Tracking the mind's image in the brain : combining evidence from fMRI and rTMS

Die Dissertation kombiniert die Methode der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) zur genauen räumlichen Lokalisation aufgabenkorrelierter parietaler Aktivierungen mit Transkranieller Magnetstimulation (TMS) zur systematischen Untersuchung der funktionellen Relevanz dieser Aktivierungen für die tatsächliche Leistungsfähigkeit. Die experimentelle Kombination beider Methoden ermöglichte die gezielte Stimulation der im tMRT identifizierten, mit visuospatialen Fähigkeiten assoziierten Hirnareale. Durch die systematische Auswertung der TMS-induzierten visuospatialen Leistungsveränderungen wurde die spezifische funktionelle Bedeutung dieser Hirnareale für visuospatiale Leistungen experimentell untersucht. Der zugrunde gelegte Versuchsplan umfasste sowohl visuospatiale Leistungen auf der Grundlage visuell dargebotener als auch mental vorgestellter Aufgaben. Dies ermöglichte die systematische Untersuchung, ob und inwieweit mentale visuospatiale Informationsverarbeitung die gleichen oder ähnliche Aktivierungsmuster im fMRT aufweist wie visuospatiale Verarbeitung visuell dargebotener Stimuli, und ob sich diese Aktivierungsmuster vorgestellter Stimuli unter dem Einfluss von rTMS in gleicher Weise als funktionell relevant erweisen. Aufgrund der separaten unilateralen Stimulation beider Hemisphären konnten darüber hinaus die unterschiedlichen behavioralen Auswirkungen einer Aktivierungsunterdrückung des linken und rechten Parietalkortex systematisch untersucht werden. Obwohl die Ausführung visuospatialer Aufgaben, sowohl auf der Grundlage visuell dargebotener als auch mental vorgestellter Stimuli, im fMRT mit einer bilateralen Aktivierung im Parietalkortex korrelierte, führte lediglich die TMS-induzierte temporäre Unterbrechung der neuronalen Aktivierung im rechten Parietalkortex zu einer signifikanten Verschlechterung in der Leistungsfähigkeit der damit assoziierten visuospatialen Aufgaben. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde ein modulares Modell der visuospatialen Imagination formuliert, in welchem den aufgabenkorrelierten bilateralen Aktivierungen aufgrund ihrer raum-zeitlichen Separierbarkeit unterschiedliche mentale Prozesse und aufgrund der mit TMS aufgezeigten funktionellen hemisphärischen Asymmetrie parietaler Aktivierung für visuospatiale Informationsverarbeitung unterschiedliche Kompensationsmechanismen zugeordnet wurden

