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Acute social and physical stress interact to influence social behavior: the role of social anxiety
(2018)
Stress is proven to have detrimental effects on physical and mental health. Due to different tasks and study designs, the direct consequences of acute stress have been found to be wide-reaching: while some studies report prosocial effects, others report increases in antisocial behavior, still others report no effect. To control for specific effects of different stressors and to consider the role of social anxiety in stress-related social behavior, we investigated the effects of social versus physical stress on behavior in male participants possessing different levels of social anxiety. In a randomized, controlled two by two design we investigated the impact of social and physical stress on behavior in healthy young men. We found significant influences on various subjective increases in stress by physical and social stress, but no interaction effect. Cortisol was significantly increased by physical stress, and the heart rate was modulated by physical and social stress as well as their combination. Social anxiety modulated the subjective stress response but not the cortisol or heart rate response. With respect to behavior, our results show that social and physical stress interacted to modulate trust, trustworthiness, and sharing. While social stress and physical stress alone reduced prosocial behavior, a combination of the two stressor modalities could restore prosociality. Social stress alone reduced nonsocial risk behavior regardless of physical stress. Social anxiety was associated with higher subjective stress responses and higher levels of trust. As a consequence, future studies will need to investigate further various stressors and clarify their effects on social behavior in health and social anxiety disorders.
The glucocorticoid (GC) cortisol, main mediator of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis, has many implications in metabolism, stress response and the immune system. GC function is mediated mainly via the glucocorticoid receptor (GR) which binds as a transcription factor to glucocorticoid response elements (GREs). GCs are strong immunosuppressants and used to treat inflammatory and autoimmune diseases. Long-term usage can lead to several irreversible side effects which make improved understanding indispensable and warrant the adaptation of current drugs. Several large scale gene expression studies have been performed to gain insight into GC signalling. Nevertheless, studies at the proteomic level have not yet been made. The effects of cortisol on monocytes and macrophages were studied in the THP-1 cell line using 2D fluorescence difference gel electrophoresis (2D DIGE) combined with MALDI-TOF mass spectrometry. More than 50 cortisol-modulated proteins were identified which belonged to five functional groups: cytoskeleton, chaperones, immune response, metabolism, and transcription/translation. Multiple GREs were found in the promoters of their corresponding genes (+10 kb/-0.2 kb promoter regions including all alternative promoters available within the Database for Transcription Start Sites (DBTSS)). High quality GREs were observed mainly in cortisol modulated genes, corroborating the proteomics results. Differential regulation of selected immune response related proteins were confirmed by qPCR and immuno-blotting. All immune response related proteins (MX1, IFIT3, SYWC, STAT3, PMSE2, PRS7) which were induced by LPS were suppressed by cortisol and belong mainly to classical interferon target genes. Mx1 has been selected for detailed expression analysis since new isoforms have been identified by proteomics. FKBP51, known to be induced by cortisol, was identified as the strongest differentially expressed protein and contained the highest number of strict GREs. Genomic analysis of five alternative FKBP5 promoter regions suggested GC inducibility of all transcripts. 2D DIGE combined with 2D immunoblotting revealed the existence of several previously unknown FKBP51 isoforms, possibly resulting from these transcripts. Additionally multiple post-translational modifications were found, which could lead to different subcellular localization in monocytes and macrophages as seen by confocal microscopy. Similar results were obtained for the different cellular subsets of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). FKBP51 was found to be constitutively phosphorylated with up to 8 phosphosites in CD19+ B lymphocytes. Differential Co-immunoprecipitation for cytoplasm and nucleus allowed us to identify new potential interaction partners. Nuclear FKBP51 was found to interact with myosin 9, whereas cytosolic FKBP51 with TRIM21 (synonym: Ro52, Sjögren`s syndrome antigen). The GR has been found to interact with THOC4 and YB1, two proteins implicated in mRNA processing and transcriptional regulation. We also applied proteomics to study rapid non-genomic effects of acute stress in a rat model. The nuclear proteome of the thymus was investigated after 15 min restraint stress and compared to the non-stressed control. Most of the identified proteins were transcriptional regulators found to be enriched in the nucleus probably to assist gene expression in an appropriate manner. The proteomic approach allowed us to further understand the cortisol mediated response in monocytes/macrophages. We identified several new target proteins, but we also found new protein variants and post-translational modifications which need further investigation. Detailed study of FKBP51 and GR indicated a complex regulation network which opened a new field of research. We identified new variants of the anti-viral response protein MX1, displaying differential expression and phosphorylation in the cellular compartments. Further, proteomics allowed us to follow the very early effects of acute stress, which happen prior to gene expression. The nuclear thymocyte proteome of restraint stressed rats revealed an active preparation for subsequent gene expression. Proteomics was successfully applied to study differential protein expression, to identify new protein variants and phosphorylation events as well as to follow translocation. New aspects for future research in the field of cortisol-mediated immune modulation have been added.
