Strukturální integrity mezi výkonnými kontrolami a odměnovými oblastmi mozku předpovídají procentní podíl tělesného tuku v chronických dieřích (2016)

Kognitivní neurověda
 

Pin-Hao Andy Chen, Robert S. Chavez & Todd F. Heatherton

Stránky 1-5 | Přijato 19 Apr 2016, Akceptováno 05 Sep 2016, Akceptovaná autorská verze zveřejněna online: 23 Sep 2016, Publikováno online: 11 Říj 2016

Abstraktní

Neschopnost udržovat zdravou tělesnou hmotnost může odrážet dlouhodobou nerovnováhu mezi výkonnou kontrolou a systémy odměňování mozku. Současná studie zkoumala, zda anatomická konektivita mezi těmito dvěma systémy předpovídala individuální variabilitu při dosahování zdravé tělesné hmotnosti, zejména u chronických dieterů. Třicet šest ženských chronických dieterů ve skeneru dokončilo úkol reaktivity potravin. Z reaktivního úkolu byly definovány dva zájmové oblasti (ROI): nižší frontální gyrus (IFG), který zapojuje kognitivní kontrolu a orbitofrontální kůra (OFC), která představuje hodnotu odměny. U obou účastníků byl identifikován trakt bílé hmoty spojující tyto dva ROI pomocí difuzního tenzorového zobrazování (DTI) a pravděpodobnostní tractografie. Výsledky ukázaly negativní vztah mezi procentem tělesného tuku a integritou bílé hmoty v identifikovaném traktu. To naznačuje, že snížená strukturální integrita mezi OFC a IFG může souviset s problémy se samoregulací pro ty, kteří chronicky stravují, aby kontrolovali tělesnou hmotnost.

KEYWORDS: Sebeovládání, difuzní tenzorové zobrazování, připojení, funkční zobrazování magnetickou rezonancí, individuální rozdíly, obezita

Úvod

Obezita a diety se v posledních desetiletích podstatně zvýšily, přičemž mnoho dieterů nedokázalo dlouhodobě zhubnout a stali se chronickými dietery (Andreyeva, Long, Henderson a Grode, 2010 Andreyeva, T., Long, MW, Henderson, KE, & Grode, GM (2010). Snaží se zhubnout: Stravovací strategie u Američanů s nadváhou nebo obezitou v letech 1996 a 2003. Žurnál Americké dietetické asociace, 110 (4), 535 – 542. doi: 10.1016 / j.jada.2009.12.029[CrossRef], [PubMed]). Někteří z těchto jedinců po letech diety stále přibývají na váze (van Strien, Herman a Verheijden, 2014 van Strien, T., Herman, CP, & Verheijden, MW (2014). Omezení stravy a změna tělesné hmotnosti. 3letá následná studie v reprezentativním nizozemském vzorku. Chuť, 76, 44-49. dva: 10.1016 / j.appet.2014.01.015[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), čímž se zapojují do chování, které podkopává jejich cíle. Komplexní přehled obezity naznačuje, že v obezitě hraje roli nejen zvýšená citlivost odměny na podněty k jídlu, ale také selhání samoregulace (Volkow, Wang, Tomasi a Baler, 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D., & Baler, RD (2013). Obezita a závislost: Neurobiologické přesahy. Recenze obezity, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Stejně tak individuální rozdíly v dosažení nebo udržení dlouhodobého dietního úspěchu mohou odrážet rozdíly v samoregulačních schopnostech (Heatherton, 2011 Heatherton, TF (2011). Neurověda o seberegulaci a samoregulaci. Roční přehled psychologie, 62 (1), 363 – 390. doi: 10.1146 / annurev.psych.121208.131616[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Podle modelu rovnováhy takové samoregulační výsledky odrážejí individuální rozdíly v rovnováze mezi oblastmi mozku zapojenými do výkonné kontroly, např. Dolní frontální gyrus (IFG) a regiony představující hodnotu odměny, např. Orbitofrontální kůra (OFC) (Heatherton & Wagner, 2011 Heatherton, TF a Wagner, DD (2011). Kognitivní neurověda o selhání autoregulace. Trendy v kognitivních vědách, 15 (3), 132 – 139. doi: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Rovnováha mezi odměnou a kontrolou závisí na komunikaci mezi IFG a OFC (Wagner, Altman, Boswell, Kelley a Heatherton, 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM a Heatherton, TF (2013). Samoregulační vyčerpání zvyšuje nervové reakce na odměny a zhoršuje kontrolu shora dolů. Psychologická věda, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), což se odráží ve vzájemném propojení. Jednotlivé rozdíly ve strukturální integritě těchto anatomických drah mohou předpovídat dlouhodobý výsledek chronického stravování, jako je procento tělesného tuku.