Parietal dysfunction in children with prenatal alcohol exposure

The parietal lobe has been shown to be one of the regions most affected by prenatal alcohol exposure. Functional domains dependent on intact parietal functioning, including mathematical and visuospatial ability, have been consistently implicated in fetal alcohol spectrum disorders. This thesis examines, in children, using blood oxygenation level dependent (BOLD) functional Magnetic Resonance Imaging, the effect of prenatal alcohol exposure on brain activation during symbolic and nonsymbolic number processing, and place learning in a virtual environment. These functional domains were investigated using tasks of proximity judgment and exact addition to assess neural correlates of symbolic number processing in 65 children (mean age ± SD = 9.45 ± 0.42 years), nonsymbolic number comparison at varying difficulties in 34 children (11.55 ± 1.15 years), and place learning in a virtual reality computer generated (CG) arena in 57 children (9.44 ± 0.42 years; 29 boys). In the symbolic number processing tasks greater prenatal alcohol exposure was related to less activation in the right horizontal intraparietal sulcus known to mediate mental representation and manipulation of quantity. Children with fetal alcohol syndrome and partial fetal alcohol syndrome appeared to compensate for this deficit by increased activation of the left angular gyrus during the proximity judgment task. Syndromal children with fetal alcohol syndrome or partial fetal alcohol syndrome also demonstrated poor recruitment of the right horizontal intraparietal sulcus during nonsymbolic number comparison, indicating that mental representation and manipulation of quantity are impaired in children with heavy prenatal alcohol exposure, irrespective of the representation format used. This impairment was compensated for by the left angular gyrus, with only exposed children needing to recruit the left angular gyrus to a greater extent as number comparison task difficulty increased. Further, reduced activation of the right posterior superior parietal lobule in children with increasing prenatal alcohol exposure suggests that exposed children may be less able to employ the attentional systems associated with number processing. Notably, activation of nonsyndromal heavily exposed children was impaired in the right posterior superior parietal lobule, but spared in the right horizontal intraparietal sulcus. In boys only, prenatal alcohol exposure was associated with poorer place learning and reduced activation during place learning in the precuneus and posterior cingulate, as well as parahippocampal gyrus, frontal and temporal lobes, caudate, insula, claustrum, lentiform nucleus and thalamus. In girls, prenatal alcohol exposure was not associated with place learning performance or activation during place learning in any regions. These results confirm that boys and girls use different navigation strategies that rely on different brain regions and suggest that the regions used by boys are more susceptible to alcohol damage, while the regions used by girls are relatively spared. In conclusion, all the tasks investigated showed prenatal alcohol exposure related alterations in parietal function, with the impairments being widespread throughout the parietal lobe bilaterally. Notably, activation of the bilateral precuneus was affected by prenatal alcohol exposure in both the spatial navigation and nonsymbolic number comparison tasks. It is possible that this is a key region linking the deficits in number processing and visuospatial skills in children with prenatal alcohol exposure

Measuring cognitive load and cognition: metrics for technology-enhanced learning

This critical and reflective literature review examines international research published over the last decade to summarise the different kinds of measures that have been used to explore cognitive load and critiques the strengths and limitations of those focussed on the development of direct empirical approaches. Over the last 40 years, cognitive load theory has become established as one of the most successful and influential theoretical explanations of cognitive processing during learning. Despite this success, attempts to obtain direct objective measures of the theory's central theoretical construct – cognitive load – have proved elusive. This obstacle represents the most significant outstanding challenge for successfully embedding the theoretical and experimental work on cognitive load in empirical data from authentic learning situations. Progress to date on the theoretical and practical approaches to cognitive load are discussed along with the influences of individual differences on cognitive load in order to assess the prospects for the development and application of direct empirical measures of cognitive load especially in technology-rich contexts

Functional Neuroanatomy of Dynamic Visuo-Spatial Imagery

The aim of this thesis was the examination of the neural bases of dynamic visuo-spatial imagery. In addition to the assessment of brain activity during dy-namic visuo-spatial imagery using single-trial functional magnetic resonance im-aging (fMRI) and slow cortical potentials (SCPs), several methodological issues have been investigated. The theoretical part of this thesis consists of a selective overview of fMRI and SCPs, and of the advantages of their combination for functional neuroimaging (chapter 2). The methodological and empirical chapters include: Ø the presentation of a new, highly accurate and practicable method for the co-registration of MRI- and EEG-data (chapter 3), Ø the description of the increase in the accuracy of SCP mapping resulting from the use of individual electrode coordinates and realistic head models (chapter 4), Ø the description of regional differences in the consistency of brain activity across several executions of the same task type, as assessed by a new analysis con-cept based on single-trial fMRI data (chapter 5), Ø the demonstration of the involvement of premotor regions in dynamic visuo-spatial imagery, as assessed via a combination of single-trial fMRI and SCPs (chapter 6), Ø the description of a combined fMRI-SCP investigation in which earlier findings concerning individual differences in neural efficiency during dynamic imagery could not be replicated (chapter 7)

Die neurophysiologischen Grundlagen von Arbeitsgedächtnisdefiziten bei der Schizophrenie