Das Stresshormon Cortisol zeigt einen starken zirkadianen Rhythmus mit hohen Cortisolwerten nach dem morgendlichen Erwachen und niedrigen Werten am Abend. Die vorliegende Arbeit legt die Grundlagen dafür, dass der Cortisolspiegel nach dem Erwachen (Cortisol Awakening Response) zukünftig Bestandteil einer multimodalen Diagnostik stressbezogener Erkrankungen werden kann. Zu diesem Zweck werden besonders messmethodische Aspekte des Cortisol Awakening Response (CAR) dargestellt und eingehend diskutiert. Der Einfluss verschiedener konfundierender Variablen wurde in einer quantitativen Metaanalyse untersucht. Ein gesonderter Abschnitt beschreibt verschiedene Möglichkeiten der statistischen Analyse des CAR. Zu diesem Zweck wurden verschiedene statistische Kennwerte generiert und deren Reliabilitäten und Interkorrelationen an einem empirischen Datensatz untersucht. In dieser Arbeit werden auch Normwerte für die einzelnen statistischen Kennwerte des CAR angegeben.
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.
Stress and pain are common experiences in human lives. Both, the stress and the pain system have adaptive functions and try to protect the organism in case of harm and danger. However, stress and pain are two of the most challenging problems for the society and the health system. Chronic stress, as often seen in modern societies, has much impact on health and can lead to chronic stress disorders. These disorders also include a number of chronic pain syndromes. However, pain can also be regarded as a stressor itself, especially when we consider how much patients suffer from long-lasting pain and the impact of pain on life quality. In this way, the effects of stress on pain can be fostered. For the generation and manifestation of chronic pain symptoms also learning processes such as classical conditioning play an important role. Processes of classical conditioning can also be influenced by stress. These facts illustrate the complex and various interactions between the pain and the stress systems. Both systems communicate permanently with each other and help to protect the organism and to keep a homeostatic state. They have various ways of communication, for example mechanisms related to endogenous opioids, immune parameters, glucocorticoids and baroreflexes. But an overactivation of the systems, for example caused by ongoing stress, can lead to severe health problems. Therefore, it is of great importance to understand these interactions and their underlying mechanisms. The present work deals with the relationship of stress and pain. A special focus is put on stress related hypocortisolism and pain processing, stress induced hypoalgesia via baroreceptor related mechanisms and stress related cortisol effects on aversive conditioning (as a model of pain learning). This work is a contribution to the wide field of research that tries to understand the complex interactions of stress and pain. To demonstrate the variety, the selected studies highlight different aspects of these interactions. In the first chapter I will give a short introduction on the pain and the stress systems and their ways of interaction. Furthermore, I will give a short summary of the studies presented in Chapter II to V and their background. The results and their meaning for future research will be discussed in the last part of the first chapter. Chronic pain syndromes have been associated with chronic stress and alterations of the HPA axis resulting in chronic hypocortisolism. But if these alterations may play a causal role in the pathophysiology of chronic pain remains unclear. Thus, the study described in Chapter II investigated the effects of pharmacological induced hypocortisolism on pain perception. Both, the stress and the pain system are related to the cardiovascular system. Increase of blood pressure is part of the stress reaction and leads to reduced pain perception. Therefore, it is important for the usage of pain tests to keep in mind potential interferences from activation of the cardiovascular system, especially when pain inhibitory processes are investigated. For this reason we compared two commonly and interchangeably used pain tests with regard to the triggered autonomic reactions. This study is described in chapter III. Chapter IV and V deal with the role of learning processes in pain and related influences of stress. Processes of classical conditioning play an important role for symptom generation and manifestation. In both studies aversive eyeblink conditioning was used as a model for pain learning. In the study described in Chapter IV we compared classical eyeblink conditioning in healthy volunteers to patients suffering from fibromyalgia, a chronic pain disorder. Also, differences of the HPA axis, as part of the stress system, were taken in account. The study of Chapter V investigated effects of the very first stress reaction, particularly rapid non-genomic cortisol effects. Healthy volunteers received an intravenous cortisol administration immediately before the eyeblink conditioning. Rapid effects have only been demonstrated on a cellular level and on animal behavior so far. In general, the studies presented in this work may give an impression of the broad variety of possible interactions between the pain and the stress system. Furthermore, they contribute to our knowledge about theses interactions. However, more research is needed to complete the picture.
