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Stress gilt als zentrales Gesundheitsrisiko des 21. Jahrhunderts und wird in der Forschung als multidimensionales Konstrukt auf psychologischer und biologischer Ebene untersucht. Wäh-rend die subjektive Wahrnehmung von Stress nicht mit der biologischen Stressreaktivität zu-sammenhängen muss, ist der negative Einfluss stressassoziierter biologischer Prozesse auf Wohlbefinden und Gesundheit gut belegt. Bereits im Grundschulalter zeigen Kinder eine mit Erwachsenen vergleichbare Stressbelastung und gesundheitliche Folgen, Bewältigungsstrategien sind in diesem Alter allerdings noch nicht vollständig entwickelt. Präventionsprogramme im Grundschulalter sollen Kinder in ihren sich entwickelnden Stressbewältigungsfähigkeiten fördern, wobei sowohl emotionsfokussierte und problemorientierte Ansätze als auch soziale Unterstützung wichtige Faktoren darstellen könnten.
Das einleitende Literatur-Review evaluiert bisherige Stresspräventionsstudien und verdeutlicht, dass zwar die Wirksamkeit und Anwendbarkeit von mehrfaktoriellen Stresspräventionsprogrammen im Rahmen psychometrischer Erhebungen gezeigt werden konnten, biologische Prozesse in der Forschung bisher allerdings nicht erhoben und außer Acht gelassen wurden.
Die empirische Untersuchung in Studie 1 zeigt, dass eine multidimensionale psychobiologische Betrachtungsweise sinnvoll ist, indem sowohl die Psychometrie, als auch psychobiologische Prozesse der Stressreaktion miteinbezogen und die Auswirkungen von Stressprävention auf den verschiedenen Ebenen untersucht wurden. Zwei Kurzinterventionen wurden dazu miteinander verglichen und ihre Wirkung auf psychophysiologischen Ebenen (z.B. Kortisol, α-Amylase und Herzrate) in einem Prä-Post Design geprüft. Eine statistisch signifikante Abnahme psychophysiologischer Stressreaktivität, sowie stressassoziierter psychologischer Symptome verdeutlichte die multidimensionale Wirksamkeit von Stressmanagementtrainings.
Studie 2 wurde im Rahmen der Covid-19-Pandemie entworfen. Die in Studie 1 trainierten Kinder wurden mittels Online-Fragebogenerhebung mit einer Kontrollgruppe hinsichtlich ihrer Stressbelastung verglichen. Die Ergebnisse zeigten eine geringere Belastung und vermehrte günstige Bewältigungsstrategien trainierter Kinder im Vergleich zur Kontrollgruppe.
Diese Ergebnisse heben die Relevanz einer multidimensionalen Betrachtung kindlichen Stresses hervor. Es wurde gezeigt, dass Stresspräventionsprogramme auf den unterschiedlichen Ebenen der Stressreaktion wirken und sogar in gesamtgesellschaftlichen Krisensituationen stresspro-tektiv wirken können. Zukünftige Studien sollten Stresspräventionen im Grundschulalter psychophysiologisch evaluieren und deren Wirkung in Längsschnittstudien beurteilen, um das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen zu verbessern.
Die Effekte diverser Hormone auf das Sozialverhalten von Männern und Frauen sind nicht vollständig geklärt, da eine genaue Messung dieser, sowie eine Ableitung kausaler Zusammenhänge, die Forschung seither vor Herausforderungen stellt. Umso wichtiger sind Studien, welche versuchen für konfundierende Aspekte zu kontrollieren und die hormonellen oder endokrinen Effekte auf das Sozialverhalten und die soziale Kognition zu untersuchen. Während Studien bereits Effekte von akutem Stress auf Sozialverhalten zeigten, sind die zugrundeliegenden neurobiologischen Mechanismen nicht vollständig bekannt, da hierfür ein rein pharmakologischer Ansatz von Nöten wäre. Die wenigen Studien, die einen solchen wählten, zeigen konträre Befunde. Bisherige Untersuchungen mit psychosozialen Stressoren lassen jedoch prosoziale Tendenzen nach Stress sowohl für Männer als auch für Frauen vermuten. Darüber hinaus sind auch Untersuchungen zu weiblichen Geschlechtshormonen und ihrem Einfluss auf Sozialverhalten sowie die soziale Kognition bei Frauen besonders herausfordernd durch die hormonellen Schwankungen während des Menstruationszyklus oder auch Veränderungen durch die Einnahme oraler Kontrazeptiva. Studien die sowohl Zyklusphasen als auch die Effekte von oralen Kontrazeptiva untersuchten, deuten aber bereits auf Unterschiede zwischen den verschiedenen Phasen, sowie Frauen mit natürlichem Zyklus und Einnahme oraler Kontrazeptiva hin.
Der theoretische Teil beschreibt die Grundlagen zur Stressreaktion des Menschen und die hormonellen Veränderungen weiblicher Geschlechtshormone. Folgend, soll ein Kapitel zur aktuellen Forschungslage zu Effekten von akutem Stress auf Sozialverhalten und die soziale Kognition einen Überblick über die bisherige Befundlage schaffen. Die erste empirische Studie, welche die Effekte von Hydrocortison auf das Sozialverhalten und die Emotionserkennung untersucht, soll anschließend in diese aktuelle Befundlage eingeordnet werden und zu der weniger erforschten Sparte der pharmakologischen Studien beitragen. Die zweite empirische Studie befasst sich folgend mit den Effekten weiblicher Geschlechtshormone auf Sozialverhalten und Empathie, genauer wie auch Zyklusphasen und orale Kontrazeptiva (über Hormone vermittelt) einen Einfluss bei Frauen nehmen. Abschließend sollen die Effekte von Stresshormonen bei Männern, und modulierende Eigenschaften weiblicher Geschlechtshormone, Zyklusphasen und oraler Kontrazeptiva bei Frauen, jeweils in Hinblick auf Sozialverhalten und die soziale Kognition diskutiert werden.