The pathophysiology of schizophrenia is still poorly understood. Investigating the neurophysiological correlates of cognitive dysfunction with functional neuroimaging techniques such as electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) is widely considered to be a possible solution for this problem. Working memory impairment is one of the most prominent cognitive impairments found in schizophrenia. Working memory can be divided into a number of component processes, encoding, maintenance and retrieval. They appear to be differentially affected in schizophrenia, but little is known about the neurophysiological disturbances which contribute to deficits in these component processes. The aim of this dissertation was to elucidate the neurophysiological underpinnings of the component processes of working memory and their disturbance in schizophrenia. In the first study the the neurophysiological substrates of visual working memory capacity limitations were investigated during encoding, maintenance and retrieval in 12 healthy subjects using event-related fMRI. Subjects had to encode up to four abstract visual shapes and maintain them in working memory for 12 seconds. Afterwards a test stimulus was presented, which matched one of the previously shown shapes in fifty percent of the trials. A bilateral inverted U-shape pattern of BOLD activity with increasing memory load in areas closely linked with selective attention, i.e. the frontal eye fields and areas around the intraparietal sulcus, was observed already during encoding. The increase of the number of stored items from memory load three to memory load four in these regions was negatively correlated with the increase of BOLD activity from memory load three to memory load four. These results point to a crucial role of attentional processes for the limited capacity of working memory. In the second study, the contribution of early perceptual processing deficits during encoding and retrieval to working memory dysfunction was investigated in 17 patients with schizophrenia and 17 healthy control subjects using EEG and event-related fMRI. A slightly modified version of the working memory task used in the fist study was employed. Participants only had to encode and maintain up to three items. In patients the amplitude of the P1 event-related potential was significantly reduced already during encoding in all memory load conditions. Similarly, BOLD activity in early visual areas known to generate the P1 was significantly reduced in patients. In controls, a stronger P1 amplitude increase with increasing memory load predicted better performance. These findings indicate that in addition to later memory related processing stages early visual processing is disturbed in schizophrenia and contributes to working memory dysfunction by impairing the encoding of information. In the third study, which was based on the same data set as the second study, cortical activity and functional connectivity in 17 patients with schizophrenia and 17 to healthy control subjects during the working memory encoding, maintenance and retrieval was investigated using event-related fMRI. Patients had reduced working memory capacity. During encoding activation in the left ventrolateral prefrontal cortex and extrastriate visual cortex was reduced in patients but positively correlated with working memory capacity in controls. During early maintenance patients switched from hyper- to hypoactivation with increasing memory load in a fronto-parietal network which included left dorsolateral prefrontal cortex. During retrieval right ventrolateral prefrontal hyperactivation was correlated with encoding-related hypoactivation of left ventrolateral prefrontal cortex in patients. Cortical dysfunction in patients during encoding and retrieval was accompanied by abnormal functional connectivity between fronto-parietal and visual areas. These findings indicate a primary encoding deficit in patients caused by a dysfunction of prefrontal and visual areas. The findings of these studies suggest that isolating the component processes of working memory leads to more specific markers of cortical dysfunction in schizophrenia, which had been obscured in previous studies. This approach may help to identify more reliable biomarkers and endophenotypes of schizophrenia.Die Pathophysiologie der Schizophrenie ist noch immer weitgehend unverstanden. Die Untersuchung der neurophysiologischen Grundlagen kognitiver Störungen mit den Methode der funktionellen Bildgebung wie der Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) wird als mögliche Lösung für dieses Problem angesehen. Störungen des Arbeitsgedächtnisses sind eines der bedeutendsten kognitive Defizite der Schizophrenie. Das Arbeitsgedächtnis kann in eine Reihe von Subprozessen eingeteilt werden, die Enkodierung, das Halten und das Abrufen von Information. Diese Subprozesse scheinen bei der Schizophrenie in differenzieller Weise beeinträchtigt zu sein, über die zugrundeliegenden neurophysiologischen Störungen ist jedoch sehr wenig bekannt. Das Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der neurophysiologischen Grundlagen dieser Arbeitsgedächtnissubprozesse und ihrer Störung bei der Schizophrenie. In der ersten Studie wurden die neurophysiologischen Korrelate der Kapazitätsbegrenzungen des Arbeitsgedächtnisses während der Enkodierung, des Halten und des Abrufen von Information in 12 gesunden Probanden mittels fMRT untersucht. Die Probanden mußten bis zu vier abstrakte Figuren enkodieren und für 12 Sekunden im Arbeitsgedächtnis behalten. Anschließend wurde ein Testreiz präsentiert, der in fünfzig Prozent der Fälle mit einem der vorher gezeigten Figuren übereinstimmte. Während der Enkodierung zeigte sich mit steigender Arbeitsgedächtnisbelastung in den frontalen Augenfeldern und im Bereich des Sulcus intraparietalis, die beide eng mit selektiver Aufmerksamkeit verknüpft sind, beidseits ein Aktivierungsmuster in Form eines invertierten U. Für den Anstieg der Anzahl der erfolgreich gespeicherten Objekte fand sich in den beiden schwierigsten Bedingungen eine negative Korrelation mit dem Aktivierungsanstieg in diesen Regionen. Diese Ergebnisse weisen auf eine wichtige Rolle von Aufmerksamkeitsprozessen für die Begrenzung der Arbeitsgedächtniskapazität hin. In der zweiten Studie wurde die Rolle von Störungen früher perzeptueller Verarbeitungsschritte während der Enkodierung und dem Abrufen von Information aus dem Arbeitsgedächtnis mittels EEG und fMRT bei 17 Patienten mit Schizophrenie und 17 gesunden Kontrollprobanden untersucht. Es wurde eine leicht modifizierte Variante der Aufgabe der ersten Studie verwendet, bei der die Versuchspersonen maximal drei Objekte enkodieren mußten. Bei den Patienten fand sich eine reduzierte Amplitude der P1 während der Enkodierung unabhängig von der Zahl der zu merken Objekte. In frühen visuellen Arealen, die für die Entstehung der P1 verantwortlich sind, zeigte sich ebenso eine verminderte Hirnaktivität. Bei den Kontrollprobanden war eine stärkerer P1 Amplitudenanstieg mit steigender Zahl der Objekte mit einer höheren Antwortrichtigkeit assoziiert. Dies Befunde weisen darauf hin, daß zusätzlich zu späteren Gedächtnisprozessen die führe visuelle Verarbeitung bei der Schizophrenie gestört ist und die Enkodierung von Informationen beeinträchtigt. In der dritten Studie, die auf dem gleichen Datensatz wie die zweite Studie basiert, wurde die kortikale Hirnaktivität sowie die funktionelle Konnektivität während der Enkodierung, dem Halten und dem Abrufen von Information mittels fMRT bei 17 Patienten mit Schizophrenie und 17 gesunden Kontrollprobanden untersucht. Die Arbeitsgedächtniskapazität der Patienten war reduziert. Während der Enkodierung war die Aktivität des linken ventrolateralen präfrontalen Kortex und des extrastriatären visuellen Kortex bei den Patienten reduziert. Bei den Kontrollprobanden fand sich in diesen Arealen eine positive Korrelation zwischen Hirnaktivität und Arbeitsgedächtniskapazität. Während der frühen Haltephase wechselten die Patienten mit steigender Objektzahl von einer präfrontalen Über- zu einer Minderaktivierung eines frontoparietalen Netzwerks, welches den linken dorsolateralen präfrontalen Kortex mit einschloss. Die Überaktivierung des rechten ventrolateralen präfrontalen Kortex während der Abrufphase korrelierte bei den Patienten mit der Minderaktivierung des linken ventrolateralen präfrontalen Kortex während der Enkodierung. Während der Enkodierung und dem Abrufen fand sich eine gestörte funktionellen Konnektivität zwischen frontoparietalen und visuellen Arealen. Diese Befunde weisen auf ein primäres Enkodierungsdefizit als Folge einer Dysfunktion präfrontaler und visueller Areale bei den Patienten hin. Die Ergebnisse der Studien deuten darauf hin, daß die getrennte Untersuchung der Arbeitsgedächtnissubkomponenten zu spezifischeren Markern kortikaler Dysfunktion bei den Patienten führen, die in früheren Studien verdeckt geblieben waren. Dieser Ansatz könnte dabei helfen, reliablere Biomarker und Endophäntoypen für die Schizophrenie zu identifizieren

