University of Groningen The Predictive Brain and Psychopathology Geng, Haiyang

University of Groningen

The Predictive Brain and Psychopathology

Geng, Haiyang

DOI:

10.33612/diss.131330743

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.

Document Version

Publisher's PDF, also known as Version of record

Publication date: 2020

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):

Geng, H. (2020). The Predictive Brain and Psychopathology: Searching for the hidden links across anxiety, hallucination and apathy. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.131330743

Copyright

Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

Nederlandse Samenvatting Nederlandse Samenvatting

In de afgelopen jaren zijn er in toenemende mate klinische neurowetenschappelijke onderzoeken uitgevoerd binnen het Research Domain Criteria (RDoC) -kader,wat neurofysiologische mechanismen probeert te ontdekken die ten grondslag liggen aan psychiatrische stoornissen door meerdere niveaus van gespecificeerde genen, hersencircuits en cognitieve verwerking aan elkaar te koppelen (Casey et al., 2013). Op dezelfde manier is opkomend transdiagnostisch neuroimaging-onderzoek begonnen met het identificeren van gemeenschappelijke hersenveranderingen bij verschillende psychiatrische stoornissen (Menon, 2011a; Sha et al., 2019). Er zijn echter nog twee onopgeloste crucicale problemen die de translationele toepasbaarheid van deze bevindingen beperken. De eerste heeft betrekking op de generaliseerbaarheid en de tweede op de specificiteit:

1. Of er gemeenschappelijke cognitieve processen bestaan, die kunnen worden gekoppeld aan transdiagnostische hersenveranderingen die bij verschillende aandoeningen worden aangetroffen.

2. Of specifieke cognitieve processen en hun reagerende neurale correlaties kunnen worden geïdentificeerd die verschillende symptomen kenmerken.

Als een bouwsteen voor bovengenoemde integratie, onderzoekt dit proefschrift de gemeenschappelijke en specifieke neurocognitieve mechanismen die ten grondslag liggen aan verschillende symptomen (d.w.z. angst, hallucinaties en apathie), zowel op cognitief als neuraal niveau. Op cognitief niveau lag de focus op voorspelling, aangezien dit cognitieve proces geassocieerd was met al deze symptomen in eerdere studies (Corlett et al., 2019; Grupe & Nitschke, 2013; Raffard et al., 2013b) . Er werden meerdere neuroimaging methodes gebruikt, waaronder analyses van hersenactivatie, connectiviteit (d.w.z. psychofysiologische interactie) en dynamische functionele connectiviteit (d.w.z. schuifraam, K-middelen en fasesynchronisatie) , om verstoringen van gemeenschappelijke en specifieke hersensystemen te ontdekken bij angst, hallucinaties en apathie.

De vermeende gemeenschappelijkheid en specificiteit van neurale bases die betrokken zijn bij de voorspelling van verschillende symptomen werden onderzocht door de bevindingen van vier parallelle studies te koppelen en te vergelijken . In Hoofdstuk 2 werdveranderde hersenactiviteit en connectiviteit in relatie tot de voorspelling van onzekere bedreiging bij personen met een hoog angstdispositie onderzocht. In Hoofdstuk 3 werd de verstoorde interactie tussen

Nederlandse Samenvatting 185

semantische voorspelling en auditieve perceptie bij individuen met hoge auditieve verbale hallucinaties vatbaarheid onderzocht, met een focus op activatie en connectiviteit van de dorsale cingulate cortex (dACC). Aangezien dynamische netwerkanalyses nieuwe temporele informatie hebben opgeleverd over de organisatie van het hersennetwerk die geassocieerd is met flexibele cognitieve berekeningen (Hutchison et al., 2013b; Shine et al., 2016) , richtte Hoofdstuk 4 zich op de dynamiek van belangrijke hersennetwerken tijdens rusttoestand bij patiënten met auditieve verbale hallucinaties. Deze hersennetwerken kunnen bijdragen aan een verstoorde semantische voorspelling. In Hoofdstuk 5 werd de voorspelling van affectieve persoonlijke gebeurtenissen bij patiënten met hoge apathieniveaus onderzocht met behulp van nieuwe fasesynchronisatie-analyse, om dynamische coherentie te onthullen tussen grootschalige hersennetwerken die bij dit proces betrokken zijn. Bij het vergelijken en integreren van de bevindingen van deze vier onderzoeken, lag de focus op de kern van grootschalige hersennetwerken, waaronder het frontale-pariëtale netwerk (FPN), het default mode network (DMN) en het salience-netwerk (SN), evenals de interactie tussen deze salience-netwerken met andere hersensystemen die specifieker kunnen zijn voor unieke cognitieve processen die bij elk symptoom horen.

