Dopamin-D2-Rezeptoren bei suchtähnlicher Belohnungsdysfunktion und zwanghaftem Essen bei adipösen Ratten (2010)

Kommentar: Diese Studie zeigt, dass ein starker natürlicher Verstärker (sehr stimulierendes Futter) bei uneingeschränktem Zugang eines Tieres zu einem Rückgang der D2-Rezeptoren führen kann. Dieser Rückgang wurde bei fast allen Ratten beobachtet und trat ziemlich schnell auf. Als „sehr schmackhaftes“ Futter entfernt wurde, weigerten sich die Ratten, normales Futter zu essen. Die Ratten schimpften weiter (wenn sie konnten), obwohl sie Elektroschocks mit dem „sehr schmackhaften“ Futterkonsum kombinierten.

• Vollständige Studie

Nat Neurosci. 2010 Mai; 13(5): 635-641. Veröffentlicht online 2010 März 28. doi:  10.1038 / nn.2519

Abstrakt

Wir stellten fest, dass die Entwicklung von Fettleibigkeit mit dem Auftreten eines zunehmend schlechter werdenden Defizits bei neuronalen Belohnungsreaktionen einherging. Ähnliche Änderungen in der durch Kokain oder Heroin induzierten Homöostase der Belohnung werden als entscheidend für den Übergang von einer gelegentlichen zu einer zwanghaften Drogenkonsumierung angesehen. Dementsprechend stellten wir zwanghaftes Fütterungsverhalten bei fettleibigen, aber nicht mageren Ratten fest, gemessen als wohlschmeckender Nahrungsverbrauch, der resistent gegen Störungen durch einen aversiven konditionierten Reiz ist. Striatale Dopamin-D2-Rezeptoren (D2Rs) wurden bei fettleibigen Ratten herunterreguliert, wie bei Menschen, die Drogenabhängig sind. Darüber hinaus beschleunigte Lentivirus-vermittelter Knockdown von striatalen D2Rs rasch die Entwicklung von Abhängigkeitsdefiziten in Abhängigkeit von der Sucht und das Auftreten zwanghafter Nahrungssuche bei Ratten mit erweitertem Zugang zu wohlschmeckenden Lebensmitteln mit hohem Fettgehalt. Diese Daten zeigen, dass ein übermäßiger Konsum von schmackhaftem Essen suchtähnliche neuroadaptive Reaktionen in Gehirnbelohnungskreisläufen auslöst und die Entwicklung von zwanghaftem Essen vorantreibt. Übliche hedonische Mechanismen können daher Fettleibigkeit und Drogensucht zugrunde liegen.

Einleitung

Das Füttern wird durch Vergnügen und Belohnung beeinflusst, und das Erhalten einer Lebensmittelbelohnung kann den Konsum stark motivieren1, 2. Dennoch bleiben die hedonischen Mechanismen, die zur Fettleibigkeit beitragen, wenig verstanden. Bei hyperphagischen Menschen mit angeborenem Leptinmangel nimmt die Aktivität im dorsalen und ventralen Striatum, die Kernbestandteile der Belohnungskreise des Gehirns sind, als Reaktion auf Bilder von Lebensmitteln3 deutlich zu, und die Leptinersatztherapie vermindert sowohl die Striatalaktivität als auch die selbst berichtete „Vorliebe“ für Lebensmittel3 . Dies legt nahe, dass das Striatum bei hedonischen Aspekten des Fütterungsverhaltens wichtig ist. Kürzlich wurde gezeigt, dass die Aktivierung des Striatums als Reaktion auf sehr schmackhafte Lebensmittel bei adipösen Personen im Vergleich zu Magerkontrollen abgestumpft ist4. Darüber hinaus sind die Hypofunktion des dorsalen Striatums und die langfristige Gewichtszunahme bei Personen mit dem TaqIA-Allel des DRD2-ANKK1-Genlocus am ausgeprägtesten, was zu einer verminderten striatalen D2R-Expression führt und Personen für Substanzabhängigkeitsstörungen prädisponiert4, 5 Diese und ähnliche Beobachtungen haben zu dem Vorschlag geführt, dass Defizite bei der Belohnungsverarbeitung ein wichtiger Risikofaktor für die Entwicklung von Fettleibigkeit sein können und dass übergewichtige Personen zwangsweise schmackhafte Lebensmittel konsumieren können, um die Überempfindlichkeit gegen Belohnungen auszugleichen6. Insbesondere ist unklar, ob Defizite in der Belohnungsverarbeitung konstitutiv sind und der Fettleibigkeit vorausgehen oder ob ein übermäßiger Verzehr von schmackhaften Lebensmitteln zu einer Funktionsstörung der Belohnung führen und dadurch zu einer durch die Ernährung verursachten Fettleibigkeit beitragen kann.