This thesis focus on threats as an experience of stress. Threats are distinguished from challenges and hindrances as another dimension of stress in challenge-hindrance models (CHM) of work stress (Tuckey et al., 2015). Multiple disciplines of psychology (e.g. stereotype, Fingerhut & Abdou, 2017; identity, Petriglieri, 2011) provide a variety of possible events that can trigger threats (e.g., failure expe-riences, social devaluation; Leary et al., 2009). However, systematic consideration of triggers and thus, an overview of when does the danger of threats arises, has been lacking to date. The explanation why events are appraised as threats is related to frustrated needs (e.g., Quested et al., 2011; Semmer et al., 2007), but empirical evidence is rare and needs can cover a wide range of content (e.g., relatedness, competence, power), depending on need approaches (e.g., Deci & Ryan, 2000; McClelland, 1961). This thesis aims to shed light on triggers (when) and the need-based mechanism (why) of threats.
In the introduction, I introduce threats as a dimension of stress experience (cf. Tuckey et al., 2015) and give insights into the diverse field of threat triggers (the when of threats). Further, I explain threats in terms of a frustrated need for positive self-view, before presenting specific needs as possible deter-minants in the threat mechanism (the why of threats). Study 1 represents a literature review based on 122 papers from interdisciplinary threat research and provides a classification of five triggers and five needs identified in explanations and operationalizations of threats. In Study 2, the five triggers and needs are ecologically validated in interviews with police officers (n = 20), paramedics (n = 10), teach-ers (n = 10), and employees of the German federal employment agency (n = 8). The mediating role of needs in the relationship between triggers and threats is confirmed in a correlative survey design (N = 101 Leaders working part-time, Study 3) and in a controlled laboratory experiment (N = 60 two-person student teams, Study 4). The thesis ends with a general discussion of the results of the four studies, providing theoretical and practical implications.
In order to investigate the psychobiological consequences of acute stress under laboratory conditions, a wide range of methods for socially evaluative stress induction have been developed. The present dissertation is concerned with evaluating a virtual reality (VR)-based adaptation of one of the most widely used of those methods, the Trier Social Stress Test (TSST). In the three empirical studies collected in this dissertation, we aimed to examine the efficacy and possible areas of application of the adaptation of this well-established psychosocial stressor in a virtual environment. We found that the TSST-VR reliably incites the activation of the major stress effector systems in the human body, albeit in a slightly less pronounced way than the original paradigm. Moreover, the experience of presence is discussed as one potential factor of influence in the origin of the psychophysiological stress response. Lastly, we present a use scenario for the TSST-VR in which we employed the method to investigate the effects of acute stress on emotion recognition performance. We conclude that, due to its advantages concerning versatility, standardization and economic administration, the paradigm harbors enormous potential not only for psychobiological research, but other applications such as clinical practice as well. Future studies should further explore the underlying effect mechanisms of stress in the virtual realm and the implementation of VR-based paradigms in different fields of application.
Academic achievement is a central outcome in educational research, both in and outside higher education, has direct effects on individual’s professional and financial prospects and a high individual and public return on investment. Theories comprise cognitive as well as non-cognitive influences on achievement. Two examples frequently investigated in empirical research are knowledge (as a cognitive determinant) and stress (as a non-cognitive determinant) of achievement. However, knowledge and stress are not stable, what raises questions as to how temporal dynamics in knowledge on the one hand and stress on the other contribute to achievement. To study these contributions in the present doctoral dissertation, I used meta-analysis, latent profile transition analysis, and latent state-trait analysis. The results support the idea of knowledge acquisition as a cumulative and long-term process that forms the basis for academic achievement and conceptual change as an important mechanism for the acquisition of knowledge in higher education. Moreover, the findings suggest that students’ stress experiences in higher education are subject to stable, trait-like influences, as well as situational and/or interactional, state-like influences which are differentially related to achievement and health. The results imply that investigating the causal networks between knowledge, stress, and academic achievement is a promising strategy for better understanding academic achievement in higher education. For this purpose, future studies should use longitudinal designs, randomized controlled trials, and meta-analytical techniques. Potential practical applications include taking account of students’ prior knowledge in higher education teaching and decreasing stress among higher education students.