Figuur 1. Een verenigend grootschalig netwerkmodel en psychopathologie. Notities: SN, salience-netwerk; FPN , fronto-pariëtaal

Nederlandse Samenvatting

netwerk; DMN, default mode network; STG: superieure temporale gyrus; AVH, auditieve verbale hallucinaties.

Een verenigend grootschalig netwerkmodel en psychopathologie

In Figuur 1 wordt een grootschalig hersennetwerkmodel van verstoorde voorspelling weergegeven, samen met de reagerende neurale correlaties gevonden in de vier studies van dit proefschrift. Dit suggereert dat: (1) gedeelde verandering in grootschalige hersennetwerken, waaronder de SN, de DMN en de FPN, ten grondslag kunnen liggen aan de algemene verstoorde voorspelling over angst, hallucinatie en apathie; en (2) specifieke hersensystemen worden relatief geassocieerd met unieke cognitieve componenten (d.w.z. bedreigingsverwerking bij angst, auditieve perceptie bij AVH, motivatiedrift bij apathie) die verschillende symptomen kenmerken.

Gemeenschappelijke hersennetwerken kunnen gedeelde voorspelling over verschillende symptomen ondersteunen

Verstoorde activering en connectiviteit tussen de SN, DMN en FPN tijdens voorspelling werden vaak aangetoond bij angst, hallucinatie en apathie. Ten eerste vertoonde de dmPFC (de SN) verminderde connectiviteit met de vmPFC (de DMN) tijdens het anticiperen op onzekere bedreigingen bij personen met een grote angstgevoelens. Ten tweede vertoonde de dACC (de SN) verhoogde connectiviteit (d.w.z. overschakeling van negatief naar positief) met de precuneus (de DMN) tijdens interactie tussen semantische voorspelling en bottom-up perceptie bij individuen met een hoge neiging tot hallucinatie. Ten derde brachten patiënten met hallucinaties minder tijd door in een hersentoestand van anticorrelatie tussen de DMN en het taalnetwerk tijdens de rusttoestand. Ten vierde werd er verstoorde synchronisatie tussen de FPN en de DMN tijdens de predicti op affectieve gebeurtenissen bij schizofrenie patiënten met hoge apathie niveaus. Alles bij elkaar genomen, stel ik voor dat verstoorde voorspelling die wordt geboden door kernhersennetwerken, zoals SN, DMN en FPN, dient als een gemeenschappelijk neurocognitief mechanisme dat ten grondslag ligt aan verschillende symptomen, waaronder angst, hallucinatie en apathie.

Specifieke hersensystemen liggen ten grondslag aan unieke cognitieve componenten voor elk symptoom

Naast de gedeelde verandering in de belangrijkste hersennetwerken, is de specifieke disfunctie van hersengebieden uniek gerelateerd aan cognitieve processen die mogelijk specifiek betrokken zijn bij verschillende symptomen. In het bijzonder hebben eerdere onderzoeken een veranderde aandacht voor

