.B. Spielsucht) wurde ausgeschlossen. Alle Probanden wurden zunächst aufgefordert ein digitales Glücksspiel zu spielen, bei dem sie tatsächlich Geld gewinnen konnten. Die Höhe des möglichen Gewinns sowie strategische
Ac
Methoden um das Geld zu vermehren wurden nicht erläutert. Auch wurde keine Angabe dazu gemacht, ob Methoden zur Gewinnmaximierung bestehen oder es sich um reine Zufallstreffer handelt. Das Spiel war einfach und für die Teilnehmer verständlich konzipiert. Auf einem Bildschirm erschienen gleichzeitig orangene und rote Kreise und die Spieler mussten sich für einen der beiden Kreise entscheiden. Sie bekamen nach 1200 ms ein visuelles Feedback für 1000 ms, das ihnen zeigte wieviel sie gewonnen (= Belohnung) oder verloren (= Bestrafung) hatten. Das Feedback konnte entweder 0 (neutral) oder +/- 20 Cent (kleiner Gewinn oder Verlust) oder +/- 50 Cent (großer Gewinn oder Verlust) sein. Alle Teilnehmer spielten jeweils neun Runden mit 30 Entscheidungen. Am Ende des Spiels gewannen alle Teilnehmer
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unabhängig von ihren Entscheidungen 25,20 Euro. Die Abbildung 1 verdeutlicht das Glücksspiel-Paradigma.
Während die Teilnehmer das Glücksspiel spielten, wurden ereigniskorrelierte Potenziale (ERPs) mit einer 32-Kanal EEG-Elektrodenkappe aufgezeichnet. Mit Hilfe einer Zeit-
ip t
Frequenzband-Analyse (Wavelet-Transformation) wurde außerdem ereigniskorrelierte EEGOszillationen, d.h. hier die evozierte Alpha-, Beta-, Theta- und Gamma-Aktivität (ERO)
cr
bestimmt.
Als Ergebnis konnte diese Untersuchung zeigen, dass die ereigniskorrelierten Potenziale eine
us
höhere Feedback-Related Negativity (FRN) aufwiesen für Gewinn und Verlust insgesamt im Vergleich zum neutralen Feedback (in den Elektroden Fz, Cz und Pz). Allerdings konnten
an
keine Unterschiede bezüglich der Höhe des Gewinns oder Verlustes gefunden werden. Nur die P300 Potenziale waren für das Feedback hoher Gewinn und hoher Verlust signifikant
M
erhöht im Vergleich zum Feedback neutral und auch kleiner Gewinn/Verlust. Die Abbildungen 2 a und b stellen die berechneten Ergebnisse zu Gewinn, Verlust und Neutral insgesamt (2a) und aufgeschlüsselt nach der Höhe des Gewinns und Verlustes (2B) graphisch
ed
dar.
Bei Wavelet-Analyse der ereigniskorrelierten EEG-Oszillationen in den Theta-, Alpha-, Beta-
ce pt
und Gamma-Frequenzbereichen zeigte sich eine signifikant reduzierte Theta-Aktivität für Gewinn und Verlust, eine signifikant reduzierte Alpha-Aktivität für das Feedback Gewinn sowie eine signifikant erhöhte Beta- und Gamma-Aktivität für das neutrale Feedback. Einen verminderte Gamma-Aktivität konnte für das Feedback ‚kleiner Gewinn’ berechnet
Ac
werden. Die Ergebnisse der Wavelet-Analysen werden in den Abbildungen 3 (Gewinn minus Verlust) und in Abbildung 4 (jeweils Gewinn/Verlust minus neutral) verdeutlicht. Das
eingesetzte
Glücksspiel-Paradigma
war
in
der
Lage,
belohnungsassoziierte
elektrophysiologische Korrelate (ERP – Feedback-Related-Negativity und ERO – EEG Oszillationen unterschiedlicher Frequenzbereiche), speziell in den Elektroden der Mittellinie (Fz, Cz, Pz) auszulösen. Zudem konnte mittels Wavelet-Analysen gezeigt werden, dass die Oszillationen durch die Höhe des Gewinns bzw. Verlustes beeinflusst werden. Zusammengefasst wurde gezeigt, dass sich unterschiedliches Feedback beim Glücksspiel anhand von ERP und ERO abbilden lässt. Somit hat eignet sich das untersuchte Glücksspiel-
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Paradigma
hervorragend
um
krankheitsspezifische
ebenso
wie
therapieassoziierte
Veränderungen des Belohnungssystems zu messen. Zukünftige Studien sollten diese an gesunden Probanden erhobenen Ergebnisse bei Menschen mit einer psychischen Erkrankung
Ac
ce pt
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replizieren.