Dynamic Network Mechanisms of Relational Integration

A prominent hypothesis states that specialized neural modules within the human lateral frontopolar cortices (LFPCs) support “relational integration” (RI), the solving of complex problems using inter-related rules. However, it has been proposed that LFPC activity during RI could reflect the recruitment of additional “domain-general” resources when processing more difficult problems in general as opposed to RI specifi- cally. Moreover, theoretical research with computational models has demonstrated that RI may be supported by dynamic processes that occur throughout distributed networks of brain regions as opposed to within a discrete computational module. Here, we present fMRI findings from a novel deductive reasoning paradigm that controls for general difficulty while manipulating RI demands. In accordance with the domain- general perspective, we observe an increase in frontoparietal activation during challenging problems in general as opposed to RI specifically. Nonetheless, when examining frontoparietal activity using analyses of phase synchrony and psychophysiological interactions, we observe increased network connectivity during RI alone. Moreover, dynamic causal modeling with Bayesian model selection identifies the LFPC as the effective connectivity source. Based on these results, we propose that during RI an increase in network connectivity and a decrease in network metastability allows rules that are coded throughout working memory systems to be dynamically bound. This change in connectivity state is top-down propagated via a hierarchical system of domain-general networks with the LFPC at the apex. In this manner, the functional network perspective reconciles key propositions of the globalist, modular, and computational accounts of RI within a single unified framework

Cortical Mechanisms for Transsaccadic Perception of Visual Object Features

The cortical correlates for transsaccadic perception (i.e., the ability to perceive, maintain, and update information across rapid eye movements, or saccades; Irwin, 1991) have been little investigated. Previously, Dunkley et al. (2016) found evidence of transsaccadic updating of object orientation in specific intraparietal (i.e., supramarginal gyrus, SMG) and extrastriate occipital (putative V4) regions. Based on these findings, I hypothesized that transsaccadic perception may rely on a single cortical mechanism. In this dissertation, I first investigated whether activation in the previous regions would generalize to another modality (i.e., motor/grasping) for the same feature (orientation) change, using a functional magnetic resonance imaging (fMRI) event-related paradigm that involved participants grasping a three-dimensional rotatable object for either fixations or saccades. The findings from this experiment further support the role of SMG in transsaccadic updating of object orientation, and provide a novel view of traditional reach/grasp-related regions in their ability to update grasp-related signals across saccades. In the second experiment, I investigated whether parietal cortex (e.g., SMG) plays a general role in the transsaccadic perception of other low-level object features, such as spatial frequency. The results point to the engagement of a different, posteromedial extrastriate (i.e., cuneus) region for transsaccadic perception of spatial frequency changes. This indirect assessment of transsaccadic interactions for different object features suggests that feature sensitive mechanisms may exist. In the third experiment, I tested the cortical correlates directly for two object features: orientation and shape. In this experiment, only posteromedial extrastriate cortex was associated with transsaccadic feature updating in the feature discrimination task, as it showed both saccade and feature modulations. Overall, the results of these three neuroimaging studies suggest that transsaccadic perception may be brought about by more than a single, general mechanism and, instead, through multiple, feature-dependent cortical mechanisms. Specifically, the saccade system communicates with inferior parietal cortex for transsaccadic judgements of orientation in an identified object, whereas as a medial occipital system is engaged for feature judgements related to object identity

