Time Course of the Dorsal and Rostral-Ventral Anterior Cingulate Cortex Reveals the Influence of Emotional Valence and Arousal on Cognitive Control in Healthy Subjects and Patients With Schizophrenia

Background: The goal of the present dissertation was to investigate the influence of emotional valence and arousal on cognitive control in healthy subjects and patients with schizophrenia (SZ). The anterior cingulate cortex (ACC) plays a prominent role in this context, with different roles of the dorsal (d)ACC and the rostral-ventral (rv)ACC. Previous studies have documented that emotional valence and arousal are processed in separate brain regions, at different time intervals. However, the time course of the valence and arousal modulation during cognitive control within the dACC and rvACC has yet to be unraveled in emotion-cognition studies. The present study is important because not only does it answer a fundamental question about emotion-cognition interactions, it also extends the understanding of these interactions to the domain of a psychiatric disorder, where dysfunctional emotion-cognition interactions are highly relevant. Methods: 64-channel high density EEG was measured during a modified emotional Stroop task. sLORETA region of interest (ROI) analysis was used to produce the time course of activity within the dACC and rvACC. Two experiments were accomplished in this dissertation. In the first experiment, the reaction time (RT), event related potentials (ERP) and sLORETA ROI activations of n = 27 healthy subjects were assessed in all emotional (valence – neutral, positive, negative; and arousal – high, low) and cognitive (congruent, incongruent) conditions. In the second experiment, the RT, ERP and sLORETA ROI activations of n = 20 patients with SZ and n = 20 matched healthy controls (HC) were compared and evaluated in relation to SZ symptoms. Results: In the first experiment, the temporal activations within the dACC and rvACC were strikingly different with more pronounced initial responses in the rvACC and subsequent significant increased dACC activity at the late negativity window. This study identified the modulation of emotional valence at the N450 stage with higher activations in the positive condition within the rvACC. Emotional arousal modulated the late negativity stage; firstly in the significant arousal × congruence ERP effect and in the significant higher current density in the low arousal condition within the dACC. In the second experiment, evidence is presented which shows significant slower initial increase and lower peaks of temporal activity within the dACC and rvACC in SZ subjects. At the late negativity window, the dACC activity was negatively correlated with the significant higher RT in the high arousal conflict condition in the patient group. The findings also indicated that in contrast to the HC group, there was no significant valence modulation effect (non-significant ERP and rvACC ROI) in SZ subjects at the N450 window, due to the higher neural activity in the neutral condition. Conclusions: Using the sLORETA ROI time course analysis, this study has attained a functional profile of the valence and arousal modulation on cognitive control in healthy subjects. Furthermore, underlying disturbances within the dACC during arousal modulation, associated with cognitive deficits and within the rvACC during valence modulation on cognitive control in SZ subjects were unraveled. Hintergrund: Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die Untersuchung des Einflusses von emotionaler Valenz und Erregung auf die kognitive Kontrolle bei Gesunden und Patienten mit Schizophrenie (SZ). In diesem Zusammenhang spielt der anteriore cingulare Kortex (ACC) eine prominente Rolle, wobei die dorsale (d) ACC und die rostral-ventrale (rv) ACC unterschiedliche Rollen spielen. Fruhere Studien haben gezeigt, dass emotionale Valenz und Erregung in getrennten Gehirnregionen in verschiedenen Zeitintervallen verarbeitet werden. Der zeitliche Verlauf der Valenz- und Arousalmodulation wahrend der kognitiven Kontrolle innerhalb des dACC und des rvACC wurde jedoch bisher nicht in Emotions-Kognitionsstudien aufgeklart. Die vorliegende Studie ist wichtig, weil sie nicht nur eine fundamentale Frage nach Emotions-Kognitions-Interaktionen beantwortet, sondern auch das Verstandnis dieser Interaktionen auf den Bereich einer psychiatrischen Storung erweitert, wo dysfunktionale Emotions-Kognitions-Interaktionen hoch relevant sind. Methoden: 64-Kanal-High-Density-EEG wurden wahrend einer modifizierten emotionalen Stroop-Aufgabe gemessen. Die Analyse der sLORETA-Region von Interesse (ROI) wurde verwendet, um den zeitlichen Verlauf der Aktivitat innerhalb des dACC und rvACC zu ermitteln. Im Rahmen dieser Dissertation wurden zwei Experimente durchgefuhrt. Im ersten Experiment wurden die Reaktionszeit (RZ), ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) und sLORETA ROI Aktivierungen von n = 27 gesunden Probanden unter allen emotionalen (Valenz - neutral, positiv, negativ und Arousal - hoch, niedrig) und kognitiven (kongruent, inkongruent) Bedingungen erhoben. Im zweiten Experiment wurden die RZ, ERP und sLORETA ROI Aktivierungen von n = 20 Patienten mit SZ und n = 20 ubereinstimmenden gesunden Kontrollen (HC) verglichen und in Bezug auf Schizophreniesymptome ausgewertet. Ergebnisse: Im ersten Experiment waren die zeitlichen Aktivierungen innerhalb der dACC und rvACC auffallend unterschiedlich mit ausgepragteren Anfangsantworten in der rvACC und einer anschliesenden signifikant erhohten dACC Aktivitat im spaten Negativitatsfenster. Diese Studie identifizierte die Modulation der emotionalen Valenz im N450-Stadium mit hoheren Aktivierungen im positiven Zustand innerhalb des rvACC. Emotionale Erregung modulierte die Spatnegativitatsstufe; zuerst in dem signifikanten Erregungskongruenz-ERP-Effekt und in der signifikant hoheren Stromdichte in dem niedrigen Erregungszustand innerhalb des dACC. Im zweiten Experiment zeigen die Resultate einen signifikant langsameren anfanglichen Anstieg und niedrigere Spitzen der zeitlichen Aktivitat innerhalb der dACC und rvACC in den SZ-Probanden. Im spaten Negativitatsfenster korrelierte die dACC-Aktivitat negativ mit der signifikant hoheren RZ im Hocherregungskonflikt in den SZ-Probanden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass im Gegensatz zur HC-Gruppe bei SZ-Probanden am N450-Fenster aufgrund der hoheren neuralen Aktivitat im neutralen Zustand kein signifikanter Valenzmodulations-Effekt (nicht-signifikante ERP und rvACC ROI) auftrat. Schlussfolgerungen: Mit der sLORETA ROI Zeitverlaufsanalyse konnte in dieser Studie ein funktionales Profil der Valenz- und Arousalmodulation der kognitiven Kontrolle bei gesunden Probanden erstellt werden. Daruber hinaus wurden die zugrundeliegenden Storungen innerhalb des dACC wahrend der Arousalmodulation, assoziiert mit kognitiven Defiziten und innerhalb des rvACC wahrend der Valenzmodulation der kognitiven Kontrolle bei SZ Probanden aufgeklart.