Abychom izolovali oblasti mozku, o nichž je známo, že se podílejí na zpracování apetitivní hodnoty jídla, použili jsme úkol reaktivity potravinového tága k lokalizaci zájmových oblastí IFG a OFC (ROI) pomocí funkčního zobrazování pomocí magnetické rezonance (fMRI). . Recenze tohoto výzkumu naznačují, že chroničtí dietisté mají tendenci projevovat přehnanou aktivitu na chutné potravinové podněty jak v regionech odměn, tak v regionech zapojených do výkonné kontroly poté, co byli vystaveni podmínkám spojeným se selháním stravy v reálném světě, jako je konzumace vysoce kalorických potravin nebo vyčerpaný v jejich kognitivní kontrole (Kelley, Wagner a Heatherton, 2015 Kelley, WM, Wagner, DD a Heatherton, TF (2015). Při hledání lidského samoregulačního systému. Roční přehled neurověd, 38(1), 389–411. doi:10.1146/annurev-neuro-071013-014243[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Volkow a kol., 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D., & Baler, RD (2013). Obezita a závislost: Neurobiologické přesahy. Recenze obezity, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Proto jsme použili úkol reaktivity potravin-tága k lokalizaci rozsahu oblastí IFG a OFC zapojených do zpracování potravin-tága, a pak jsme tyto dva regiony použili jako masky osiva pro pravděpodobnostní tractografii v analýze difuzního tenzorového zobrazování (DTI) vypočítat integritu bílé hmoty mezi těmito dvěma regiony. Cílem této studie bylo použít multimodální přístup k izolaci traktů bílé hmoty mezi funkčně definovanými oblastmi IFG a OFC. Tento přístup nabízí cílený způsob, jak zjistit, zda strukturální integrita tohoto traktu předpovídá variabilitu procenta tělesného tuku u chronických dieters. Předpokládali jsme, že chroničtí dietaři, kteří mají nejvyšší procento tělesného tuku, budou vykazovat nejnižší strukturální integritu v traktu spojujícím IFG a OFC.

Metody

Čtyřicet pravicových žen s chronickou dietou, které dosáhly skóre vyššího než 15 na stupnici omezení, což je míra chronické diety (Heatherton, Herman, Polivy, King a McGree, 1988 Heatherton, TF, Herman, CP, Polivy, J., King, GA a McGree, ST (1988). (Ne) měření zdrženlivosti: Analýza koncepčních a psychometrických problémů. Journal of Abnormal Psychology, 97(1), 19–28. doi:10.1037/0021-843X.97.1.19[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), byli v této studii přijati z velkého vzorku vysokoškolských studentů. Účastníci byli vyšetřeni, aby neměli žádné metabolické, psychologické nebo neurologické abnormality. Čtyři účastníci byli během skenování vyloučeni kvůli nadměrným pohybům hlavy (více než 3 mm ve směru x, y nebo z), což vedlo k velikosti vzorku 36 chronických dieterů. Dietery byly zváženy pomocí stupnice Tanita (model TBF-300A Arlington Heights), u které bylo prokázáno, že spolehlivě měří procento tělesného tuku. Z těchto chronických dietujících bylo průměrné procento tělesného tuku 29.6% (SD = 5.5%; rozmezí = 16.6–38.2%) a průměrný index tělesné hmotnosti (BMI) byl 23.9 (SD = 3.1%, rozmezí = 17.2–33.7, tabulka 1). .

Tabulka 1. Demografické a stravovací charakteristiky populace.

