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The experience of premenstrual syndrome (PMS) affects up to 90% of individuals with an active menstrual cycle and involves a spectrum of aversive physiological and psychological symptoms in the days leading up to menstruation (Tschudin et al., 2010). Despite its high prevalence, the precise origins of PMS remain elusive, with influences ranging from hormonal fluctuations to cognitive, social, and cultural factors (Hunter, 2007; Matsumoto et al., 2013).
Biologically, hormonal fluctuations, particularly in gonadal steroids, are commonly believed to be implicated in PMS, with the central factor being varying susceptibilities to the fluctuations between individuals and cycles (Rapkin & Akopians, 2012). Allopregnanolone (ALLO), a neuroactive steroid and progesterone metabolite, has emerged as a potential link to PMS symptoms (Hantsoo & Epperson, 2020). ALLO is a positive allosteric modulator of the GABAA receptor, influencing inhibitory communication (Rupprecht, 2003; Andréen et al., 2006). Different susceptibility to ALLO fluctuations throughout the cycle may lead to reduced GABAergic signal transmission during the luteal phase of the menstrual cycle.
The GABAergic system's broad influence leads to a number of affected physiological systems, including a consistent reduction in vagally mediated heart rate variability (vmHRV) during the luteal phase (Schmalenberger et al., 2019). This reduction in vmHRV is more pronounced in individuals with high PMS symptoms (Baker et al., 2008; Matsumoto et al., 2007). Fear conditioning studies have shown inconsistent associations with cycle phases, suggesting a complex interplay between physiological parameters and PMS-related symptoms (Carpenter et al., 2022; Epperson et al., 2007; Milad et al., 2006).
The neurovisceral integration model posits that vmHRV reflects the capacity of the central autonomous network (CAN), which is responsible for regulatory processes on behavioral, cognitive, and autonomous levels (Thayer & Lane, 2000, 2009). Fear learning, mediated within the CAN, is suggested to be indicative of vmHRV's capacity for successful
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regulation (Battaglia & Thayer, 2022). Given the GABAergic mediation of central inhibitory functional connectivity in the CAN, which may be affected by ALLO fluctuations, this thesis proposes that fluctuating CAN activity in the luteal phase contributes to diverse aversive symptoms in PMS.
A research program was designed to empirically test these propositions. Study 1 investigated fear discrimination during different menstrual cycle phases and its interaction with vmHRV, revealing nuanced effects on acoustic startle response and skin conductance response. While there was heightened fear discrimination in acoustic startle responses in participants in the luteal phase, there was an interaction between menstrual cycle phase and vmHRV in skin conductance responses. In this measure, heightened fear discrimination during the luteal phase was only visible in individuals with high resting vmHRV; those with low vmHRV showed reduced fear discrimination and higher overall responses.
Despite affecting the vast majority of menstruating people, there are very limited tools available to reliably assess these symptoms in the German speaking area. Study 2 aimed at closing this gap, by translating and validating a German version of the short version of the Premenstrual Assessment Form (Allen et al., 1991), providing a reliable tool for future investigations, which closes the gap in PMS questionnaires in the German-speaking research area.
Study 3 employed a diary study paradigm to explore daily associations between vmHRV and PMS symptoms. The results showed clear simultaneous fluctuations between the two constructs with a peak in PMS and a low point in vmHRV a few days before menstruation onset. The association between vmHRV and PMS was driven by psychological PMS symptoms.
Based on the theoretical considerations regarding the neurovisceral perspective on PMS, another interesting construct to consider is attentional control, as it is closely related to functions of the CAN. Study 4 delved into attentional control and vmHRV differences between menstrual cycle phases, demonstrating an interaction between cycle phase and PMS symptoms. In a pilot, we found reduced vmHRV and attentional control during the luteal phase only in participants who reported strong PMS.
While Studies 1-4 provided evidence for the mechanisms underlying PMS, Studies 5 and 6 investigated short- and long-term intervention protocols to ameliorate PMS symptomatology. Study 5 explored the potential of heart rate variability biofeedback (HRVB) in alleviating PMS symptoms and a number of other outcome measures. In a waitlist-control design, participants underwent a 4-week smartphone-based HRVB intervention. The results revealed positive effects on PMS, with larger effect sizes on psychological symptoms, as well as on depressive symptoms, anxiety/stress and attentional control.
Finally, Study 6 examined the acute effects of HRVB on attentional control. The study found positive impact but only in highly stressed individuals.
