Electrophysiological Signatures of Fear Conditioning: From Methodological Considerations to Catecholaminergic Mechanisms and Translational Perspectives
Sperl, Matthias F. J.
Fear conditioning describes a learning mechanism during which a specific stimulus gets associated with an aversive event (i.e., an unconditioned stimulus; US). Thereby, this initially neutral or arbitrary stimulus becomes a so-called “conditioned” stimulus (CS), which elicits a conditioned threat response. Fear extinction refers to the decrease in conditioned threat responses as soon as the CS is repeatedly presented in the absence of the US. While fear conditioning is an important learning model for understanding the etiology and maintenance of anxiety and fear-related disorders, extinction learning is considered to reflect the most important learning process of exposure therapy. Neurophysiological signatures of fear conditioning have been widely studied in rodents, leading to the development of groundbreaking neurobiological models, including brain regions such as the amygdala, insula, and prefrontal areas. These models aim to explain neural mechanisms of threat processing, with the ultimate goal to improve treatment strategies for pathological fear. Recording intracranial electrical activity of single units in animals offers the opportunity to uncover neural processes involved in threat processing with excellent spatial and temporal resolution. A large body of functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have helped to translate this knowledge about the anatomy of fear conditioning into the human realm. fMRI is an imaging technique with a high spatial resolution that is well suited to study slower brain processes. However, the temporal resolution of fMRI is relatively poor. By contrast, electroencephalography (EEG) is a neuroscientific method to capture fast and transient cortical processes. While EEG offers promising opportunities to unravel the speed of neural threat processing, it also provides the possibility to study oscillatory brain activity (e.g., prefrontal theta oscillations). The present thesis contains six research manuscripts, describing fear conditioning studies that mainly applied EEG methods in combination with other central (fMRI) and peripheral (skin conductance, heart rate, and fear-potentiated startle) measures. A special focus of this thesis lies in methodological considerations for EEG fear conditioning research. In addition, catecholaminergic mechanisms are studied, with the ultimate goal of opening up new translational perspectives. Taken together, the present thesis addresses several methodological challenges for neuroscientific (in particular, EEG) fear conditioning research (e.g., appropriate US types and experimental designs, signal-to-noise ratio, simultaneous EEG-fMRI). Furthermore, this thesis gives critical insight into catecholaminergic (noradrenaline and dopamine) mechanisms. A variety of neuroscientific methods (e.g., EEG, fMRI, peripheral physiology, pharmacological manipulation, genetic associations) have been combined, an approach that allowed us (a) to translate knowledge from animal studies to human research, and (b) to stimulate novel clinical directions.
Philipps-Universität Marburg
Psychology
https://doi.org/10.17192/z2021.0500
urn:nbn:de:hebis:04-z2021-05005
opus:10171
Fear extinction
2021-09-16
https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2021/0500/cover.png
Noradrenaline
Lernen
Sperl, Matthias F. J.
Sperl
Matthias F. J.
Angst
Dopamine
monograph
2021-10-13
Electroencephalography
Philipps-Universität Marburg
Catecholamine
Fear
https://doi.org/10.17192/z2021.0500
Dopamin,
2021
Extinktion
Placebo
Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg
Universitätsbibliothek Marburg
Furchtextinktion
Furcht
ths
Prof. Dr.
Mueller
Erik M.
Mueller, Erik M. (Prof. Dr.)
Yohimbin
Furchtkonditionierung beschreibt einen Lernmechanismus, bei dem ein spezifischer Reiz mit einem aversiven Ereignis (d.h. einem unkonditionierten Reiz; US) assoziiert wird. Dadurch wird dieser zunächst neutrale oder beliebig ausgewählte Reiz zu einem sogenannten „konditionierten“ Reiz (CS), der eine konditionierte Bedrohungs-Reaktion hervorruft. Unter Furchtextinktion versteht man die Abnahme der konditionierten Bedrohungs-Reaktion, sobald der CS wiederholt in Abwesenheit des US präsentiert wird. Während die Furchtkonditionierung ein wichtiges Lernmodell für das Verständnis der Ätiologie und Aufrechterhaltung von Angststörungen und Furcht-assoziierten Störungen darstellt, wird das Extinktionslernen als der wichtigste Lernprozess bei der Expositionstherapie angesehen. Neurophysiologische Korrelate der Furchtkonditionierung wurden umfassend in Nagetieren untersucht, was zur Entwicklung wegweisender neurobiologischer Modelle führte, welche Gehirnregionen wie die Amygdala, die Insula und präfrontale Areale beinhalten. Diese Modelle zielen darauf ab, neuronale Mechanismen der Bedrohungs-Verarbeitung zu erklären, mit dem letztendlichen Ziel, Behandlungs-Strategien für pathologische Furcht zu verbessern. Die Aufzeichnung der intrakraniellen elektrischen Aktivität einzelner Nervenzellen bietet im Tiermodell die Möglichkeit, neuronale Prozesse, die an der Bedrohungs-Verarbeitung beteiligt sind, mit hervorragender räumlicher und zeitlicher Auflösung aufzudecken. Eine große Anzahl von Studien mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) hat dazu beigetragen, dieses Wissen über anatomische Grundlagen der Furchtkonditionierung auf den Menschen zu übertragen. fMRT ist ein bildgebendes Verfahren mit hoher räumlicher Auflösung, das sich gut für die