The Role of Dopamine and Acetylcholine as Modulators of Selective Attention and Response Speed
(2015)
The principles of top-down and bottom-up processing are essential to cognitive psychology. At their broadest, most general definition, they denote that processing can be driven either by the salience of the stimulus input or by individual goals and strategies. Selective top-down attention, specifically, consists in the deliberate prioritizing of stimuli that are deemed goal-relevant, while selective bottom-up attention relies on the automatic allocation of attention to salient stimuli (Connor, Egeth, & Yantis, 2004; Schneider, Schote, Meyer, & Frings, 2014). Variations within neurotransmitter systems can modulate cognitive performance in a domain-specific fashion (Greenwood, Fossella, & Parasuraman, 2005). Noudoost and Moore (2011a) proposed that the influence of the dopaminergic neurotransmitter system on selective top-down attention might be greater than the influence of this system on selective bottom-up attention; likewise, they assumed that the cholinergic neurotransmitter system might be more important for selective bottom-up than top-down attention. To test this hypothesis, naturally occurring variations within the two neurotransmitter systems were assessed. Five polymorphisms were selected; two of the dopaminergic system (the COMT Val158Met polymorphism and the DAT1 polymorphism) and three of the cholinergic system (the CHRNA4 rs1044396 polymorphism, the CHRNA5 rs3841324 polymorphism, and the CHRNA5 rs16969968 polymorphism). It was tested whether these polymorphisms modulated the performance in tasks of selective top-down attention (a Stroop task and a Negative priming task) and in a task of selective bottom-up attention (a Posner-Cuing task). Indeed, the dopaminergic polymorphisms influenced selective top-down attention, but exerted no effects on bottom-up attention. This aligned with the hypothesis proposed by Noudoost and Moore (2011a). In contrast, the cholinergic polymorphisms were not found to modulate selective bottom-up attention. The three cholinergic polymorphisms, however, affected the general response speed in the Stroop task, Negative priming task, and Posner-Cuing task (irrespective of attentional processing). In sum, the findings of this study provide strong indications that the dopaminergic system modulates selective top-down attention, while the cholinergic system is highly relevant for the general speed of information processing.
Das Triple-X-Syndrom ist die häufigste Chromosomenstörung im weiblichen Geschlecht und dennoch wenig bekannt und erforscht. Um die wissenschaftliche Datenlage für die Betroffenen, werdenden Eltern und genetischen Berater zu verbessern wurde die vorliegende Studie durchgeführt. Ziel der Studie war es zu untersuchen, ob bei Mädchen und Frauen mit Triple-X-Karyotyp häufiger psychische Probleme und Verhaltensauffälligkeiten auftreten als bei Mädchen und Frauen mit einem regelrechten Chromosomensatz. Insgesamt konnten 72 Mädchen und Frauen mit Triple-X und 69 mit einem regelrechten Chromosomensatz in die Studie eingeschlossen werden. Durch drei in Altersgruppen aufgeteilte Kohorten konnte verglichen werden, ob mögliche Auffälligkeiten altersabhängig auftreten, wie sich der Entwicklungsverlauf vom Kind zur erwachsenen Frau darstellt und ob dabei Zusammenhänge erkennbar sind. Bei den Mädchen im Alter von vier bis sieben Jahren zeigten sich im Vergleich zur Kontrollgruppe bereits signifikante Unterschiede in Bezug auf schulische Kompetenzen, soziale Probleme und Aufmerksamkeitsprobleme. In der Altersgruppe der Mädchen von acht bis 17 Jahren haben sich diese Auffälligkeiten noch verstärkt und die Ergebnisse aus dem Fragebogen "Child Behavior Checklist" weisen über alle Skalen hinweg einen deutlichen Unterschied zwischen der Triple-X-Gruppe und der Kontrollgruppe auf. Dies betrifft insbesondere die Bereiche "Schulische Kompetenzen", "Internalisierende Auffälligkeiten", "Sozialer Rückzug", "Soziale Probleme" und "Aufmerksamkeits-probleme". In der Gesamtintensität der Auffälligkeiten haben die Triple-X-Mädchen im Mittel signifikant schlechtere Werte als die Mädchen der Kontrollgruppe. Auch ist der Anteil der Mädchen, die in den klinisch auffälligen Bereich fallen, in der Triple-X-Gruppe signifikant erhöht. Die Untersuchungen zum Selbstwertgefühl machen deutlich, dass Mädchen mit Triple-X-Karyotyp ein vermindertes Selbstwertgefühl im Vergleich zur Kontrollgruppe aufweisen. Auch unterscheiden sich Triple-X-Mädchen in Bezug auf ihr Emotionsregulationsverhalten. Sie haben eine Tendenz zu eher maladaptiven Bewältigungsstrategien und sie zeigen insbesondere beim "Problemorientierten Handeln" und auch in Bezug auf die Emotion "Angst" signifikante Unterschiede zur Kontrollgruppe. Für die Gruppe der Erwachsenen konnte nachgewiesen werden, dass sich Triple-X-Frauen in ihren Persönlichkeitsmerkmalen von Frauen mit einem regelrechten Chromosomensatz unterscheiden. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Triple-X-Frauen häufiger emotional labil und ängstlich reagieren und auch eher zurückhaltend und introvertiert und weniger leistungsorientiert sind. Sie haben eine geringere Lebenszufriedenheit und neigen dazu weniger sozial verantwortlich zu handeln. Triple-X-Frauen sind in ihrem täglichen Leben stärker durch körperliche und psychische Symptome beeinträchtigt, wenngleich diese Beeinträchtigungen nicht so stark sind, dass sie in den klinisch auffälligen Bereich fallen.
