Exposure to Natural versus Urban Environments: Short-term Effects on Stress, Stress-Related Brain Function, and Hippocampal Structure

Abstract

Mental health care represents a major global health challenge in contemporary societies. The higher frequency of mental health issues in urban, compared to rural areas, gains particular significance in light of the world’s rapidly accelerating urbanisation. Therefore, it is essential to understand how urban and natural environments impact our mental and brain health. Research shows that exposure to nature, in comparison to exposure to urban environments, improves mood, reduces stress, as well as physiological indicators of stress. Yet, the neural mechanisms behind the effects of natural and urban environments are not well understood. First studies have indicated that living environments are associated with mental health, as well as with brain function and structure. However, due to the inherent limitations of cross-sectional studies, the causal relationship between physical environments and brain health remains unestablished. This dissertation consists of four publications investigating the short-term causal effects of exposure to natural and urban environments on stress, stress-related brain function and hippocampal structure. In Paper I (Sudimac et al., 2022) we examined effects of a one-hour walk in a natural versus urban environment on stress-related brain function. The results indicated that activity in the amygdala, a brain region associated with stress, decreased after the nature walk, whereas no significant change was noted after the urban walk. The findings suggest that exposure to nature may have beneficial effects on stress-related brain regions, potentially acting as a preventive measure against stress-related mental health issues. In Paper II (Sudimac & Kühn, 2022) we explored sex differences in the impact of a one-hour walk in a natural versus urban environment on amygdala activity. Our results revealed a decrease in amygdala activity following the nature walk exclusively in women, with no significant change observed in men. This outcome indicates that women may benefit more from exposure to natural environments and underscores the necessity of considering individual differences, like sex, in the neural responses to exposure to natural and urban environments. In Paper III (Sudimac & Kühn, 2024) we investigated the impact of a one-hour walk in a natural versus urban environment on the structure of the hippocampus. We observed an increase in the volume of the hippocampal subfield, subiculum, following the nature walk, while no significant change was observed after the urban walk (though the interaction did not withstand the Bonferroni correction). Since the subiculum plays a role in dampening the stress response via the hypothalamic-pituitary-adrenal axis, our findings suggest that exposure to nature might positively influence a brain region associated with inhibition of stress response. In Paper IV (Sudimac et al., 2024) we assessed the effects of a walk in residential natural versus urban environments on subjective and physiological indicators of stress in mothers and their infants. We found no significant differences between exposure to natural and urban environments in mothers’ self-reported stress or in the stress-related cortisol levels, in both mothers and infants. However, a reduction in cortisol in mothers and infants was observed after walks in both natural and urban environments, indicating that the act of walking in residential areas might have a calming effect, regardless of the environment. In summary, this dissertation reveals a seminal evidence for the potential benefits of short-term exposure to natural relative to urban environments on stress-related brain function and brain structure. Furthermore, it emphasizes the need to consider individual differences, like sex and age, in exploration of natural and urban environments on mental and brain health. In conclusion, this work contributes to the growing body of research on environmental neuroscience and has potential implications for urban planning and public health strategies aimed at mitigating stress and enhancing mental health in urban populations.