The thesis, based on this comprehensive research program, expands our understanding of PMS as an outcome of CAN fluctuations mediated by GABAA receptor reactivity. The results largely support the model. These findings not only deepen our understanding of PMS but also offer potential avenues for therapeutic interventions. The promising results of smartphone-based HRVB training suggest a non-pharmacological approach to managing PMS symptoms, although further research is needed to confirm its efficacy.
In conclusion, this thesis illuminates the complex web of factors contributing to PMS, providing valuable insights into its etiological underpinnings and potential interventions. By elucidating the relationships between hormonal fluctuations, CAN activity, and psychological responses, this research contributes to more effective treatments for individuals grappling with the challenges of PMS. The findings hold promise for improving the quality of life for those affected by this prevalent and often debilitating condition.
Introduction Vagally mediated heart rate variability is an index of autonomic nervous system activity that is associated with a large variety of outcome variables including psychopathology and self-regulation. While practicing heart rate variability biofeedback over several weeks has been reliably associated with a number of positive outcomes, its acute effects are not well known. As the strongest association with vagally mediated heart rate variability has been found particularly within the attention-related subdomain of self-regulation, we investigated the acute effect of heart rate variability biofeedback on attentional control using the revised Attention Network Test.
Methods Fifty-six participants were tested in two sessions. In one session each participant received a heart rate variability biofeedback intervention, and in the other session a control intervention of paced breathing at a normal ventilation rate. After the biofeedback or control intervention, participants completed the Attention Network Test using the Orienting Score as a measure of attentional control.
Results Mixed models revealed that higher resting baseline vagally mediated heart rate variability was associated with better performance in attentional control, which suggests more efficient direction of attention to target stimuli. There was no significant main effect of the intervention on attentional control. However, an interaction effect indicated better performance in attentional control after biofeedback in individuals who reported higher current stress levels.
Discussion The results point to acute beneficial effects of heart rate variability biofeedback on cognitive performance in highly stressed individuals. Although promising, the results need to be replicated in larger or more targeted samples in order to reach stronger conclusions about the effects.
Introduction: We conducted a case study to examine the feasibility and safety of high-intensity interval training (HIIT) with increased inspired oxygen content in a colon cancer patient undergoing chemotherapy. A secondary purpose was to investigate the effects of such training regimen on physical functioning.
Case presentation: A female patient (51 years; 49.1 kg; 1.65 m; tumor stage: pT3, pN2a (5/29), pM1a (HEP), L0, V0, R0) performed 8 sessions of HIIT (5 × 3 minutes at 90% of Wmax, separated by 2 minutes at 45% Wmax) with an increased inspired oxygen fraction of 30%. Patient safety, training adherence, cardiorespiratory fitness (peak oxygen uptake and maximal power output during an incremental cycle ergometer test), autonomous nervous function (i.e., heart rate variability during an orthostatic test) as well as questionnaire-assessed quality of life (EORTC QLQ-C30) were evaluated before and after the intervention.
No adverse events were reported throughout the training intervention and a 3 months follow-up. While the patient attended all sessions, adherence to total training time was only 51% (102 of 200 minutes; mean training time per session 12:44 min:sec). VO2peak and Wmax increased by 13% (from 23.0 to 26.1 mL min kg−1) and 21% (from 83 to 100 W), respectively. Heart rate variability represented by the root mean squares of successive differences both in supine and upright positions were increased after the training by 143 and 100%, respectively. The EORTC QLQ-C30 score for physical functioning (7.5%) as well as the global health score (10.7%) improved, while social function decreased (17%).
Conclusions: Our results show that a already short period of HIIT with concomitant hyperoxia was safe and feasible for a patient undergoing chemotherapy for colon cancer. Furthermore, the low overall training adherence of only 51% and an overall low training time per session (∼13 minutes) was sufficient to induce clinically meaningful improvements in physical functioning. However, this case also underlines that intensity and/or length of the HIIT-bouts might need further adjustments to increase training compliance.
Introduction: We conducted a case study to examine the feasibility and safety of high-intensity interval training (HIIT) with increased inspired oxygen content in a colon cancer patient undergoing chemotherapy. A secondary purpose was to investigate the effects of such training regimen on physical functioning.
Case presentation: A female patient (51 years; 49.1 kg; 1.65 m; tumor stage: pT3, pN2a (5/29), pM1a (HEP), L0, V0, R0) performed 8 sessions of HIIT (5 × 3 minutes at 90% of Wmax, separated by 2 minutes at 45% Wmax) with an increased inspired oxygen fraction of 30%. Patient safety, training adherence, cardiorespiratory fitness (peak oxygen uptake and maximal power output during an incremental cycle ergometer test), autonomous nervous function (i.e., heart rate variability during an orthostatic test) as well as questionnaire-assessed quality of life (EORTC QLQ-C30) were evaluated before and after the intervention.