Charakteristisch für übergewichtige und fettleibige Personen ist, dass sie trotz der bekannten negativen gesundheitlichen und sozialen Folgen weiterhin zu viel essen. In der Tat äußern viele übergewichtige Personen den Wunsch, ihren Nahrungsmittelverbrauch zu begrenzen, haben jedoch Schwierigkeiten, ihre Aufnahme zu kontrollieren und wiederholt über ihren Energiebedarf hinauszugehen (7, 8). Die Entwicklung eines Fütterungsverhaltens, das gegenüber negativen Ergebnissen unempfindlich ist, ist analog zum zwanghaften Drogenkonsumverhalten, das bei Drogensüchtigen beim Menschen beobachtet wird, was für negative Konsequenzen ebenso unempfindlich ist9. Hier untersuchten wir die Auswirkungen eines erweiterten Zugangs zu einer wohlschmeckenden Diät mit hohem Fettgehalt auf die Empfindlichkeit von Gehirnbelohnungssystemen bei Ratten. Wir untersuchten auch den Zusammenhang zwischen ernährungsbedingter hedonischer Dysregulation und dem Auftreten zwanghafter Nahrungssuche. Zum Schluss untersuchten wir die Rolle von striatalen D2Rs bei diesen suchtabhängigen Verhaltensreaktionen.

Suchtähnliche Belohnungsdefizite bei fettleibigen Ratten

Um die Auswirkungen eines eingeschränkten oder erweiterten Zugangs zu einer schmackhaften fettreichen Ernährung zu testen, haben wir männliche Wistar-Ratten (300–350 g) mit einer bipolaren Stimulationselektrode im lateralen Hypothalamus präpariert und in einem diskreten Versuch für 10–14 Tage trainiert Verfahren zur Belohnung der Hirnstimulation mit aktueller Schwelle (BSR), bis stabile Belohnungsschwellen festgelegt wurden4. Beim BSR-Verfahren reagieren Ratten heftig, um eine lohnende elektrische Selbststimulation durch die Verweilstimulationselektrode zu erhalten, wobei die minimale Stimulationsintensität, die das Selbststimulationsverhalten aufrechterhält, als Belohnungsschwelle bezeichnet wird10. Da die Belohnungsschwellen unter den Ausgangsbedingungen über längere Zeiträume stabil und unverändert bleiben, liefert dieses Verfahren ein empfindliches Maß für die Reaktionsfähigkeit von Belohnungssystemen des Gehirns. Nach der Festlegung stabiler BSR-Schwellenwerte (definiert als <10% Variation der Schwellenwerte über drei aufeinanderfolgende Sitzungen) teilten wir Ratten drei Gruppen zu, die keine Unterschiede im mittleren Körpergewicht oder in den Belohnungsschwellenwerten zwischen den Gruppen zeigten. Die drei Gruppen erhielten unterschiedlichen Zugang zu einer Diät im Cafeteria-Stil, die aus schmackhaften, energiedichten Lebensmitteln bestand, die für den menschlichen Verzehr leicht verfügbar waren (siehe Online-Methoden). Ratten hatten 0 h (Nur-Chow-Ratten; n = 9), 1 h (Ratten mit eingeschränktem Zugang; n = 11) oder 18–23 h (Ratten mit erweitertem Zugang; n = 11) Zugang zur Nahrung pro Tag für 40 aufeinanderfolgende Tage. Es ist bekannt, dass Cafeteria-Diäten bei Ratten zu diätbedingter Fettleibigkeit führen11. Alle Ratten hatten auch ad libitum Zugang zu Standardlaborfutter, wobei Belohnungsschwellen, Gewichtszunahme und Kalorienaufnahme durchgehend aufgezeichnet wurden.

Das Gewicht nahm bei Ratten mit erweitertem Zugang zur Cafeteria-Diät im Vergleich zu den Gruppen mit Chow-Only oder eingeschränktem Zugang deutlich zu (Abb. 1a). Das Gewicht der Ratten mit eingeschränktem Zugang stieg im Vergleich zu Chow-Only-Ratten tendenziell an, aber dieser Effekt erreichte keine statistische Signifikanz. Die Entwicklung von Fettleibigkeit bei Ratten mit erweitertem Zugang war eng mit einem sich verschlechternden Defizit bei der Belohnungsfunktion des Gehirns verbunden, das sich in progressiv erhöhten BSR-Schwellenwerten niederschlug (Abb. 1b). Da in den drei Gruppen keine Unterschiede in den Antwortlatenzen für die BSR beobachtet wurden (ergänzende Abbildung 1), können Defizite in der Verhaltensleistung diese Beobachtung nicht berücksichtigen. Ähnliche Defizite bei der Gehirnbelohnungsfunktion wurden bei Ratten mit erweitertem, aber nicht eingeschränktem Zugang zu intravenöser Kokain- oder Heroin-Selbstverabreichung12, 13, 14 berichtet. Ein erweiterter Zugang zu wohlschmeckenden Lebensmitteln mit hohem Fettgehalt kann somit suchtabhängige Defizite in der Gehirnbelohnungsfunktion hervorrufen, die als wichtige Motivation angesehen wird, die zu übermäßigem Essen führen und zur Entwicklung von Fettleibigkeit 1, 6 beitragen kann.