Die psychische Gesund stellt eine bedeutende globale Herausforderung in der heutigen Gesellschaft dar. Die höhere Häufigkeit psychischer Probleme in städtischen im Vergleich zu ländlichen Gebieten gewinnt besonders an Bedeutung angesichts der weltweit schnell fortschreitenden Urbanisierung. Daher ist wichtig zu verstehen, wie städtische und natürliche Umgebungen unsere psychische und Gehirngesundheit beeinflussen. Forschungen zeigen, dass der Kontakt mit Natur, im Vergleich zur Exposition gegenüber städtischen Umgebungen, die Stimmung verbessert, Stress sowie physiologische Stressindikatoren reduziert. Die neuronalen Mechanismen hinter den Auswirkungen natürlicher und städtischer Umgebungen sind jedoch noch nicht gut verstanden. Erste Studien weisen darauf hin, dass Wohnumgebungen mit psychischer Gesundheit sowie mit Gehirnfunktion und -struktur zusammenhängen. Allerdings blieben, aufgrund der inhärenten Einschränkungen von Querschnittsstudien, die kausalen Beziehungen zwischen physischen Umgebungen und Gehirngesundheit ungeklärt. Diese Dissertation besteht aus vier Veröffentlichungen, in denen die kurzfristigen kausalen Auswirkungen der Exposition gegenüber natürlichen und städtischen Umgebungen auf Stress, stressbezogene Gehirnfunktion, und die Struktur des Hippocampus untersucht werden. In Paper I (Sudimac et al., 2022) untersuchten wir die Auswirkungen eines einstündigen Spaziergangs in einer natürlichen im Vergleich zu einer städtischen Umgebung auf stressbezogene Gehirnfunktionen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Aktivität in der Amygdala, einer mit Stress assoziierten Gehirnregion, nach dem Spaziergang in der Natur abnahm, während nach dem städtischen Spaziergang keine signifikante Veränderung festgestellt wurde. Die Befunde legen nahe, dass die Exposition gegenüber der Natur positive Auswirkungen auf stressbezogene Gehirnregionen haben könnte und somit als präventive Maßnahme gegen stressbedingte psychische Gesundheitsprobleme wirksam sein könnte. In Paper II (Sudimac & Kühn, 2022) erforschten wir Geschlechtsunterschiede in der Wirkung eines einstündigen Spaziergangs in einer natürlichen im Vergleich zu einer städtischen Umgebung auf die Amygdala-Aktivität. Unsere Ergebnisse zeigten eine Abnahme der Amygdala-Aktivität nach dem Natur-Spaziergang ausschließlich bei Frauen, bei Männern wurde keine signifikante Veränderung beobachtet. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Frauen möglicherweise stärker von der Exposition gegenüber natürlichen Umgebungen profitieren und unterstreicht die Notwendigkeit, individuelle Unterschiede wie Geschlecht in den neuralen Reaktionen auf die Exposition gegenüber natürlichen und städtischen Umgebungen zu berücksichtigen. In Paper III (Sudimac & Kühn, 2024) untersuchten wir die Auswirkungen eines einstündigen Spaziergangs in einer natürlichen im Vergleich zu einer städtischen Umgebung auf die Struktur des Hippokampus. Wir beobachteten eine Zunahme des Volumens des hippokampalen Subfeldes, Subikulum, nach dem Natur-Spaziergang, während nach dem städtischen Spaziergang keine signifikante Veränderung festgestellt wurde (obwohl die Interaktion nach Anwendung der Bonferroni-Korrektur nicht signifikant war). Da das Subikulum eine Rolle bei der Dämpfung der Stressreaktion über die hypothalamisch- hypophysär-adrenale Achse spielt, legen unsere Ergebnisse nahe, dass die Exposition gegenüber der Natur einen positiven Einfluss auf eine mit der Hemmung der Stressreaktion assoziierte Gehirnregion haben könnte. In Paper IV (Sudimac et al., 2024) bewerteten wir die Auswirkungen eines Spaziergangs in natürlichen im Vergleich zu städtischen Wohngebieten auf subjektive und physiologische Stressindikatoren bei Müttern und ihren Säuglingen. Wir fanden keine signifikanten Unterschiede zwischen der Exposition gegenüber natürlichen und städtischen Umgebungen in Bezug auf selbstberichteten Stress der Mütter oder auf die Cortisolwerte, Stresshormon, sowohl bei Müttern als auch bei Säuglingen. Allerdings wurde eine Reduzierung des Cortisols bei Müttern und Säuglingen nach Spaziergängen in beiden Umgebungen beobachtet, was darauf hinweist, dass das Spazierengehen in Wohngebieten unabhängig von der Umgebung eine beruhigende Wirkung haben könnte. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation bahnbrechende Hinweise für die potenziellen Vorteile einer kurzfristigen Exposition gegenüber natürlichen im Vergleich zu städtischen Umgebungen auf stressbezogene Gehirnfunktion und -struktur. Weiterhin betont sie die Notwendigkeit, individuelle Unterschiede wie Geschlecht und Alter bei der Erforschung natürlicher und städtischer Umgebungen auf die psychische und Gehirngesundheit zu berücksichtigen. Abschließend trägt diese Arbeit zur wachsenden Forschung im Bereich der Umweltneurowissenschaften bei und könnte Implikationen für die Stadtplanung und öffentliche Gesundheitsstrategien haben, die darauf abzielen, Stress zu mildern und die psychische Gesundheit in städtischen Bevölkerungen zu verbessern.