Background and rationale: Changing working conditions demand adaptation, resulting in higher stress levels in employees. In consequence, decreased productivity, increasing rates of sick leave, and cases of early retirement result in higher direct, indirect, and intangible costs. Aims of the Research Project: The aim of the study was to test the usefulness of a novel translational diagnostic tool, Neuropattern, for early detection, prevention, and personalized treatment of stress-related disorders. The trial was designed as a pilot study with a wait list control group. Materials and Methods: In this study, 70 employees of the Forestry Department Rhineland-Palatinate, Germany, were enrolled. Subjects were block-randomized according to the functional group of their career field, and either underwent Neuropattern diagnostics immediately, or after a waiting period of three months. After the diagnostic assessment, their physicians received the Neuropattern Medical Report, including the diagnostic results and treatment recommendations. Participants were informed by the Neuropattern Patient Report, and were eligible to an individualized Neuropattern Online Counseling account. Results: The application of Neuropattern diagnostics significantly improved mental health and health-related behavior, reduced perceived stress, emotional exhaustion, overcommitment and possibly, presenteeism. Additionally, Neuropattern sensitively detected functional changes in stress physiology at an early stage, thus allowing timely personalized interventions to prevent and treat stress pathology. Conclusion: The present study encouraged the application of Neuropattern diagnostics to early intervention in non-clinical populations. However, further research is required to determine the best operating conditions.
Water-deficit stress, usually shortened to water- or drought stress, is one of the most critical abiotic stressors limiting plant growth, crop yield and quality concerning food production. Today, agriculture consumes about 80-90% of the global freshwater used by humans and about two thirds are used for crop irrigation. An increasing world population and a predicted rise of 1.0-2.5-°C in the annual mean global temperature as a result of climate change will further increase the demand of water in agriculture. Therefore, one of the most challenging tasks of our generation is to reduce the amount water used per unit yield to satisfy the second UN Sustainable Development Goal and to ensure global food security. Precision agriculture offers new farming methods with the goal to improve the efficiency of crop production by a sustainable use of resources. Plant responses to water stress are complex and co-occur with other environmental stresses under natural conditions. In general, water stress causes plant physiological and biochemical changes that depend on the severity and the duration of the actual plant water deficit. Stomatal closure is one of the first responses to plant water stress causing a decrease in plant transpiration and thus an increase in plant temperature. Prolonged or severe water stress leads to irreversible damage to the photosynthetic machinery and is associated with decreasing chlorophyll content and leaf structural changes (e.g., leaf rolling). Since a crop can already be irreversibly damaged by only mild water deficit, a pre-visual detection of water stress symptoms is essential to avoid yield loss. Remote sensing offers a non-destructive and spatio-temporal method for measuring numerous physiological, biochemical and structural crop characteristics at different scales and thus is one of the key technologies used in precision agriculture. With respect to the detection of plant responses to water stress, the current state-of-the-art hyperspectral remote sensing imaging techniques are based on measurements of thermal infrared emission (TIR; 8-14 -µm), visible, near- and shortwave infrared reflectance (VNIR/SWIR; 0.4-2.5 -µm), and sun-induced fluorescence (SIF; 0.69 and 0.76 -µm). It is, however, still unclear how sensitive these techniques are with respect to water stress detection. Therefore, the overall aim of this dissertation was to provide a comparative assessment of remotely sensed measures from the TIR, SIF, and VNIR/SWIR domains for their ability to detect plant responses to water stress at ground- and airborne level. The main findings of this thesis are: (i) temperature-based indices (e.g., CWSI) were most sensitive for the detection of plant water stress in comparison to reflectance-based VNIR/SWIR indices (e.g., PRI) and SIF at both, ground- and airborne level, (ii) for the first time, spectral emissivity as measured by the new hyperspectral TIR instrument could be used to detect plant water stress at ground level. Based on these findings it can be stated that hyperspectral TIR remote sensing offers great potential for the detection of plant responses to water stress at ground- and airborne level based on both TIR key variables, surface temperature and spectral emissivity. However, the large-scale application of water stress detection based on hyperspectral TIR measures in precision agriculture will be challenged by several problems: (i) missing thresholds of temperature-based indices (e.g., CWSI) for the application in irrigation scheduling, (ii) lack of current TIR satellite missions with suitable spectral and spatial resolution, (iii) lack of appropriate data processing schemes (including atmosphere correction and temperature emissivity separation) for hyperspectral TIR remote sensing at airborne- and satellite level.
