title: Neural variability as a marker of cognitive flexibility during learning and decision-making under uncertainty
Creators: name: Skowron, Alexander
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Neuronale Variabilität
subject: Entscheidungsfindung
subject: Lernen
subject: Kognitive Flexibilität
subject: Altern
subject: Dopamin
subject: fMRT
subject: neural variability
subject: decision-making
subject: learning
subject: cognitive flexibility
subject: aging
subject: dopamine
subject: fMRI
subject: 150 Psychologie
subject: 570 Biologie

description: In der realen Welt müssen Agenten oft aus teilweise-informativen Beobachtungen den (sich verändernden) latenten Zustand der Umgebung lernen, um optimale Entscheidungen zu treffen. Dies erfordert den dynamischen Wechsel zwischen relativer kognitiver Flexibilität und Stabilität. In dieser Dissertation stelle ich drei Studien vor, die untersuchten, ob zeitliche neuronale Variabilität, gemessen mit funktioneller Magnetresonanztomographie in Menschen, als neuronaler Marker der kognitiven Flexibilität in diesem Aufgabenkontext dient. Unsere Ergebnisse zeigten, dass bei jüngeren Erwachsenen effizienteres Lernen in einer stationären Umgebung mit einer stärkeren Kompression der neuronalen Variabilität einherging (Kapitel 1) und dass weniger neuronale Variabilität mit mehr kognitiver Stabilität und besserer Lernleistung in einer dynamischen Umgebung verbunden war (Kapitel 2). Bei älteren Erwachsenen hingegen war höhere neuronale Variabilität mit mehr kognitiver Stabilität verbunden, was eine Heuristik der Wiederholung vorheriger Entscheidungen darstellte (Kapitel 2). Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Kompression von neuronaler Variabilität die Verwendung eines erlernten internen Modells der Umgebung reflektieren könnte, um Entscheidungen unter Unsicherheit zu treffen. Darüber hinaus fanden wir, dass individuelle Unterschiede in der Dopaminsystemkapazität, gemessen mit Positronen-Emissions-Tomographie, mit neuronaler Variabilität in verhaltensrelevanten Gehirnregionen zusammenhing (Kapitel 2), und dass die Verabreichung eines Dopamin-Vorläufers die neuronale Variabilität und Aufgabenleistung bei älteren Erwachsenen in einer dynamischen Lernumgebung gemeinsam modulierte (Kapitel 3), abhängig von der Reihenfolge der Medikamentengabe. Dies liefert erste Hinweise darauf, dass dopaminerge Mechanismen der neuronalen Variabilität während des Lernens und Entscheidungsfindung unter Unsicherheit über die menschliche Lebensspanne hinweg zugrunde liegt.
description: In the real world, agents often need to learn about the (changing) latent state of the environment from partially informative observations to make optimal decisions. This requires them to dynamically shift between mental modes of relative cognitive flexibility and stability. In this this dissertation I present three studies that investigated whether moment-to-moment neural variability, measured with functional magnetic resonance imaging in humans, may serve as a neural marker of cognitive flexibility in this task context. We found that in younger adults, more efficient learning in a stationary environment was related to more neural variability compression with increasing evidence exposure (Chapter 1) and that less neural variability related to more cognitive stability and better task performance during learning in a dynamic environment (Chapter 2). In older adults, however, more neural variability related to more cognitive stability, which reflected a decision heuristic to repeat previous choices (Chapter 2). Together, these findings suggest that neural variability compression may reflect the use of a learned internal model of the environment to guide decision-making under uncertainty, rather than reflecting cognitive flexibility/stability per se. Furthermore, we found that individual differences in dopamine system capacity, measured with positron emission tomography, was linked to neural variability in behaviorally-relevant brain regions (Chapter 2) and that administration of a dopamine precursor jointly modulated neural variability and task performance in older adults in a drug-order dependent manner (Chapter 3) during learning in a dynamic environment. These findings provide first evidence that dopaminergic mechanisms may support neural variability during learning and decision-making under uncertainty across the human lifespan.