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It has been shown that applying transcranial direct current stimulation (tDCS) over the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) influences declarative memory processes. This study investigates the efficacy of tDCS on emotional memory consolidation, especially experimental fear conditioning. We applied an auditory fear-conditioning paradigm, in which two differently colored squares (blue and yellow) were presented as conditioned stimuli (CS) and an auditory stimulus as unconditioned stimulus (UCS). Sixty-nine participants were randomly assigned into three groups: anodal, cathodal, and sham stimulation. The participants of the two active groups (i.e., anodal and cathodal) received tDCS over the left DLPFC for 12 min after fear conditioning. The effect of fear conditioning and consolidation (24 h later) was measured by assessing the skin conductance response (SCR) to the CS. The results provide evidence that cathodal stimulation of the left DLPFC leads to an inhibitory effect on fear memory consolidation compared to anodal and sham stimulation, as indicated by decreased SCRs to CS+ presentation during extinction training at day 2. In conclusion, current work suggests that cathodal stimulation interferes with processes of fear memory consolidation.
The extinction of conditioned fear depends on an efficient interplay between the amygdala and the medial prefrontal cortex (mPFC). In rats, high-frequency electrical mPFC stimulation has been shown to improve extinction by means of a reduction of amygdala activity. However, so far it is unclear whether stimulation of homologues regions in humans might have similar beneficial effects. Healthy volunteers received one session of either active or sham repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) covering the mPFC while undergoing a 2-day fear conditioning and extinction paradigm. Repetitive TMS was applied offline after fear acquisition in which one of two faces (CS+ but not CS−) was associated with an aversive scream (UCS). Immediate extinction learning (day 1) and extinction recall (day 2) were conducted without UCS delivery. Conditioned responses (CR) were assessed in a multimodal approach using fear-potentiated startle (FPS), skin conductance responses (SCR), functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), and self-report scales. Consistent with the hypothesis of a modulated processing of conditioned fear after high-frequency rTMS, the active group showed a reduced CS+/CS− discrimination during extinction learning as evident in FPS as well as in SCR and arousal ratings. FPS responses to CS+ further showed a linear decrement throughout both extinction sessions. This study describes the first experimental approach of influencing conditioned fear by using rTMS and can thus be a basis for future studies investigating a complementation of mPFC stimulation to cognitive behavioral therapy (CBT).
Background:
Memory reconsolidation is the direct effect of memory reactivation followed by stabilization of newly synthesized proteins. It has been well proven that neural encoding of both newly and reactivated memories requires synaptic plasticity. Brain derived neurotrophic factor (BDNF) has been extensively investigated regarding its role in the formation of synaptic plasticity and in the alteration of fear memories. However, its role in fear reconsolidation is still unclear; hence, the current study has been designed to investigate the role of the BDNF val66met polymorphism (rs6265) in fear memory reconsolidation in humans.
Methods:
An auditory fear-conditioning paradigm was conducted, which comprised of three stages (acquisition, reactivation, and spontaneous recovery). One day after fear acquisition, the experimental group underwent reactivation of fear memory followed by the extinction training (reminder group), whereas the control group (non-reminder group) underwent only extinction training. On day 3, both groups were subjected to spontaneous recovery of earlier learned fearful memories. The treat-elicited defensive response due to conditioned threat was measured by assessing the skin conductance response to the conditioned stimulus. All participants were genotyped for rs6265.
Results:
The results indicate a diminishing effect of reminder on the persistence of fear memory only in the Met-allele carriers, suggesting a moderating effect of the BDNF polymorphism in fear memory reconsolidation.
Conclusions:
Our findings suggest a new role for BDNF gene variation in fear memory reconsolidation in humans.
Most research on human fear conditioning and its generalization has focused on adults whereas only little is known about these processes in children. Direct comparisons between child and adult populations are needed to determine developmental risk markers of fear and anxiety. We compared 267 children and 285 adults in a differential fear conditioning paradigm and generalization test. Skin conductance responses (SCR) and ratings of valence and arousal were obtained to indicate fear learning. Both groups displayed robust and similar differential conditioning on subjective and physiological levels. However, children showed heightened fear generalization compared to adults as indexed by higher arousal ratings and SCR to the generalization stimuli. Results indicate overgeneralization of conditioned fear as a developmental correlate of fear learning. The developmental change from a shallow to a steeper generalization gradient is likely related to the maturation of brain structures that modulate efficient discrimination between danger and (ambiguous) safety cues.