Nederlandse Samenvatting 187

negatieve / bedreigende stimuli aangetoond die verband houden met disfunctie van de amygdala en thalamus, wat voornamelijk het geval is bij bij mensen met veel last van angst (Bishop, 2007) . In Hoofdstuk 2 werden zowel verhoogde activering van de thalamus als verhoogde connectiviteit tussen de amygdala en de thalamus gevonden tijdens het anticiperen op onzekere bedreigingen, wat mogelijk ten grondslag liggen aan anticiperende emotionele processen bij angst. Bovendien is hyperactivering in de auditieve en taalregio's nauw verbonden met een verhoogde perceptie van auditieve gebeurtenissen bij auditief-verbale hallucinaties (P. Allen et al., 2008) . In Hoofdstuk 4 werd gevonden dat hallucinatiepatiënten verminderde connectiviteit vertoonden in het taalnetwerk in de hersentoestand die wordt gekenmerkt door anticorrelatie tussen de DMN en de taal. Tenslotte is het verband tussen verstoorde activering in het striatum en beloningsverwerking aangetoond als een belangrijk kenmerk van apathie (Levy & Dubois, 2006) . In Hoofdstuk 5 werd een vergelijkbare verminderde synchronisatie van het beloningsnetwerk gevonden, inclusief het striatum en het putamen . Samen leggen deze specifieke neurocognitieve componenten beperkingen op aan wat wordt voorspeld. De gemeenschappelijke en specifieke hersensystemen werken samen om voorspellingen te maken in verschillende domeinen. Uiteindelijk kan verstoring binnen en tussen deze twee kernsystemen leiden tot verschillende symptomen, waaronder angst, hallucinatie en apathie.

Conclusies

Dit proefschrift onderzocht veronderstelde gedeelde neurocognitieve mechanismen die ten grondslag liggen aan verschillende symptomen, waaronder angst, hallucinatie en apathie. Daartoe werden fMRI-onderzoeken met taakstatus en rusttoestand uitgevoerd over deze symptomen, met de nadruk op voorspellende verwerking. Tijdens anticipatie op onzekere bedreigingen, vertoonden individuen met een hoge angst een gedistribueerde verandering in hersenactivatie, waaronder de dmPFC en precuneus, en verstoorde connectiviteit van de dmPFC-vmPFC en de amygdala-thalamus. Tijdens de interactie tussen semantische voorspelling en bottom-up perceptie vertoonden mensen met een hoge neiging tot hallucinatie slechtere prestaties tijdens de perceptie, wat geassocieerd was met verminderde activering in de dACC en verhoogde connectiviteit tussen de dACC en precuneus. In rusttoestand woonden patiënten met hallucinaties minder in de hersentoestand van anti-gecorreleerde DMN- en taalnetwerken, wat kan bijdragen aan sterkere priors en gebrekkig error-based leren tijdens voorspelling. Tijdens de anticipatie op affectieve gebeurtenissen, vertoonden patiënten met een hoge mate van apathie verminderde koppeling van het beloningsnetwerk tijdens spontane toekomstige toekomstdenken en verhoogde koppeling tussen de FPN en DMN tijdens affectieve prognoses, wat

Nederlandse Samenvatting

parallel liep met tekortkomingen bij het uitvoeren van levendige prognoses. Kortom, door het uitvoeren van trans-symptoom fMRI studies gericht op voorspellende verwerking en systemen in de hersenen, een hypothese van een gemeenschappelijk neurocognitieve mechanisme over angst, hallucinaties en apathie, werd de volgende: voorspellende hersenen model voorgesteld (zie FIGUUR 1 ). Kernhersenen netwerken, inclusief de SN, FPN en DMN en perifere regio's die betrokken zijn bij specifieke cognitieve elementen, liggen ten grondslag aan de gemeenschappelijke voorspelling van onzekere bedreiging s in angst, auditieve stimuli in hallucinatie s en motiverende rijden in apathie. Dit model is consistent met meta-analytische bevindingen uit rusttoestandstudies en het drievoudige netwerkmodel dat zich richt op verstoorde salentie bij psychiatrische stoornissen. Uiteindelijk kan een beter begrip van de organisatie van het hersennetwerk tijdens voorspellende verwerking van onderliggende symptomen bij psychiatrische stoornissen de ontwikkeling van effectievere diagnostische en behandelstrategieën helpen.

