IHRE NACHRICHT: Zwei wegweisende Studien zeigen, dass es separate Kreisläufe für den zwanghaften Zuckerkonsum gibt - oder wie YBOP es nennt: 'a Binge-Mechanismus'. Es wurde immer gedacht, dass Verhaltensabhängigkeiten entstehen einzige Änderungen von "normalen Schaltkreisen". Während dies geschieht, ist es jetzt offensichtlich, dass auch separate "Bingeing-Schaltkreise" existieren.
Das macht evolutionär Sinn. Dies ist eine Möglichkeit, ein Tier zum Überkonsum zu drängen, wenn Futter verfügbar ist. Diese Schaltkreise entstehen aus dem Hypothalamus, der auch die Hauptkontrollregion für sexuelles Verhalten, Libido und Erektionen ist. Ich habe keinen Zweifel daran, dass Säugetiere sowohl für Sex als auch für Nahrung „Binge Circuits“ besitzen. Die Fortpflanzung hat für unsere Gene oberste Priorität und die Paarungsmöglichkeiten sind normalerweise geringer und weiter voneinander entfernt als die Essensmöglichkeiten.
Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes gehören zusammen zu den größten Gesundheitsproblemen in unserem Land. Sie resultieren größtenteils aus dem, was viele als „Sucht“ für Zucker bezeichnen. Die Lösung dieses Problems ist jedoch komplizierter als die Lösung der Drogensucht, da es erforderlich ist, den Drang, ungesunde Lebensmittel zu sich zu nehmen, zu reduzieren, ohne den Wunsch zu beeinträchtigen, gesunde Lebensmittel zu essen, wenn sie hungrig sind.
In einem neuen Papier in ZelleNeurowissenschaftler am MIT haben diese beiden Prozesse in Mäusen entwirrt und gezeigt, dass die Hemmung eines zuvor unbekannten Gehirnkreislaufs, der den zwanghaften Zuckerkonsum reguliert, die gesunde Ernährung nicht beeinträchtigt.
„Wir haben zum ersten Mal festgestellt, wie das Gehirn die zwanghafte Zuckersuche codiert, und wir haben auch gezeigt, dass es sich offensichtlich von normalem, adaptivem Essen unterscheidet“, sagt der leitende Autor Kay Tye, ein leitender Ermittler am Picower Institute for Learning und Memory, der zuvor neuartige Techniken zur Untersuchung der Gehirnschaltung in Abhängigkeit und Angst entwickelt hat. "Wir müssen diesen Kreislauf genauer studieren, aber unser letztes Ziel ist es, sichere, nichtinvasive Ansätze zu entwickeln, um maladaptive Essgewohnheiten zu verhindern, zuerst bei Mäusen und schließlich bei Menschen."
Drogenabhängigkeit ist definiert als zwanghafte Drogensuche trotz nachteiliger Folgen in der Schule, bei der Arbeit oder zu Hause. Suchtmittel „entführen“ das Gehirn, das natürliche Belohnungsverarbeitungszentrum, den ventralen Tegmentbereich (VTA). Aber Essen ist eine natürliche Belohnung und im Gegensatz zu einer Droge überlebensnotwendig. Daher war unklar, ob übermäßiges Essen auf einen ähnlichen Zwang oder auf etwas anderes zurückzuführen ist.
"Diese Studie ist meiner Meinung nach ein hervorragender Schritt nach vorne, um die vielen komplizierten Aspekte des Ernährungsverhaltens zu verstehen", sagt Antonello Bonci, wissenschaftlicher Direktor am Nationalen Institut für Drogenmissbrauch, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Während es in der Vergangenheit viele hervorragende Studien gegeben hat, die sich mit dem zwanghaften Antrieb von Substanzstörungen befassen, ist dies das erste Mal, dass eine Studie die gleichen Aspekte des zwanghaften Ernährungsverhaltens ausführlich und umfassend behandelt. Aus translationaler Sicht hat der außergewöhnliche multidisziplinäre Ansatz, der in dieser Studie verwendet wurde, einen sehr aufregenden Befund hervorgebracht: dass der zwanghafte Zuckerkonsum durch einen anderen Nervenkreislauf vermittelt wird als durch physiologische, gesunde Ernährung.
