Aversive and appetitive learning are vital processes for an organism to differentiate between harmful and beneficial stimuli in the environment. However, how neural representations of stimuli change following such learning processes remains largely unknown. While previous work in the visual domain has shown that fear-conditioning alters neural representations of stimuli (Dunsmoor et al., 2014; ...
Abstract (English)
Aversive and appetitive learning are vital processes for an organism to differentiate between harmful and beneficial stimuli in the environment. However, how neural representations of stimuli change following such learning processes remains largely unknown. While previous work in the visual domain has shown that fear-conditioning alters neural representations of stimuli (Dunsmoor et al., 2014; Levine et al., 2020; Visser et al., 2011), far less research has investigated conditioning processes in other sensory systems.
A recent olfactory study explored the classification algorithm’s ability to decode neural representations of mint and citrus odors following appetitive conditioning (Howard et al., 2016). The authors found that reward-related brain regions, e.g., the ventromedial prefrontal cortex, are one such locus from which the reward aspect of appetitive-conditioned stimuli can be cross-decoded across different odor categories.
One interesting question that arises and is not discussed in the above study is how representations of conditioned and non-conditioned stimuli change relative to each other. Demonstrating that reward can be cross-decoded from different sensory categories does not demonstrate that such sensory categories have, for example, become more similar to one another. Thus, this doctoral project aims to apply aversive and appetitive conditioning to olfactory representations to determine whether aversive processes render olfactory stimuli more toward stereotypically “negative” and more stereotypically “positive”, respectively.
Neuroimaging data were collected from 29 healthy individuals using an olfactometer to deliver odorants birhinally. Data preprocessing followed a standardized pipeline, and analysis comprised univariate and multivariate pattern analysis, with two approaches: classification analysis and representational similarity analysis.
Pertaining to the methodological limitations, particularly concerning stimuli quality, the findings of this thesis remained inconclusive. Nonetheless, this study contributes to our understanding of the challenges and complexities in olfactory neuroscience, especially regarding methodologies for studying olfactory representational spaces and conditioning effects. Future research should prioritize robust stimulus selection, aligned with research questions, and ensure experimental paradigms' reliability. Leveraging multivariate pattern analysis methods may provide deeper insights into how conditioning influences neural representations of olfactory stimuli, advancing our understanding of sensory processing and associative learning in the olfactory domain.
Translation of the abstract (German)
Aversives und appetitives Lernen sind vitale Prozesse für ein Organismus, um zwischen schädlichen und nützlichen Reizen in der Umwelt zu unterscheiden. Allerdings bleibt weitgehend unbekannt, wie sich neuronale Repräsentationen von Reizen nach solchen Lernprozessen verändern. Während frühere Arbeiten im visuellen Bereich gezeigt haben, dass Angstkonditionierung neuronale Repräsentationen von ...
Translation of the abstract (German)
Aversives und appetitives Lernen sind vitale Prozesse für ein Organismus, um zwischen schädlichen und nützlichen Reizen in der Umwelt zu unterscheiden. Allerdings bleibt weitgehend unbekannt, wie sich neuronale Repräsentationen von Reizen nach solchen Lernprozessen verändern. Während frühere Arbeiten im visuellen Bereich gezeigt haben, dass Angstkonditionierung neuronale Repräsentationen von Reizen verändert (Dunsmoor et al., 2014; Levine et al., 2018; Visser et al., 2011), wurde weit weniger Forschung zu Konditionierungsprozessen in anderen sensorischen Systemen betrieben.
Eine kürzlich durchgeführte olfaktorische Studie untersuchte die Fähigkeit des Klassifizierungsalgorithmus, neuronale Repräsentationen von Minze- und Zitrusdüften nach appetitiver Konditionierung zu decodieren (Howard et al., 2016). Die Autoren stellten fest, dass belohnungsbezogene Hirnregionen, z. B. der ventromediale präfrontale Kortex, Orte sind, von denen aus der Belohnungsaspekt appetitiv konditionierter Reize über verschiedene Duftkategorien hinweg decodiert werden kann.
Eine interessante Frage, die sich stellt und in der oben genannten Studie nicht diskutiert wird, ist, wie sich Repräsentationen konditionierter und unkonditionierter Reize zueinander verändern. Der Nachweis, dass Belohnung aus verschiedenen sensorischen Kategorien decodiert werden kann, zeigt nicht zwangsläufig, dass solche sensorischen Kategorien beispielsweise einander ähnlicher geworden sind. Daher zielt dieses Doktorandenprojekt darauf ab, aversive und appetitive Konditionierung auf olfaktorische Repräsentationen anzuwenden, um festzustellen, ob aversive Prozesse olfaktorische Reize eher in Richtung stereotypisch "negativ" und appetitive Prozesse eher in Richtung stereotypisch "positiv" verschieben.
Neuroimaging-Daten wurden von 29 gesunden Personen unter Verwendung eines Olfaktometers zur binauralen Lieferung von Duftstoffen gesammelt. Die Datenverarbeitung folgte einem standardisierten Ablauf und die Analyse umfasste univariate und multivariate Musteranalyse mit zwei Ansätzen: Klassifikationsanalyse und repräsentative Ähnlichkeitsanalyse.
Hinsichtlich der methodischen Einschränkungen, insbesondere in Bezug auf die Qualität der Reize, blieben die Ergebnisse dieser Arbeit unklar. Dennoch trägt diese Studie zu unserem Verständnis der Herausforderungen und Komplexitäten in der olfaktorischen Neurowissenschaft bei, insbesondere in Bezug auf Methoden zur Untersuchung olfaktorischer Repräsentationsräume und Konditionierungseffekte. Zukünftige Forschung sollte eine robuste Stimulusauswahl priorisieren, die mit den Forschungsfragen übereinstimmt, um die Robustheit experimenteller Paradigmen sicherzustellen. Die Nutzung anspruchsvoller multivariater Musteranalysemethoden könnte tiefere Einblicke in die Art und Weise liefern, wie Konditionierung neuronale Repräsentationen olfaktorischer Reize beeinflusst und unser Verständnis der sensorischen Verarbeitung und assoziativen Lernens im olfaktorischen Bereich voranbringen.
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