Acknowledgment 189

Acknowledgment

First of all, I would like to sincerely appreciate my two supervisors, Andre and Prof. Yue- Jia Luo because they admitted me to join this amazing joint Ph.D. project. This Ph.D. program is a great opportunity for me to touch Dutch research and culture. Without support from Prof. Yue- Jia Luo, it would be not possible for me to conduct fMRI studies in my project.

I would like to thank Andre’s patience to guide me to improve my English writing in many times when revising my manuscripts. Andre, you have rich knowledge of various research topics in the field of psychiatry. I learned many big names in this field from you, but I still cannot remember many of them. From you, I learned how to explain results, frame stories, and write manuscripts. I thank all of your kind support for me and my family.

I give my great thank to my daily mentor Brani. Dear Brani, you are a very enthusiastic and kind friend. Both in the aspects of life and work, you provided me tremendously helpful advice and suggestions. Every time when discussing with you, I felt much warmness and kindness from you. Please allow me to appreciate your invaluable encouragement and guidance when I faced difficulties. From you, I learned how to communicate more effectively with colleagues and mentors. From you, I got to know that doing things immediately is the best stagey to succeed. Thank you for inviting my family to have dinner with your family. It made me feel the warmness and love between people in a foreign country. Sitting in your living room, drinking tea, eating snacks that you made, and listening to lazy music was one of my best memory in Groningen.

I have three amazing office colleagues, Lenny, Shahin, and Yuanyuan. Lenny and Shahin have a great passion for research. I would not forget that we had many exciting discussions. When talking about each other's research topics and fMRI approaches, we had too much to say and can’t stop. I would also like to thank Yuanyuan. We are joining the same training project. Many common problems can be discussed and resolved together so that we can feel supported in a foreign country.

I also want to thank Marc. Marc is knowledgeable about all aspects of psychology and fMRI. When discussing with Brani, we often consulted Mac's opinions. I learned a lot from Marc. I especially thank Marc for helping me to revise and polish my application materials for postdoc positions. In addition, I would like to thank our lab manager, Hedwig, who is an expert in everything about our office. If I faced any problem, she always helped me easily solve it with a phone call. In addition, her humor and wisdom make us always get along with her very harmoniously and pleasantly.

Acknowledgment

I give my special thanks to Michelle, Marie-José, and Remco. I thank Michelle for her trust to let me take over her project, continue to analyze the data. When I read her scripts and discuss it with her, I learned a lot from her. I appreciate Remco to patiently discuss the algorithms with me for many times. Remco can always express complex problems in an easy way so that I, as a math novice, can understand the essentials of these algorithms. Many discussions with Remco became one of my happiest moments at NIC. The in-depth discussion about an issue in our study is a really pleasant experience. In addition, I give my many thanks to the rigorous and high requirements from Michelle and Marie-José so that I can organize the data and results in a more professional way. They also helped a lot to let me think about our results more deeply and express my thought by using more accurate and clear language.

In addition, I want to thank Sonsoles. We are both interested in dynamic brain networks. Since I came to NIC, Sonsoles has become one of my colleagues who I had most discussions with. I can feel her passion for research and her love for dynamic brain networks. In many discussions with her, we learned about each other's research. We also discussed many other philosophical issues in our research. I would also like to thank our Ph.D. writing team including Anne, Marlijn, Rozemarijn. We learned how to write, and discussed and revised our manuscripts together. Thank you for all of your important and valuable comments on the introduction and discussion of my thesis, so that I can move forward and improve the clarity and accuracy of my writing. I would like to thank our members of the Ph.D. lunch meeting including Anne, Marlijn, Rozemarijn, Saskia, Justine, Thania, Nena, Tania, Yuanyuan, Sonsoles, Jenny, Theresa, Emile, especially our organizer, Rozemarijn. During these great meetings, we raised the problems which we encountered, looked for solutions together, and faced the difficulties and pressures from both life and research. Thank you for all your companying and encouragement to help me face culture shock and solve the problems.

I would like to appreciate my two dear assistants Rozemarijn and Yuanyuan. I know that Rozemarijn herself is also facing many pressures for her Ph.D. graduation, but she is still willing to help me. She is really nice to accept my invitation. Yuanyuan is also going to graduate. She has a lot of work to do and is still willing to take time to help. I really appreciate your kindness and support from both of you.