No adverse events were reported throughout the training intervention and a 3 months follow-up. While the patient attended all sessions, adherence to total training time was only 51% (102 of 200 minutes; mean training time per session 12:44 min:sec). VO2peak and Wmax increased by 13% (from 23.0 to 26.1 mL min kg−1) and 21% (from 83 to 100 W), respectively. Heart rate variability represented by the root mean squares of successive differences both in supine and upright positions were increased after the training by 143 and 100%, respectively. The EORTC QLQ-C30 score for physical functioning (7.5%) as well as the global health score (10.7%) improved, while social function decreased (17%).
Conclusions: Our results show that a already short period of HIIT with concomitant hyperoxia was safe and feasible for a patient undergoing chemotherapy for colon cancer. Furthermore, the low overall training adherence of only 51% and an overall low training time per session (∼13 minutes) was sufficient to induce clinically meaningful improvements in physical functioning. However, this case also underlines that intensity and/or length of the HIIT-bouts might need further adjustments to increase training compliance.
In der vorliegenden Untersuchung wurde ein arbeitspsychologisches Problem thematisiert, dass in Mensch-Maschine-Systemen auftritt. In Mensch-Maschine-Systemen werden Informationen in kodierter Form ausgetauscht. Diese inhaltlich verkürzte Informationsübertragung hat den Vorteil, keine lange Zustandsbeschreibung zu benötigen, so dass der Mensch auf die veränderten Zustände schnell und effizient reagieren kann. Dies wird aber nur dann ermöglicht, wenn der Mensch die kodierten Informationen (Kodes) vorher erlernten Bedeutungen zuordnen kann. Je nach Art der kodierten Informationen (visuelle, akustische oder alphanumerische Signale) wurden Gestaltungsempfehlungen für Kodealphabete entwickelt. Für Operateure resultiert die mentale Belastung durch Dekodierungsprozesse vor allem aus dem Umfang des Kodealphabetes (Anzahl von Kodezeichen), der wahrnehmungsmäßigen Gestaltung der Kodes und den Regeln über die Zuordnung von Bedeutungen zu Kodezeichen. Die Entscheidung über die Güte von Kodealphabeten geschieht in der Arbeitspsychologie in der Regel über Leistungsindikatoren. Dies sind üblicherweise die zur Dekodierung der Kodes benötigte Zeit und dabei auftretende Zuordnungsfehler. Psychophysiologische Daten werden oft nicht herangezogen. Fraglich ist allerdings, ob Zeiten und Fehler allein verlässliche Indikatoren für den kognitiven Aufwand bei Dekodierungsprozessen sind, da im hochgeübten Zustand bei gleichen Alphabetlängen, aber unterschiedlicher Kodezeichengestaltung sich häufig die mittleren Dekodierungszeiten zwischen Kodealphabeten nicht signifikant unterscheiden und Fehler überhaupt nicht auftreten. Die in der vorliegenden Arbeit postulierte Notwendigkeit der Ableitung von Biosignalen gründet sich auf die Annahme, dass mit ihrer Hilfe zusätzliche Informationen über die mentale Beanspruchung bei Dekodierungsprozessen gewonnen werden können, die mit der Erhebung von Leistungsdaten nicht erfasst werden. Denn gerade dann, wenn sich die Leistungsdaten zweier Kodealphabete nicht unterscheiden, können psychophysiologische Daten unterschiedliche Aspekte mentaler Beanspruchung erfassen, die mit Hilfe von Leistungsdaten nicht bestimmt werden können. Daher wird in Erweiterung des etablierten Untersuchungsansatzes vorgeschlagen, Biosignale als dritten Datenbereich, neben Leistungsdaten und subjektiven Daten mentaler Beanspruchung, abzuleiten, um zusätzliche Informationen über die mentale Beanspruchung bei Dekodierungsprozessen zu erhalten. Diese Annahme sollte mit Hilfe der Ableitung von Biosignalen überprüft werden. Der Begriff mentaler Beanspruchung wird in der bisherigen Literatur nur unzureichend definiert und differenziert. Daher wird zur Untersuchung dieses Konzepts, die wissenschaftliche Literatur berücksichtigend, ein erweitertes Modell mentaler Beanspruchung vorgestellt. Dabei wird die mentale Beanspruchung abgegrenzt von der emotionalen Beanspruchung. Mentale Beanspruchung wird weiterhin unterschieden in psychomotorische, perzeptive und kognitive Beanspruchung. Diese Aspekte mentaler Beanspruchung werden jeweils vom psychomotorischen, perzeptiven oder kognitiven Aufwand der zu bearbeitenden Aufgabe ausgelöst. In der vorliegenden Untersuchung wurden zwei zentrale Fragestellungen untersucht: Einerseits