Abstract The specific neural systems underlying the subjective feeling of fear remain vigorously debated in affective neuroscience. Here, we combined functional MRI with machine learning to identify and evaluate a sensitive and generalizable neural signature predictive of the momentary self-reported subjective fear experience across discovery (n=67), validation (n=20) and generalization (n=31) cohorts. We systematically demonstrate that accurate fear prediction crucially requires distributed brain systems, with important contributions from cortical (e.g., prefrontal, midcingulate and insular cortices) and subcortical (e.g., thalamus, periaqueductal gray, basal forebrain and amygdala) regions. We further demonstrate that the neural representation of subjective fear is distinguishable from the representation of conditioned threat and general negative affect. Overall, our findings suggest that subjective fear, which exhibits distinct neural representation with some other aversive states, is encoded in distributed systems rather than isolated ‘fear centers’. This signature provides a neuromarker for monitoring fear-related neuropathology and evaluating novel treatments targeting pathological fear.

Abstract Cognitive flexibility and reward processing critically rely on the orbitofrontal cortex. Dysregulations in these domains and orbitofrontal activation have been reported in major psychiatric disorders. Haemodynamic brain imaging informed neurofeedback allows regional-specific control over brain activation and thus may represent an innovative intervention to regulate orbitofrontal dysfunctions. Against this background the present proof-of-concept study evaluated the feasibility and behavioral relevance of functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) assisted neurofeedback training of the lateral orbitofrontal cortex (lOFC). In a randomized sham-controlled between-subject design 60 healthy participants underwent four subsequent runs of training to enhance lOFC activation. Training-induced changes in the lOFC, attentional set shifting performance and reward experience served as primary outcomes. Feedback from the target channel significantly increased regional-specific lOFC activation over the four training runs in comparison with sham feedback. The experimental group demonstrated a trend for faster responses during set shifting relative to the sham group. Within the experimental group stronger training-induced lOFC increases were associated with higher reward experience. The present results demonstrate that fNIRS-informed neurofeedback allows regional-specific regulation of lOFC activation and may have the potential to modulate associated behavioral domains. As such fNIRS-informed neurofeedback may represent a promising strategy to regulate OFC dysfunctions in psychiatric disorders.

Abstract Background Early life stress has been associated with emotional dysregulations and altered architecture of limbic-prefrontal brain systems engaged in emotional processing. Serotonin regulates both, developmental and experience-dependent neuroplasticity in these circuits. Central serotonergic biosynthesis rates are regulated by Tryptophan hydroxylase 2 ( TPH2 ), and transgenic animal models suggest that TPH2 -gene associated differences in serotonergic signaling mediate the impact of aversive early life experiences on a phenotype characterized by anxious avoidance. Methods The present study employed an imaging genetics approach that capitalized on individual differences in a TPH2 polymorphism (703G/T; rs4570625) to determine whether differences in serotonergic signaling modulate the effects of early life stress on brain structure and function and punishment sensitivity in humans (n = 252). Results Higher maltreatment exposure before the age of 16 was associated with increased gray matter volumes in a circuitry spanning thalamic-limbic-prefrontal regions and decreased intrinsic communication in limbic-prefrontal circuits selectively in TT carriers. In an independent replication sample, associations between higher early life stress and increased frontal volumes in TT carriers were confirmed. On the phenotype level, the genotype moderated the association between higher early life stress exposure and higher punishment sensitivity. In TT carriers, the association between higher early life stress exposure and punishment sensitivity was critically mediated by increased thalamic-limbic-prefrontal volumes. Conclusions The present findings suggest that early life stress shapes the neural organization of the limbic-prefrontal circuits in interaction with individual variations in the TPH2 gene to promote a phenotype characterized by facilitated threat avoidance, thus promoting early adaptation to an adverse environment.

Abstract Major Depressive Disorder (MDD) and Generalized Anxiety Disorder (GAD) are highly prevalent and debilitating disorders. The high overlap on the symptomatic and neurobiological level led to ongoing debates about their diagnostic and neurobiological uniqueness. The present study aims to identify common and disorder-specific neuropathological mechanisms and treatment targets in MDD and GAD. The present study combined categorial and dimensional disorder models with a fully data-driven intrinsic network level analysis (Intrinsic Connectivity Contrast, ICC) to resting state fMRI data acquired in 108 partn = 35 and n = 38 unmedicated patients with first-episode GAD, MDD respectively and n=35 healthy controls). Convergent evidence from categorical and dimensional analyses revealed MDD-specific decreased whole-brain connectivity profiles of the medial prefrontal and dorsolateral prefrontal cortex while GAD was specifically characterized by decreased whole-brain connectivity profiles of the putamen and decreased communication of this region with the amygdala. Together, findings from the present data-driven analysis suggest that intrinsic communication of frontal regions engaged in executive functions and emotion regulation represent depression-specific neurofunctional markers and treatment targets whereas dysregulated intrinsic communication of the striato-amygdala system engaged in reinforcement-based and emotional learning processes represent GAD-specific markers and a promising treatment target.