In addition, I would like to thank my dear Chinese friends who I met in Groningen, Liang Ming, Zhang Heng, Ningbo, Shi Ming. We ate, drank, and

Acknowledgment 191

chatted together about life and the world. The feeling of meeting soulmates in a foreign country is really great, thank you for your companying.

I want to give my gratitude to my wife, Xiaoqing. Thank her for forgiving my bad mood, and thank her for taking care of me when I felt depressed. Without her tolerance and care, I cannot complete my doctoral thesis. Thank her for her meticulous dedication to this family. Thank you for your companying, I am very lucky to have you. In addition, I would also like to thank my son, Yi Xuan, you are bringing us countless troubles but endless joy and surprises. In the next few decades, I hope that we can accompany each other and hug each other until we grow older and older.

192 Curriculum Vitae

Haiyang Geng was born on 9 May 1988 in Heilongjiang, China. In 2012, he obtained his bachelor in bioinformatics. After that, tremendous interest and curiosity drive him to enter the field of cognitive neuroscience. During his mater, he worked with Dr. Xuebing Li on the topic of neural mechanisms of anxiety. In 2015, he got his master in cognitive neuroscience. During 2015-2016, he worked with Dr. Shaozheng Qin on stress and working memory. During 2016-2020, he is joining the joint Ph.D. program between Shenzhen University and the University of Groningen. During his Ph.D., Haiyang is supervised by prof. André Aleman and prof. Yue-Jia Luo on the topic of ‘The Predictive Brain and Psychopathology’.

PUBLICATIONS

Haiyang Geng, Pengfei Xu,

Iris E. Sommer, Yue-Jia Luo, André Aleman &

Geng, H., Wang, Y., Gu, R., Luo, Y.-J., Xu, P., Huang, Y., & Li, X. (2018). Altered brain activation and connectivity during anticipation of uncertain threat in trait anxiety. Human Brain Mapping, 39(10), 3898– 3914.

Feng, C., Yuan, J., Geng, H., Gu, R., Zhou, H., Wu, X., & Luo, Y. (2018). Individualized prediction of trait narcissism from whole-brain resting-state functional connectivity. Human Brain Mapping, 39(9), 3701– 3712.

Qiao, Z., Geng, H., Wang, Y., & Li, X. (2018). Anticipation of Uncertain Threat Modulates Subsequent Affective Responses and Covariation Bias. Frontiers in Psychology, 9.

Geng, H., Li, X., Chen, J., Li, X., & Gu, R. (2016). Decreased Intra- and Inter-Salience Network Functional Connectivity is Related to Trait Anxiety in Adolescents. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 9.

Geng, H., & Li, X. (2013). Abnormal Functional Connectivity in Social Anxiety Disorder. Advances in Psychological Science, 21(10), 1763– 1769. (in Chinese)

MANUSCRIPTS UNDER REVIEW

Haiyang Geng, Yue-Jia Luo & Shaozheng Qin (2020). Long-term stress and trait anxiety alter neural network balance in dynamic decision during working memory. under review (Nature communications)

Haiyang Geng, Branislava Ćurčić-Blake, Pengfei Xu, Yue-Jia Luo & André Aleman (2020). Dorsal anterior cingulate cortex subserves interaction between top-down semantic prediction and bottom-up auditory perception in

Curriculum Vitae 193

hallucination. under review (Biological Psychiatry) MANUSCRIPTS IN PREPARATION

Haiyang Geng, Branislava Ćurčić-Blake, André Aleman, Shaozheng Qin & Yue-Jia Luo (2020). Dynamic interplay of large-scale brain networks underlies emotion, executive control and their interactions

Haiyang Geng, Michelle N. Servaas, Nicky G. Klaassen, Remco J. Renken, Branislava Ćurčić-Blake, Marie-José van Tol & André Aleman (2020). Dynamic synchronization of brain networks during affective forecasting in patients with schizophrenia and higher levels of apathy