CSVTabulka zobrazení

Abychom lokalizovali IFG a OFC ROI zapojené do zpracování potravin-tága, použili jsme paradigma reaktivity potravin-tága jako lokalizační úkol. Před tímto lokalizačním úkolem jsme použili depletující inhibiční kontrolní úkol, protože tento úkol pomáhá vyvolat robustní odměňování (Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM a Heatherton, TF (2013). Samoregulační vyčerpání zvyšuje nervové reakce na odměny a zhoršuje kontrolu shora dolů. Psychologická věda, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). V tomto úkolu vyčerpání inhibičního ovládání byli účastníci požádáni, aby si prohlédli 7minutové video o kanadských ovcích tlustorohých hor se sérií distrakčních slov pohybujících se ze spodní části do středu obrazovky za 3 s (celkem 40 slov). Účastníci byli instruováni, aby se vyhnuli čtení rušivých slov a soustředili se pouze na sledování videa. Bezprostředně po úkolu vyčerpání inhibiční kontroly dostali účastníci úkol reaktivity na potravinové tágo. Tento úkol sestával z 90 chutných obrázků jídla a dalších 180 obrázků zahrnujících lidi nebo přírodní scény jako kontrolní obrázky. Každý snímek byl prezentován na 2000 500 ms a následovala fixace na dalších XNUMX ms v designu souvisejícím s událostmi. Účastníci byli instruováni, aby provedli vnitřní / venkovní posouzení každého snímku stisknutím tlačítek. Tento úkol úsudku přiměl účastníky, aby se soustředili na tento úkol, aniž by věděli o našem studijním účelu, kterým bylo lokalizovat oblasti mozku reagující na narážky na jídlo.

Data fMRI z úkolu reaktivity na jídlo byly předem zpracovány a analyzovány pomocí SPM8 (Wellcome Department of Cognitive Neurology, Londýn, Anglie). Postupy předzpracování zahrnovaly korekci pohybu, opětovné zarovnání, nepokrývání, normalizaci na standardní prostor a 6-mm plnou šířku při polovičním maximu (FWHM) vyhlazení Gaussova jádra (podrobný popis parametrů skenování fMRI viz Doplňkové materiály). Pro každého účastníka byl vypočten obecný lineární model zahrnující efekty úkolů a kovariáty bez zájmu a konvolvován s kanonickou funkcí hemodynamické odezvy (HRF). Pro každého účastníka byly vytvořeny kontrastní obrázky proti jídlu a poté byly podrobeny analýze celého mozku s náhodným účinkem, korigovány pro mnohonásobná srovnání p <0.05 se simulacemi Monte Carlo pomocí AlphaSim od AFNI (Obrázek 1 (a), Tabulka S1). ROI IFG a OFC byly definovány na základě této analýzy celého mozku a použity jako masky (Obrázek 1 (b)) metodou očkování se dvěma maskami pro DTI pravděpodobnostní tractografii. Data DTI byla předem zpracována a analyzována pomocí Diffusion Toolbox v FSL (Behrens et al., 2003 Behrens, T., Woolrich, MW, Jenkinson, M., Johansen-Berg, H., Nunes, RG, Clare, S.,… Smith, SM (2003). Charakterizace a šíření nejistoty při difúzně váženém zobrazování MR. Magnetická rezonance v medicíně, 50 (5), 1077 – 1088. doi: 10.1002 / mrm.10609[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Použili jsme očkovací metodu se dvěma maskami, abychom zajistili, že mapy traktografie obsahovaly pouze proudnice procházející oběma maskami osiva. Z každého voxelu v obou maskách semen bylo posláno asi 5000 pravděpodobnostních traktů a tyto výsledky byly normalizovány do standardního prostoru Montreal Neurological Institute. Aby bylo možné stanovit společnou mapu pro jednotlivce mezi jednotlivci, byly výsledky každého jednotlivého člověka pro jednotlivé skupiny binarizovány a překryty všemi ostatními, aby se vytvořila mapa pravděpodobnosti pro jednotlivé skupiny. Aby byla mapa traktografie robustní, byla poté prahována na pravděpodobnost 50% traktu u všech účastníků ve standardním prostoru (Obrázek 1 (c)). Tato společná tractografická mapa byla poté překryta na obrázcích frakční anizotropie (FA) každého účastníka (obecná míra integrity nebo koherence bílé hmoty) a hodnoty FA byly extrahovány ze všech voxelů v této tractografické mapě. Pro každého účastníka bylo vypočteno průměrné skóre FA, které představuje integritu bílé hmoty. Skóre účastníků, BMI a FA byly poté brány v úvahu jako nezávislé proměnné při vícenásobné regresní analýze s procentuálním podílem tělesného tuku jako závislou proměnnou, přičemž se zkoumalo, zda individuální rozdíly v integritě bílé hmoty odrážejí dlouhodobý samoregulační úspěch při stravování.