Untersuchung langsamerer Gehirnprozesse eignet. Allerdings ist die zeitliche Auflösung der fMRT relativ niedrig. Im Gegensatz dazu ist die Elektroenzephalographie (EEG) eine neurowissenschaftliche Methode, die sich hervorragend zur Erfassung schneller und transienter kortikaler Prozesse eignet. Während die EEG-Methodik vielversprechende Möglichkeiten eröffnet, die Geschwindigkeit neuronaler Bedrohungs-Verarbeitung zu entschlüsseln, bietet sie auch die Möglichkeit, oszillatorische Hirnaktivität (z. B. präfrontale Theta-Oszillationen) zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation enthält sechs Forschungs-Manuskripte und beschreibt Studien zur Furchtkonditionierung, bei denen hauptsächlich EEG-Methoden in Kombination mit anderen zentral- (fMRT) und peripher-physiologischen Methoden (elektrodermale Aktivität, Herzfrequenz und Modulation des Schreckreflexes) eingesetzt wurden. Ein besonderer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf methodischen Überlegungen zur Furchtkonditionierungs-Forschung mit EEG. Außerdem werden katecholaminerge Mechanismen untersucht, mit dem langfristigen Ziel, neue translationale Perspektiven zu eröffnen. Insgesamt adressiert die vorliegende Dissertation mehrere methodische Herausforderungen für die neurowissenschaftliche (insbesondere EEG) Furchtkonditionierungs-Forschung (z. B. geeignete US-Typen und experimentelle Paradigmen, Signal-Rausch-Verhältnis, simultane EEG-fMRT). Darüber hinaus gibt diese Arbeit wichtige Einblicke in katecholaminerge (Noradrenalin und Dopamin) Mechanismen. Eine Vielzahl neurowissenschaftlicher Methoden (z. B. EEG, fMRT, peripher-physiologische Maße, pharmakologische Manipulation, genetische Assoziationen) wurde kombiniert. Dieser Ansatz ermöglichte es uns, (a) Erkenntnisse aus Tiermodellen in die Humanforschung zu übertragen und (b) neue klinische Perspektiven aufzuzeigen.
Fear conditioning describes a learning mechanism during which a specific stimulus gets associated with an aversive event (i.e., an unconditioned stimulus; US). Thereby, this initially neutral or arbitrary stimulus becomes a so-called “conditioned” stimulus (CS), which elicits a conditioned threat response. Fear extinction refers to the decrease in conditioned threat responses as soon as the CS is repeatedly presented in the absence of the US. While fear conditioning is an important learning model for understanding the etiology and maintenance of anxiety and fear-related disorders, extinction learning is considered to reflect the most important learning process of exposure therapy. Neurophysiological signatures of fear conditioning have been widely studied in rodents, leading to the development of groundbreaking neurobiological models, including brain regions such as the amygdala, insula, and prefrontal areas. These models aim to explain neural mechanisms of threat processing, with the ultimate goal to improve treatment strategies for pathological fear. Recording intracranial electrical activity of single units in animals offers the opportunity to uncover neural processes involved in threat processing with excellent spatial and temporal resolution. A large body of functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have helped to translate this knowledge about the anatomy of fear conditioning into the human realm. fMRI is an imaging technique with a high spatial resolution that is well suited to study slower brain processes. However, the temporal resolution of fMRI is relatively poor. By contrast, electroencephalography (EEG) is a neuroscientific method to capture fast and transient cortical processes. While EEG offers promising opportunities to unravel the speed of neural threat processing, it also provides the possibility to study oscillatory brain activity (e.g., prefrontal theta oscillations). The present thesis contains six research manuscripts, describing fear conditioning studies that mainly applied EEG methods in combination with other central (fMRI) and peripheral (skin conductance, heart rate, and fear-potentiated startle) measures. A special focus of this thesis lies in methodological considerations for EEG fear conditioning research. In addition, catecholaminergic mechanisms are studied, with the ultimate goal of opening up new translational perspectives. Taken together, the present thesis addresses several methodological challenges for neuroscientific (in particular, EEG) fear conditioning research (e.g., appropriate US types and experimental designs, signal-to-noise ratio, simultaneous EEG-fMRI). Furthermore, this thesis gives critical insight into catecholaminergic (noradrenaline and dopamine) mechanisms. A variety of neuroscientific methods (e.g., EEG, fMRI, peripheral physiology, pharmacological manipulation, genetic associations) have been combined, an approach that allowed us (a) to translate knowledge from animal studies to human research, and (b) to stimulate novel clinical directions.
doctoralThesis
urn:nbn:de:hebis:04-z2021-05005
Elektrophysiologische Korrelate von Furchtkonditionierung: Von methodischen Überlegungen zu katecholaminergen Mechanismen und translationalen Perspektiven
Sulpiride
Anxiety
English
Fear conditioning
Psychologie
Yohimbine
opus:10171
Elektroenzephalografie
Psychology
Psychologie
Imagery
2021-10-04
COMT Val158Met
Sulpirid
Imagination
Konditionierung
Fachbereich Psychologie
Furchtkonditionierung
Electrophysiological Signatures of Fear Conditioning: From Methodological Considerations to Catecholaminergic Mechanisms and Translational Perspectives
Noradrenalin
COMT Val158Met
333
application/pdf
Norepinephrine
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