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Fast and Slow Effects of Cortisol on Several Functions of the Central Nervous System in Humans

Schnelle und langsame Effekte von Cortisol auf verschiedene Funktionen des zentralen Nervensystems beim Menschen

  • Cortisol is one of the key substances released during stress to restore homeostasis. Our knowledge of the impact of this glucocorticoid on cognition and behavior in humans is, however, still limited. Two modes of action of cortisol are known, a rapid, nongenomic and a slow, genomic mode. Both mechanisms appear to be involved in mediating the various effects of stress on cognition. Here, three experiments are presented that investigated fast and slow effects of cortisol on several functions of the human brain. The first experiment investigated the interaction between insulin and slow, genomic cortisol effects on resting regional cerebral blood flow (rCBF) in 48 young men. A bilateral, locally distinct increase in rCBF in the insular cortex was observed 37 to 58 minutes after intranasal insulin admission. Cortisol did not influence rCBF, neither alone nor in interaction with insulin. This finding suggests that cortisol does not influence resting cerebral blood flow within a genomic timeframe. The second experiment examined fast cortisol effects on memory retrieval. 40 participants (20 of them female) learned associations between neutral male faces and social descriptions and were tested for recall one week later. Cortisol administered intravenously 8 minutes before retrieval influenced recall performance in an inverted U-shaped dose-response relationship. This study demonstrates a rapid, presumably nongenomic cortisol effect on memory retrieval in humans. The third experiment studied rapid cortisol effects on early multisensory integration. 24 male participants were tested twice in a focused cross-modal choice reaction time paradigm, once after cortisol and once after placebo infusion. Cortisol acutely enhanced the integration of visual targets and startling auditory distractors, when both stimuli appeared in the same sensory hemi-field. The rapidity of effect onset strongly suggests that cortisol changes multisensory integration by a nongenomic mechanism. The work presented in this thesis highlights the essential role of cortisol as a fast acting agent during the stress response. Both the second and the third experiment provide new evidence of nongenomic cortisol effects on human cognition and behavior. Future studies should continue to investigate the impact of rapid cortisol effects on the functioning of the human brain.
  • Cortisol gehört zu den wichtigsten Substanzen, die während Stress ausgeschüttet werden, um die Homöostase wiederherzustellen. Unser Wissen über den Einfluss dieses Glucocorticoids auf Kognition und Verhalten beim Menschen ist jedoch noch immer begrenzt. Es ist bekannt, dass Cortisol seine Effekte über zwei Wirkmechanismen ausübt, einen schnellen, nichtgenomischen sowie einen langsamen, genomischen. Beide Mechanismen scheinen in die Vermittlung der verschiedenartigen Effekte von Stress auf die Kognition involviert zu sein. In der vorliegenden Arbeit werden drei Experimente präsentiert, die schnelle und langsame Effekte von Cortisol auf verschiedene Funktion des menschlichen Gehirns untersucht haben. Das erste Experiment untersuchte die Wechselwirkung zwischen Insulin und langsamen, genomischen Effekten von Cortisol auf die regionale Hirndurchblutung unter Ruhebedingung in 48 jungen, männlichen Probanden. 37 bis 58 Minuten nach Applikation von intranasalem Insulin wurde ein bilateraler, lokal begrenzter Anstieg der Hirndurchblutung im insulären Cortex beobachtet. Hingegen fand sich kein Effekt von Cortisol auf die regionale Hirndurchblutung, weder nach alleiniger Gabe, noch in Wechselwirkung mit Insulin. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Cortisol unter Ruhebedingungen und in einem genomischen Zeitfenster keinen Einfluss auf die Hirndurchblutung hat. Das zweite Experiment untersuchte schnelle Effekte von Cortisol auf den Gedächtnisabruf. 40 Probanden (20 davon Frauen) lernten Assoziationen zwischen neutralen, männlichen Gesichtern und sozialen Beschreibungen und wurden eine Woche später auf ihre Abrufleistung getestet. Die intravenöse Gabe von Cortisol acht Minuten vor der Gedächtnistestung beeinflusste die Abrufleistung in Form einer umgekehrt U-förmigen Dosis-Wirkungs-Beziehung. Die Studie zeigt einen schnellen, wahrscheinlich nicht genomisch vermittelten Effekt von Cortisol auf den Gedächtnisabruf beim Menschen. Das dritte Experiment untersuchte schnelle Effekte von Cortisol auf die frühe multisensorische Integration. 24 männliche Probanden wurden zweimal in einem fokussierten, cross-modalen Reaktionszeit Paradigma getestet, einmal nach Cortisol- und einmal nach Placebo Infusion. Cortisol verstärkte die Integration visueller Zielreize und Schreckreiz-induzierender, auditiver Distraktoren, wenn beide Stimuli im selben sensorischen Halb-Feld präsentiert wurden. Der rapide Effektbeginn spricht stark dafür, dass Cortisol die multisensorische Integration über einen nicht-genomischen Mechanismus verändert. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten betonen die Bedeutung von Cortisol als eine schnell wirksame Substanz in der Stress Reaktion. Sowohl das zweite als auch das dritte Experiment geben neue Belege für nichtgenomische Cortisol Effekte auf Kognition und Verhalten beim Menschen. Zukünftige Studien sollten die Untersuchung der schnellen Effekte von Cortisol auf die Funktionsweise des menschlichen Gehirns weiterführen.

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Metadaten
Author:Thomas Michael Schilling
URN:urn:nbn:de:hbz:385-8727
Advisor:Hartmut Schächinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2014/06/27
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 1
Date of final exam:2014/06/05
Release Date:2014/06/27
Tag:Central Nervous System; Cognition; Human; Hydrocortison; Stress
GND Keyword:Hydrocortison; Kognition; Mensch; Stress; Zentralnervensystem
Institutes:Fachbereich 1 / Psychologie
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit

$Rev: 13581 $