Obrázek 1. (a) Paradigma fMRI s reaktivitou na potraviny vyvolala aktivaci v oblastech OFC a IFG, v souladu s předchozími nálezy v literatuře. (b) Oblasti OFC a IFG z analýzy fMRI byly poté použity jako očkovací masky pro analýzu pravděpodobnosti DTI pravděpodobnosti. (c) Z analýzy DTI jsme poté vymezili dráhu bílé hmoty mezi IFG a OFC, která byla u všech subjektů konzistentní. Integrita bílé hmoty v této dráze pak korelovala s tělesným tukem každého subjektu. d) Hodnota FA extrahovaná z traktu IFG – OFC vykázala negativní korelaci s procentem tělesného tuku (stínovaná oblast představuje 95% interval spolehlivosti).

Powerpointový snímekOriginální jpg (93.00KB)Zobrazit plnou velikost

výsledky

Výsledky FMRI z úkolu reaktivity s jídlem odhalily, že jak IFG, tak OFC vykazovaly větší aktivitu pro potraviny než kontrolní obrazy (Obrázek 1 (a), Tabulka S1), v souladu se zjištěními z předchozích studií (Lopez, Hofmann, Wagner, Kelley a Heatherton, 2014 Lopez, RB, Hofmann, W., Wagner, DD, Kelley, WM a Heatherton, TF (2014). Neurální prediktory podrobení pokušení v každodenním životě. Psychologická věda, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Wagner a kol., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM a Heatherton, TF (2013). Samoregulační vyčerpání zvyšuje nervové reakce na odměny a zhoršuje kontrolu shora dolů. Psychologická věda, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Výsledné klastry IFG a OFC z analýzy fMRI byly použity jako zárodečné oblasti pro pravděpodobnostní tractografii DTI (Obrázek 1 (b)). Meziodvětvová DTI pravděpodobnostní tractografická analýza odhalila robustní trakt bílé hmoty spojující levý IFG s levým OFC (Obrázek 1 (c)). Průměrné hodnoty FA v tomto traktu ukázaly výrazně negativní korelaci s procentem tělesného tuku (R₃₆ = -0.379, p = 0.023), což naznačuje, že osoby s dietou s nižším procentem tělesného tuku vykazovaly větší integritu bílé hmoty (Obrázek 1 (d)). Po kontrole věku a BMI průměrné hodnoty FA v traktu nadále vykazovaly významně negativní korelaci s procentem tělesného tuku (beta = -0.247, t(35) = -2.862, p = 0.007 XNUMX).

Obecná diskuze

Naše zjištění podporují hypotézu, že strukturální integrita mezi IFG, klíčovou oblastí inhibice odpovědi (Aron, 2011 Aron, AR (2011). Od reaktivní k aktivní a selektivní kontrole: Vývoj bohatšího modelu pro zastavení nevhodných odpovědí. Biologická psychiatrie, 69 (12), e55 – 68. doi: 10.1016 / j.biopsych.2010.07.024[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) a OFC, region představující subjektivní hodnotu odměny za jídlo (van der Laan, de Ridder, Viergever, & Smeets, 2011 van der Laan, LN, de Ridder, DTD, Viergever, MA, & Smeets, PAM (2011). První chuť je vždy na očích: metaanalýza neurálních korelátů zpracování vizuálních potravinových podnětů. NeuroImage, 55 (1), 296 – 303. doi: 10.1016 / j.neuroimage.2010.11.055[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), souvisí s individuálními rozdíly v procentu tělesného tuku, což je domnělý index dlouhodobého úspěchu v dietě. Na základě bilančního modelu samoregulace (Heatherton & Wagner, 2011 Heatherton, TF a Wagner, DD (2011). Kognitivní neurověda o selhání autoregulace. Trendy v kognitivních vědách, 15 (3), 132 – 139. doi: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), selhání samoregulace vyplývá z nerovnováhy mezi výkonnou kontrolou a regiony odměňování. Jednotlivci se sníženou integritou bílé hmoty v traktu spojujícím tyto regiony mohou mít nižší účinnost v komunikaci mezi těmito regiony než regiony s vysokou integritou (Madden et al., 2012 Madden, DJ, Bennett, IJ, Burzynska, A., Potter, GG, Chen, N.-K., & Song, AW (2012). Difúzní tenzorové zobrazení integrity mozkové bílé hmoty v kognitivním stárnutí. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - molekulární základy nemoci, 1822 (3), 386 – 400. doi: 10.1016 / j.bbadis.2011.08.003[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). S neefektivní komunikací mezi výkonnou kontrolou a odměňovanými regiony mohou mít jednotlivci se sníženou integritou potíže s převahou odměňujících pokušení, což vede k větší šanci na obezitu než u osob s vyšší strukturální integritou.