Abbildung 1: Gewichtszunahme und Belohnungsstörung bei Ratten mit erweitertem Zugang zu einer Cafeteria-Diät.

(a) Mittlere (± sem) Gewichtszunahme bei Ratten, die nur Futter, eingeschränkten Zugang und erweiterten Zugang haben (Wechselwirkung zwischen Zugang und Tag: F39,702 = 7.9, P <0.0001; * P <0.05 im Vergleich zur Gruppe nur mit Futter, Post-hoc-Test). (b) Mittlere (± sem) prozentuale Änderung gegenüber den Grundbelohnungsschwellen (Zugriff × Zeitinteraktion: F78,1092 = 1.7, P <0.0005; * P <0.05 im Vergleich zur Nur-Chow-Gruppe, Post-hoc-Test).

Bei einer detaillierten Untersuchung des Fütterungsverhaltens (Abb. 2) stellten wir fest, dass die tägliche Kalorienzufuhr bei Ratten mit Chow-Only und eingeschränktem Zugang ähnlich war (Abb. 2a, d). Im Gegensatz dazu war die Gesamtkalorienaufnahme bei Ratten mit erweitertem Zugang fast doppelt so hoch wie bei Ratten mit eingeschränktem Zugang und nur mit Chow-Chow-Chows (Abb. 2a, d). Obwohl die Ratten mit eingeschränktem Zugang und nur mit Chow-Chirurgie ungefähr die gleiche tägliche Kalorienaufnahme aufhielten (Abb. 2a, d), erhielten Ratten mit eingeschränktem Zugang nur ~ 33% ihrer täglichen Kalorien aus dem Chow (Abb. 2b, d), was darauf hinweist Sie entwickelten ein binge-artiges Fütterungsverhalten und verbrauchten ~ 66% ihrer täglichen Kalorienaufnahme während ihrer 1-Sitzung mit Zugang zur Cafeteria diet15 (Abb. 2d). Ratten mit erweitertem Zugang erhielten nur einen geringen Anteil (~ 5%) ihrer gesamten Kalorienaufnahme aus Chow (Fig. 2b); die Cafeteria-Diät wurde fast ausschließlich konsumiert (Abb. 2d). Die Verschiebung der Ernährungspräferenz in den Gruppen mit eingeschränktem Zugang und erweitertem Zugang spiegelte sich auch in einer deutlichen Zunahme der Fettaufnahme im Vergleich zu Chow-Only-Ratten wider (Abb. 2c und Ergänzende Abb. 2). In Übereinstimmung mit den früheren Berichten16 bestand eine Tendenz, dass der Konsum der Cafeteria-Diät im Laufe der Zeit bei Ratten mit erweitertem Zugang abnimmt. Dies spiegelt möglicherweise die Entwicklung einer Toleranz gegenüber der Schmackhaftigkeit der als Teil der Cafeteria-Diät bereitgestellten Lebensmittel wider. Dennoch blieb die Präferenz für die Cafeteria-Diät gegenüber Standardfutter bei diesen Ratten konstant hoch (Ergänzende Abb. 3). Diese Daten zeigen, dass ein erweiterter, aber nicht eingeschränkter Zugang zu einer wohlschmeckenden Diät mit hohem Fettgehalt suchtabhängige Belohnungsdefizite, Überessen und den Verlust des Energiehaushalts der Homöostase verursacht. Im Gegensatz dazu führt der eingeschränkte Zugang zu schmackhaften Lebensmitteln zu Konsumverhalten, das den homöostatischen Energieausgleich und die Funktion der Gehirnbelohnung nicht stört. Es ist jedoch möglich, dass ein eingeschränkter Zugang zur Cafeteria-Diät für mehr als aufeinander folgende 40-Tage zu einer erheblichen Gewichtszunahme und einer Störung der Gehirnbelohnungsfunktion führt.

Abbildung 2: Konsummuster bei Ratten mit erweitertem Zugang zu einer Cafeteria-Diät.

(a) Mittlere (± sem) tägliche Kalorienaufnahme bei Ratten, die nur Futter, eingeschränkten Zugang und erweiterten Zugang haben (Zugang: F1,324 = 100.6, P <0.0001; Zeit: F18,324 = 7.8, P <0.0001; Zugang) × Zeitinteraktion: F18,324 = 4.6, P <0.0001; * P <0.05 im Vergleich zur Nur-Chow-Gruppe (Post-hoc-Test). (b) Mittlere tägliche Kalorienaufnahme (± sem) aus dem Futter (Zugang: F2,504 = 349.1, P <0.0001; Zeit: F18,504 = 5.9, P <0.0001; Zugang × Zeitinteraktion: F36,504 = 3.52, P. <0.0001; * P <0.05 im Vergleich zur Nur-Chow-Gruppe (Post-hoc-Test). (c) Mittlere tägliche Kalorienaufnahme (± sem) aus Fett (Zugang: F2,486 = 118.7, P <0.0001; Zeit: F18,486 = 8.8, P <0.0001; Zugang × Zeitinteraktion: F36,486 = 6.2, P. <0.0001; * P <0.05 im Vergleich zur Nur-Chow-Gruppe (Post-hoc-Test). (d) Vergleich der mittleren (± sem) Gesamtkalorienaufnahme und der ausschließlich aus dem Futter verbrauchten Kalorien während des gesamten 40-tägigen Zugangszeitraums (Zugang: F2,54 = 25.0, P <0.0001; Kalorienquelle: F2,54 = 1235.2, P <0.0001; Zugang × Kalorienquellen-Wechselwirkung: F2,54 = 485.7, P <0.0001; *** P <0.001 im Vergleich zu den Gesamtkalorien in der Nur-Chow-Gruppe, ### P <0.001 im Vergleich zu den Gesamtkalorien in der gleiche Gruppe von Ratten, Post-hoc-Test).