Since exposure therapy for anxiety disorders incorporates extinction of contextual anxiety, relapses may be due to reinstatement processes. Animal research demonstrated more stable extinction memory and less anxiety relapse due to vagus nerve stimulation (VNS). We report a valid human three-day context conditioning, extinction and return of anxiety protocol, which we used to examine effects of transcutaneous VNS (tVNS). Seventy-five healthy participants received electric stimuli (unconditioned stimuli, US) during acquisition (Day1) when guided through one virtual office (anxiety context, CTX+) but never in another (safety context, CTX−). During extinction (Day2), participants received tVNS, sham, or no stimulation and revisited both contexts without US delivery. On Day3, participants received three USs for reinstatement followed by a test phase. Successful acquisition, i.e. startle potentiation, lower valence, higher arousal, anxiety and contingency ratings in CTX+ versus CTX−, the disappearance of these effects during extinction, and successful reinstatement indicate validity of this paradigm. Interestingly, we found generalized reinstatement in startle responses and differential reinstatement in valence ratings. Altogether, our protocol serves as valid conditioning paradigm. Reinstatement effects indicate different anxiety networks underlying physiological versus verbal responses. However, tVNS did neither affect extinction nor reinstatement, which asks for validation and improvement of the stimulation protocol.
Bei der Entstehung und Aufrechterhaltung von Furcht und Angsterkrankungen stellt, neben der Furchtkonditionierung, die Generalisierung der konditionierten Furcht einen wesentlichen Mechanismus dar. Die der Generalisierung zugrunde liegenden psychologischen und biologischen Prozesse sind jedoch beim Menschen bisher nur wenig untersucht.
Ziel dieser Arbeit war, anhand eines neu entwickelten experimentellen Paradigmas den Einfluss eines psychometrisch bestimmbaren angstspezifischen Faktors sowie der mit Furcht und Angst assoziierten Genotypen Stathmin1, COMT Val158Met und BDNF Val66Met auf die Furchtkonditionierung und Generalisierung konditionierter Furcht zu untersuchen und somit mögliche Risikofaktoren für die Entstehung von Angsterkrankungen zu bestimmen. Hierfür wurden N = 126 gesunde Versuchspersonen (n = 69 weiblich; mittleres Alter M = 23.05, SD = 3.82) für die genannten Polymorphismen genotypisiert und zu ängstlichen und affektiven Symptomen befragt. In einer Akquisitionsphase wurden den Probanden zwei neutrale weibliche Gesichter präsentiert (CS), von denen eines mit einem Schrei sowie einem ängstlichen Gesichtsausdruck (UCS) gepaart wurde. Der sich anschließende Generalisierungstest erfolgte anhand von vier Gesichtern, die in der Ähnlichkeit zwischen den beiden CS schrittweise übergingen. Die Furchtreaktion wurde über die Bewertung von Valenz, Arousal und Kontingenzerwartung sowie über die Hautleitfähigkeitsreaktion (SCR) erfasst.