Erschöpfung ist ein prominentes, unspezifisches Symptom mit vielfältigen Begleitsymptomen (z. B. Schmerzen, Schlafstörungen, Reizbarkeit, Niedergeschlagenheit). Gängige Konzepte erschöpfungsbezogener Erkrankungen und Syndrome werden häufig in Bezug auf ihre Differenzierungskraft oder Struktur kritisiert. Die Ursachen für die Entstehung von Erschöpfung sind vielfältig und die Behandlung kann nur mit gründlicher Differentialdiagnostik erfolgen. Anhand adaptionsbezogener Stressmodelle kann die Entstehung von Erschöpfung beschrieben und in drei Formen eingeteilt werden (I: reversibel, II: prädispositioniert und III: emotional-dysregulativ). Poststress-Symptome (z. B. "Wochenend-Migräne", "UrlaubsInfekte") stellen möglicherweise eine Erschöpfungsform dar, welche durch eine zentrale Entleerung der Noradrenalin-Spiegel bedingt ist. In der vorliegenden Arbeit wurden die Verlässlichkeit der Neuropattern-Erschöpfungsskala, sowie der Zusammenhang von Erschöpfung, Stress, dem Langzeit-Gesundheitsstatus und Poststress-Symptomen geprüft. Hierzu wurden Daten ambulanter und stationärer Patienten und Mitarbeitern verwendet, die an einer randomisierten klinischen Studie zur Neuropattern-Diagnostik teilnahmen. Zusätzlich wurden Daten von gesunden Personen zur Erhebung einer Normstichprobe verwendet. Die Neuropattern-Erschöpfungsskala zeigte sich als reliables und valides Maß. Sie war Indikator für direkte, indirekte und intangible Gesundheitskosten (z. B. erhöhte Arzt-, Therapeutenbesuche, Medikamenteneinnahme und Arbeitsunfähigkeit, reduziertes psychisches und physisches Wohlbefinden). Es zeigte sich, dass sowohl Stress, als auch Erschöpfung den Gesundheitszustand über den Verlauf von zwölf Monaten vorhersagt. Bemerkenswert ist, dass der Zusammenhang zwischen Stress und dem Langzeit-Gesundheitszustand vornehmlich durch Erschöpfung vermittelt wurde. Schließlich wurde die Prävalenz von Poststress-Symptomen bei gesunden Personen (2.9%), ambulanten (20%) und stationären Patienten (34,7%) bestimmt. Auch hier war nicht Stress der stärkste Prädiktor für das Auftreten von Poststress-Symptomen, sondern Erschöpfung. Modelle der psychophysiologischen Stressreaktion können die Entstehung von Erschöpfung erklären und die Diagnostik und Behandlung stressbezogener Gesundheitsstörungen verbessern. Die vorgestellte Neuropattern-Erschöpfungsskala ist dabei ein verlässliches und für die Praxis gut geeignetes Instrument, welches zur Indikation und Validierung präventiver und therapeutischer Maßnahmen eingesetzt werden kann. Je nach Erschöpfungsform bieten sich verschiedene Maßnahmen des regenerativen, instrumentellen oder kognitiven Stressmanagements, Nahrungsergänzungsmittel und Pharmakotherapie an.
Pränatal, postnatal und aktuell auftretende chronische Stressbelastung sind bedeutsame Risikofaktoren für mentale und körperliche Beeinträchtigungen im Erwachsenenalter. Ziel dieser Dissertationsschrift ist es, den Einfluss von Stress im Lebenslauf (pränatale, postnatale, aktuelle Stressbelastung) auf verschiedene Erschöpfungsvariablen und Depressivität zu analysieren und mögliche Mediatoreffekte von aktuell auftretendem Stress auf Assoziationen zwischen pränatalem bzw. postnatalem Stress und Erschöpfung bzw. Depressivität zu bestimmen. Zur Prüfung dieser Fragestellung wurden Daten von chronisch gestressten Lehrpersonen (N = 186; 67,70% weiblich) ohne Diagnose für eine psychische Erkrankung sowie von Hausarzt- (N = 473; 59% weiblich) und Klinikpatienten (N = 284; 63,7% weiblich) mit mindestens einer stressbezogenen mentalen Gesundheitsstörung erhoben. Prä-postnataler Stress, subjektive Erschöpfung und Depressivität wurden in allen Stichproben erfasst, aktuelle Stressbelastung und Poststresssymptome in den Patientenstichproben. Zusätzlich wurden konzeptuelle Endophänotypen als psychobiologisches Erschöpfungsmaß in beiden Patientenstichproben sowie Übernachtaktivität des parasympathischen Nervensystems als Maß vagaler Erholung in der Hausarztstichprobe operationalisiert. Bei den Lehrpersonen wurde anhand univariater Varianzanalysen analysiert, ob Lehrkräfte mit frühkindlicher Belastung unterschiedliche Erschöpfungs- bzw. Depressionswerte aufwiesen im Vergleich zu Lehrkräften ohne frühkindliche Belastung. In den Patientenstichproben wurden multiple und binärlogistische Regressionsmodelle verwendet, um Assoziationen zwischen pränatalem, postnatalem sowie aktuellem Stress mit Erschöpfung, Depressivität, den konzeptuellen Endophänotypen der Neuropattern-Diagnostik sowie Übernachtaktivität des parasympathischen Nervensystems (nur bei Hausarztpatienten) zu prüfen. Mögliche Mediatoreffekte aktueller Stressbelastung auf Assoziationen zwischen pränatalem und postnatalem Stress mit Erschöpfung, Depressivität, der konzeptuellen Endophänotypen bzw. der Übernachtaktivität des parasympathischen Nervensystems (nur bei Hausarztpatienten) wurden bestimmt. Ad hoc wurde mittels