The automatic pull of drug cues in addiction: Neural correlates and effects of re-training

Abstract

Addiction is a chronic, relapsing brain disorder, characterized by continuation of drug-use despite knowledge of the negative consequences. One important factor for relapse may be the degree to which drug cues automatically trigger motivational approach responses (i.e., “drug cue reactivity”). This phenomenon is hypothesized to be the result of neuroadaptations in mesocorticolimbic areas. Empirical studies indeed demonstrate that drug-addicted individuals have a tendency to faster approach than avoid drug cues compared to neutral cues (i.e., a drug approach bias), which has been associated with higher drug craving and relapse. Moreover, retraining the drug approach bias with Cognitive Bias Modification training (CBM) in alcohol-dependent patients has been shown to reduce relapse rates one year after training. These findings highlight the clinical importance of the drug approach bias. However, much remains unknown about the persistence of the approach bias after drug abstinence, the neural correlates underlying the approach bias, and neural mechanisms of CBM. The overall aim of this thesis is to study automatic approach/avoidance behaviour in tobacco and alcohol dependence. More specifically, the thesis aims to answer the following four questions: first, do drug-dependent individuals have an automatic approach bias for drug cues and is the strength of this bias related to craving? Second, does the drug approach bias persist after prolonged abstinence? Third, what are the underlying neural correlates of the drug approach bias? Fourth, what are the effects of CBM on neural drug cue reactivity in drug-dependence? For this purpose, three empirical studies were conducted. First, we investigated the approach bias to smoking cues and alcohol cues on the Approach Avoidance Task (AAT) in heavy tobacco smokers and alcohol-dependent patients respectively, and studied its relation to subjective drug craving (experiment I and II). Second, we compared heavy smokers, never-smokers and abstinent heavy smokers (i.e., ex-smokers) on the automatic approach bias to smoking cues (experiment I). Third, we examined alcohol-dependent patients and healthy controls with functional magnetic resonance imaging (fMRI), while they performed the AAT and correlated approach bias-related activation with alcohol craving (experiment II). Fourth, in a double-blind placebo-controlled randomized design, alcohol-dependent patients were assigned to a CBM group or a placebo training group and were trained with CBM/placebo training for three weeks. Before and after training, alcohol cue-evoked brain reactivity was measured with fMRI (experiment III). The following key results were obtained: first, heavy smokers and alcohol-dependent patients showed an automatic drug approach bias compared to non-addicted control groups. In smokers but not in alcohol-dependent patients, drug approach tendencies correlated with drug craving scores. Second, ex-smokers had diminished smoking approach tendencies compared to heavy smokers. No group differences on these scores were found between ex-smokers and never-smokers. Third, alcohol-dependent patients showed larger blood-oxygen-level dependent responses in the nucleus accumbens and medial prefrontal cortex compared to healthy controls; these regions are involved in reward and motivational processing. In patients, alcohol craving scores were positively correlated with alcohol approach bias-related amygdala activation. Finally, alcohol-dependent patients who performed CBM showed greater reductions in cue-evoked activation in the bilateral amygdala, compared to patients who performed placebo training. Decreases in craving scores were correlated with decreases in amygdala activity within the CBM group but not in the placebo group. These findings suggest that the automatic drug approach bias is present in various drug-addicted populations, and is not strictly permanent, as has been suggested by incentive sensitisation models of addiction, but rather can diminish after long-term drug cessation. In line with such models, however, mesolimbic brain regions that play a key role in reward and motivation are associated with the automatic alcohol approach bias in alcohol-dependent patients. CBM can affect cue-induced mesolimbic brain activity in alcohol-dependent patients, which may be an underlying mechanism of the therapeutic effectiveness of CBM and of successful abstinence in general. In summation, this dissertation suggests the automatic drug approach bias as a promising target for clinical intervention.