Für die Studie konzentrierten sich Tye und ihr Student Edward Nieh auf die Verbindungen zwischen dem VTA und dem lateralen Hypothalamus (LH), der die Nahrungsaufnahme steuert. Da das LH auch verschiedene andere Verhaltensweisen kontrolliert und Verbindungen zu mehreren anderen Gehirnregionen herstellt, hatte noch niemand einen Fütterungs- und Belohnungsverarbeitungskreis isoliert. Tye und Nieh identifizierten und charakterisierten zunächst nur die LH-Neuronen, die mit dem VTA verbunden sind, und zeichneten ihre natürlichen Aktivitäten in Gehirnschnitten mit Hilfe von Gillian Matthews auf, bevor sie zu Tierversuchen gingen. Elektroden zeichneten die Aktivität dieser identifizierten Neuronen während des Verhaltens von Tieren auf.
Mäuse lieben natürlich Saccharose - ähnlich wie Menschen, die zuckerreiche Limonaden lieben -, also trainierte Nieh Mäuse, um Saccharose an einem Lieferhafen zu suchen, wenn sie ein Stichwort hören und sehen. Nachdem die Mäuse gelernt hatten, eine Saccharose-Belohnung auf ein Stichwort hin vorherzusagen, hielt er die Belohnung ungefähr die Hälfte der Zeit zufällig zurück - eine bittere Enttäuschung. In anderen Fällen erhielten die Mäuse unerwartet eine Saccharose-Belohnung ohne prädiktiven Hinweis - eine süße Überraschung. Dieser Unterschied zwischen der Erwartung und der Erfahrung wird als Belohnungsvorhersagefehler bezeichnet.
Die neuronalen Aufnahmen zeigten, dass ein Typ von LH-Neuronen, die mit dem VTA verbunden waren, erst aktiv wurde, nachdem das Tier gelernt hatte, eine Sucrose-Belohnung zu suchen, unabhängig davon, ob es die Belohnung tatsächlich erhielt oder nicht. Ein weiterer Satz von LH-Neuronen codierte nach Erhalt der Rückmeldung vom VTA die Antwort auf die Belohnung oder auf deren Auslassung.
Als nächstes arbeitete Nieh mit einem MD / PhD-Studenten in Tye's Labor, Stephen Allsop, zusammen, um Mäuse so zu modifizieren, dass die neuronalen LH-VTA-Projektionen lichtempfindliche Proteine enthielten, die Neuronen mit Lichtimpulsen aktivieren oder zum Schweigen bringen können, eine Methode, die Optogenetik genannt wird. Das Aktivieren der Projektionen führte zu zwanghaftem Saccharose-Essen und erhöhtem Überessen bei Mäusen, die voll waren. Die Inaktivierung dieses Weges verringerte die zwanghafte Suche nach Saccharose, die der Sucht ähnelt, verhinderte jedoch nicht, dass hungrige Mäuse regelmäßig Futter aßen. "Das war aufregend, weil wir die Aufzeichnungsdaten haben, um zu zeigen, wie diese zwanghafte Suche nach Zucker abläuft", sagt Nieh, "und wir können nur das zwanghafte Verhalten steuern oder unterdrücken, indem wir sehr genaue Änderungen im neuronalen Kreislauf vornehmen."
"Suchtforscher haben die Hypothese aufgestellt, dass der Übergang von Handlungen zu Gewohnheiten zu Zwang der Weg zur Suchtbildung ist, aber genau, wo und wie dies im Gehirn geschieht, war ein Rätsel", sagt Tye, der auch der Whitehead Career Development Assistant Professor in ist MITs Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften. "Jetzt haben wir Beweise dafür, dass dieser Übergang in der LH-VTA-Schaltung vertreten ist."
Nieh, der mit Matthews, einem Postdoc im Tye-Labor, zusammenarbeitete, zeigte auch, dass die LH-Neuronen eine Mischung aus exzitatorischen (Glutamat) und inhibitorischen (GABA) Signalen an das VTA senden. Aber entgegen der Erwartung waren es die hemmenden Signale, nicht die erregenden, die die Fütterungsaktivität bei den Mäusen auslösten. Wenn nur GABA-Projektionen aktiviert wurden, verhielten sich die Mäuse bizarr, nagten am Boden des Käfigs und ahmten die Bewegungen nach, ein Nahrungsnugget zum Mund zu bringen und es zu kauen. (Sie wurden gefüttert, damit sie keinen Hunger hatten.) „Wir glauben, dass die glutamatergen Projektionen die Rolle der GABAergen Projektionen regulieren und bestimmen, was zum Nagen angemessen ist“, sagt Nieh. „Beide Komponenten müssen zusammenarbeiten, um aussagekräftige Speisesignale zu erhalten.“
"Dies ist sehr wichtig für das Feld, denn dies war etwas, was wir vorher nicht wussten", sagt Bonci. "Und es birgt das Potenzial, die Art und Weise, wie wir uns der Behandlung nähern, wegen zwanghaftem Überessen zu revolutionieren."