Nach 40 Tagen hatten Ratten keinen Zugang mehr zu der schmackhaften Nahrung, hatten aber weiterhin ad libitum Zugang zu Standardlaborfutter. Wir haben die Belohnungsschwellen und den Futterverbrauch täglich während dieser erzwungenen Abstinenzperiode bewertet. Die Erhöhungen der Belohnungsschwellen blieben bei Ratten mit erweitertem Zugang mindestens 2 Wochen lang bestehen, wenn sie keinen Zugang mehr zu der schmackhaften Nahrung hatten (Fig. 3a). Dies steht im Gegensatz zu den relativ vorübergehenden (~ 48 h) Defiziten in der Belohnungsfunktion, die bei Ratten berichtet wurden, die auf selbst verabreichtes Kokain verzichten13. Es gab auch eine deutliche Abnahme der Kalorienaufnahme (Fig. 3b) und eine allmähliche Abnahme des Körpergewichts (Fig. 3c) bei Ratten mit erweitertem Zugang und in geringerem Maße bei Ratten mit eingeschränktem Zugang während dieser Abstinenzperiode, was mit übereinstimmt frühere Berichte11, 15. Nach 14 Tagen Abstinenz wurden Ratten getötet und die Elektrodenplatzierungen durch Kresylviolettfärbung bestimmt (3d).

Abbildung 3: Anhaltende Belohnungsstörung und Hypophagie während der Abstinenz bei Ratten mit erweitertem Zugang zu einer Cafeteria-Diät.

(a) Mittlere prozentuale Änderung der Grundbelohnungsschwellen (± sem) während der Abstinenz von einer schmackhaften fettreichen Diät (Zugang: F2,112 = 3.7, P <0.05; Zeit: F4,112 = 2.3, P> 0.05; * P. <0.05 im Vergleich zur Nur-Chow-Gruppe (Post-Hoc-Test). (b) Mittlere Kalorienaufnahme (± sem) am letzten Tag des Zugangs zur fettreichen Ernährung (Grundlinie) und während der 14-tägigen Abstinenz, wenn nur Standardfutter verfügbar war (Zugang: F2,168 = 41.7, P <0.0001) ; Zeit: F6,168 = 65.6, P <0.0001; Zugriff × Zeitinteraktion: F12,168 = 38.3, P <0.0001; * P <0.05 im Vergleich zur Nur-Chow-Gruppe, Post-Hoc-Test). (c) Änderung des mittleren Körpergewichts (± sem) im Vergleich zum Körpergewicht am letzten Tag des Zugangs zur fettreichen Ernährung (Grundlinie) und während der 14-tägigen Abstinenz, wenn nur Standardfutter verfügbar war (Zugang: F1,126) = 37.2, P <0.0001; Zeit: F7,126 = 3.1, P <0.01; Zugriff × Zeitinteraktion: F7,126 = 40.9, P <0.0001; * P <0.05 im Vergleich zur Nur-Chow-Gruppe, Post-Hoc-Test). (d) Histologische Rekonstruktion der Position von BSR-stimulierenden Elektroden im lateralen Hypothalamus von Ratten, die nur Chow (Dreiecke), eingeschränkten Zugang (Quadrate) und erweiterten Zugang (Kreise) haben.

