Linking Self-control to Interoceptive Prediction – a Behavioral Study and a Functional Magnetic Resonance Imaging Study

Abstract

Introduction: Self-control is important for physical and mental health; however, its neuronal mechanisms remain poorly understood. In line with recent theories of interoceptive inference, I hypothesized that successful self-control relies on the ability to anticipate possible outcomes of a self-control decision as future interoceptive states and to subsequently choose the predicted interoceptive decision outcome most consistent with long-term homeostatic goals. To investigate the association of self-control and interoceptive prediction as well as neuronal processes underpinning this relationship, we conducted a behavioral study and a functional magnetic resonance imaging (fMRI) study. Methods: In our behavioral study, we implemented two tasks in a within-subject design with 51 healthy subjects: An inspiratory breathing restriction task to measure the prediction of aversive interoceptive states and a craving downregulation task to measure self-control. We then explored whether behavioral measures of interoceptive prediction and self-control were correlated. In our second study (n = 39), we replicated the same two tasks in an fMRI-scanner. I first correlated the obtained behavioral measures, and subsequently used univariate analyses to identify peak-voxel brain activations associated with the behavioral measures of self-control and interoceptive prediction. Results: In our first study, we showed that the level of interoceptive prediction correlated with two independent measures of self-control, i.e., the downregulation of craving for unhealthy snacks and a measure of trait self-control. Thus, individuals with more self-control were more accurate in the prediction of the upcoming breathing restriction or even overestimated it. In our second study, I replicated the previously reported behavioral association of self-control and interoceptive prediction with an independent sample of subjects. Univariate analyses of the fMRI data revealed that activations of the anterior insula and preSMA were associated with both self-control and interoceptive prediction. Discussion: Both studies demonstrated that self-control is directly associated with interoceptive prediction. I suggest that the anterior insula and preSMA partially account for this relationship as they might be involved in the neuronal processing of self-control decisions related to the prediction of future interoceptive states. Our results are of high relevance for research on psychiatric disorders such as anorexia nervosa or addiction disorders, as these are often characterized by both altered self-control and altered interoceptive processing. As I could show that the anterior insula and preSMA underlie this association, neurofeedback and brain stimulation approaches targeting these areas could be investigated as potential treatment targets.

Hintergrund: Selbstkontrolle stellt einen wichtigen Faktor für körperliche und psychische Gesundheit dar; die neuronalen Mechanismen von Selbstkontrolle sind jedoch bisher nur unzureichend verstanden. In Anlehnung an Theorien der interozeptiven Inferenz untersuchte ich, ob erfolgreiche Selbstkontrolle auf der Fähigkeit beruht, mögliche Ergebnisse einer Selbstkontrollentscheidung als interozeptive (d.h. körperliche) Zustände vorherzusagen. Um den Zusammenhang zwischen Selbstkontrolle und interozeptiver Prädiktion sowie die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen zu erforschen, führten wir eine Verhaltensstudie und eine funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)-Studie durch. Methoden: In unserer Verhaltensstudie ließen wir gesunde Proband*innen (n = 51) jeweils zwei Aufgaben durchführen: Eine inspiratorische Atemrestriktionsaufgabe, um die Vorhersage aversiver interozeptiver Zustände zu messen, und eine Selbstkontroll-Aufgabe der Herunterregulierung des Verlangens nach Snacks. Anschließend untersuchten wir, ob Werte der interozeptiven Prädiktion und der Selbstkontrolle miteinander korrelierten. In unserer zweiten Studie (n = 39) replizierten wir die gleichen zwei Aufgaben in einem fMRT-Scanner. Zunächst korrelierte ich die Verhaltenswerte für Selbstkontrolle und interozeptive Prädiktion und verwendete anschließend univariate Analysen, um Gehirnareale zu identifizieren, deren Peak-Voxel-Aktivierungen mit den erhobenen Verhaltenswerten assoziiert waren. Ergebnisse: In beiden Studien konnten wir mit unabhängigen Proband*innengruppen zeigen, dass interozeptive Prädiktion mit zwei Maßen für Selbstkontrolle korreliert (Erfolg bei der Herunterregulierung des Verlangens nach Snacks, sowie Trait-Selbstkontrolle). Höhere Selbstkontrolle zeigten dabei diejenigen Proband*innen, die die bevorstehende Atemeinschränkung korrekt vorhersagten oder sogar überschätzten. Analysen der fMRT-Daten in Studie 2 zeigten, dass die Aktivität der anterioren Insula und des prä-supplementär-motorischen Areals (präSMA) sowohl mit Selbstkontrolle als auch mit interozeptiver Vorhersage korrelierte. Diskussion: Die Ergebnisse beider Studien weisen darauf hin, dass Selbstkontrolle mit interozeptiver Prädiktion assoziiert ist. Womöglich sind dabei unter anderem die anteriore Insula und das präSMA für die neuronale Verarbeitung von Selbstkontrollentscheidungen im Zusammenhang mit der Vorhersage zukünftiger interozeptiver Zustände verantwortlich. Unsere Ergebnisse sind von hoher Relevanz für die Erforschung psychischer Erkrankungen wie Anorexia nervosa oder Suchterkrankungen, da diese häufig sowohl durch veränderte Selbstkontrolle als auch durch veränderte interozeptive Verarbeitung gekennzeichnet sind. Da ich zeigen konnten, dass die anteriore Insula und das präSMA der Assoziation von Selbstkontrolle und interozeptiver Prädiktion zugrunde liegen, könnten Neurofeedback- und Hirnstimulationsansätze, die auf diese Areale abzielen, als mögliche Therapien erforscht werden.