Die Forscher charakterisierten auch die heterogenen Neuronen am Empfangsende dieser Projektionen in der VTA. Jede Untergruppe von LH-Neuronen verbindet sich mit Dopamin- und GABA-produzierenden Neuronen im VTA. Das Labor untersucht nun, wie sich das Verhalten von Fütterung und Saccharose auf der Basis des Zielneurontyps unterscheidet.
Diese Forschung wurde im Rahmen des New Investigator Award des TYY 2013 NIH Director mit dem langfristigen Ziel initiiert, ein neues Paradigma für die Behandlung von Fettleibigkeit zu entwickeln, das auf andere neuropsychiatrische Erkrankungen angewendet werden kann. Zusätzliche Mittel kamen aus verschiedenen öffentlichen und privaten Quellen, darunter das NSF-Graduiertenstipendium von Nieh, das Integrative Neuronal Systems Fellowship und das Trainingsprogramm in der Neurobiologie des Lernens und des Gedächtnisses. Kara N. Presbrey, Christopher A. Leppla, Romy Wichmann, Rachael Neve und Craig P. Wildes, alle Mitglieder des Picower Institute, trugen ebenfalls zu dieser Arbeit bei.
Wissenschaftler haben Neuronen definiert, die für einen übermäßigen Verzehr von Nahrungsmitteln verantwortlich sind
By Anna Azvolinsky | Januar 29, 2015
In zwei unabhängigen Forschungsteams wurden Neuronenpopulationen im Hypothalamus definiert, die für die Stimulation der Nahrung als Belohnung verantwortlich sind, aber wahrscheinlich nicht notwendig sind, um das Essen zum Überleben anzuregen. Beide Gruppen veröffentlichten ihre Ergebnisse heute (Januar 29) in Zelle.
"Dies sind große Arbeiten, die die Komplexität und Heterogenität von [Hypothalamus] und die spezifischen Neuronengruppen definieren, die dramatische Verhaltensergebnisse erzielen können", sagte Ralph DiLeone, ein Neurobiologe an der Yale University, der nicht an der Arbeit beteiligt war.
Mit Optogenetik, Neurowissenschaftler Garret Stuber An der University of North Carolina fanden Chapel Hill und seine Kollegen heraus, dass die Aktivierung von GABAergen Neuronen im lateralen Hypothalamus (LH) dazu führte, dass Mäuse häufiger gefüttert wurden, während die Hemmung der Aktivität dieser Neuronen die Mäuse dazu motivierte, nicht zu viel zu essen. Diese Neuronen unterschieden sich von anderen neuronalen Populationen in der LH, die zuvor mit dem Essen und anderen belohnungsbezogenen Verhaltensweisen in Verbindung standen. Als diese Neuronen genetisch abgetragen wurden, waren die Mäuse weniger motiviert, eine Belohnung mit flüssiger Kalorienzufuhr zu erhalten. Die Wissenschaftler visualisierten auch die Kalziumsignalisierung von Hunderten von einzelnen GABAergen Neuronen gleichzeitig in frei beweglichen Mäusen, indem sie Mikroendoskope in das LH implantierten und ein miniaturisiertes Fluoreszenzmikroskop an den Köpfen der Tiere befestigten. Die Kalziumabbildung zeigte verschiedene Populationen von GABAergen Neuronen, die beim ersten Geschmack einer Belohnung mit Lebensmitteln aktiv waren oder wenn die Mäuse ihre Nasen stießen - ein Zeichen des Interesses an der Nahrung -, aber selten bei beiden Aktivitäten.
In-vivo-Calcium-Imaging ermöglicht Forschern das Ablesen der neuronalen Aktivität in einem größeren Maßstab - in bestimmten Regionen des Gehirns, sagte DiLeone. Die Technik wurde von entwickelt Mark Schnitzers Labor an der Stanford University. „Vor sechs Jahren hatten wir keine dieser Technologien - genetische Ablation, Optogenetik, In-vivo-Bildgebung“. Paul Phillipssagte ein Neurowissenschaftler an der University of Washington The Scientist. "Es ist erstaunlich zu sehen, wie das Stuber-Labor diese sauber zusammengestellt hat, um wichtige neurowissenschaftliche Fragen zu beantworten."