Sucht ist eine chronische Gehirnerkrankung, charakterisiert durch hohe Rückfallraten und die Fortsetzung des Substanzkonsums trotz negativer Konsequenzen. Was zu Rückfällen wesentlich beiträgt, ist möglicherweise eine automatische, motivationale Annäherungsreaktion (i.e. „Cue-Reaktivität“), die von Substanzreizen ausgelöst wird. Diese Reaktion geschieht meistens unbewusst und ist vermutlich das Ergebnis neuronaler Veränderungen in mesocorticolimbischen Hirnarealen. Empirische Studien zeigen, dass Menschen mit Substanzabhängigkeit eine automatische Tendenz haben, sich substanzbezogenen Bildern anzunähern, anstatt sie zu vermeiden (d.h., einen Substanz-Annäherungsbias). Diese Tendenz ist mit höherem Suchtverlangen und höheren Rückfallraten assoziiert. Des Weiteren wurde vor kurzem herausgefunden, dass ein „Modifikationstraining des kognitiven Bias“ (CBM) bei alkoholabhängigen Patienten gute klinische Effekte hinsichtlich der Rückfallraten ein Jahr nach dem Training zeigt. Diese Befunde unterstreichen die klinische Relevanz des Annäherungsbias bei Menschen mit Substanzabhängigkeit. Allerdings ist wenig über das Fortbestehen des Annäherungsbias bei Abstinenz, die zugrunde liegenden neuronalen Korrelate des Annäherungsbias und die neuronalen Mechanismen des CBMs bekannt. Ziel dieser Dissertation ist es, automatische Annäherungstendenzen bei Menschen mit Tabak- und Alkoholabhängigkeit zu untersuchen. Im Detail hat die Dissertation das Ziel, die folgenden vier Fragen zu beantworten: 1. Zeigen Menschen mit Substanzabhängigkeit einen Annäherungsbias für substanzbezogene Bilder und ist die Stärke des Annäherungsbiases mit dem subjektiven Verlangen nach dem Substanz assoziiert? 2. Ist der Annäherungsbias auch nach längerer Substanzabstinenz stabil? 3. Was sind die neuronalen Korrelate des visuellen Substanz-Annäherungsbias? 4. Was sind die neuronalen Effekte von CBM auf die Cue-Reaktivität bei Menschen mit Substanzabhängigkeit? Dazu wurden drei empirische Studien durchgeführt. 1. Es wurde untersucht, ob starke Raucher und alkoholabhängige Patienten einen Annäherungsbias beim Approach Avoidance Task (AAT) zeigen und ob dieser Bias mit dem subjektiven Suchtverlangen korreliert (Experiment I und II). 2. Es wurden drei Gruppen – starke Raucher, Nichtraucher und ehemalige starke Raucher (d.h., Ex-Raucher) – im Hinblick auf Annäherungstendenzen für Rauchstimuli untersucht (Experiment I). 3. Es wurden alkoholabhängige Patienten und gesunde Kontrollprobanden mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) während der Durchführung der AAT untersucht und getestet, ob der im fMRT beobachtete Annäherungsbias mit dem subjektiven Verlangen nach Alkohol korreliert (Experiment II). 4. Es wurden in einem doppelblinden, Placebo-kontrollierten, randomisierten Design alkoholabhängige Patienten in eine CBM-Gruppe oder eine Placebo- Trainingsgruppe eingeteilt, bevor sie drei Wochen ein CBM- bzw. Placebo- Training ausführten. Vor und nach dem Training wurde die Alkohol-Cue- Reaktivität mit Hilfe des fMRT gemessen (Experiment III). Es ergaben sich folgende Hauptergebnisse: 1. Starke Raucher und alkoholabhängige Patienten zeigten im Vergleich zu nicht-abhängigen Kontrollgruppen einen automatischen Substanz-Annäherungsbias. Bei Rauchern, jedoch nicht bei alkoholabhängigen Patienten, korrelierte diese Annäherungstendenz mit dem Suchtverlangen. 2. Ehemalige Raucher zeigten im Vergleich zu starken Rauchern eine verminderte Annäherungstendenz für Rauchstimuli. Hierbei fand sich kein Unterschied zwischen der Gruppe der ehemaligen Raucher und der Nichtraucher. 3. Alkoholabhängige Patienten zeigten im Vergleich zu der gesunden Kontrollgruppe ein höheres Blood-Oxygen-Level Dependent (BOLD)-Signal im Nucleus Accumbens und im medialen präfrontalen Kortex. Dies sind Regionen, die eine zentrale Rolle bei motivationalen Prozessen spielen. Bei den Patienten korrelierte das Alkoholverlangen positiv mit der Aktivierung der Amygdala während der Annäherung an den Alkohol. Schließlich zeigten Patienten der CBM-Gruppe im Vergleich zu der Placebo-Gruppe größere Abnahmen der Cue-Reaktivität in der bilateralen Amygdala. In der CBM-Gruppe, jedoch nicht in der Placebo-Gruppe, korrelierte die Abnahme des Alkoholverlangens mit der Abnahme der Amygdala- Aktivierung. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der automatische Substanz-Annäherungsbias in verschiedenen substanzabhängigen Populationen vorhanden ist. Der automatische Substanz-Annäherungsbias scheint nach Abstinenz nicht konsistent zu sein, wie es Incentive-Sensitisation- Suchtmodelle nahelegen; vielmehr nimmt er offenbar nach längerer Abstinenz ab. Im Einklang mit solchen Modellen steht jedoch der Befund, dass der automatische Alkoholannäherungsbias bei alkoholabhängigen Patienten mit der Aktivierung mesolimbischer Areale assoziiert ist, die eine Schlüsselrolle bei Belohnungs- und motivationalen Prozessen spielen. CBM kann die Alkohol-Cue- induzierte mesolimbische Hirnaktivierung bei alkoholabhängigen Patienten beeinflussen. Dies könnte ein zugrundeliegender Mechanismus der therapeutischen Effektivität des CBMs und einer erfolgreichen Abstinenz im Allgemeinen sein.