Ačkoli předchozí studie používaly DTI ke zkoumání vztahu mezi obezitou a integritou bílé hmoty (Kullmann, Schweizer, Veit, Fritsche, & Preissl, 2015 Kullmann, S., Schweizer, F., Veit, R., Fritsche, A., & Preissl, H. (2015). Narušená integrita bílé hmoty u obezity. Recenze obezity, 16 (4), 273 – 281. doi: 10.1111 / obr.12248[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), tato studie je nová v používání multimodálního přístupu k systematickému cílení na specifický trakt zapojený do regulace potravinových tužeb. Nedávná studie ukázala, že jak IFG, tak OFC se účastní regulace spotřeby potravin v každodenním životě (Lopez et al., 2014 Lopez, RB, Hofmann, W., Wagner, DD, Kelley, WM a Heatherton, TF (2014). Neurální prediktory podrobení pokušení v každodenním životě. Psychologická věda, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). S použitím tohoto paradigmatu fMRI jsme replikovali předchozí zjištění a dokonce jsme zjistili, že jak IFG, tak OFC vykazovaly silnou aktivitu, když byli chroničtí dietaři vystaveni chutným potravinovým narážkám, což naznačuje, že zpracování odměny i výkonná kontrola se mohou spontánně zapojit během doby expozice cue (Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM a Heatherton, TF (2013). Samoregulační vyčerpání zvyšuje nervové reakce na odměny a zhoršuje kontrolu shora dolů. Psychologická věda, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Úkol lokalizátoru reaktivity potravinářského tábora nabízí cílenější přístup k definování oblastí IFG a OFC než maskování založené na atlasu a zajišťuje, aby výsledky tractografie byly založeny na funkčně relevantních regionech souvisejících se zpracováním potravinového tága ve stejném vzorku. Tento úkol lokalizátoru fMRI může vědcům pomoci identifikovat klíčové oblasti bílé hmoty, které jsou důležité pro kontrolu stravovacího chování.

Zůstává nejasné, zda individuální rozdíly v integritě bílé hmoty vyplývají z opakovaných diet. Ačkoli předchozí studie zjistila, že opakované procvičování úkolu může vést ke zvýšení FA u konkrétních vláknových traktů (Scholz, Klein, Behrens a Johansen-Berg, 2009 Scholz, J., Klein, MC, Behrens, TEJ a Johansen-Berg, H. (2009). Výcvik vyvolává změny v architektuře bílé hmoty. Nature Neuroscience, 12 (11), 1370 – 1371. doi: 10.1038 / nn.2412[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), je také možné, že selhání ve stravování vede k obezitě a faktorům souvisejícím s obezitou, jako je zánět a dyslipidémie, které mohou způsobit změny v integritě bílé hmoty (Shimoji et al., 2013 Shimoji, K., Abe, O., Uka, T., Yasmin, H., Kamagata, K., Asahi, K.,… Aoki, S. (2013). Změna bílé hmoty v metabolickém syndromu: Difuzní tenzorová analýza. Diabetes Care, 36(3), 696–700. doi:10.2337/dc12-0666[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Budoucí longitudinální studie jsou nezbytné k určení, zda změna integrity bílé hmoty je způsobena opakovanou praxí ve stravování nebo faktory související s obezitou. Pro zkoumání vztahu mezi integritou bílé hmoty a procentuálním podílem tělesného tuku u chronických dieterů je také zapotřebí longitudinálních studií. Ačkoli exkluzivní nábor ženských dieterů může zabránit matoucímu efektu z rozdílu mezi pohlavími, budoucí studie jsou stále nutné k porovnání toho, zda integrita bílé hmoty odlišně ovlivňuje výsledky diety mezi muži a ženami.

Závěrem lze říci, že současná studie poskytuje důkaz, že integrita bílé hmoty souvisí s individuálními rozdíly v procentu tělesného tuku v traktech, které spojují regiony zapojené do reaktivity potravin. Tyto výsledky jsou v souladu s rovnovážným modelem samoregulace a naznačují, že strukturální integrita cest spojujících výkonnou kontrolu a regiony odměňování může hrát klíčovou roli při dosahování dlouhodobého samoregulačního úspěchu ve stravování.

Nový výzkum ukazuje, že dieta úspěch může být pevně zapojen do mozku

Října 25, 2016