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Abbildungen:
an
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Abbildung 1
Abbildung 1: Auf dem ersten Bildschirm konnten sich die Teilnehmer zwischen einem roten und einem orangenen Kreis entscheiden und erhielten dafür Feedback zwischen -0,50 € oder -
Ac
ce pt
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0,20 € (Verlust) bis zu +0,20 € oder +0,50 € (Gewinn) oder neutral 0 Euro.
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Abbildung 2
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Abbildung 2 a) b)
Ac
a) ERP, die durch das Feedback Gewinn, Verlust und Neutral (3 Bedingungen) an den Elektroden Fz, Cz und Pz hervorgerufen wurden. Bei den Teilnehmern zeigten sich niedriger N2 Amplituden währen des Gewinn oder Verlust Feedback als bei der neutralen Bedingung. b) ERPs Untergruppen Neutral, hoher/niedriger Gewinn/Verlust (5 Bedingungen) an den Elektroden Fz, Cz und Pz. Niedrigere N2 Amplituden konnten für hohen und niedrigen Gewinn im Vergleich zu neutral gemessen werden. Abkürzungen: ms = Millisekunden, µV = Mikrovolt.
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Abbildung 3
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Abbildung 3
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ERO nach dem Feedback Gewinn, Verlust und Neutral (3 Bedingungen)
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Abbildung 4
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Abbildung 4
ERO gemessen in den Untergruppen Neutral, hoher/niedriger Gewinn/Verlust (5
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Bedingungen)
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Referenzen: [1] Baker, T. E., & Holroyd, C. B. (2011). Dissociated roles of the anterior cingulate cortex in reward and conflict processing as revealed by the feedback error-related negativity and N200. Biol Psychol, 87(1), 25-34. doi: 10.1016/j.biopsycho.2011.01.010 [2] Cardinal, R. N., Parkinson, J. A., Hall, J., & Everitt, B. J. (2002). Emotion and motivation: the role of the amygdala, ventral striatum, and prefrontal cortex. Neurosci Biobehav
Ac
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Rev, 26(3), 321-352.
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S1439-4847(17)30027-3 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.neulab.2017.06.004 NEULAB 10245
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Please cite this article as: D. Krause, K. Adorjan, S. Langgartner, Belohnungsassoziierte Ver¨anderungen im EEG - Lassen sich Gewinn- und Verlusterleben bei Glddotucksspielen mittels evozierter Potenziale und EEG-Oszillationen abbilden?, Neurophysiologie-Labor (2010), http://dx.doi.org/10.1016/j.neulab.2017.06.004 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.
Belohnungsassoziierte Veränderungen im EEG Lassen sich Gewinn- und Verlusterleben bei Glücksspielen mittels evozierter Potenziale und EEG-Oszillationen abbilden?
Daniela Krause, Kristina Adorjan, Simon Langgartner
ip t
Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie, Klinikum der Universität München, LMU München
cr
Titel (Englisch)
Reward related changes in EEG - unexpected gains and losses can be measured with event-
M
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Eingereicht am 13. Juni 2017 Angenommen am 26. Juni 2017
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related potentials and oscillatory EEG activity
Zusammenfassung (Deutsch)
In Studien mit bildgebenden Verfahren (z.B. fMRT) fanden sich im Zusammenhang mit
ed
Stimuli (positives oder negatives Feedback), die durch das zentrale Belohnungssystem verarbeitet werden, Veränderungen der neuronalen Aktivität in verschiedenen kortikalen und
ce pt
subkortikalen Hirnregionen. Im Rahmen einer EEG-Studie wurde nun ein Paradigma entwickelt, um ereigniskorrelierte Potentiale (ERP) und EEG-Oszillationen (ERO) in Zusammenhang mit Gewinn- oder Verlust-Feedback elektrophysiologisch abzuleiten und zu analysieren. Sowohl die ERP als auch die Oszillationen wiesen nach einem Gewinn- oder Verlust-Feedback gegenüber einer neutralen Bedingung Unterschiede auf, sodass die
Ac
Aktivität des zentralen Belohnungssystems auch elektrophysiologisch differenziell untersucht werden konnte.
Summary (Englisch) Previous neuroimaging studies identified brain areas associated with reward processing following reward or punishment and showed altered neuronal activities. The present study aimed to examine, whether feedback-based experiences of gains and losses are associated with electrophysiological correlates. Healthy participants were investigated using a gambling task, which focused on non-predictable gain and loss experiences. Electroencephalography
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(EEG) recordings were performed during task execution to assess electrophysiological correlates of reward processing. Event related potentials (ERPs) and event related oscillations (EROs) were analysed upon feedback of gains/losses (high and small). The data revealed differences of feedback related changes for gains/losses compared to the neutral condition. P3 parameters were significantly increased for high gains/losses compared to both neutral and small gains/losses and therefore depended on the amount of feedback. Electrophysiology
ip t
techniques can be used to investigate feedback processing upon a gambling task indicating brain reward processing as well as disease-specific or treatment-associated alterations of the
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reward system.