zusätzlich ein möglicher Moderatoreffekt von pränatalem Stress auf die Assoziation zwischen aktuellem Stress und der Übernachtherzrate getestet. Pränataler Stress war bei sonst gesunden Lehrkräften mit einer stärker ausgeprägten Gratifikationskrise und höherer emotionaler Erschöpfung assoziiert. Postnataler Stress ging mit höheren Werten für Depressivität, Anstrengungs-Belohnungs-Ungleichgewicht, der MBI Gesamtskala, emotionaler Erschöpfung und vitaler Erschöpfung einher. Sowohl bei Hausarzt- als auch bei Klinikpatienten waren aktuelle psychosoziale Belastung und aktuelle Beeinträchtigung durch Lebensereignisse mit Depressivität, Erschöpfung und Poststress assoziiert. Bei Hausarztpatienten sagte aktuelle Stressbelastung eine erhöhte Odds Ratio der Noradrenalin-Hypoaktivität sowie Serotonin-Hyperreaktivität vorher; bei Klinikpatienten für Noradrenalin-Hypoaktivität. Des Weiteren zeigten Hausarztpatienten mit starker psychosozialer Belastung erhöhte parasympathische Aktivität über Nacht. Bei Hausarztpatienten ist hoher pränataler Stress assoziiert mit wahrgenommener psychosozialer Belastung, aktuellen Lebensereignissen und Poststresssymptomen. Pränataler Stress ging mit einer verringerten vagalen Aktivität einher. Weiter ist postnataler Stress assoziiert mit Depressivität, wahrgenommener psychosozialer Belastung, aktuellen Lebensereignissen, Erschöpfung und Poststresssymptomen sowie einem erhöhten Odds Ratio für die Noradrenalin-Hypoaktivität sowie mit CRH-Hyperaktivität. Die Assoziationen zwischen pränatalem bzw. postnatalem Stress und Poststress, Erschöpfung, Depressivität und Noradrenalin-Hypoaktivität wurden signifikant durch aktuelle Stressbelastung mediiert. Die Assoziation zwischen aktuellem Stress und parasympathischer Aktivität über Nacht wurde durch pränatalen Stress moderiert: Bei geringer bis mittlerer nicht aber bei hoher pränataler Belastung ging eine hohe psychosoziale Belastung mit erhöhter Übernachtaktivität des parasympathischen Nervensystems einher. Bei Klinikpatienten zeigten sich keine signifikanten Zusammenhänge zwischen pränatalem bzw. postnatalem Stress und Erschöpfung bzw. Depressivität. Pränataler Stress kann trophotrope Funktionen beeinträchtigen und damit die Vulnerabilität für Erschöpfung und Depressivität erhöhen. Fortgesetzte postnatale und aktuelle Stressbelastung erhöhen den kumulativen Stress im Lebenslauf einer Person und tragen zu psychobiologischen Dysfunktionen sowie Erschöpfung und Depressivität bei.
Ausgehend von einem multifaktoriellen biopsychosozialen Modell zur Entstehung und Aufrechterhaltung primärer Kopfschmerzen bei Kindern und Jugendlichen wurden n= 170 Mädchen im Alter von 12-17 Jahren hinsichtlich verschiedener stressbezogener Determinanten untersucht. Es wurde davon ausgegangen, dass sich Mädchen mit wiederkehrenden Kopfschmerzen sowohl in einem kontrollierten, messwiederholten Laborexperiment hinsichtlich ihrer physiologischen Reaktionen (Muskelspannung, Cortisolausschüttung) auf akuten Stress hin wie auch in der Cortisolaufwachreaktion im häuslichen Setting von einer gesunden Kontrollgruppe unterscheiden. Diese Annahmen konnten nach statistischer Auswertung der Studienergebnisse unter Kontrolle der familiären Schmerzbelastung und psychischen Stressbelastung jedoch nicht bestätigt werden. Somit kann nicht von einer dysregulierten Aktivität der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse ausgegangen werden, die eine zentrale Rolle in der biologischen Stressantwort spielt und auch die Schmerzverarbeitung mit beeinflusst. Ebenso wenig liegt bei Mädchen mit Kopfschmerzen eine erhöhte basale oder stressbedingte Muskelspannung im Kopf- und Schulterbereich vor. Lediglich auf subjektiver Ebene deutete sich ein tendenziell höheres Empfinden von Anspannung in Ruhephasen an. Auf psychologischer Ebene hingegen zeigte sich erwartungskonform eine höhere Stress-vulnerabilität bei den Mädchen mit Kopfschmerzen. Außerdem wurde bei ihnen der vermehrte Einsatz emotionsregulierender Stressbewältigungsstrategien, wie Ruhe und Entspannung, aber auch destruktiv-ärgerbezogenes Verhalten und Denken, bezogen auf soziale und leistungsbezogene Stresssituationen beobachtet. Auch unterschieden sie sich hinsichtlich der familiären Schmerzbelastung, körperlichen und psychischen Stress-symptomatik und Depressivität sowie Ängstlichkeit von der Kontrollgruppe. Sie zeigten durchweg höhere Ausprägungen auf diesen Variablen, die sich als signifikante Prädiktoren für Kopfschmerzen herausstellten. Die Verknüpfung von physiologischen Reaktionsmaßen mit der Stressverarbeitung zeigte, dass die Nutzung von konstruktiv-palliativer Emotionsregulation umso stärker ist, je höher der stressbedingte Anstieg der Cortisolausschüttung und der Muskelaktivität in der Frontalisregion ausfällt. Je stärker also die körperliche Reaktion auf Stress, umso mehr versuchen jugendliche Mädchen sich zu entspannen und auszuruhen.
