The influence of endogenous testosterone and exogenous oxytocin on the response to baby schema in the female brain

Abstract

The neuropeptide oxytocin is well known for its crucial role in childbirth and bonding. It seems to influence caretaking behaviors by modulating complex neuroendocrine reward systems. Contrary to oxytocin, high concentrations of the steroid hormone testosterone seem to antagonize caretaking behaviors. Whereas high testosterone concentrations were associated with competitive and defensive behaviors, low testosterone concentrations may support caretaking behaviors. For instance, the decrease of testosterone in new mothers and fathers is thought to be adaptive to promote parental care, while a decrease of oxytocin in new mothers was associated with postpartum depression risk. Interestingly, some behavioral effects of oxytocin may be steroid hormone dependent. Equally, oxytocin seems to modulate different steroid dependent reproductive functions like erection, ejaculation, orgasm, labor induction and lactation in mammals. Reproductive success in mammals greatly depends on the caretaking effort of the parents or alloparents. A lack of caretaking behavior would probably result in neglect which could further cause the death of the vulnerable offspring. Therefore it may be adaptive that infants wear a key stimulus in the face that automatically elicits caretaking behavior in adults: the baby schema. Besides parental care, different kinds of mammals (especially primates) show alloparental care. Therefore it is likely that not only hormones involved in pregnancy and lactation influence maternal behavior, but that a neuroendocrine mechanism may be involved in the regulation of caretaking behavior in general. By reason of their important impact on reproduction and their inverse influences on caretaking behaviors it was the aim of this doctoral thesis to investigate the modulatory influence of testosterone and oxytocin on the processing of and the sensitivity for the baby schema and how both hormones interact in the modulation of a basic aspect of caretaking behavior, selective attention towards infants. For this, I used a combination of different established methods to investigate the neuroendocrine influences on selective attention towards infants: (1.) an implicit reaction time task to measure selective attention (the target detection paradigm), (2.) image manipulation (pictures of infants were manipulated in the degree of the baby schema), (3.) salivary hormone measurements, (4.) hormonal intervention and (5.) functional magnetic resonance imaging (fMRI). The results were published in two studies as part of this doctoral thesis: one behavioral study and one neuroimaging study. As predicted, the results of the behavioral study [N=38; Study II of (Holtfrerich et al., 2016)] indicated that women with higher salivary testosterone were slower in orienting attention towards infant targets in the context of adult distractors, although the infant faces were not detected faster per se and although I could not find reaction time differences between the different degrees of baby schema. Most interestingly, oxytocin administration seemed to diminish the negative effects of heightened testosterone concentrations, because only in women with high endogenous testosterone reaction times towards infant and adult stimuli decreased after oxytocin administration. The following brain imaging study had the aim to investigate how the interaction of exogenous oxytocin and endogenous testosterone influences the processing of infant faces in the female brain [N=57 (Holtfrerich et al., 2018)]. The results supported the idea that oxytocin may counteract the negative effects of testosterone in the modulation of caretaking behavior, because activation of the putamen was positively correlated with selective attention towards infant faces in women that were treated with oxytocin, and even more importantly, this finding could be traced back to women with high testosterone concentrations and was not reflected in the low testosterone group. Although missing any behavioral effect on the response to pictures with different degrees of baby schema, the second finding of the fMRI study, i.e., increased activation of the inferior frontal junction in response to an increased baby schema in women who received oxytocin, may leave room for speculations that oxytocin may enhance the salience of infants with stronger baby schema and thus increase the readiness to act by activating a brain region known to be involved in cognitive control, action perception and the detection of behaviorally salient cues – the inferior frontal junction. Altogether, the results of the present thesis provide new evidence that oxytocin may counteract the adverse effects of testosterone on a central aspect of caretaking behavior – selective attention towards infants - and provide new indications for an adaptive hormonal mechanism that promotes caretaking behavior.