Schlüsselwörter:
Elektroenzephalographie,
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event-related
event
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oscillations, gambling task.
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Keywords: Electroencephalography, event-related potentials, event related oscillations,
M
gambling task.
Korrespondierende Autorin:
ce pt
PD Dr. Daniela Krause
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Interessenkonflikt: Keiner
Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie Ludwig-Maximilians-Universität Nußbaumstr. 7, 80336 München
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Tel: +49-89-440055553
Email: [email protected]
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In unserem Verhalten sind wir sehr von Feedback abhängig, das heißt, unsrer Verhalten ist beeinflussbar: Positives Feedback verstärkt die Wahrscheinlichkeit, dass eine vorherige Handlung wiederholt wird, negatives Feedback vermindert diese Wahrscheinlichkeit. Dieses unterschiedliche Verhalten ist durch verschiedenste Neuronennetzwerke bedingt, die durch Außenreize aktiviert werden. Je nach dem welches Feedback ein Mensch bekommt, werden unterschiedliche Gehirnregionen angesprochen. Speziell Bildgebungsstudien konnten
ip t
Erkenntnisse liefern, die eine Korrelation von Feedback und der Aktivität bestimmter Regionen im Gehirn nachwiesen. Im menschlichen Gehirn zeigten sich vor allem drei
cr
Regionen bei Feedback relevant: der orbitofrontale Kortex (OFC), der Nucleus Accumbens und die Amygdala. Alle diese Regionen spielen auch bei der Emotionsregulierung eine
us
entscheidende Rolle. Aber nicht nur Bildgebungsstudien, sondern auch bei verschiedenen publizierten EEG-Untersuchungen konnten in Studien unterschiedliche Aktivitäten genau
an
dieser drei Gehirnregionen mittels evozierte Potenziale und Oszillationen nachgewiesen werden [1,2].
M
Wir führten eine Untersuchung durch, um die belohnungsassoziierten Veränderungen im EEG bei gesunden Spielern eines digitalen Glücksspiels (Gambling-Paradigma) zu messen. Wobei
vorhersehbar war.
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bei diesem Glücksspiel das Feedback, also Belohnung oder Verlust („Bestrafung“) nicht
Zu diesem Zweck wurden insgesamt 29 gesunde Probanden (14 Männer und 15 Frauen) über
ce pt
Anzeigen rekrutiert. Die Teilnehmer waren zwischen 22 und 49 Jahre alt und das Vorliegen einer psychischen Erkrankung (z.B. Spielsucht) wurde ausgeschlossen. Alle Probanden wurden zunächst aufgefordert ein digitales Glücksspiel zu spielen, bei dem sie tatsächlich Geld gewinnen konnten. Die Höhe des möglichen Gewinns sowie strategische
Ac
Methoden um das Geld zu vermehren wurden nicht erläutert. Auch wurde keine Angabe dazu gemacht, ob Methoden zur Gewinnmaximierung bestehen oder es sich um reine Zufallstreffer handelt. Das Spiel war einfach und für die Teilnehmer verständlich konzipiert. Auf einem Bildschirm erschienen gleichzeitig orangene und rote Kreise und die Spieler mussten sich für einen der beiden Kreise entscheiden. Sie bekamen nach 1200 ms ein visuelles Feedback für 1000 ms, das ihnen zeigte wieviel sie gewonnen (= Belohnung) oder verloren (= Bestrafung) hatten. Das Feedback konnte entweder 0 (neutral) oder +/- 20 Cent (kleiner Gewinn oder Verlust) oder +/- 50 Cent (großer Gewinn oder Verlust) sein. Alle Teilnehmer spielten jeweils neun Runden mit 30 Entscheidungen. Am Ende des Spiels gewannen alle Teilnehmer
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unabhängig von ihren Entscheidungen 25,20 Euro. Die Abbildung 1 verdeutlicht das Glücksspiel-Paradigma.
Während die Teilnehmer das Glücksspiel spielten, wurden ereigniskorrelierte Potenziale (ERPs) mit einer 32-Kanal EEG-Elektrodenkappe aufgezeichnet. Mit Hilfe einer Zeit-
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Frequenzband-Analyse (Wavelet-Transformation) wurde außerdem ereigniskorrelierte EEGOszillationen, d.h. hier die evozierte Alpha-, Beta-, Theta- und Gamma-Aktivität (ERO)
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bestimmt.