Studien zeigen, dass sowohl die genetische Prädisposition als auch Umweltfaktoren zu häufigen Erkrankungen - wie Schmerzerkrankungen oder psychiatrischen Störungen - beitragen. Molekulargenetische Studien legen nahe, dass ein Teil der Erblichkeit in häufigen genetischen Varianten zu finden ist. Die Untersuchung des Zusammenwirkens dieser Faktoren kann das Verständnis der Ätiologie dieser Erkrankungen erweitern, und neue Präventions- und Behandlungsansätze hervorbringen. In der vorliegenden Arbeit werden vier Studien präsentiert, in denen Umwelt- und genetische Risikofaktoren für psychische Erkrankungen und Schmerz untersucht wurden: In der ersten Studie (Kapitel II) wurden mögliche Wirkmechanismen von etablierten Risikofaktoren für psychiatrische Störungen " das Aufwachsen und Leben in städtischer Umgebung " mit bildgebenden Verfahren untersucht. Einen möglichen Mechanismus stellt der erhöhte soziale Stress in städtischer Umgebung dar. In dieser Studie unterliefen zwei Stichproben von gesunden Probanden zwei verschiedene soziale Stressparadigmen für die Anwendung im fMRT, wovon eines im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelt wurde (ScanSTRESS). Hierbei zeigte sich eine erhöhte Amygdalaaktivität bei Probanden, welche aktuell in der Stadt lebten, während die Aktivität des perigenualen anterioren Cingulums mit dem Aufwachsen in der Stadt assoziiert war. Diese Befunde legen nahe, dass die akute Stressverarbeitung durch Umweltfaktoren in sensiblen Phasen der Entwicklung des Nervensystems beeinflusst wird. In der zweiten Studie (Kapitel III), wurde die Modulierung des Einflusses der städtischen Umwelt auf die Stressverarbeitung durch eine Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP; rs324981) im Gen, welches für den Neuropeptid S (NPS) Rezeptor kodiert (NPSR1), untersucht. In einer Stichprobe, welche das ScanSTRESS-Paradigma absolvierte, konnte gezeigt werden, dass rs324981 " in Interaktion mit städtischem Aufwachsen " die Aktivität der rechten Amygdala beeinflusste. Diese Resultate legen nahe, dass das NPS-System in der menschlichen Stressreaktion involviert ist, und diese in Interaktion mit Umweltfaktoren beeinflusst. In der dritten Studie (Kapitel IV), wurde der Effekt der genetischen Variation von NPSR1 auf die zentralnervöse und endokrine Stressverarbeitung weitergehend untersucht. Da sowohl die Stressregulation, als auch psychiatrische Störungen stark geschlechtsspezifische Ausprägungen aufweisen, wurde die Interaktion von genetischer Variation in NPSR1 mit dem Geschlecht berücksichtigt. Hierfür wurde eine Stichprobe von 277 Probanden mit dem Trierer Sozialen Stresstest (TSST) und eine Stichprobe von 65 Probanden mit dem ScanSTRESS-Paradigma untersucht. Die Analyse zeigte die geschlechtsspezifische Assoziation einer Allel-Kombination (Haplotyp) von drei funktionalen SNPs (rs2530547, rs324981 und rs727162) mit der Cortisolantwort auf den TSST, und einen geschlechtsspezifischen Effekt von rs324981 auf die zentralnervösen Aktivierungsmuster. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Geschlecht die Effekte von genetischer Variation im NPS-System auf die Stressregulation moduliert. In der vierten Studie (Kapitel V), wurde der Einfluss der genetischen Prädisposition und Umweltfaktoren auf chronischen Schmerz nach einer Amputation untersucht. Hierfür wurde eine Studie an 122 Individuen durchgeführt, bei welchen zwei Gliedmaßen amputiert wurden. Das Auftreten und die Intensität von sowohl Phantom- als auch Stumpfschmerzen zeigten einen starken Zusammenhang mit der Ausprägung des selben Schmerztyps zwischen den beiden amputierten Körpergliedern, es waren aber nur moderate Zusammenhänge zwischen den beiden Schmerzarten zu beobachten. Dieses Ergebnis legt den Einfluss von sowohl spezifischen, als auch gemeinsamen (potentiell genetischen) Risikofaktoren für beide Schmerztypen nahe.
Phase-amplitude cross-frequency coupling is a mechanism thought to facilitate communication between neuronal ensembles. The mechanism could underlie the implementation of complex cognitive processes, like executive functions, in the brain. This thesis contributes to answering the question, whether phase-amplitude cross-frequency coupling - assessed via electroencephalography (EEG) - is a mechanism by which executive functioning is implemented in the brain and whether an assumed performance effect of stress on executive functioning is reflected in phase-amplitude coupling strength. A huge body of studies shows that stress can influence executive functioning, in essence having detrimental effects. In two independent studies, each being comprised of two core executive function tasks (flexibility and behavioural inhibition as well as cognitive inhibition and working memory), beta-gamma phase-amplitude coupling was robustly detected in the left and right prefrontal hemispheres. No systematic pattern of coupling strength modulation by either task demands or acute stress was detected. Beta-gamma coupling might also be present in more basic attention processes. This is the first investigation of the relationship between stress, executive functions and phase-amplitude coupling. Therefore, many aspects have not been explored yet. For example, studying phase precision instead of coupling strength as an indicator for phase-amplitude coupling modulations. Furthermore, data was analysed in source space (independent component analysis); comparability to sensor space has still to be determined. These as well as other aspects should be investigated, due to the promising finding of very robust and strong beta-gamma coupling for all executive functions. Additionally, this thesis tested the performance of two widely used phase-amplitude coupling measures (mean vector length and modulation index). Both measures are specific and sensitive to coupling strength and coupling width. The simulation study also drew attention to several confounding factors, which influence phase-amplitude coupling measures (e. g. data length, multimodality).
