title: Digital Health Psychology – Wearable and Mobile Technologies to Advance Biopsychological Stress Research
title: Digitale Gesundheitspsychologie – Tragbare und mobile Technologien zur Weiterentwicklung der biopsychologischen Stressforschung
Creators: name: Richer, Robert
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025

description: Stress is a multi-faceted phenomenon that plays a crucial role in our lives, impacting both individual well-being and societal health. While chronic stress exposure can have detrimental effects on physical and mental health, acute stress is a natural physiological response that can be beneficial by preparing the body for action, thus promoting adaptation and survival. The stress response is regulated by a complex interplay of neuroendocrine and autonomic pathways, involving the Hypothalamic‐Pituitary‐Adrenal Axis (HPA axis) and the Autonomic Nervous System (ANS). Dysregulation of these systems can lead to maladaptive stress responses, contributing to the development of stress-related disorders such as anxiety, depression, and cardiovascular diseases. However, the transition from acute to chronic stress and the underlying mechanisms driving this process is not fully understood despite extensive research in the field. A partial explanation for this gap is the lack of comprehensive, real-time stress assessment tools that can be transferred from controlled laboratory settings to real-world environments and can capture the dynamic nature of stress responses in naturalistic settings. The aim of this dissertation is to address this gap by leveraging advancements in digital health technologies to improve biopsychological stress research. For this purpose, three key contributions are presented which build the foundation for a more comprehensive understanding of stress responses and the development of effective stress management strategies. In the first contribution, my co-authors and I developed CARWatch, a novel smartphone application that improves the accuracy of measuring the Cortisol Awakening Response (CAR), a key marker of basal stress system activity, in real-world settings, addressing a major limitation in the field of stress research. In the second contribution, my co-authors and I introduced body posture and movements, assessed using wearable sensors, as novel digital biomarkers for detecting acute stress. Using machine learning algorithms, my co-authors and I demonstrated that these behavioral markers can reliably detect acute stress responses, offering a non-invasive, real-time stress assessment tool. In the third contribution, my co-authors and I explored the established Cold Face Test (CFT) protocol as a simple, easy-to-apply intervention based on the diving reflex to reduce acute stress responses, demonstrating its capability to modulate autonomic and endocrine stress responses. In conclusion, the findings from this thesis highlight the potential of digital tools to enhance biopsychological stress research, offering novel ways for stress assessment and management. Future research should build on these contributions by integrating digital tools into a holistic, multi-level framework, aimed at preventing chronic stress and its associated health risks in real-world settings.
description: Stress ist ein facettenreiches Phänomen, das in unserem Leben eine wesentliche Rolle spielt und sich sowohl auf das individuelle Wohlbefinden als auch auf die gesellschaftliche Gesundheit auswirkt. Während chronischer Stress schädliche Auswirkungen auf die körperliche und geistige Gesundheit haben kann, ist akuter Stress eine natürliche physiologische Reaktion, die sich als vorteilhaft erweisen kann, da sie den Organismus auf Maßnahmen vorbereitet und so die Anpassung und das Überleben fördert. Die Stressreaktion wird durch ein komplexes Zusammenspiel von neuroendokrinen und autonomen Regelkreisen gesteuert, an denen die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse (HHNA) und das Autonome Nervensystem (ANS) beteiligt sind. Eine Dysregulation dieser Systeme kann zu maladaptiven Stressreaktionen führen und zur Entwicklung von stressbedingten Störungen wie Angst, Depression und Herz-Kreislauf-Erkrankungen beitragen. Der Übergang von akutem zu chronischem Stress und die diesem Prozess zugrundeliegenden Mechanismen sind jedoch trotz umfangreicher Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet noch nicht vollständig erforscht. Eine teilweise Erklärung für diese Erkenntnislücke ist das Fehlen umfassender Instrumente zur Erfassung von Stress in Echtzeit, die von kontrollierten Laborumgebungen auf reale Umgebungen übertragen werden können und die dynamische Natur von Stressreaktionen in natürlichen Umgebungen erfassen können. Das Ziel dieser Dissertation ist es, diese Forschungslücke zu schließen, indem Fortschritte in digitalen Gesundheitstechnologien genutzt werden, um die biopsychologische Stressforschung zu verbessern. Hierzu werden drei Schlüsselbeiträge präsentiert, die die Grundlage für ein umfassenderes Verständnis von Stressreaktionen und die Entwicklung effektiver Stressbewältigungsstrategien schaffen. Im ersten Beitrag haben meine Co-Autoren und ich CARWatch entwickelt, eine neue Smartphone-Applikation, die die Messgenauigkeit der Cortisolaufwachreaktion (CAR), einem Schlüsselmarker für die Aktivität des basalen Stresssystems, im häuslichen Umfeld verbessert und damit eine wesentliche Limitierung im Bereich der Stressforschung beseitigt. Im zweiten Beitrag schlugen meine Co-Autoren und ich Körperhaltung und -bewegung, die mit Hilfe von tragbaren Sensoren gemessen werden, als neuartige digitale Biomarker für die Erfassung von akutem Stress vor. Mithilfe von maschinellen Lernalgorithmen zeigten meine Co-Autoren und ich, dass diese Verhaltensmarker akute Stressreaktionen zuverlässig erkennen können und ein nicht-invasives Instrument zur Stressbewertung in Echtzeit darstellen können. Im dritten Beitrag untersuchten meine Co-Autoren und ich das etablierte Cold Face Test (CFT)-Protokoll, das auf dem Tauchreflex basiert, als einfache, leicht anzuwendende Intervention, um akute Stressreaktionen zu reduzieren. Zudem zeigten meine Co-Autoren und ich die Fähigkeit, mithilfe des CFT-Protokolls autonome und endokrine Stressreaktionen zu modulieren. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit das Potenzial digitaler Anwendungen auf, um die biopsychologische Stressforschung zu verbessern und neue Wege zur Erfassung und Bewältigung von Stress zu eröffnen. Künftige Forschungsarbeiten sollten auf diesen Beiträgen aufbauen, indem sie digitale Werkzeuge in ein ganzheitliches, mehrstufiges Framework integrieren, das darauf abzielt, chronischen Stress und die damit verbundenen Gesundheitsrisiken in der realen Welt zu verhindern.