Als Ergebnis konnte diese Untersuchung zeigen, dass die ereigniskorrelierten Potenziale eine
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höhere Feedback-Related Negativity (FRN) aufwiesen für Gewinn und Verlust insgesamt im Vergleich zum neutralen Feedback (in den Elektroden Fz, Cz und Pz). Allerdings konnten
an
keine Unterschiede bezüglich der Höhe des Gewinns oder Verlustes gefunden werden. Nur die P300 Potenziale waren für das Feedback hoher Gewinn und hoher Verlust signifikant
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erhöht im Vergleich zum Feedback neutral und auch kleiner Gewinn/Verlust. Die Abbildungen 2 a und b stellen die berechneten Ergebnisse zu Gewinn, Verlust und Neutral insgesamt (2a) und aufgeschlüsselt nach der Höhe des Gewinns und Verlustes (2B) graphisch
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dar.
Bei Wavelet-Analyse der ereigniskorrelierten EEG-Oszillationen in den Theta-, Alpha-, Beta-
ce pt
und Gamma-Frequenzbereichen zeigte sich eine signifikant reduzierte Theta-Aktivität für Gewinn und Verlust, eine signifikant reduzierte Alpha-Aktivität für das Feedback Gewinn sowie eine signifikant erhöhte Beta- und Gamma-Aktivität für das neutrale Feedback. Einen verminderte Gamma-Aktivität konnte für das Feedback ‚kleiner Gewinn’ berechnet
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werden. Die Ergebnisse der Wavelet-Analysen werden in den Abbildungen 3 (Gewinn minus Verlust) und in Abbildung 4 (jeweils Gewinn/Verlust minus neutral) verdeutlicht. Das
eingesetzte
Glücksspiel-Paradigma
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in
der
Lage,
belohnungsassoziierte
elektrophysiologische Korrelate (ERP – Feedback-Related-Negativity und ERO – EEG Oszillationen unterschiedlicher Frequenzbereiche), speziell in den Elektroden der Mittellinie (Fz, Cz, Pz) auszulösen. Zudem konnte mittels Wavelet-Analysen gezeigt werden, dass die Oszillationen durch die Höhe des Gewinns bzw. Verlustes beeinflusst werden. Zusammengefasst wurde gezeigt, dass sich unterschiedliches Feedback beim Glücksspiel anhand von ERP und ERO abbilden lässt. Somit hat eignet sich das untersuchte Glücksspiel-
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therapieassoziierte
Veränderungen des Belohnungssystems zu messen. Zukünftige Studien sollten diese an gesunden Probanden erhobenen Ergebnisse bei Menschen mit einer psychischen Erkrankung
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Abbildungen:
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Abbildung 1: Auf dem ersten Bildschirm konnten sich die Teilnehmer zwischen einem roten und einem orangenen Kreis entscheiden und erhielten dafür Feedback zwischen -0,50 € oder -
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0,20 € (Verlust) bis zu +0,20 € oder +0,50 € (Gewinn) oder neutral 0 Euro.
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a) ERP, die durch das Feedback Gewinn, Verlust und Neutral (3 Bedingungen) an den Elektroden Fz, Cz und Pz hervorgerufen wurden. Bei den Teilnehmern zeigten sich niedriger N2 Amplituden währen des Gewinn oder Verlust Feedback als bei der neutralen Bedingung. b) ERPs Untergruppen Neutral, hoher/niedriger Gewinn/Verlust (5 Bedingungen) an den Elektroden Fz, Cz und Pz. Niedrigere N2 Amplituden konnten für hohen und niedrigen Gewinn im Vergleich zu neutral gemessen werden. Abkürzungen: ms = Millisekunden, µV = Mikrovolt.
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ERO nach dem Feedback Gewinn, Verlust und Neutral (3 Bedingungen)
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ERO gemessen in den Untergruppen Neutral, hoher/niedriger Gewinn/Verlust (5
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Referenzen: [1] Baker, T. E., & Holroyd, C. B. (2011). Dissociated roles of the anterior cingulate cortex in reward and conflict processing as revealed by the feedback error-related negativity and N200. Biol Psychol, 87(1), 25-34. doi: 10.1016/j.biopsycho.2011.01.010 [2] Cardinal, R. N., Parkinson, J. A., Hall, J., & Everitt, B. J. (2002). Emotion and motivation: the role of the amygdala, ventral striatum, and prefrontal cortex. Neurosci Biobehav
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Rev, 26(3), 321-352.
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