Stressinduzierte Veränderungen gastrointestinaler Peptidhormone könnten eine biologische Grundlage für Überessen und einen Faktor bei der Entstehung von Adipositas darstellen. Darum wurden die Veränderungen der Plasmakonzentrationen von Ghrelin und Peptid YY (PYY) durch akuten Stress bei 85 adipösen und normalgewichtigen Frauen untersucht. Im Vergleich zu normalgewichtigen Frauen hatten adipöse Frauen eine geringere pre- als auch postprandiale Ghrelin-Sekretion. Darüber hinaus fiel auch der postprandiale Ghrelin-Abfall bei den adipösen Frauen geringer aus als bei der normalgewichtigen Vergleichsgruppe. Akuter Stress inhibierte die PYY-Sekretion in beiden Gruppen. Außerdem wurde der Effekt von akutem Stress auf das Essverhalten erfasst. Stress inhibierte die Nahrungsaufnahme in beiden Gruppen.
The last decades of stress research have yielded substantial advancements highlighting the importance of the phenomenon for basic psychological functions as well as physical health and well-being. Progress in stress research heavily relies on the availability of suitable and well validated laboratory stressors. Appropriate laboratory stressors need to be able to reliably provoke a response in the relevant parameters and be applicable in different research settings or experimental designs. This thesis focuses on the Cold Pressor Test (CPT) as a stress induction technique. Three published experiments are presented that show how the advantages of the CPT can be used to test stress effects on memory processes and how some of its disadvantages can be met by a simple modification that retains its feasibility and validity. The first experiment applies the CPT in a substantial sample to investigate the consolidation effects of post-learning sympathetic arousal. Stressed participants with high increases in heart rate during the CPT showed enhanced memory performance one day after learning compared to both the warm water control group and low heart rate responders. This finding suggests that beta-adrenergic activation elicited shortly after learning enhances memory consolidation and that the CPT induced heart rate response is a predictor for this effect. Moreover, the CPT proved to be an appropriate stressor to test hypothesis about endogenous adrenergic effects on memory processes. The second experiment addresses known practical limitations of the standard dominant hand CPT protocol. A bilateral feet CPT modification is presented, the elicited neuroendocrine stress response assessed and validated against the standard CPT in a within-subjects design. The bilateral feet CPT elicited a substantial neuroendocrine stress response. Moreover, with the exception of blood pressure responses, all stress parameters were enhanced compared to the standard CPT. This shows that the bilateral feet CPT is a valid alternative to the standard CPT. The third experiment further validates the bilateral feet CPT and its corresponding control procedure by employing it in a typical application scenario. Specifically, the bilateral feet CPT was used to modulate retrieval of event files in a distractor-response binding paradigm that required lateralized bimanual responses. Again, the bilateral feet CPT induced significant increases in heart rate, blood pressure and cortisol, no such increases could be observed in the warm water control condition. Moreover, stressed participants showed diminished retrieval compared to controls. These results provide further evidence for the feasibility and validity of the bilateral feet CPT and its warm water control procedure. Together the experiments presented here highlight the usefulness of the CPT as a tool in psychophysiological stress research. It is especially well suited to test hypothesis concerning stress effects on memory processes and its applicability can be further increased by the bilateral feet modification.
Stress has been considered one of the most relevant factors promoting aggressive behavior. Animal and human pharmacological studies revealed the stress hormones corticosterone in rodents and cortisol in humans to constitute a particularly important neuroendocrine determinate in facilitating aggression and beyond that, assumedly in its continuation and escalation. Moreover, cortisol-induced alterations of social information processing, as well as of cognitive control processes, have been hypothesized as possible influencing factors in the stress-aggression link. So far, the immediate impact of a preceding stressor and thereby stress-induced rise of cortisol on aggressive behavior as well as higher-order cognitive control processes and social information processing in this context have gone mostly unheeded. The present thesis aimed to extend the hitherto findings of stress and aggression in this regard. For this purpose two psychophysiological studies with healthy adults were carried out, both using the socially evaluated-cold pressor test as an acute stress induction. Additionally to behavioral data and subjective reports, event related potentials were measured and acute levels of salivary cortisol were collected on the basis of which stressed participants were divided into cortisol-responders and "nonresponders. Study 1 examined the impact of acute stress-induced cortisol increase on inhibitory control and its neural correlates. 41 male participants were randomly assigned to the stress procedure or to a non-stressful control condition. Beforehand and afterwards, participants performed a Go Nogo task with visual letters to measure response inhibition. The effect of acute stress-induced cortisol increase on covert and overt aggressive behavior and on the processing of provoking stimuli within the aggressive encounter was investigated in study 2. Moreover, this experiment examined the combined impact of stress and aggression on ensuing affective information processing. 71 male and female participants were either exposed to the stress or to the control condition. Following this, half of each group received high or low levels of provocation during the Taylor Aggression Paradigm. At the end of the experiment, a passive viewing paradigm with affective pictures depicting positive, negative, or aggressive scenes with either humans or objects was realized. The results revealed that men were not affected by a stress-induced rise in cortisol on a behavioral level, showing neither impaired response inhibition nor enhanced aggressive behavior. In contrast, women showed enhanced overt and covert aggressive behavior under a surge of endogenous cortisol, confirming previous results, albeit only in case of high provocation and only up to the level of the control group. Unlike this rather moderate impact on behavior, cortisol showed a distinct impact on neural correlates of information processing throughout inhibitory control, aggression-eliciting stimuli, and emotional pictures for both men and women. At this, stress-induced increase of cortisol resulted in enhanced N2 amplitudes to Go stimuli, whereas P2 amplitudes to both and N2 to Nogo amplitudes retained unchanged, indicating an overcorrection and caution of the response activation in favor of successful inhibitory control. The processing of aggression-eliciting stimuli during the aggressive encounter was complexly altered by stress differently for women and men. Under increased cortisol levels, the frontal or parietal P3 amplitude patterns were either diminished or reversed in the case of high provocation compared to the control group and to cortisol-nonresponders, indicating a desensitization towards aggression-eliciting stimuli in males, but a more elaborate processing of those in women. Moreover, stress-induced cortisol and provocation jointly altered subsequent affective information processing at early as well as later stages of the information processing stream. Again, increased levels of cortisol led opposite directed amplitudes in the case of high provocation relative to the control group and cortisol-nonresponders, with enhanced N2 amplitudes in men and reduced P3 and LPP amplitudes in men and women for all affective pictures, suggesting initially enhanced emotional reactivity in men, but ensuing reduced motivational attention and enhanced emotion regulation in both, men and women. As a result, these present findings confirm the relevance of HPA activity in the elicitation and persistence of human aggressive behavior. Moreover, they reveal the significance of compensatory and emotion regulatory strategies and mechanisms in response to stress and provocation, indorsing the relevance of social information and cognitive control processes. Still, more research is needed to clarify the conditions which lead to the facilitation of aggression and by which compensatory mechanisms this is prevented.