The sex differences were co-shaped by innate biological differences and social environment, and were frequently observed in human emotional neural responses. Oral administration of oxytocin, as an alternative and noninvasive intake method, has been demonstrated to produce sex-dependent effects on emotional face processing. However, it is unclear whether oral oxytocin produces similar sex-dependent effects on processing continuous emotional scenes. Current randomized, double-blind, placebo-controlled neuro-psychopharmacological fMRI experiment was conducted in 147 healthy participants (oxytocin=74, male/female=37/37; placebo=73, male/female=36/37) to examine the oral oxytocin effect on plasma oxytocin concentrations and neural response to emotional scenes in both sexes. At the neuroendocrine level, females showed lower endogenous oxytocin concentrations than males, but oral oxytocin equally increased the oxytocin concentrations in both sexes. Regarding neural activity, emotional scenes evoked opposite valence-independent effects on right amygdala activation (females>males) and its functional connectivity with the insula (males>females) in two sexes in the placebo group. This sex difference were either attenuated (amygdala response) or even completely eliminated (amygdala-insula functional connectivity) in the oxytocin group. The multivariate pattern analysis confirmed these findings by developing an accurate sex-predictive neural pattern that including the amygdala and the insula under the placebo but not oxytocin condition. Present study suggests a pronounced sex-difference in neural responses to emotional scenes which is abolished by oral oxytocin, with it having opposite modulatory effects in two sexes. Possibly this may reflect oral OXT enhancing emotional regulation to continuous emotional stimuli in both sexes by facilitating appropriate changes in sex-specific amygdala-insula circuitry.

Deficient emotion regulation and exaggerated anxiety represent a major transdiagnostic psychopathological marker. On the neural level these deficits have been closely linked to impaired, yet treatment-sensitive, prefrontal regulatory control over the amygdala. Gaining direct control over these pathways could therefore provide an innovative and promising strategy to regulate exaggerated anxiety. To this end the current proof-of-concept study evaluated the feasibility, functional relevance and maintenance of a novel connectivity-informed real-time fMRI neurofeedback training. In a randomized within-subject sham-controlled design high anxious subjects (n = 26) underwent real-time fMRI-guided training to enhance connectivity between the ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC) and the amygdala (target pathway) during threat exposure. Maintenance of regulatory control was assessed after three days and in the absence of feedback. Training-induced changes in functional connectivity of the target pathway and anxiety ratings served as primary outcomes. Training of the target, yet not the sham-control, pathway significantly increased amygdala-vlPFC connectivity and decreased subjective anxiety levels. On the individual level stronger connectivity increases were significantly associated with anxiety reduction. At follow-up, volitional control over the target pathway and decreased anxiety level were maintained in the absence of feedback. The present results demonstrate for the first time that successful self-regulation of amygdala-prefrontal top-down regulatory circuits may represent a novel strategy to control anxiety. As such, the present findings underscore both the critical contribution of amygdala-prefrontal circuits to emotion regulation and the therapeutic potential of connectivity-informed real-time neurofeedback. Clinical trial registration ID #NCT02692196

Accumulating evidence suggests that the neuropeptide oxytocin can enhance empathy although it is unclear which specific behavioral and neural aspects are influenced, and whether the effects are modulated by culture, sex and trait autism. Based on previous findings in Caucasian men, we hypothesized that a single intranasal dose of oxytocin would specifically enhance emotional empathy via modulatory effects on the amygdala in an Asian (Chinese) population and explored the modulatory role of sex and trait autism on the effects. We first conducted a double-blind, randomized between-subject design experiment using a modified version of the multifaceted empathy task (MET) to determine whether oxytocins facilitation of emotional empathy can be replicated in Chinese men (n = 60). To further explore neural mechanisms behind and potential sex differences, functional MRI and skin conductance measures were acquired in an independent experiment incorporating men and women (n = 72). Oxytocin enhanced emotional empathy across experiments and sex, an effect that was accompanied by reduced amygdala activity and increased skin conductance responses. On the network level oxytocin enhanced functional coupling of the right amygdala with the insula and posterior cingulate cortex for positive valence stimuli but attenuated coupling for negative valence stimuli. The effect of oxytocin on amygdala functional connectivity with the insula was modulated by trait autism. Overall, our findings provide further support for the role of oxytocin in facilitating emotional empathy and demonstrate that effects are independent of culture and sex and involve modulatory effects on the amygdala and its interactions with other key empathy regions.

