Modulating Social Cognition: Effectiveness of Oxytocin Application and Transcranial Direct Current Stimulation

Abstract

The overall aim of this dissertation was to evaluate different methods of facilitating core social cognitive functions. Previous studies have provided evidence for beneficial effects of both intranasal oxytocin (OXT) application and transcranial direct current stimulation (tDCS) in modulating social cognition. However, it has also been demonstrated that the degree to which individuals are susceptible to OXT varies substantially. For example, the response depends on environmental factors and socio-emotional abilities. Hence, the present dissertation additionally aimed to further identify individual differences in participants regarding their benefit from OXT application. In study 1, we therefore used a pharmacological approach to investigate the effects of OXT on the recognition of basic facial expressions. To account for the role of environmental factors in the modulation of central sensitivity to the effects of OXT, we investigated whether these depend on early life stress (ELS) experience. Our results show that OXT improved emotion recognition for avoidance-related emotions (for example fear and sadness). This effect was more pronounced in participants with lower levels of ELS experience. These findings are compatible with previous studies reporting that OXT modulates motivational behavior. In addition, our data suggest that ELS experience might have an impact on the development of the central nervous OXT system which in turn leads to lower sensitivity to the effects of intranasal OXT administration. In study 2, we investigated the ability to infer complex mental states of others. Additionally, we evaluated whether the effects of OXT depend on the ability to empathize. Our results indicate that OXT specifically enhanced mentalizing accuracy for difficult items in participants with lower empathy scores. Our findings corroborate previous studies which showed that OXT induced effects are more pronounced in individuals with lower socio- emotional skills. In study 3, we investigated a more elaborate social cognitive process, namely cognitive reappraisal. A number of studies have consistently demonstrated that the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) plays a critical role in cognitive reappraisal. We therefore applied tDCS, which has been shown to effectively modulate dlPFC activation, to investigate effects of increased dlPFC excitability on up- and downregulation of negative emotions. Changes in reappraisal success were indexed by subjective emotional arousal ratings and skin conductance responses. Our results demonstrate that tDCS increased cognitive reappraisal capacities in both directions by either increasing or decreasing emotional responsiveness. By showing a relationship between prefrontal tDCS and reappraisal success our results may open up new possibilities for the use of tDCS as an add-on treatment in patients with impairments in emotion regulation. To summarize, the present studies confirm that OXT application can be effectively used to facilitate not only the recognition of basic emotional expressions, but also the inference of mental states of others, which represents a more complex social cognitive function. In addition, our results highlight the importance of considering environmental factors and socio-emotional skills when examining oxytocinergic effects on social cognition. Results from study 3 show for the first time that prefrontal tDCS can effectively facilitate cognitive reappraisal. Furthermore, possible implications for OXT in the treatment of mental disorders, which are characterized by derogations in core social cognitive domains, are being discussed. The last chapter includes preliminary results of an additional functional magnetic resonance imaging (fMRI) study about the effects of OXT on selective attention. The aim of this study was to identify possible explanatory mechanisms underlying the OXT effects on social cognition.

Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit lag in der Evaluation verschiedener Methoden zur Verbesserung sozial-kognitiver Funktionen. Bisherige Studien deuten darauf hin, dass soziale Kognition durch die intranasale Applikation von Oxytocin (OXT) und transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) moduliert werden kann. Jedoch zeigte sich in diesen Studien auch eine erhebliche intraindividuelle Variabilität hinsichtlich der Oxytocinsensitivität, d.h. hinsichtlich des Ausmaßes, in dem behaviorale und neuronale Parameter durch OXT moduliert werden. Da die Oxytocinsensitivität durch Umweltfaktoren und sozial-emotionale Kompetenzen entscheidend beeinflusst zu sein scheint, lag ein Fokus dieser Arbeit auf der Untersuchung der Effekte dieser Variablen. In der ersten Studie wurde untersucht, wie Oxytocin die Fähigkeit zum Erkennen des mimischen Ausdrucks von Basisemotionen in Abhängigkeit von frühkindlichen Stresserfahrungen moduliert. Die Ergebnisse zeigen, dass Oxytocin das Erkennen von Emotionen verbessert, die mit Vermeidungsverhalten assoziiert sind (wie z.B. Angst und Traurigkeit). Dieser Effekt war besonders ausgeprägt bei Versuchspersonen, die keine oder wenige frühkindliche Stresserfahrungen aufwiesen. Die Ergebnisse stehen im Einklang mit früheren Studien, die einen differentiellen Oxytocineffekt auf motivationales Verhalten zeigen konnten. Darüber hinaus unterstreichen die Resultate den Einfluss frühkindlicher Stresserfahrungen auf die Entwicklung des Zentralnervensystems und die damit einhergehende verminderte Oxytocinsensitivität. In der zweiten Studie wurde die Mentalisierungsfähigkeit anhand einer Aufgabe zum Erkennen komplexer mentale Zustände in mimischen Ausdrücken untersucht. Zusätzlich sollte untersucht werden, inwieweit die Effekte der Oxytocin-Applikation auf die Mentalisierungsfähigkeit von der individuellen Empathiefähigkeit abhängen. Die Ergebnisse zeigen eine durch Oxytocin verbesserte Mentalisierungsfähigkeit, insbesondere bei Probanden mit geringer Empathiefähigkeit. Diese Ergebnisse bestätigen frühere Studien, die ausgeprägtere Oxytocin- Effekte bei Probanden mit niedrigen sozial-emotionalen Kompetenzen nachweisen. In der dritten Studie wurde mit dem kognitiven Reappraisal (Neu- oder Umbewertung) ein komplexerer sozial-kognitiver Prozess untersucht. Eine Anzahl von Studien weisen darauf hin, dass der dorsolaterale präfrontale Cortex (dlPFC) eine entscheidende Rolle im Reappraisalprozess spielt. Frühere Untersuchungen konnten zeigen, dass neuronale Aktivität im dlPFC durch tDCS moduliert werden kann. In der vorliegenden Studie wurde daher tDCS angewendet, um der Frage nachzugehen, wie sich eine erhöhte Aktivierung im dlPFC auf das Hoch – oder Runterregulieren negativer Emotionen auswirkt. Die Effektivität des Reappraisal wurde anhand von Veränderungen in der subjektiven Beurteilung der emotionalen Erregung, sowie der Hautleitfähigkeit gemessen. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass durch tDCS Emotionsregulation in beide Richtungen verbessert wurde. Dies zeigte sich in einer jeweils intensivierten oder reduzierten negativen Bewertung von Emotionen und bildete sich zusätzlich in einer erhöhten oder verminderten Hautleitfähigkeit ab. Die vorliegende Arbeit beschreibt somit einen Zusammenhang zwischen durch tDCS modulierter Aktivität des präfrontalen Cortex und der Fähigkeit zur Emotionsregulation. Die Ergebnisse weisen auf eine mögliche Nutzung von tDCS als Augmentationsbehandlung bei Patienten mit eingeschränkter Fähigkeit zur Emotionsregulation hin. Insgesamt unterstützen die vorliegenden Ergebnisse den förderlichen Einfluss von Oxytocin auf Fähigkeiten zur Emotionserkennung und Mentalisierung. Darüber hinaus zeigen die Befunde jedoch auch, wie wichtig es ist, Umweltfaktoren und sozial- emotionale Kompetenzen zu berücksichtigen, da diese die Oxytocineffekte ganz entscheidend modulieren. Zusätzlich konnte erstmals gezeigt werden, dass durch tDCS eine Verbesserung der Reappraisal-Fähigkeit erreicht werden kann. Die klinische Relevanz der Befunde im Hinblick auf Behandlungsmöglichkeiten von psychischen Störungen, bei denen verminderte sozial-kognitive Funktionen im Vordergrund stehen, wird in der vorliegenden Arbeit ebenfalls diskutiert. Das letzte Kapitel dieser Arbeit beschreibt die vorläufigen Ergebnisse einer Studie, in der die Rolle der selektiven Aufmerksamkeit bei der Modulation von Oxytocineffekten auf soziale Kognition mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) untersucht wurde.