Die Analyse der Fragebögen anhand einer Hauptachsenanalyse und anhand von Strukturgleichungsmodellen erbrachte eine zweifaktorielle Lösung, die die Konstrukte Depression und Angst abbildete. Nur der Faktor Angst war mit einer veränderten Furchtkonditionierung und Furchtgeneralisierung assoziiert: Hoch Ängstliche zeigten eine stärkere konditionierte Furchtreaktion (Arousal) und wiesen eine stärkere Generalisierung der Valenzeinschätzung und Kontingenzerwartung auf. Für den Stathmin1 Genotyp ergaben sich geschlechtsspezifische Effekte. Bei den männlichen Versuchspersonen zeigte sich in Folge der Akquisition ein stärkerer Abfall der Valenz für den CS+ in der Gruppe der Stathmin1 T Allelträger, die ebenfalls eine stärkere Generalisierung der Furchtreaktion, abgebildet in allen verbalen Maßen, aufwiesen. Ein gegenteiliger Befund ergab sich für die Gruppe der Frauen, insofern eine mit dem Stathmin1 C Allel assoziierte höhere Generalisierung der Valenz, des Arousals und der Kontingenzerwartung festgestellt werden konnte. Für den COMT Val158Met Genotyp ergaben sich keine Einflüsse auf die Akquisition der konditionierten Furcht. Für Träger des COMT 158Val Allels zeigte sich jedoch eine stärkere Generalisierung der Valenz und der Kontingenzerwartung. Auch für den BDNF Val66Met Genotyp konnte keine Veränderung der Furchtakquisition beobachtet werden. Es ergaben sich jedoch Hinweise auf eine erhöhte Generalisierung der Kontingenzerwartung in der Gruppe der BDNF 66Val Homozygoten. Für keinen der beschriebenen Faktoren konnte ein Einfluss auf die Furchtkonditionierung oder deren Generalisierung anhand der SCR abgebildet werden.
Unsere Ergebnisse weisen auf einen psychometrisch erfassbaren Faktor und genetische Einflüsse hin, die über den Prozess einer stärkeren Generalisierung der konditionierten Furcht das Risiko für die Entstehung von Angsterkrankungen erhöhen können. Jedoch sollten die Befunde in größeren Stichproben repliziert werden. Neben der frühzeitigen Identifikation von Risikofaktoren sollten in zukünftigen Studien darüber hinaus wirksame Maßnahmen zur Prävention und Intervention entwickelt werden, um diesem Risiko entgegen zu wirken.
Although posttraumatic stress disorder (PTSD; DSM-V 309.82) and anxiety disorders (DSM-V 300.xx) are widely spread mental disorders, the effectiveness of their therapy is still unsatisfying. Non-invasive brain-stimulation techniques like transcranial direct current stimulation (tDCS) might be an option to improve extinction learning, which is a main functional factor of exposure-based therapy for anxiety disorders. To examine this hypothesis, we used a fear conditioning paradigm with female faces as conditioned stimuli (CS) and a 95-dB female scream as unconditioned stimulus (UCS). We aimed to perform a tDCS of the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC), which is mainly involved in the control of extinction-processes. Therefore, we applied two 4 × 4 cm electrodes approximately at the EEG-positions F7 and F8 and used a direct current of 1.5 mA. The 20-min stimulation was started during a 10-min break between acquisition and extinction and went on overall extinction-trials. The healthy participants were randomly assigned in two double-blinded process into two sham stimulation and two verum stimulation groups with opposite current flow directions. To measure the fear reactions, we used skin conductance responses (SCR) and subjective ratings. We performed a generalized estimating equations model for the SCR to assess the impact of tDCS and current flow direction on extinction processes for all subjects that showed a successful conditioning (N = 84). The results indicate that tDCS accelerates early extinction processes with a significantly faster loss of CS+/CS- discrimination. The discrimination loss was driven by a significant decrease in reaction toward the CS+ as well as an increase in reaction toward the CS- in the tDCS verum groups, whereas the sham groups showed no significant reaction changes during this period. Therefore, we assume that tDCS of the vmPFC can be used to enhance early extinction processes successfully. But before it should be tested in a clinical context further investigation is needed to assess the reason for the reaction increase on CS-. If this negative side effect can be avoided, tDCS may be a tool to improve exposure-based anxiety therapies.
In dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine anodale tDCS über der Elektrodenposition AF3 und der Kathode über dem kontralateralen Mastoid Extinktionslernen modulieren kann. Auf Basis aktueller Forschungsergebnisse wurden die Hypothesen aufgestellt, dass im Vergleich von real stimulierter zu sham stimulierter Gruppe ein Unterschied in der Hautleitfähigkeitsrekation, dem Arousalrating und dem Valenzrating der Versuchsteilnehmenden im Vergleich von CS+ und CS- und im zeitlichen Verlauf von Akquisition zu Extinktion gezeigt werden kann. Um dies zu prüfen wurde eine randomisiert doppelt-verblindete Studie mit insgesamt 86 Probanden durchgeführt, von denen nach Überprüfen einer suffizienten Furchtkonditionierungsreaktion nach der Akquisitionsphase noch 46 Teilnehmer eingeschlossen wurden. Diese wurden auf zwei tDCS Gruppen im Sinne von realer Stimulation und sham Stimulation verblindet und zufällig aufgeteilt. Alle Teilnehmer durchliefen ein eintägiges Furchtkonditionierungsparadigma mit drei Phasen: Habituation, Akquisition und Extinktion. Während allen Phasen wurde die Hautleitfähigkeitsreaktion gemessen und die Probanden wurden gebeten die ihnen präsentierten Stimuli hinsichtlich deren Valenz und Arousal einzuschätzen. Die tDCS fand in einer zehnminütigen Pause vor der Extinktion und während destdcs
Extinktionsdurchlaufs statt. In den Ergebnissen zeigt sich kein differenzieller Effekt der tDCS. In den erhobenen Hautleitfähigkeitsdaten zeigt sich in der frühen Extinktionsphase eine verringerte Hautleitfähigkeit in der verum stimulierten tDCS Gruppe unabhängig davon, ob ein CS+ oder ein CS- zu sehen war. Dies deutet auf eine generell verminderte Aufregung bei realer tDCS hin. In den Bewertungen bezüglich Arousal und Valenz findet sich ebenfalls kein Effekt der tDCS. In den Bewertungen zeigt sich jedoch die erfolgreiche Konditionierung und deren Extinktion. Nachfolgend stellt sich die Frage, ob zukünftig Paradigmen mit einem zweitägigen Design bevorzugt werden sollten, da diese realen Bedingungen näherkommen und teilweise auch Effekte der tDCS gezeigt haben. Abschließend lässt sich die große Rolle des vmPFC in der Verarbeitung von aversiven Reizen darstellen und betonen, welch großes Potential in einer Beeinflussung der Aktivität des vmPFC liegt, das zukünftig genauer untersucht werden muss.
Threat detection plays a vital role in adapting behavior to changing environments. A fundamental function to improve threat detection is learning to differentiate between stimuli predicting danger and safety. Accordingly, aversive learning should lead to enhanced sensory discrimination of danger and safety cues. However, studies investigating the psychophysics of visual and auditory perception after aversive learning show divergent findings, and both enhanced and impaired discrimination after aversive learning have been reported. Therefore, the aim of this web-based study is to examine the impact of aversive learning on a continuous measure of visual discrimination. To this end, 205 participants underwent a differential fear conditioning paradigm before and after completing a visual discrimination task using differently oriented grating stimuli. Participants saw either unpleasant or neutral pictures as unconditioned stimuli (US). Results demonstrated sharpened visual discrimination for the US-associated stimulus (CS+), but not for the unpaired conditioned stimuli (CS-). Importantly, this finding was irrespective of the US's valence. These findings suggest that associative learning results in increased stimulus salience, which facilitates perceptual discrimination in order to prioritize attentional deployment.
Catastrophizing thoughts may contribute to the development of anxiety, but functional emotion regulation may help to improve treatment. No study so far directly compared up- and down-regulation of fear by cognitive reappraisal. Here, healthy individuals took part in a cued fear experiment, in which multiple pictures of faces were paired twice with an unpleasant scream or presented as safety stimuli. Participants (N = 47) were asked (within-subjects) to down-regulate, to up-regulate and to maintain their natural emotional response. Valence and arousal ratings indicated successful up- and down-regulation of the emotional experience, while heart rate and pupil dilation increased during up-regulation, but showed no reduction in down-regulation. State and trait anxiety correlated with evaluations of safety but not threat stimuli, which supports the role of deficient safety learning in anxiety. Reappraisal did not modulate this effect. In conclusion, this study reveals evidence for up-regulation effects in fear, which might be even more efficient than down-regulation on a physiological level and highlights the importance of catastrophizing thoughts for the maintenance of fear and anxiety.