Abstract Prosocial and moral behaviors have overlapping neural systems but whether they involve similar neurochemical systems is unclear. In the current pre-registered randomized placebo controlled trial on 180 adult male and female subjects we investigated effects of intranasal administration of two prosocial neuropeptides, oxytocin or vasopressin, on moral emotion ratings for situations involving accidental or intentional harm to others and in judgments of moral dilemmas where harm is inflicted for a greater good. Oxytocin, but not vasopressin, enhanced feelings of guilt and shame only for intentional harm and reduced endorsement of choices where direct intentional harm to others could achieve a greater good. Effects of oxytocin on guilt and shame were partially mediated by trait empathy. Overall, findings demonstrate for the first time that oxytocin, but not vasopressin, promotes unwillingness to deliberately harm others irrespective of the consequences. This may reflect stronger associations between oxytocin and empathy and vasopressin with aggression.

Abstract Individuals diagnosed with Autism Spectrum Disorder (ASD) generally have altered responses to social reward, which the “social motivation” hypothesis posits as the primary contributor to their social deficits. Aberrant perception of rewarding faces is considered to be one of the most significant markers of this hypothesis. The orbitofrontal cortex (OFC) plays an important role in modulating reward and arousal responses to happy faces but few studies have investigated whether young autistic children with limited cognitive or language ability have altered neural and behavioral responses to reward related tasks. We therefore conducted an eye-tracking task where autistic (n = 36) and typically developing (n = 36) young children (aged 2.5-6 years) viewed the faces of happy children or of simplified faces (emoticons), combined with OFC activation measurement using functional near infrared spectroscopy (fNIRS), to compare ASD and typically developing (TD) children. Results revealed no differences between the two groups for time spent viewing happy faces although TD children spent more time looking at the eyes of real faces and at the mouths of emoticons whereas children with ASD did not. Children with ASD showed a greater pupil diameter (PD) and OFC activation compared to TD children during presentation of happy faces. Indeed, greater PD and OFC responses were predictive of greater adaptive behavior difficulties and severity of symptoms. Our results therefore demonstrate different gaze patterns and greater arousal and brain reward system responses to happy faces in young children with ASD which are incongruent with social motivation hypothesis. Availability of data Our ethics approval does not permit public archiving of individual anonymized raw data. Those who wish to access the raw data should contact the corresponding author. Access will be granted to named individuals who adhere to the ethical procedures governing the reuse of sensitive data. They must complete a formal data sharing agreement to obtain the data. The data that support the main group different finding figures related anonymized data of this study are openly available via the Open Science Framework (OSF) Repository https://osf.io/sxkhc/?view_only=6eb51e64a9b54fce909b5ff6eacdc668 Ethics approval statement The study was conducted in accordance with the principles of the Declaration of Helsinki. It was approved by the Local Ethics Committee (number 202165). Research Highlights ● The present study examined whether altered social reward processing in ASD is caused by reduced behavioral and neural responses to rewarding stimuli. ● Typically developing children showed a preference for viewing specific informative facial features (such as child eyes or emoticon mouths), children with autism did not. ● Children with autism enhanced arousal (pupil dilation) and brain reward (orbitofrontal cortex) responses to happy child faces. ● Altered, gaze patterns, arousal and brain reward responses were highly predictive of adaptive behavior abilities and autistic symptom severity.

The hypothalamic neuropeptide oxytocin has been reported to enhance emotional empathy in association with reduced amygdala activation, although to date studies have not investigated empathy for individuals expressing self-conscious, moral emotions which engage mentalizing as well as emotion processing networks. In the current randomized, double-blind placebo controlled functional MRI experiment on 70 male and female subjects we have therefore investigated the effects of intranasal oxytocin (40 IU) on behavioral and neural responses to embarrassment experienced by others or by self. Results showed that oxytocin significantly increased ratings of both empathic and self-embarrassment and concomitantly decreased skin conductance response and activation in the right amygdala and insula but not in the medial prefrontal cortex. The amygdala effects of oxytocin were associated with the magnitude of the skin conductance response and trait anxiety scores. Overall our results demonstrate that oxytocin increases ratings of self- and other embarrassment and that this is associated with reduced physiological arousal and activity in neural circuitry involved in emotional arousal. The neural effects of oxytocin are also stronger in individuals with high trait anxiety suggesting that it may particularly reduce their anxiety in embarrassing situations.