Occupational Burnout and Executive Functioning : Neural Biomarkers, Autonomic Regulation, and the Effects of Transcutaneous Vagus Nerve Stimulation

Abstract

Työuupumus on yleistyvä ilmiö, joka muodostaa merkittävän riskin työikäisen väestön terveydelle, toimintakyvylle ja tuottavuudelle. Tällä hetkellä uupumuksen arviointi ja diagnostiikka perustuvat lähes yksinomaan subjektiivisiin itsearviointikyselyihin, sillä validoituja objektiivisia fysiologisia tai biologisia mittareita ei ole kliinisen arvioinnin tueksi. Yksi keskeinen, mutta puutteellisesti ymmärretty uupumuksen ulottuvuus on subjektiivisesti koetut kognitiiviset haasteet, erityisesti toiminnanohjauksen vaikeudet, joita uupuneet henkilöt raportoivat usein. Uupumuksen vaikutuksia toiminnanohjaukseen ja sen taustalla oleviin neurofysiologisiin mekanismeihin ei kuitenkaan vielä tunneta riittävästi, eikä käytössä ole validoituja biomarkkereita tai toisaalta tehokkaita hoitomuotoja uupumukseen eikä toiminnanohjauksen haasteisiin. Tämän väitöskirjan päätavoitteina oli (a) selvittää työuupumuksen vaikutuksia toiminnanohjaukseen, sen hermostolliseen taustaan, autonomisen hermoston (ANS) toiminnan tasapainoon sekä fyysiseen aktiivisuuteen, (b) tutkia ei-invasiivisen transkutaanisen vagaushermostimulaation (tVNS) vaikutuksia toiminnanohjaukseen käyttäytymisen ja hermostollisten vasteiden tasolla sekä terveillä että uupuneilla henkilöillä, ja (c) kehittää uusi elektroenkefalografiaan (EEG) perustuva biomarkkeri uupumukselle.

Tutkimuksissa I, II ja IV tutkittavat jaettiin uupuneisiin ja ei-uupuneisiin ryhmiin BBI-15-kyselyn perusteella. Tutkittavat täyttivät BDI-21- ja BRIEF-A-kyselyt sekä suorittivat tietokonepohjaisen Go/NoGo-tehtävän ja Executive Reaction Time -testin EEG-rekisteröinnin aikana. Tutkimuksessa I toteutettiin lisäksi kolmen vuorokauden mittainen Firstbeat-mittaus, jonka aikana analysoitiin sykettä (HR), sykevälivaihtelua (HRV), fyysistä aktiivisuutta ja unta. Tutkimuksissa III ja IV tutkittavat saivat vuorotellen tVNS- ja lumestimulaatiota Executive RT -testin ja EEG-rekisteröinnin aikana. Tutkimus III sisälsi ainoastaan terveitä tutkittavia. EEG-aineistosta analysoitiin toiminnanohjaustehtävän aikaisia herätevasteita (ERP), erityisesti N2-, P3-komponentteja sekä niiden yhdistelmiä.

Tutkimusten perusteella työuupumus oli yhteydessä stressille tyypilliseen autonomisen hermoston toiminnan epätasapainoon, joka ilmeni kohonneena sykkeenä ja alentuneena sykevälivaihteluna. Uupuneet myös liikkuivat vähemmän arjessaan ja kokivat enemmän toiminnanohjauksen haasteita arjessaan. Uupumuksen vaikeusaste korreloi positiivisesti itsearvioitujen toiminnanohjauksen vaikeuksien kanssa. Neurofysiologisissa mittauksissa uupuneilla henkilöillä havaittiin pidentynyt N2–P3-interpeak-latenssi (IPL) sekä suurentuneet P3-amplitudit tietyssä toiminnanohjaustehtävässä. Pidentynyt IPL viittaa kognitiivisten osaprosessien välisen siirtymän hidastumiseen, kun taas amplitudin kasvu saattaa heijastaa kompensoivaa hermostollisten resurssien lisäkäyttöä suoriutuskyvyn ylläpitämiseksi. Regressiomallinnus tunnisti N2–P3 IPL:n ja P3-amplitudin yhdistelmän lupaavaksi neurofysiologiseksi biomarkkeriksi uupumukselle ja siihen liittyville toiminnanohjauksen haasteille.

tVNS:n vaikutuksia toiminnanohjaukseen tutkittiin käyttäen Executive RT -testiä ja EEG-rekisteröintiä. tVNS pienensi frontaalista N2-amplitudia ja pidensi N2-P3 IPL:ää tehtävissä, jotka edellyttivät kognitiivista kontrollia, viitaten lisääntyneeseen hermostolliseen tehokkuuteen ilman heikentynyttä suoriutumista. Käyttäytymistason suoriutumisen paranemista havaittiin terveillä tutkittavilla, mutta ei uupuneilla.