In jüngerer Zeit wurde in der neuroendokrinologischen Forschung das Phänomen eines Hypocortisolismus bei verschiedenen Störungen, die mit Stress assoziiert sind, beschrieben. Insbesondere bei der Posttraumatischen Belastungsstörung (PTSD) wurde eine verringerte adrenale Aktivität berichtet. Aber auch bei Patienten mit verschiedenen körperlichen Beschwerden wurden ähnliche neuroendokrine Veränderungen gefunden. Dazu zählen unter anderem das Fibromyalgiesyndrom (FMS) und chronische Unterbauchbeschwerden (CUBB). Die Mechanismen, welche dem Hypocortisolismus zugrunde liegen, sind bislang sowohl für die PTSD als auch für stressabhängige körperliche Beschwerden nicht abschließend geklärt. Weiterhin besteht Unklarheit darüber, inwieweit eine Vergleichbarkeit dieser Mechanismen zwischen den verschiedenen Störungsbildern besteht. Die Entstehung und Aufrechterhaltung dieser Erkrankungen scheinen somit ein sehr komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren darzustellen. Andererseits weisen die Überlappungen hinsichtlich symptomatologischer, psychologischer und endokrinologischer Variablen zwischen PTSD, FMS und CUBB auf die Existenz störungsübergreifender Subgruppen hin. In der vorliegenden Studie wurden psychologische und endokrinologische Auffälligkeiten bei PTSD, FMS und CUBB weiter untersucht. Vorrangiges Ziel war, zu überprüfen, inwieweit störungsübergreifende Subgruppen mit vergleichbaren psychoendokrinologischen Auffälligkeiten bestehen. Insgesamt wurden 59 Patientinnen mittels verschiedener endokrinologischer Tests untersucht und mit 30 gesunden Kontrollfrauen verglichen. Mit einer Clusteranalyse konnten drei unabhängige störungsübergreifende Subgruppen identifiziert werden, die sich hinsichtlich ihrer Reaktionen in den endokrinologischen Tests unterschieden. Es konnte somit gezeigt werden, dass es sich bei den untersuchten Störungsgruppen weder um eine Störungsfamilie mit identischen endokrinen Auffälligkeiten noch um isolierte, d.h. distinkte, von einander unabhängige Erkrankungen handelt. Vielmehr scheinen störungsübergreifende Subgruppen zu bestehen. Weitere Studien sollten die gefunden Muster replizieren und gegebenenfalls erweitern.
Background
Identifying pain-related response patterns and understanding functional mechanisms of symptom formation and recovery are important for improving treatment.
Objectives
We aimed to replicate pain-related avoidance-endurance response patterns associated with the Fear-Avoidance Model, and its extension, the Avoidance-Endurance Model, and examined their differences in secondary measures of stress, action control (i.e., dispositional action vs. state orientation), coping, and health.
Methods
Latent profile analysis (LPA) was conducted on self-report data from 536 patients with chronic non-specific low back pain at the beginning of an inpatient rehabilitation program. Measures of stress (i.e., pain, life stress) and action control were analyzed as covariates regarding their influence on the formation of different pain response profiles. Measures of coping and health were examined as dependent variables.
Results
Partially in line with our assumptions, we found three pain response profiles of distress-avoidance, eustress-endurance, and low-endurance responses that are depending on the level of perceived stress and action control. Distress-avoidance responders emerged as the most burdened, dysfunctional patient group concerning measures of stress, action control, maladaptive coping, and health. Eustress-endurance responders showed one of the highest levels of action versus state orientation, as well as the highest levels of adaptive coping and physical activity. Low-endurance responders reported lower levels of stress as well as equal levels of action versus state orientation, maladaptive coping, and health compared to eustress-endurance responders; however, equally low levels of adaptive coping and physical activity compared to distress-avoidance responders.
Conclusions
Apart from the partially supported assumptions of the Fear-Avoidance and Avoidance-Endurance Model, perceived stress and dispositional action versus state orientation may play a crucial role in the formation of pain-related avoidance-endurance response patterns that vary in degree of adaptiveness. Results suggest tailoring interventions based on behavioral and functional analysis of pain responses in order to more effectively improve patients quality of life.
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.
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.
In this thesis, three studies investigating the impact of stress on the protective startle eye blink reflex are reported. In the first study a decrease in prepulse inhibition of the startle reflex was observed after intravenous low dose cortisol application. In the second study a decrease in reflex magnitude of the startle reflex was observed after pharmacological suppression of endogenous cortisol production. In the third study, a higher reflex magnitude of the startle reflex was observed at reduced arterial and central venous blood pressure. These results can be interpreted in terms of an adaption to hostile environments.