The association of sleep and stress with psychological well-being and neuronal functional connectivity

Abstract

Sufficient sleep and an adequate stress response are two important components when it comes to coping with adverse events. Previous studies have shown that both are related to the occurrence of psychological and physical disorders, emphasizing the necessity to explore both concepts within the scope of this PhD thesis individually as well as their association among each other. In Study 1, we investigated the association of sleep-related variables with psychological well-being based on an online survey. We found evidence that the association of psychological well-being towards chronotype follows a U-shaped function, which means that being an early or late chronotype is related to impaired well-being. Additionally, reduced sleep durations, especially when occurring on work days, was associated with depressive symptomatology and sleep quality. For Study 2 and 3 we deployed neuroimaging data, as both sleep deprivation and psychosocial stress have been proven to change neuronal activity and connectivity patterns in the aftermath of stress. Study 2 focused on replicating results concerning the previously reported increased connectivity of the amygdala with regions involved in the down-regulation of the physiological stress response, in emotion regulation, and in memory consolidation. Analyzing resting state connectivity after stress compared to the pre-stress condition, we found an increase in bilateral amygdala resting-state functional connectivity (RSFC) with the posterior cingulate cortex (PCC) and the adjacent precuneus only in male cortisol non-responders, but not in responders. We did not detect changes in amygdala RSFC between female cortisol responders and non-responders. This finding shows the influence of sex and cortisol reactivity, when exploring neural signatures of stress reactivity and recovery. In Study 3 we focused on male participants only, now expanding the results from Study 2 by exploring the impact of sleep loss on neural signatures of stress recovery. We found a negative association of sleep loss, as reported in a seven-day sleep diary, with the stress-induced change of left amygdala RSFC to several cortical brain regions, including the medial prefrontal cortex, dorsolateral prefrontal cortex, dorsal anterior cingulate cortex, anterior insula, and PCC. That is, the higher the sleep loss, the more decrease in left amygdala RSFC was found with these regions after stress. Taken together, the results of this PhD thesis contribute to a better understanding of associations between sleep, stress, and psychological well-being on a behavioral as well as neuronal level.

Ausreichend Schlaf und eine angemessene Stressantwort stellen zwei wichtige Faktoren im Umgang mit belastenden Ereignissen dar. Frühere Studien berichteten von einem Zusammenhang mit dem Auftreten von psychologischen und physischen Erkrankungen. Dies belegt die Notwendigkeit, deren Wirkung im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit sowohl als einzelne Konstrukte als auch in Verbindung zueinander zu explorieren. Im Rahmen der ersten Studie untersuchten wir den Zusammenhang von schlafbezogenen Variablen zu psychologischem Wohlbefinden mithilfe einer Online Umfrage. Die Ergebnisse zeigten, dass der Zusammenhang zwischen psychologischem Wohlbefinden und Chronotyp einer u-förmigen Funktion folgt. Damit haben vor allem sehr frühe und späte Chronotypen ein erhöhtes Risiko für vermindertes Wohlbefinden. Zusätzlich fanden wir, dass eine reduzierte Schlafdauer, vor allem an Arbeitstagen, mit vermehrten depressiven Symptomen und geringerer Schlafqualität assoziiert war. Für die anderen beiden Studien setzten wir bildgebende Verfahren (funktionelle Magnetresonanztomografie) ein, da sowohl Schlafmangel als auch psychosozialer Stress nachweislich einen Einfluss auf die neuronale Aktivität und funktionelle Konnektivität während der Erholung von Stress haben. In Studie 2 konzentrierten wir uns auf die Replikation von früheren Studienergebnissen, die eine stressbedingte Steigerung der Konnektivität zwischen der Amygdala und Gehirnregionen fanden, die in die Herabregulation der physiologischen Stressantwort, in die emotionale Antwort, und die Gedächtniskonsolidierung involviert sind. In der Phase nach einem Stressor fanden wir im Vergleich zu vor dem Stressor eine gesteigerte bilaterale Konnektivität der Amygdala zum posterioren cingulären Cortex (PCC) und dem angrenzenden Precuneus nur in männlichen Teilnehmern ohne Cortisolreaktion im Vergleich zu männlichen Teilnehmern mit einer Cortisolreaktion. Bei weiblichen Teilnehmerinnen fanden sich keine Unterschiede in funktioneller Konnektivität. Die Ergebnisse unterstreichen die Relevanz von Geschlecht und Cortisolraktion beim Betrachten der Erholungsphase nach Stress. Studie 3 erweitert die Ergebnisse aus Studie 2, indem nur bei männlichen Teilnehmern zusätzlich den Einfluss von Schlafmangel auf die neuronale Erholung von Stress untersuchten. Die Auswertung zeigte eine negative Assoziation zwischen Schlafmangel, der in einem siebentägigen Tagebuch festgehalten wurde, und der stressbedingten funktionelle Konnektivtät der linke Amygdala zu mehreren Gehirnregionen, u.a. dem medialen Präfrontalcortex, dem dorsolateralen Präfrontalcortex, dem dorsalen anterioren cingulären Cortex, der anterioren Insula, und dem PCC. Das bedeutet, je mehr Schlafmangel berichtet wurde, desto schwächer war die funktionelle Konnektivität der linken Amygdala zu den genannten Regionen. Zusammengefasst tragen die Ergebnisse der Doktorarbeit zu einem besseren Verständnis des Zusammenhangs von Schlaf, Stress und psychologischem Wohlbefinden auf sowohl Verhaltens. als auch neuronaler Ebene bei.