Context dependent modulation of value processing in the human brain

Abstract

Everyday choice options are based on reward. We associate decision options such as a dessert, a holiday destination, a new pair of shoes with certain subjective reward values. However, it is not only the reward value alone that influences our decisions. These values are considered in certain contexts. For example, the price of the shoes or the costs of a vacation are negative values associated with the reward value and serve as contexts. Also, the computation of prediction errors (PE) is context‐dependent. PE refers to the difference between the expected and received reward and its representation adapts to the different reward magnitudes. This context dependency is essential for successful decisions making, because it enables the representation of the whole reward range and at the same time guarantee the sensibility for the smallest changes. In this thesis, I conducted two experiments to investigate the neural correlates of context‐dependent modulation of reward processing. Specifically, two essential contexts were considered: negative value and reward magnitudes. To this end, brain data was collected from healthy subjects using functional magnetic resonance imaging (FMRI). Computational models and effective connectivity analyses were applied for data analysis. The results of the first experiment demonstrate positive and negative values are integrated interactively and not only additively. This interactive process is accompanied by changes in connectivity between the subgenual anterior cingulate cortex (SGACC) and the amygdala. In the second project, the reward magnitude- dependent adaptation of prediction errors was investigated. The results demonstrate that the striatal coding of prediction errors is indifferent for high and low rewards. Furthermore, this adaptation is implemented by striatal connectivity changes with the medial prefrontal cortex (MPFC) and the midbrain. In summary, the results of the two experiments in this thesis show how contextdependent value processing is implemented in the human brain. These results extend our understanding of neural processing of value underlying human decision making.

Viele Alltagsentscheidungen basieren auf Belohnungswerten. Entscheidungsoptionen wie ein Dessert, Urlaubsziele, ein neues Paar Schuhe usw sind mit gewissen positiven Werten assoziiert. Allerdings ist es nicht der Belohnungswert allein, den wir betrachten, um Entscheidungen zu treffen. Vielmehr betrachten wir diese Werte in einen Kontext eingebettet. Beispielsweise sind die Preise der Schuhe oder die Kosten des Urlaubs negative Werte die den Kontext darstellen. Kontextabhängigkeit besteht auch, wenn die Werterwartungen mit dem tatsächlichen Wert verglichen werden. Die Berechnung eines Erwartungsfehlers (Prediction Error, PE), also die Differenz zwischen dem erwarteten und dem tatsächlichen Wert, wird der Belohnungshöhe angepasst. Diese Kontextabhängigkeit ist essenziell für erfolgreiches Entscheidungsverhalten, da diese die Berücksichtigung des gesamten Belohnungsbereichs ermöglicht und gleichzeitig die Sensibilität für kleinste Veränderung garantiert. Für diese Dissertation habe ich zwei Experimente durchgeführt, um die neuronalen Korrelate von kontextabhängiger Wertverarbeitung zu untersuchen. Insbesondere wurden hier die zwei folgenden Kontexte untersucht: negativer Wert und Belohnungshöhe. Dafür wurde die Hirnaktivität von gesunden Probanden mit funktioneller Magnet‐Resonanz‐Tomografie (fMRT) erfasst. Diese Daten wurden mithilfe von mathematischen Modellen und funktionellen Konnektivitätsanalysen ausgewertet. Die Ergebnisse des ersten Experiments zeigen, dass positive Werte mit den assozierten negativen Werten interagieren und nicht nur additiv integriert werden. Dieser Prozess wird mit einer Veränderung der Konnektivität zwischen dem subgenualen anterioren Cingulum (SGACC) und der Amygdala in Verbindung gebracht. In dem zweiten Projekt wurde untersucht, wie die Kodierung von Erwartungsfehlern unterschiedlichen Belohnungshöhen angepasst wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erwartungsfehler für hohe und niedrige Belohnungen indifferent sind. Des Weiteren stellte sich heraus, dass diese Anpassung durch eine Veränderung der Konnektivität zwischen dem präfrontalen Kortex sowie dem Mittelhirn und dem Striatum implementiert wird. Hierbei war die Konnektivität bei hohen Belohnungen geringer ausgeprägt als bei niedrigen Belohnungen. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der beiden Experimente, wie kontextabhängige Wertverarbeitung im menschlichen Gehirn implementiert wird. Diese Ergebnisse erweitern unseren Wissensstand bezüglich der neuronalen Verarbeitung von Werten, die menschlichem Entscheidungsverhalten zugrunde liegen.