Striatale D2Rs bei adipösen Ratten: Rolle bei Belohnungsdefiziten

Als nächstes testeten wir die Hypothese, dass ein übermäßiger Konsum einer schmackhaften Cafeteria-Diät die D2R-Dichte im Striatalbereich verringern und zur Entwicklung einer suchtähnlichen Belohnungshyposensitivität beitragen könnte. Einer neuen Kohorte von Ratten, die nur Chow, Ratten mit eingeschränktem Zugang und Ratten mit erweitertem Zugang hatten, wurde der Zugang zur Cafeteria-Diät gestattet, bis bei den Ratten mit erweitertem Zugang im Vergleich zur Gruppe mit nur Chow ein statistisch signifikanter Anstieg des Körpergewichts auftrat (P <0.05) Fig. 4a). Die striatale Expression der angeblich stark glykosylierten (~ 70 kDa) membrangebundenen Form des D2R war bei Ratten mit erweitertem Zugang geringer als bei Ratten mit eingeschränktem Zugang oder nur mit Futter (Fig. 4b; siehe Online-Methoden). Als wir die Ratten in jeder Zugangsgruppe auf der Grundlage einer mittleren Aufteilung der Körpergewichte (leicht oder schwer) in zwei Untergruppen aufteilten, fanden wir eine klare umgekehrte Beziehung zwischen dem Körpergewicht und der striatalen D2R-Expression (Fig. 4a, c). Wir konnten keine statistisch signifikanten Abnahmen der Expression der nicht glykosylierten unreifen (~ 39 kDa) und intermediär glykosylierten zytoplasmatischen (~ 51 kDa) Formen des D2R feststellen (ergänzende 4) 17, was darauf hinweist, dass die striatale D2R-Expression bei Ratten mit erweitertem Zugang wahrscheinlich ist reguliert durch posttranskriptionelle Mechanismen.

Abbildung 4: Die Gewichtszunahme steht im umgekehrten Verhältnis zu den striatalen D2R-Werten.

(a) Ratten, die nur Chow, eingeschränkten Zugang und erweiterten Zugang haben, wurden basierend auf einer mittleren Aufteilung der Körpergewichte in zwei Gruppen pro Zugangsbedingung unterteilt: leicht (L) oder schwer (H). (b) Der gesamte Striatalkomplex wurde von allen Ratten und D2R-Spiegeln in jeder Gruppe gesammelt, gemessen durch Western Blot. Die membranassoziierte D2R-Bande wurde bei 70 kDa aufgelöst und die Proteinbeladungskontrolle ist unten dargestellt (β-Actin, 43 kDa). Immunblots voller Länge sind in der ergänzenden Abbildung 12 gezeigt. (C) Relative Mengen an D2R im Striatum von Ratten, die nur Chow, eingeschränkten Zugang und erweiterten Zugang haben, wurden durch Densitometrie quantifiziert (F2,6 = 5.2, P <0.05, main Auswirkung des Zugangs; * P <0.05 und ** P <0.01 im Vergleich zur Nur-Chow-L-Gruppe).

Um die funktionale Relevanz von ernährungsbedingten Reduktionen der striatalen D2R-Funktion für die Belohnungsfunktion des Gehirns zu testen, entwickelten und validierten wir einen lentiviralen Vektor, um eine kurze haarnadelstörende RNA (shRNA) zu liefern, um D2R (Lenti-D2Rsh; 5 und ergänzende Abb. 5). Die Belohnungsschwellen stiegen bei Ratten, die mit Lenti-D2Rsh behandelt wurden, fast sofort an, nachdem der Zugang zur Cafeteria-Diät erlaubt war, während die Belohnungsschwellen bei Ratten mit erweitertem Zugang, die über einen relativ kurzen Zeitraum mit einem leeren Lentivirus-Vektor (Lenti-Kontrolle) behandelt wurden, unverändert blieben des Zugangs zur Cafeteria-Diät (14 d; Abb. 6a). Die Reaktionslatenzen waren in beiden Rattengruppen unverändert, was zeigt, dass dieser Effekt nicht auf Defizite bei der Aufgabenleistung zurückzuführen ist (ergänzende Abbildung 6). Die Belohnungsschwellenwerte blieben auch bei Ratten unverändert, die mit Lenti-D2Rsh oder Lenti-Kontrolle behandelt wurden und nur über denselben Zeitraum Zugang zu Futter hatten (Abb. 6b).

Die Schwellenwerte blieben während einer zusätzlichen Abstinenz von 15 d persistent erhöht, wenn alle Ratten nur Zugang zu Standardfutter hatten (Ergänzende Abb. 7). Der Knockdown von striatalem D2R erhöhte daher die Anfälligkeit für hypofunktionelle Belohnungen durch Ernährung, änderte jedoch nicht die Basisaktivität von Gehirnbelohnungssystemen.

Abbildung 5: Lentivirus-vermittelter Niederschlag der striatalen D2R-Expression.