Yhteenvetona tämä väitöskirja osoittaa, että työuupumus on yhteydessä toiminnanohjauksen heikentyneeseen tehokkuuteen, muutoksiin sen taustalla olevissa hermostollisissa prosesseissa sekä autonomisen hermoston toiminnan epätasapainoon ja vähentyneeseen fyysiseen aktiivisuuteen. Keskeinen tulos on uuden biomarkkeriehdokkaan, N2–P3 IPL:n ja P3-amplitudin yhdistelmän, tunnistaminen, joka tarjoaa objektiivisen näkökulman uupumukseen liittyviin subjektiivisiin kognitiivisiin oireisiin. Lisäksi havainnot tVNS:n mahdollisuuksista muokata näitä hermostollisia vasteita tukevat neuromodulaation potentiaalia kohdennettujen hoitomuotojen kehittämisessä. Vaikka tulokset edellyttävät jatkotutkimusta, tämä työ syventää ymmärrystä uupumuksen kognitiivisista mekanismeista ja luo perustaa neurofysiologisten biomarkkereiden sekä yksilöllisten neuromodulatoristen ja käyttäytymiseen perustuvien hoitostrategioiden kehittämiselle työuupumuksessa.

Occupational burnout is an increasingly prevalent condition that poses a significant risk to the health, functioning, and productivity of the working-age population Currently, the assessment and diagnosis of burnout rely almost exclusively on subjective self-report questionnaires, as no validated objective physiological or biological markers exist to support clinical evaluation. A central, yet poorly understood, dimension of burnout is the presence of subjective cognitive challenges. Especially, challenges in executive functions (EF) are frequently reported by individuals with burnout. However, the effects of burnout on EF and their underlying neurophysiological mechanisms remain insufficiently understood, and validated biomarkers and effective interventions are lacking. The overarching aims of this thesis were (a) to elucidate the impact of burnout on executive functions, their neural correlates, autonomic nervous system (ANS) activity balance, and physical activity; (b) to investigate the effects of non-invasive transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS) on executive functions at behavioral and neural levels in both healthy individuals and individuals with burnout; and (c) to develop a novel electroencephalography (EEG)–based biomarker for burnout.

In Studies I, II, and IV, participants were divided into burnout and non-burnout groups based on scores on the BBI-15 burnout questionnaire. Participants completed the BDI-21 and BRIEF-A inventories and performed computer-based Go/NoGo task, the Executive Reaction Time test, while EEG was recorded. In Study I, participants additionally underwent a three-day Firstbeat recording, where heart rate (HR), heart rate variability (HRV), physical activity, and sleep were analyzed. Further, in Studies III and IV, participants received tVNS and sham stimulation alternately during the Executive RT-test and EEG recording. Study III included exclusively healthy participants, who similarly performed the Executive Reaction Time test during EEG recording. From the EEG data, event-related potentials, elicited during the Executive RT-task, namely N2, P3, and their combinations, were analyzed.

Across these studies, occupational burnout was associated with altered ANS activity balance typical in stress, manifested as elevated heart rate and lower heart rate variability, alongside lower physical activity and increased subjective challenges in EFs in daily life. Burnout severity correlated positively with self-reported challenges in EF, indicating that higher symptom burden was linked to greater perceived impairment in executive functions. Neurophysiological assessments revealed that individuals with burnout exhibited prolonged centroparietal N2–P3 inter-peak latencies (IPL) and increased P3 amplitudes in specific situations during EF tasks. While the prolonged IPL is suggestive of a slower transition between cognitive sub-processes, the increase in amplitude could potentially reflect compensatory allocation of neural resources required to maintain performance. Regression modeling identified the combination of N2–P3 IPL and P3 amplitude as a particularly promising neurophysiological biomarker for burnout and the associated challenges in EF.

The modulatory effects of tVNS on executive functioning were examined using Executive RT-test and EEG recordings. tVNS reduced frontal N2 amplitudes and N2-P3 IPL, during tasks requiring cognitive control, suggesting enhanced neural efficiency without compromising task performance. Such a finding tentatively suggests a restorative effect on the transition speed between cognitive sub-processes required for EF. Performance improvements following tVNS were observed in healthy participants, whereas corresponding performance gains were not detected in the burnout group.

In summary, this thesis demonstrates that burnout is associated with alterations in EFs and their underlying neural processes, coupled with alterations in ANS activity and diminished physical activity. A key contribution of this thesis is the identification of a novel biomarker candidate, the combined N2–P3 IPL and P3 amplitude. This finding is especially noteworthy as it provides a potential window into the neural inefficiencies linked with subjective cognitive symptoms characteristic of burnout. Moreover, the observation that tVNS modulates these neural dynamics is an encouraging step towards targeted treatments. Although caution is warranted, this thesis provides insight into cognitive challenges in burnout and foundation for development of neurophysiological biomarkers as well as neuromodulatory and behavioral treatment strategies in occupational burnout.