Die Neuronen des LH sind vielfältig und dafür bekannt, dass sie an belohnungsbezogenen Verhaltensweisen wie Essen, Trinken und Sex beteiligt sind. Die Charakterisierung der unterschiedlichen Subpopulationen von Neuronen in dieser Gehirnregion war jedoch historisch eine Herausforderung. „Wir haben die elektrischen Stimulationsbefunde seit mehr als 30 Jahren, aber wir wussten nicht [welche Neuronen] wir stimulierten und ob die ernährungsbedingten Neuronen aus dem LH stammen oder solche, die gerade bis zu Optogenetik-Techniken durchgehen verfügbar wurde “, sagte Roy Wise, ein Neurowissenschaftler am Nationalen Institut für Drogenmissbrauch, der nicht an der Arbeit beteiligt war.
"Im Bereich der Neurowissenschaften gibt es Aufregung für die In-vivo-Bildgebung, da wir zum ersten Mal Aktivitätsmuster in molekular definierten Subpopulationen von Neuronen untersuchen können", fügte Stuber hinzu.
In der zweiten Studie unter der Leitung von MIT Neurowissenschaftler Kay TyeDie Forscher identifizierten zwei unterschiedliche neuronale Populationen in dem Kreislauf, der das LH und den ventralen Tegmentbereich (VTA) des Mittelhirns verbindet, der für seine Belohnungsverarbeitungsfunktion bekannt ist. Ob Neuronen in diesen LH-VTA-Projektionen auf Zucker selbst oder auf das Erhalten des Zuckers reagieren, sei nicht bekannt, sagte der Koautor der Studie Edward Nieh, ein Student im Labor von Tye. "Jetzt wissen wir, dass es Subpopulationen von Neuronen gibt, die auf verschiedene Signale reagieren - den Zucker und den Zucker selbst abrufen."
Mit einer Variation einer optogenetischen Technik zielte das Team gezielt nur auf die Neuronen im LH ab, die mit dem VTA verbunden sind. Bei der Untersuchung der sich frei bewegenden Mäuse stellte das Team fest, dass die Neuronen, die das LH mit dem VTA verbinden, während des Suchens einer Zuckerbelohnung aktiviert wurden, unabhängig davon, ob die Belohnung erhalten wurde. Die Hemmung dieses Kreislaufs verringerte nur das zwanghafte Zuckersuchen - nicht das normale Fütterungsverhalten - bei diesen Mäusen. Die Stimulierung nur der GABAergen Neuronen in diesem Kreislauf erzeugte ungewöhnliches Verhalten: Die Tiere nagten am Boden oder in ihren Käfigen, wenn keine Nahrung vorhanden war. Die Stimulierung dieser Neuronen führte auch zu einem klassischen zwanghaften Verhalten der Überwindung einer Bestrafung (Elektroschocks), um zur Belohnung für Zucker zu gelangen, und zu vermehrtem zwanghaftem Überessen.
"Wir können die zwanghafte Saccharose-Suche reduzieren, aber ihre normale Fütterung nicht beeinträchtigen", sagte Nieh. "Dies ist wichtig, weil wir zur Behandlung von zwanghaftem Essverhalten nur die ungesunden Teile des Essens stoppen und das normale Essen beibehalten wollen."
"Es gibt eine klare Anwendung für Ernährungsstörungen und möglicherweise Drogenmissbrauch und Glücksspiele, da dies ein üblicher Weg ist, der diese Verhaltensweisen aktiviert", sagte Phillips.
In einer E-Mail an The ScientistTye sagte, ihr Labor arbeite jetzt daran, eine neuronale Signatur für Verlangen zu definieren, die in Echtzeit entdeckt werden könnte, um Interventionen zu entwickeln, um zwanghaftes Überessen und andere Suchtverhalten zu stoppen, bevor sie beginnen.
JH Jennings et al., "Visualisierung der hypothalamischen Netzwerkdynamik für appetitliches und sonsummatorisches Verhalten" Zelledoi.org/10.1016/j.cell.2014.12.026, 2015.
EH Nieh et al., "Decodierung neuronaler Schaltkreise, die die zwanghafte Saccharose-Suche steuern" Zelle, doi.org/10.1016/j.cell.2015.01.003, 2015.
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