Interoceptive Awareness in Health and Depression: Investigations of Underlying Neural and Neurochemical Mechanisms

Abstract

Interoceptive awareness, the awareness of stimuli originating inside the body, plays an important role in theories of human emotions. Pushed forward by the emergence of new brain imaging techniques, our understanding of the neural substrates underlying interoceptive awareness continues to increase. The insula, a bilateral brain structure located within the Sylvian fissure, has been identified as a key region involved in interoceptive awareness in neurotypical individuals. Emotional functions in turn have been associated with interoceptive awareness and with activity during rest in cortical midline structures, whose anterior parts are functionally connected with insula activity. That said, this dual association of emotions with activity during rest and interoception remains to be investigated. In addition, to date, little has been established regarding the biochemical underpinnings of interoceptive awareness. Similarly, its role in affective disorders like major depression has been suggested but remains unclear. In order to investigate these points, imaging techniques including functional magnetic resonance imaging (fMRI), positron emission tomography (PET) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) were combined in studies on healthy, depressed and remitted participants. A well established fMRI paradigm to investigate neural activity during intero- and exteroceptive awareness (heartbeat counting and external tone counting) as well as during rest was used in combination with behavioural tests. Firstly, it was shown that neural activity in anterior cortical midline regions during rest, rather than during interoceptive awareness, is associated with emotional scores in a group of healthy participants. In a second study, it was shown that neural activity in the insula during rest is abnormally processed in depressed patients. Moreover, activity during rest was decoupled from perception of one’s own body in the depressed group as well as positively related to depression severity. Thirdly, it was shown that group differences between healthy, depressed and remitted participants occurred particularly in the dorsal anterior part of the insula during interoceptive awareness. This region showed hypo-responsiveness in depressed participants, which normalized after remission. In addition, the depressed group showed no differential activity in this region between rest and intero-/exteroceptive awareness. Finally, biochemical investigations in healthy participants in the areas of interest (insula and cortical midline structures) revealed that i) the inhibitory neurotransmitter GABA within cortical midline structures is an important influencing factor in the differential processing of intero- and exteroceptive awareness and ii) GABA modulates neural activity induced by specifically interoceptive awareness in the insula, with this link not seen in cortical midline structures. Moreover, both GABA and neural signal changes during interoceptive awareness were related here to the degree of depressed affect. Taken together, the results presented in this work provide on the one hand initial biochemical links to neural processes induced by interoceptive awareness in the insula as well as neural processes induced by exteroceptive awareness in cortical midline regions. On the other hand, they provide valuable information about the interconnections between rest, and intero- and exteroceptive awareness in combination with behaviour (emotions and body perception). By investigating individuals suffering from depression, novel insights into the neural underpinnings of interoceptive awareness and its link to abnormal behaviour was provided.

Die Fähigkeit, körperliche Vorgänge wahrzunehmen, wird als interozeptive Aufmerksamkeit bezeichnet und spielt eine wichtige Rolle in Theorien menschlicher Emotionsverarbeitung. Moderne, bildgebende Verfahren haben sich zu einem populären Instrument der neurowissenschaftlichen Forschung entwickelt und dazu beigetragen, unser Verständnis der zu Grunde liegenden neuronalen Substrate interozeptiver Aufmerksamkeit ständig zu erweitern. Vor allem die Insula, eine in der Tiefe der Sylvischen Furche gelegene bilaterale Hirnstruktur, ist in aktuellen Forschungsarbeiten zur interozeptiven Aufmerksamkeit in den Mittelpunkt gerückt. Emotionsverarbeitung wiederum steht in engem Zusammenhang mit interozeptiver Aufmerksamkeit sowie mit neuronaler Ruheaktivität in den kortikalen Mittellinienstrukturen, deren anteriore Bereiche funktionell mit neuronaler Aktivität in der Insula gekoppelt sind. Allerdings bleibt diese zweifache Assoziation von Emotionen - zum einen mit neuronaler Ruheaktivität und zum anderen mit Interozeption - Gegenstand aktueller Forschung. Darüber hinaus ist zur Zeit wenig bekannt über die biochemischen Grundlagen der interozeptiven Aufmerksamkeit. Ebenso bleibt die Rolle bei affektiven Erkrankungen wie der Major Depression unklar. Um diese Zusammenhänge zu untersuchen, wurden bildgebende Verfahren wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), Positronen-Emissions- Tomographie (PET) und Magnetresonanzspektroskopie (MRS) angewandt. Es wurden hierfür sowohl gesunde Probanden als auch Patienten mit Major Depression und remittierte Patienten (nach Abklingen der depressiven Symptomatik) rekrutiert. Die neuronale Aktivität während intero- und exterozeptiver Aufmerksamkeit (durch internes Zählen des eigenen Herzschlages und eines extern applizierten Tones) sowie während einer Ruhebedingung wurde mittels eines etablierten fMRT- Paradigmas untersucht und mit behavioralen Tests kombiniert. Zunächst konnte in einer Gruppe von gesunden Probanden gezeigt werden, dass behaviorale Werte der Emotionsverarbeitung mit neuronaler Ruheaktivität in anterioren kortikalen Mittellinienstrukturen korreliert waren und nicht mit interozeptiver Aufmerksamkeit. In einer zweiten Studie wiesen depressive Patienten im Vergleich zu einer gesunden Probandengruppe eine abnorme neuronale Ruheaktivität in der Insula auf. Zudem zeigten depressive Patienten keine Korrelation zwischen neuronaler Ruheaktivität in der Insula und Körperwahrnehmung, so wie es in der gesunden Gruppe zu beobachten war. Die abweichende Ruheaktivität war außerdem mit der Depressionsschwere assoziiert. In einer dritten Studie konnte dargelegt werden, dass Gruppenunterschiede zwischen gesunden, depressiven sowie remittierten Probanden vor allem im dorsalen anterioren Teil der Insula während interozeptiver Aufmerksamkeit auftraten. Depressive Patienten wiesen hier neuronale Hypoaktivierung auf, welche sich nach Abklingen der Symptomatik normalisierte. Darüber hinaus fanden sich in der depressiven Gruppe keine Aktivitätsunterschiede zwischen den verschiedenen Bedingungen (intero- und exterozeptive Aufmerksamkeit sowie Ruhebedingung). Zum Schluss zeigten biochemische Untersuchungen in den hier primär untersuchten Gehirnbereichen (Insula und kortikale Mittellinenstrukturen) gesunder Probanden, dass i) der inhibitorische Neurotransmitter GABA eine wichtige Rolle in kortikalen Mittellinenstrukturen bei der differentiellen Verarbeitung von intero- und exterozeptiver Aufmerksamkeit spielt und ii) dass GABA die neuronale interozeptive Aktivität in der Insula moduliert, welches nicht in kortikalen Mittellinienstrukturen beobachtet wurde. GABA und neuronale Signalveränderungen während interozeptiver Aufmerksamkeit korrelierten außerdem mit behavioralen Depressionswerten. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die hier vorgestellten Ergebnisse erste biochemische Grundlagen interozeptiver Aufmerksamkeit in der Insula sowie exterozeptiver Aufmerksamkeit in kortikalen Mittellienenstrukturen aufzeigen. Darüber hinaus liefern die Ergebnisse wertvolle Informationen über die Verbindungen zwischen Ruheaktivität und intero-/ exterozeptiver Aufmerksamkeit in Kombination mit Verhaltensvariablen (Emotionen und Körperwahrnehmung). Die Untersuchung depressiver Patienten liefert neue Einblicke in neuronale Grundlagen interozeptiver Aufmerksamkeit in Verbindung mit Verhaltensauffälligkeiten.