wurde die Analyse der anwendungsbezogenen Frage fokussiert, inwieweit psychophysiologische Indikatoren mentaler Beanspruchung über die Leistungsdaten (Dekodierungszeiten und Fehleranzahl) hinaus, zusätzliche Informationen zur Bestimmung der Güte von Kodealphabeten liefern. Andererseits wurde der Forschungsaspekt untersucht, inwieweit psychophysiologische Indikatoren mentaler Beanspruchung die zur Dekodierung notwendigen perzeptiven und kognitiven Aspekte mentaler Beanspruchung differenzieren können. Emotionale Beanspruchung war nicht Gegenstand der Analysen, weshalb in der Operationalisierung versucht wurde, sie weitgehend zu vermeiden. Psychomotorische Beanspruchung als dritter Aspekt mentaler Beanspruchung (neben perzeptiver und kognitiver Beanspruchung) wurde für beide Experimentalgruppen weitgehend konstant gehalten. In Lernexperimenten hatten zwei anhand eines Lern- und Gedächtnistests homogenisierte Stichproben jeweils die Bedeutung von 54 Kodes eines Kodealphabets zu erwerben. Dabei wurde jeder der zwei unahbhängigen Stichproben ein anderes Kodealphabet vorgelegt, wobei sich die Kodealphabete hinsichtlich Buchstabenanzahl (Kodelänge) und anzuwendender Zuordnungsregeln unterschieden. Damit differierten die Kodealphabete im perzeptiven und kognitiven Aspekt mentaler Beanspruchung. Die Kombination der Abkürzungen entsprach den in einer Feuerwehrleitzentrale verwendeten (Kurzbeschreibungen von Notfallsituationen). In der Lernphase wurden den Probanden zunächst die Kodealphabete geblockt mit ihren Bedeutungen präsentiert. Anschließend wurden die Kodes (ohne deren Bedeutung) in sechs aufeinanderfolgenden Prüfphasen randomisiert einzeln dargeboten, wobei die Probanden instruiert waren, die Bedeutung der jeweiligen Kodes in ein Mikrofon zu sprechen. Während des gesamten Experiments wurden, neben Leistungsdaten (Dekodierungszeiten und Fehleranzahl) und subjektiven Daten über die mentale Beanspruchung im Verlauf der Experimente, folgende zentralnervöse und peripherphysiologische Biosignale abgeleitet: Blutdruck, Herzrate, phasische und tonische elektrodermale Aktivität und Elektroenzephalogramm. Aus ihnen wurden zunächst 13 peripherphysiologische und 7 zentralnervöse Parameter berechnet, von denen 7 peripherphysiologische und 3 zentralnervöse Parameter die statistischen Voraussetzungen (Einschlusskriterien) soweit erfüllten, dass sie in die inferenzstatistische Datenanalyse einbezogen wurden. Leistungsdaten und subjektive Beanspruchungseinschätzungen der Versuchsdurchgänge wurden zu den psychophysiologischen Parametern in Beziehung gesetzt. Die Befunde zeigen, dass mittels der psychophysiologischen Daten zusätzliche Erkenntnisse über den kognitiven Aufwand gewonnen werden können. Als weitere Analyse wurden die Kodes post hoc in zwei neue Kodealphabete eingeteilt. Ziel dieser Analyse war es, die Unterschiede zwischen beiden Kodealphabeten zu erhöhen, um deutlichere reizbezogene psychophysiologische Unterschiede in den EEG-Daten zwischen den Kodealphabeten zu erhalten. Dazu wurde diejenigen, hinsichtlich ihrer Bedeutung, parallelen Kodes in beiden Kodealphabeten ausgewählt, die sich in der Dekodierungszeit maximal voneinander unterschieden. Eine erneute Analyse der EEG-Daten erbrachte jedoch keine Verbesserung der Ergebnisse. Drei Hauptergebnisse bezüglich der psychophysiologischen Parameter konnten festgestellt werden: Das erste Ergebnis ist für die psychophysiologische Methodik bedeutsam. Viele psychophysiologische Parameter unterschieden zwischen den Prüfphasen und zeigen damit eine hinreichende Sensitivität zur Untersuchung mentaler Beanspruchung bei Dekodierungsprozessen an. Dazu gehören die Anzahl der spontanen Hautleitwertsreaktionen, die Amplitude der Hautleitwertsreaktionen, das Hautleitwertsniveau, die Herzrate, die Herzratendifferenz und das Beta-2-Band des EEG. Diese Parameter zeigen einen ähnlichen Verlauf wie die Leistungsdaten. Dies zeigt, dass es möglich ist, die hier operationaliserte Art mentaler Beanspruchung in Form von Dekodierungsprozessen psychophysiologisch zu analysieren. Ein zweites Ergebnis betrifft die Möglichkeit, Unterschiede mentaler Beanspruchung zwischen beiden Gruppen psychophysiologisch abzubilden: Das Hautleitwertsniveau und das Theta-Frequenzband des Spontan-EEG zeigten Unterschiede zwischen beiden Stichproben von der ersten Prüfphase an. Diese Parameter indizieren unterschiedlichen kognitiven Aufwand in beiden Stichproben über alle Prüfphasen. Das wichtigste