(a) Grafische Darstellung der Striatalbereiche, in denen Lenti-D2Rsh überexprimiert wurde. Grüne Kreise in der linken Striatalhalbkugel repräsentieren die Orte, an denen Virusinfusionen gezielt wurden. Die Grünfärbung in der rechten Striatalhalbkugel ist eine repräsentative immunochemische Färbung für grün fluoreszierendes Protein (GFP) aus dem Gehirn einer Lenti-D2Rsh-Ratte. (b) Repräsentativer Immunblot der verminderten D2R-Expression im Striatum von Lenti-D2Rsh-Ratten. Immunblots voller Länge sind in der ergänzenden Abbildung 13 gezeigt. (C) Relative Mengen an D2R im Striatum von Lenti-Kontroll- und Lenti-D2Rsh-Ratten, quantifiziert durch Densitometrie (* P <0.05 im Vergleich zur Lenti-Kontrollgruppe, Post-hoc-Test) ). (d) Eine Infektion von Gliazellen im Striatum durch den Lenti-D2Rsh-Vektor wurde nicht nachgewiesen. Grüne Färbung ist GFP vom Virus; rot ist das fibrilläre saure Protein (GFAP) des Astrozytenmarkers Glia fibrillär; Zellkerne werden durch DAPI-Färbung in Blau hervorgehoben. Weiße Pfeile zeigen einen lokalisierten Bereich der Gliose an, der nur an der Stelle der Virusinjektion im Striatum und nicht in den umgebenden Geweben gefunden wurde, in die das Virus diffundiert ist. Selbst in diesem Bereich ist keiner der Astrozyten GFP-positiv. Die gelben Pfeile im vergrößerten Bild markieren die typischen GFP-negativen Astrozyten, die nachgewiesen wurden. (e) Hohe neuronale Infektionsraten im Striatum durch den Lenti-D2Rsh-Vektor. Grüne Färbung ist GFP vom Virus; rot ist der neuronale Kernmarker NeuN; Zellkerne werden durch DAPI-Färbung in blau hervorgehoben. Die gelben Pfeile im vergrößerten Bild markieren GFP-positive und NeuN-positive Neuronen im Striatum. (f) Ein Bild mit höherer Vergrößerung eines viral infizierten (GFP-positiven) Neurons im Striatum von Lenti-D2Rsh-Ratten, das die typischen morphologischen Merkmale von mittelstacheligen Neuronen zeigt.

Abbildung 6: Knockdown von striatalem D2R erhöht die Anfälligkeit für die Belohnung von Fehlfunktionen bei Ratten mit erweitertem Zugang zu einer Cafeteria-Diät.

(a) Mittlere (± sem) prozentuale Änderung gegenüber den Grundbelohnungsschwellen bei Lenti-Kontroll- und Lenti-D2Rsh-Ratten, die 14 aufeinanderfolgende Tage lang erweiterten Zugang zur Cafeteria-Diät hatten (Virus: F1,156, 5.9 = 0.05, P <13,156; Zeit: F2.2 = 0.05, P <13,156; Virus × Zeit-Wechselwirkung: F2.2 = 0.05, P <0.05; #P <2, Wechselwirkungseffekt). (b) Mittlere (± sem) prozentuale Änderung der Grundbelohnungsschwellen bei Lenti-Kontroll- und Lenti-D14Rsh-Ratten, die nur Chow-Zugang hatten. (c) Mittlere (± sem) Kalorienaufnahme von Ratten während nur 2,28 Tagen Futter oder erweitertem Zugang (Zugang: F135.6 = 0.0001, *** P <14). (d) Mittlere (± sem) Gewichtszunahme während 2,28 Tagen nur Futter oder erweitertem Zugang (Zugang: F96.4 = 0.0001, P <0.001; *** P <XNUMX, Haupteffekt des Zugangs).

Wir fanden heraus, dass die Kalorienaufnahme (Abb. 6c) und die Gewichtszunahme (Abb. 6d) in den Lenti-D2Rsh und den entsprechenden Lenti-Kontrollgruppen unter Chow-only- oder erweiterten Zugriffsbedingungen ähnlich waren (Ergänzende Abb. 8 und 9). Der striatale D2R-Knockdown veränderte somit weder die Präferenz für die Cafeteria-Diät noch die Gesamtkalorienzufuhr, wenn das wohlschmeckende Essen zum Verzehr frei verfügbar war.