Fast and Slow Effects of Cortisol on Several Functions of the Central Nervous System in Humans
(2014)
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 exhibits typical ultradian and circadian rhythm and disturbances in its secretory pattern have been described in stress-related pathology. The aim of this thesis was to dissect the underlying structure of cortisol pulsatility and to develop tools to investigate the effects of this pulsatility on immune cell trafficking and the responsiveness of the neuroendocrine system and GR target genes to stress. Deconvolution modeling was set up as a tool for investigation of the pulsatile secretion underlying the ultradian cortisol rhythm. This further allowed us to investigate the role of the single cortisol pulses on the immune cell trafficking and the role of induced cortisol pulses on the kinetics of expression of GR target genes. The development of these three tools, would allow to induce and investigate in future the significance of single cortisol pulses for health and disease.
The startle response in psychophysiological research: modulating effects of contextual parameters
(2013)
Startle reactions are fast, reflexive, and defensive responses which protect the body from injury in the face of imminent danger. The underlying reflex is basic and can be found in many species. Even though it consists of only a few synapses located in the brain stem, the startle reflex offers a valuable research method for human affective, cognitive, and psychological research. This is because of moderating effects of higher mental processes such as attention and emotion on the response magnitude: affective foreground stimulation and directed attention are validated paradigms in startle-related research. This work presents findings from three independent research studies that deal with (1) the application of the established "affective modulation of startle"-paradigm to the novel setting of attractiveness and human mating preferences, (2) the question of how different components of the startle response are affected by a physiological stressor and (3) how startle stimuli affect visual attention towards emotional stimuli. While the first two studies treat the startle response as a dependent variable by measuring its response magnitude, the third study uses startle stimuli as an experimental manipulation and investigates its potential effects on a behavioural measure. The first chapter of this thesis describes the basic mechanisms of the startle response as well as the body of research that sets the foundation of startle research in psychophysiology. It provides the rationale for the presented studies, and offers a short summary of the obtained results. Chapter two to four represent primary research articles that are published or in press. At the beginning of each chapter the contribution of all authors is explained. The references for all chapters are listed at the end of this thesis. The overall scope of this thesis is to show how the human startle response is modulated by a variety of factors, such as the attractiveness of a potential mating partner or the exposure to a stressor. In conclusion, the magnitude of the startle response can serve as a measure for such psychological states and processes. Beyond the involuntary, physiological startle reflex, startle stimuli also affect intentional behavioural responses, which we could demonstrate for eye movements in a visual attention paradigm.
Im querschnittlichen Vergleich zwischen 10- bis 18-jährigen Mädchen mit Major Depression und gleichaltrigen gesunden Probandinnen wiesen die depressiven Mädchen mehr Probleme, mehr körperliche und psychische Stresssymptome, erhöhte Cortisolsekretion sowie eine ungünstigere Stressverarbeitung auf. Im Längsschnitt zeigte sich die Bedeutsamkeit von psychischer Stressbelastung und der Einfluss von Bewältigungsstrategien auf den Verlauf der Depression.
The present thesis addresses the validity of Binge Eating Disorder (BED) as well as underlying mechanisms of BED from three different angles. Three studies provide data discriminating obesity with BED from obesity without BED. Study 1 demonstrates differences between obese individuals with and without BED regarding eating in the natural environment, psychiatric comorbidity, negative affect as well as self reported tendencies in eating behavior. Evidence for possible psychological mechanisms explaining increased intake of BED individuals in the natural environment was given by analyzing associations of negative affect, emotional eating, restrained eating and caloric intake in obese BED compared to NBED controls. Study 2 demonstrated stress-induced changes in the eating behavior of obese individuals with BED. The impact of a psychosocial stressor, the Trier Social Stress Test (TSST, Kirschbaum, Pirke, & Hellhammer, 1993), on behavioral patterns of eating behavior in laboratory was investigated. Special attention was given to stress-induced changes in variables that reflect mechanisms of appetite regulation in obese BED individuals compared to controls. To further explore by which mechanisms stress might trigger binge eating, study 3 investigated differences in stress-induced cortisol secretion after a socially evaluated cold pressure test (SECPT, Schwabe, Haddad, & Schachinger, 2008) in obese BED as compared to obese NBED individuals.