Ergebnis betrifft die Frage nach einem Informationsgewinn bei Einsatz psychophysiologischer Methoden zur Bewertung der Güte von Kodealphabeten: Einen tatsächlichen Informationsgewinn gegenüber den Leistungsdaten zeigte die Amplitude der elektrodermalen Aktivität und die Herzraten-Differenz an. Denn in den späteren Prüfphasen, wenn sich die Leistungsdaten beider Kodealphabete nicht mehr unterschieden, konnten unterschiedliche Ausprägungen dieser psychophysiologischen Parameter zwischen beiden Kodealphabeten verzeichnet werden. Damit konnten unterschiedliche Aspekte mentaler Beanspruchung in beiden Kodealphabeten in den späteren Prüfphasen erfasst werden, in denen sich die Leistungsdaten nicht mehr unterschieden. Alle drei Ergebnisse zeigen, dass es, trotz erheblichen technischen und methodischen Aufwands, sinnvoll erscheint, bei der Charakterisierung mentaler Belastungen und für die Gestaltung von Kodealphabeten auch psychophysiologische Daten heranzuziehen, da zusätzliche Informationen über den perzeptiven und kognitiven Dekodierungsaufwand gewonnen werden können.
Objective: Several different measures of heart rate variability, and particularly of respiratory sinus arrhythmia, are widely used in research and clinical applications. For many purposes it is important to know which features of heart rate variability are directly related to respiration and which are caused by other aspects of cardiac dynamics. Approach: Inspired by ideas from the theory of coupled oscillators, we use simultaneous measurements of respiratory and cardiac activity to perform a nonlinear disentanglement of the heart rate variability into the respiratory-related component and the rest. Main results: The theoretical consideration is illustrated by the analysis of 25 data sets from healthy subjects. In all cases we show how the disentanglement is manifested in the different measures of heart rate variability. Significance: The suggested technique can be exploited as a universal preprocessing tool, both for the analysis of respiratory influence on the heart rate and in cases when effects of other factors on the heart rate variability are in focus.
Objective: Several different measures of heart rate variability, and particularly of respiratory sinus arrhythmia, are widely used in research and clinical applications. For many purposes it is important to know which features of heart rate variability are directly related to respiration and which are caused by other aspects of cardiac dynamics. Approach: Inspired by ideas from the theory of coupled oscillators, we use simultaneous measurements of respiratory and cardiac activity to perform a nonlinear disentanglement of the heart rate variability into the respiratory-related component and the rest. Main results: The theoretical consideration is illustrated by the analysis of 25 data sets from healthy subjects. In all cases we show how the disentanglement is manifested in the different measures of heart rate variability. Significance: The suggested technique can be exploited as a universal preprocessing tool, both for the analysis of respiratory influence on the heart rate and in cases when effects of other factors on the heart rate variability are in focus.
Heartfelt memories
(2018)
During social interactions, we rapidly judge others’ trustworthiness on basis of their facial characteristics. Face-based trustworthiness judgments may not only affect our current but also our future interactions because we seem to be more inclined to remember untrustworthy than trustworthy faces. Memory formation of salient stimuli like untrustworthy faces may be modulated by the interplay between the autonomic and central nervous system, which can be indexed by changes in vagally mediated heart rate variability (HRV). To test this assumption, we investigated whether differences in HRV would be associated with differences in memory formation of untrustworthy faces in a sample of healthy participants (n = 34, all female). Untrustworthy faces were remembered more accurately than trustworthy faces, albeit only by participants with high and not low HRV. Across participants, increased memory accuracy for untrustworthy faces was associated with increased HRV. We discuss these findings in the context of neurobiological theories regarding the interplay between the autonomic and central nervous system during the regulation of autonomic, emotional and cognitive processes. (PsycInfo Database Record