Zwanghaftes Essen bei fettleibigen Ratten: Rolle für das striatale D2R

Als nächstes testeten wir die Hypothese, dass bei Ratten mit erweitertem Zugang zur Cafeteria-Diät zwanghaftes Essen auftreten könnte und dass Defizite in der striatalen D2R-Signalübertragung zu diesem Effekt beitragen könnten. Einer neuen Kohorte von Ratten, die nur Chow, eingeschränkten Zugang und erweiterten Zugang hatten, wurde der Zugang zur Cafeteria-Diät für> 40 Tage gestattet, bis bei den verlängerten Ratten statistisch signifikante Gewichtszunahmen auftraten (P <0.05 im Vergleich zu Ratten, die nur Chow hatten; Daten nicht gezeigt). Alle drei Gruppen von Ratten hatten dann nur 30 Minuten Zugang pro Tag zur Cafeteria-Diät für 5–7 Tage in einer operanten Kammer, bis eine stabile Aufnahme erreicht wurde (definiert als <10% Variation der täglichen Aufnahme). Die Hälfte der Ratten in jeder Zugangsbedingung wurde dann einem Licht (konditionierter Stimulus) ausgesetzt, das mit der Abgabe von Fußschocks (bestrafte Gruppe) gepaart war, während die verbleibenden Ratten in jeder Gruppe in Abwesenheit eines Fußschocks (ungestrafte Gruppe) dem Hinweislicht ausgesetzt waren ). Am Testtag untersuchten wir die Auswirkungen der Cue-Belichtung allein auf den schmackhaften Lebensmittelkonsum (Abb. 7; siehe Online-Methoden). Wir fanden heraus, dass die mittlere Kalorienaufnahme während der 30-minütigen Basissitzungen bei Ratten mit reinem Futter und eingeschränktem Zugang höher war als bei Ratten mit erweitertem Zugang (7a, b). Dies deutet darauf hin, dass die Ratten, die nur Futter und eingeschränkten Zugang haben, während der intermittierenden 30-minütigen Zugangssitzungen auf das schmackhafte Futter getrunken haben, was sich in der Tatsache widerspiegelt, dass diese Ratten ~ 40–50% ihrer täglichen Kalorienaufnahme, typischerweise ~ 100 kCal, konsumierten. während dieser Sitzungen (Abb. 7a, b). Im Gegensatz dazu scheinen Ratten mit erweitertem Zugang gegen die Entwicklung dieses binge-artigen Fütterungsverhaltens resistent zu sein, möglicherweise weil ihre Vorgeschichte eines nahezu uneingeschränkten Zugangs zu schmackhaftem Futter für> 40 aufeinanderfolgende Tage Essmuster etablierte, die relativ unflexibel zu ändern waren. Am Testtag beobachteten wir keine statistisch signifikanten Auswirkungen der Cue-Light-Wiedergabe auf den Futterverbrauch bei den ungestraften Ratten aus den Gruppen nur mit Futter, eingeschränktem Zugang oder erweitertem Zugang im Vergleich zur Aufnahme während des Basiszeitraums (7a). Das Cue-Licht allein hatte daher keine motivierende Bedeutung. Bei bestraften Ratten verringerte das schockgepaarte Cue-Licht die schmackhafte Nahrungsaufnahme bei Ratten, die nur Chow und nur eingeschränkten Zugang hatten, signifikant. Das Cue-Licht hatte jedoch keinen Einfluss auf die schmackhafte Nahrungsaufnahme bei Ratten mit erweitertem Zugang, was zeigt, dass ihr Verzehr unempfindlich gegenüber aversiven Umwelt-Cues war, die Widrigkeiten vorhersagen. Die Basisenergiezufuhr bei Ratten mit erweitertem Zugang war niedriger als bei den anderen Gruppen. Da die Futteraufnahme in ähnlichen Zeiträumen jedoch weitaus geringer war (Abb. 7d), ist es unwahrscheinlich, dass dies einen „Bodeneffekt“ darstellt, der unsere Ergebnisse verfälscht. Zusammen stützen unsere Daten die Idee, dass bei Ratten mit erweitertem Zugang zwanghaftes Essverhalten auftreten kann, analog zu der zwanghaften Einnahme von Kokain bei Ratten mit einer Vorgeschichte von erweitertem Zugang zum Medikament18.

Abbildung 7: Zwanghaftes Ansprechen für schmackhafte Speisen.

(a) Mittlerer (± sem) schmackhafter Futterverbrauch bei ungestraften Ratten während der 30-minütigen Basissitzungen und am Testtag, an dem Ratten einem neutral konditionierten Stimulus ausgesetzt waren, der zuvor nicht mit einem schädlichen Fußschock gepaart war (Zugang: F2,20) = 5.2, P <0.05; # P <0.05 im Vergleich zu Nur-Chow-Ratten). (b) Mittlerer (± sem) schmackhafter Futterverbrauch bei bestraften Ratten während der 30-minütigen Basissitzungen und am Testtag, an dem Ratten einem konditionierten Stimulus ausgesetzt waren, der zuvor mit einem schädlichen Fußschock gepaart war (Zugang: F2,21 = 3.9) , P <0.05; Cue: F1,21 = 8.6, P <0.01; Zugriff × Cue-Wechselwirkung: F2,21 = 4.7, P <0.05; * P <0.05 im Vergleich zur Aufnahme während der Basissitzung, #P <0.05 im Vergleich zu Nur-Chow-Ratten). (c) Mittlerer (± sem) schmackhafter Diätkonsum während der 30-minütigen Basissitzungen und am Testtag bei Lenti-Kontroll- und Lenti-D2Rsh-Ratten, die zuvor nur Chow oder erweiterten Zugang zu einer Cafeteria-Diät hatten (Stichwort: F1,26, 29.7 = 0.0001, P <0.05; * P <0.01, ** P <30 im Vergleich zur Aufnahme während der Basissitzungen, Post-hoc-Test). (d) Mittlerer (± sem) Futterverbrauch während der 2-minütigen Basissitzungen und am Testtag bei Lenti-Kontroll- und Lenti-D1,26Rsh-Ratten, die zuvor nur Futter hatten oder einen erweiterten Zugang zu einer Cafeteria-Diät hatten (Stichwort: F44.9 = 0.0001, P <0.05; * P <0.01, ** P <XNUMX im Vergleich zur Aufnahme während der Basissitzungen, Post-hoc-Test).