Interaktionen zwischen visuellem Arbeitsgedächtnis und Aufmerksamkeit

Visual working memory (WM) and selective attention are fundamental cognitive mechanisms, both operating at the interface between perception and action. They are related because both are postulated to have limits with respect to how much information can be processed. Specifically, selective attention has been implicated as a limiting factor for the storage capacity of visual WM. However, visual WM and attention have been largely studied in isolation and interactions between the two have rarely been addressed. This dissertation aimed at investigating interactions between selective attention and the encoding of information into visual WM in the context of one common characteristic feature, namely their limitation in capacity. An experimental task was used that combined visual search with delayed discrimination and the demands on selective attention and WM encoding were manipulated orthogonally. In each trial participants were presented with a search array consisting of nine different grey geometric shapes. A small L-shaped item that appeared in one of four different orientations and that was coloured either blue or red was placed in the centre of each shape. Participants were instructed to search for predefined target items (Ls oriented 90°) and to memorise the shapes associated with these target items. After a delay phase a probe was presented and participants decided whether it did or did not match one of the memorised shapes. Attentional demand was manipulated by changing the search efficiency in the visual search component of the task (easy vs. difficult search) and WM load was manipulated by the number of targets (1 to 5). A behavioural study was conducted to isolate the processes that allowed participants to successfully encode complex shapes into WM while engaging spatial attention for a visual search task. The data provided evidence for a two-step encoding strategy. In the first step participants selected and memorised only the locations of all target items and only then they encoded the associated shapes at a later step. This strategy allowed them to cope with the interference between WM and attention that would otherwise take place. In the second part of this dissertation interference between visual attention and the encoding into visual WM was investigated on the level of neural activation using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Specifically, the hypothesis was tested that the capacity limitation of visual WM is due to common limited-capacity neural resources shared by visual WM and attention. Two separate fMRI experiments were conducted that combined visual search and delayed visual discrimination for either objects (experiment 1) or locations (experiment 2). The results revealed overlapping activation for attention-demanding visual search and object WM encoding in distributed posterior and frontal regions. In the right prefrontal cortex and bilateral insula BOLD activation additively increased with increased WM load and attentional demand. Conversely, the analysis revealed an interaction effect in several visual, parietal, and premotor areas. These regions showed overlapping activation for the two task components and were severely reduced in their WM load response under the condition with high attentional demand. This interaction effect was found in similar frontal and posterior regions when combining visual search and spatial WM encoding in experiment 2. In contrast, regions in the prefrontal cortex were selectively responsive to WM load and differed to some degree depending on the WM domain. Here, activation associated with increased WM load was delayed rather than reduced under high attentional demand. The fMRI results provide convergent evidence that visual selective attention and the encoding of information into WM share, to a high degree, common neural resources. The findings indicate that competition for resources shared by visual attention and WM encoding can limit processing capabilities in distributed posterior brain regions but not the prefrontal cortex. The findings support the view that WM evolves from the recruitement of attentional mechanisms (Cowan, 2001; Wheeler und Treisman, 2002) the very same that act upon perceptual representations as well (Slotnick, 2004; Jonides et al., 2005; Pasternak and Greenlee, 2005; Postle, 2006; Ranganath, 2006). The similarity in the effects of interference between attention and the encoding of objects or locations into WM indicates that the attention-based model of WM encoding is valid across different WM domains. The capacity of visual WM can be limited at various stages of processing. The behavioural and fMRI data presented in this dissertation illustrate that one major bottleneck of information processing arises from the common demands on neural and cognitive resources shared between visual WM and