Das Neuropeptidhormon Oxytocin ist insbesondere für seine wichtige Rolle bei der Geburt und dem Bindungsverhalten bekannt. Es scheint Fürsorgeverhalten zu beeinflussen, indem es komplexe neuroendokrinologische Belohungssysteme im Gehirn aktiviert. Im Gegensatz zu Oxytocin scheinen hohe Konzentrationen des Steroidhormons Testosteron Fürsorgeverhalten zu antagonisieren. Während hohe Testosteronkonzentrationen eher mit kompetitiven und verteidigenden Verhaltensweisen in Verbindung gebracht werden, scheinen niedrige Konzentrationen des Steroidhormons Fürsorgeverhalten zu begünstigen. So wird zum Bespiel vermutet, dass der Abfall der Testosteronkonzentration bei neuen Müttern und Vätern adaptiv ist, um die elterliche Fürsorge zu erhöhen. Ein Abfall des Neuropeptids Oxytocin nach der Geburt wird dagegen mit der postpartum Depression assoziiert. Interessanterweise scheinen einige Oxytocin-induzierte Verhaltensweisen abhängig vom Steroidhormonlevel zu sein. Invers moduliert Oxytocin viele Steroidhormonabhängige reproduktive Funktionen wie die Erektion, Ejakulation, Wehen, den Orgasmus und Einschuss der Muttermilch bei Säugetieren. Der Reproduktionserfolg von Säugetieren hängt maßgeblich mit dem parentalen oder alloparentalen Fürsorgeverhalten zusammen. Das Ausbleiben von Fürsorgeverhalten würde die Vernachlässigung und anschließend vielleicht sogar den Tod des hilflosen Nachwuchses bedeuten. Es könnte daher adaptiv sein, dass der Nachwuchs von Säugetieren (und anderen Fürsorge betreibenden Wirbeltierklassen) einen Schlüsselreiz im Gesicht trägt, der automatisch Fürsorgeverhalten auslöst: Das Kindchenschema. Neben der elterlichen Fürsorge zeigen viele Säugetierarten, aber auch Vögel, alloparentale Fürsorge. Es ist daher wahrscheinlich, dass nicht nur Schwangerschaftshormone Fürsorgeverhalten induzieren, sondern ein neuroendokrinologisches System an der Regulation von Fürsorgeverhalten im Allgemeinen beteiligt ist. Aufgrund der Bedeutung von Testosteron und Oxytocin für die Reproduktion und ihre gegensätzlichen Einflüsse auf das Fürsorgeverhalten, war es das Ziel dieser Doktorarbeit, die modulatorischen Effekte der beiden Hormone bei der Verarbeitung und der Sensibilität für das Kindchenschema zu untersuchen und im weiteren zu ergründen, inwiefern die beiden Hormone in der Ausprägung von Fürsorgeverhalten interagieren. Um diese modulatorischen Effekte zu untersuchen, wurde eine Kombination verschiedener etablierte Methoden verwendet: (1.) eine implizite Reaktionszeitaufgabe, um die selektive Aufmerksamkeit zu messen (das Target Detection Paradigma), (2.) Bildbearbeitung (das Kindchenschema im Gesicht von Säuglingen wurde in der Stärke manipuliert), (3.) Speichelhormonmessungen, (4.) Hormonelle Intervention und (5.) Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT). Die Ergebnisse wurden in zwei Studien publiziert, die Teil dieser Doktorarbeit sind: Eine Verhaltensstudie sowie eine bildgebende Studie(fMRT-Studie). Wie erwartet, deuten die Ergebnisse der Verhaltensstudie [N=38; Studie II aus (Holtfrerich et al., 2016)] darauf hin, dass Frauen mit höheren Speicheltestosteronwerten eine geringere selektive Aufmerksamkeit für Baby-Bilder im Kontext von Adult-Bildern zeigten. Dennoch konnten keine reinen Präferenzen für Baby-Bilder und auch keine Reaktionszeitunterschiede für die unterschiedlichen Kindchenschema-Stärken ermittelt werden. Bemerkenswert war allerdings, dass nur Frauen mit hohen Testosteronkonzentrationen von der Verabreichung von Oxytocin profitieren und sich ihre Reaktionszeiten insgesamt verbesserten, während die Frauen mit niedrigen Testosteronkonzentrationen keinen solchen Effekt zeigten. Die darauffolgende fMRT-Studie hatte das Ziel zu untersuchen, inwiefern die Interaktion von exogenem Oxytocin und endogenem Testosteron die Verarbeitung von Kinderbildern im Gehirn von Frauen beeinflusst [N=57 (Holtfrerich et al., 2018)]. Die Ergebnisse dieser Studie unterstützen die vorherigen Befunde, dass Oxytocin die negativen Effekte erhöhter Testosteronkonzentration in der Modulation von Fürsorgeverhalten kompensieren kann. Es wurde eine positive Korrelation zwischen einer erhöhten Aktivität im Putamen (ein Teil des Belohnungssystems des Gehirns) und der selektiven Aufmerksamkeit auf Baby-Bilder bei den Frauen gefunden, die mit Oxytocin behandelt wurden, nicht allerdings in der Placebogruppe. Dieses Ergebnis konnte wieder nur auf Frauen mit hohen Testosteronkonzentrationen zurückgeführt werden und war in der Gruppe der Frauen mit niedrigen Testosteronkonzentrationen nicht mehr reflektiert. Obwohl ich keine Verhaltenseffekte bei der Antwort nulliparer Frauen auf verschiedene Kindchenschemastufen finden konnte, könnten die zweiten neurologischen Befunde einen Hinweis darauf geben, dass Oxytocin die Salienz von Kindern mit stärkerem Kindchenschema und so die Handlungsbereitschaft erhöhen könnte, indem es die Aktivierung im ‚inferior frontal junction‘ erhöht.