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.
Climate change and habitat fragmentation modify the natural habitat of many wetland biota and lead to new compositions of biodiversity in these ecosystems. While the direct effects of climate are often well known, indirect effects due to biotic interactions remain poorly understood. The water meadow grasshopper, Chorthippus montanus, is a univoltine habitat specialist, which is adapted to permanently moist habitats. Land use change and drainage led to highly fragmented populations of this generally flightless species. In large parts of the Palaearctic Ch. montanus occurs sympatrically with its widespread congener, the meadow grasshopper Chorthippus parallelus. Due to their close relationship and their similar songs, hybridization is likely to occur in syntopic populations. Such a species pair of a habitat specialist and a habitat generalist represents an ideal model system to examine the role of ongoing climate change and an accumulation of extreme climatic events on the life history strategies, population dynamics and inter-specific interactions. In Chapter I a laboratory experiment was conducted to identify the impact of environmental factors on intra-specific life-history traits of Ch. montanus. Like other Orthoptera species, Ch. montanus follows a converse temperature size rule. In line with the dimorphic niche hypothesis, which states that sexual size dimorphism evolved in response to the different sexual reproductive roles, both sexes showed different responses to increasing density at lower temperatures. Males attained smaller body sizes at high densities, whereas females had a prolonged development time. This is the first evidence for a sex-specific phenotypic plasticity in Ch. montanus. Females benefit from the prolonged development as their reproductive success depends on the size and number of egg clutches they may produce. By contrast, the reproductive success of males depends on the chance to fertilize virgin females, which increases with faster development. This may become a disadvantage for Ch. montanus as an intraspecific phenology shift may increase hybridization risk with the sibling species. Despite the widespread assumption that hybridization between two sympatric species is rare due to complete reproductive barriers, the genetic analyses of 16 populations (Chapter II) provided evidence for wide prevalence of hybridization between both species in the wild. As no complete admixture was found in the examined population, it is assumed that hybridization only occurs in ecotones between wetlands and drier parts. Reproductive barriers (habitat isolation, behavior, phenology) seem to prevent the genetic swamping of Ch. montanus populations. Although a behavioral experiment showed that mate choice presents an important reproductive barrier between both species, the experiment also revealed that reproductive barriers could be altered by environmental change (e.g. increasing heterospecific frequency). Chapter III analyzes the impact of extreme climatic events on population dynamics and interspecific hybridization. A mark-recapture analysis combined with weather records over five years provides evidence that the embryonic development in Ch. montanus is vulnerable to extreme climatic events. Strong population declines in Ch. montanus lead to a disequilibrium between Ch. montanus and Ch. parallelus populations and increases the risk of hybridization. The highest hybridization risk was found in the first weeks of a season, when both species had an overlapping phenology. Furthermore, hybrids were generally localized at the edge of the Ch. montanus distribution with higher heterospecific encounter probabilities. The hybridization rate reached up to 19.6%. The genetic analyses in Chapter II and III show that hybridization differentially affects specialists and generalists. While generalists may benefit from hybridization by an increasing genetic diversity, such a positive correlation was not found for Ch. montanus. The results underline the importance of reproductive barriers for the co-existence of these sympatric species. However, climate change and other anthropogenic disturbances alter reproductive barriers and promote hybridization, which may threaten small populations by genetic displacement. As anthropogenic hybridization is recognized as a major threat to biodiversity, it should be considered in environmental law and policy. In Chapter IV the role of hybrids and hybridization in three levels of law and the historical backgrounds of hybrids becoming a part of legal instruments is analyzed. Due to legal uncertainties and the complexity of this topic a legal assessment of hybrids is challenging and argues for species-specific approaches. Nonetheless, existing legal norms provide a suitable basis, but need to be specified. Finally, this chapter discusses different opportunities for the management of hybrids and hybridization in a conservation perspective and their necessity.