selective attention during the encoding stage.Selektive visuelle Aufmerksamkeit und das visuelle Arbeitsgedächtnis (AG) stellen fundamentale kognitive Mechanismen an der Schnittstelle zwischen Wahrnehmen und Handeln dar. Ein gemeinsamer zentraler Aspekt ist ihre begrenzte Kapazität. Aufmerksamkeitsprozesse werden als ein limitierender Faktor der Kapazität des visuellen AGs diskutiert. AG- und Aufmerksamkeitsprozesse wurden jedoch bisher überwiegend in separaten Experimenten untersucht und die Beziehung zwischen diesen kognitiven Systemen ist unzureichend geklärt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Interaktionen zwischen den Prozessen der selektiven Aufmerksamkeit und der Enkodierung in das visuelle AG im Kontext ihrer begrenzten Verarbeitungskapazität zu untersuchen. Es wurde eine Aufgabe entwickelt, in der die Anforderungen an beide Mechanismen unabhängig von einander manipuliert wurden. Den Probanden wurde ein visuelles Feld bestehend aus neun Figuren präsentiert. Jede Figur war in der Mitte mit einem farbigen, L-förmigen Winkel markiert. Die Probanden waren instruiert, nach zuvor definierten Zielwinkeln zu suchen und sich die so markierten Figuren zu merken. Nach einer Haltephase wurde den Probanden ein Testreiz dargeboten, der mit den zuvor gespeicherten Figuren abzugleichen war. Die Gedächtnislast wurde über die Anzahl der zu enkodierenden Figuren manipuliert (1 bis 5). Die Aufmerksamkeitsanforderung wurde über den Schwierigkeitsgrad der visuellen Suche bestimmt (einfach vs. schwierig). In einer Verhaltensstudie konnten die kognitiven Prozesse isoliert werden, die es den Probanden ermöglichten, komplexe Figuren trotz interferierender Aufmerksamkeitsanforderungen erfolgreich in das AG zu enkodieren. Die Ergebnisse wiesen auf eine zweistufige Enkodierungsstrategie hin, die das Detektieren und Memorieren der Positionen aller Zielwinkel vor der Enkodierung der relevanten Figuren umfasste. Die anschließende Untersuchung mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) diente dazu, Interaktionen zwischen diesen Prozessen auf neuronaler Ebene zu charakterisieren. Es wurde die Hypothese getestet, dass die Kapazitätslimitierung des visuellen AGs auf begrenzte neuronale Ressourcen zurückzuführen sei, die gemeinsam von AG- und Aufmerksamkeitsprozessen beansprucht werden. Dazu wurden zwei fMRT-Experimente durchgeführt, in denen die visuelle Suche mit der Enkodierung von Figuren (Experiment 1) bzw. Positionen (Experiment 2) kombiniert wurde. Die Ergebnisse zeigten für die schwierige visuelle Suche und die Enkodierung von Figuren stark überlappende Aktivierungsmuster in verteilten posterioren und frontalen Arealen. Im rechten präfrontalen Kortex und beidseitig in der Inselregion stieg das fMRT-Signal additiv mit zunehmender AG-Last und zunehmender Aufmerksamkeitsanforderung an. Im Gegensatz dazu war in mehreren visuellen, parietalen und prämotorischen Arealen der Effekt der AG-Manipulation in Kombination mit der schwierigen visuellen Suche geringer ausgeprägt als in Kombination mit der einfachen visuellen Suche. Dieser Interaktionseffekt konnte für die Kombination der visuellen Suche mit der Enkodierung von Positionen (Experiment 2) in ähnlichen posterioren Arealen lokalisiert werden. Regionen im Präfrontalkortex waren mit einem Aktivitätsanstieg assoziiert, der selektiv mit der zunehmenden AG-Last korreliert war und in der schwierigen Suchbedingung zeitlich verzögert auftrat. Im Präfrontalkortex konnten zudem materialspezifische Aktivitätsmuster aufgezeigt werden. Die Ergebnisse der fMRT-Experimente zeigten übereinstimmend, dass die Enkodierung von Information in das visuelle AG und visuelle selektive Aufmerksamkeit größtenteils auf gemeinsamen neuronalen Ressourcen beruhen. Der Wettbewerb um begrenzte Ressourcen, die von Enkodierungs- und Aufmerksamkeitsprozessen beansprucht werden, scheint die Verarbeitungskapazität in verteilten posterioren Arealen zu limitieren. Die Befunde stehen im Einklang mit kognitiven Modellen, die Aufmerksamkeitsprozessen eine funktionale Bedeutung für das kurzfristige Halten von Informationen zuschreiben (Cowan, 2001; Wheeler und Treisman, 2002) und unterstützen die Annahme, dass dem AG die gleichen kognitiven und neuronalen Ressourcen zugrunde liegen, die auch für die perzeptuelle Verarbeitung herangezogen werden (Slotnick, 2004; Jonides et al., 2005; Postle, 2006). Die vorliegenden Resultate geben darüber hinaus Hinweise auf eine materialunabhängige Gültigkeit dieser Modelle. Kapazitätsbegrenzungen des visuellen AGs können an verschiedenen Stufen der Verarbeitung zum Tragen kommen. Die Befunde der vorgestellten Verhaltens- und fMRT-Experimente verdeutlichen, dass begrenzte neuronale und kognitive Ressourcen, die gemeinsam von den Mechanismen der visuellen Aufmerksamkeit und des visuellen AG beansprucht werden, zu einem Flaschenhals in der Informationsverarbeitung während der Phase der Enkodierung führen können