Universität zu Köln

Reiner, Omer ORCID: 0000-0001-9359-3666 (2023). Developing an fMRI paradigm for studying reinforcement learning with gustatory stimuli. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

One of the main challenges for global public health in the modern world is the rising prevalence of obesity. Obtaining a better understanding of the dysregulated feeding behaviour that leads to obesity, by investigating the decision making and learning processes underlying it, could advance our capabilities in battling the obesity epidemic. Consequently, our aim in this study is to design an experiment that could evaluate these processes. We examined ten healthy participants using a modified version of the "probabilistic selection task". We used gustatory stimuli as a replacement for monetary rewards, to assess the effect of nutritional rewards on the learning behaviour. We subsequently analysed the behavioural results with computational modelling and combined this with imaging data simultaneously acquired with a functional magnetic resonance imaging (fMRI) multiband sequence. All participants in this study succeeded in interpreting and interacting with the gustatory stimuli appropriately. Performance on the task was affected by the subjective valuation of the reward. Participants whose motivation to drink the reward and liking of its taste decreased during the task presented difficulties correctly choosing the more rewarding cues. Computational modelling of the behaviour found that the so-called asymmetric learning model, in which positive and negative reinforcement are differently weighted, best explained the group. The acquired fMRI data was suboptimal and we did not detect the neurological activity we expected in the reward system, which is central to our scientific question. Thus, our study shows it is possible to implement the PST with gustatory stimuli. However, to evaluate the corresponding neurological activity, our fMRI configuration requires improvement. An optimised system could be used in further studies to improve our understanding of the neurobiological mechanisms of learning that lead to obesity and elucidate the role of food as a distinctive reinforcer.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Eine der größten Herausforderungen für die globale Gesundheit ist die weltweit steigende Prävalenz von Adipositas. Die Untersuchung der Entscheidungs- und Lernprozesse für fehlreguliertes Essverhalten und das konsekutiv bessere Verständnis dieser ist entscheidend für die Bekämpfung der Adipositas-Epidemie. Das Ziel dieser Studie ist die Entwicklung und Validierung eines Experiments, welches diese Prozesse untersucht. Zu diesem Zweck untersuchten wir zehn gesunde Probanden mittels einer modifizierten „Probabilistic Selection Task“. Statt einer monetären Belohnung wurden gustatorische Stimuli ausgegeben mit dem Ziel, den Effekt von Nahrungsmitteln auf das Lernverhalten zu untersuchen. Anschließend analysierten wir die Ergebnisse mit computergestützten Modellierungsmethoden und kombinierten diese mit den zeitgleich akquirierten Multiband-Sequenz-basierten fMRT-Bildgebungsdaten. Allen Probanden dieser Studie gelang es, die gustatorischen Stimuli angemessen zu interpretieren und darauf zu reagieren. Der Erfolg hing teils von der individuellen Bewertung der ausgegebenen Belohnung ab. Bei der computergestützten Modellierung war das sogenannte asymmetrische Lernmodell überlegen. Bei diesem Lernmodell wird positive Verstärkung und negative Bestrafung unterschiedlich stark gewertet. Die fMRT-Bildgebungsdaten waren von suboptimaler Qualität. Es fehlte erwartete neurologische Aktivität im Belohnungssystem – die für unsere wissenschaftliche Frage von zentraler Bedeutung ist Zusammenfassend zeigt unsere Studie, dass eine Umsetzung der PST mit gustatorischen Stimuli möglich ist. Um die entsprechende neurologische Aktivität evaluieren zu können, sind jedoch Verbesserungen der fMRT-Einstellungen erforderlich. Ein optimiertes System könnte in weiteren Studien zu einem besseren Verständnis über neurobiologische Lernprozesse, die zu Adipositas führen beitragen, insbesondere die Rolle von Nahrungsmitteln als besondere Verstärker. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Reiner, Omer omerreiner@gmail.com orcid.org/0000-0001-9359-3666 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-646206
Date:	11 November 2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Metabolism Research Faculty of Medicine > Nuklearmedizin > Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin
Subjects:	Psychology Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language fMRI brain reward system obesity dopamine prediction error computational modelling gustatory stimuli behavioural probabilistic selection task English fMRT Gehirn Belohnungssystem Adipositas Dopamin gustatorische Stimulus Verhaltensaufgabe German
Date of oral exam:	21 November 2022
Referee:	Name Academic Title van Eimeren, Thilo Univ.-Prof. Kambeitz, Joseph Univ.-Prof.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/64620