Schließlich untersuchten wir die Auswirkungen des durch Bestrafung gepaarten konditionierten Stimulus auf die Nahrungsaufnahme bei Ratten mit Lenti-Kontrolle und Lenti-D2Rsh, die zuvor nur Zugang zu Futter hatten oder einen erweiterten Zugang zur Cafeteria-Diät hatten (Ratten aus 6). Wir fanden heraus, dass die schmackhafte Grundnahrungsaufnahme während der 30-minütigen Grundliniensitzungen in allen vier Gruppen ähnlich hoch war (~ 40 kCal) (Abb. 7c). Zusätzlich war der gesamte tägliche Futterverbrauch (im Heimkäfig) zwischen allen vier Gruppen von Ratten während der Konditionierungssitzungen und am Testtag ähnlich (ergänzende 10). Der 14-tägige vorherige Zugang zur Cafeteria-Diät reichte daher nicht aus, um das binge-artige Essverhalten auf ähnliche Weise wie bei Ratten zu blockieren, die einen erweiterten Zugang zur Cafeteria-Diät von> 40 d hatten (7a, b). Der aversive Cue-Light-Stimulus störte die wohlschmeckende Nahrungsaufnahme bei Lenti-Kontroll- und Lenti-D2Rsh-Ratten, die zuvor nur Chow-Zugang hatten (7c). In ähnlicher Weise störte der aversive konditionierte Stimulus die schmackhafte Nahrungsaufnahme bei den Lenti-Kontrollratten, die zuvor einen 14-tägigen erweiterten Zugang zur Cafeteria-Diät hatten. Im Gegensatz dazu hatte der aversiv konditionierte Stimulus keinen Einfluss auf den wohlschmeckenden Futterkonsum bei den Lenti-D2Rsh-Ratten, die zuvor 14 Tage lang einen erweiterten Zugang zur Cafeteria-Diät hatten (7c). Die BSR-Schwellenwerte blieben bei diesen Ratten 48 Stunden nach der Testsitzung signifikant erhöht, während die Schwellenwerte bei den anderen drei Rattengruppen stabil und unverändert blieben

(Ergänzende Fig. 11). Um zu verifizieren, dass die Resistenz gegen konditionierte Stimuli-induzierte Unterdrückung der genießbaren Nahrungsaufnahme bei den Lenti-D2Rsh-Ratten mit erweitertem Zugang nicht auf Beeinträchtigungen klassischer Konditionierungsprozesse zurückzuführen ist, haben wir die Auswirkungen des aversiven konditionierten Stimulus auf den Konsum von weniger wohlschmeckendem Standardfutter untersucht alle vier Gruppen von Ratten. Im Gegensatz zum binge-artigen Verzehr von schmackhaften Lebensmitteln stellten wir fest, dass alle vier Gruppen von Ratten während der 2-Min-Baseline-Sitzungen (Abb. 30d) wenig Chow (~ 7 kCal) konsumierten und dass die Chow-Aufnahme in allen vier Gruppen durch gestört wurde eine ähnliche Größe bei Einwirkung des aversiven konditionierten Stimulus (Fig. 7d). Diese Daten zeigen, dass der Niederschlag von striatalen D2Rs das Auftreten zwanghafter Ernährung von wohlschmeckenden Lebensmitteln deutlich beschleunigte, jedoch nur bei Ratten mit einem längeren Zugang. Da außerdem zwanghaftes Essen nur bei Lenti-D2Rsh-Ratten mit erhöhten BSR-Schwellenwerten nachgewiesen wurde, kann eine durch Ernährung hervorgerufene Belohnungsunterfunktion ein notwendiger Vorläufer für das Auftreten zwanghafter Nahrungssuche sein.

Diskussion

Der einfache Zugang zu wohlschmeckenden Lebensmitteln mit hohem Fettgehalt gilt als wichtiger Umweltrisikofaktor für Fettleibigkeit19. Wir fanden heraus, dass ein erweiterter Zugang zu einer äußerst schmackhaften Diät in Form einer Cafeteria zu Überessen und Gewichtszunahme führte, verbunden mit einer progressiven Erhöhung der BSR-Schwellenwerte bei Ratten. Diese Auswirkung auf die BSR-Schwellenwerte kann durch allmähliche Verringerung der Reaktionsfähigkeit von Gehirnbelohnungskreisläufen erklärt werden. Diese Interpretation steht im Einklang mit der Tatsache, dass Nahrungsmitteleinschränkungen und Gewichtsverlust 20 erhöhen können, wohingegen akutes Überfüttern 21 vorübergehend verringert, was auf BSR bei Ratten reagiert. Dieser Befund stellt eine Erweiterung der Arbeit dar, die zeigt, dass eine akute Überfütterung von Ratten durch eine intragastrische Ernährungssonde21 und eine Magendehnung oder intravenöse Glukagoninfusion, die die postprandiale Sättigung 22, 23, 24 imitiert, die Reaktion auf die seitliche hypothalamische BSR senkt und aversion-ähnliche Reaktionen auf die Ratten erhöht stimulation25. Frühere Arbeiten haben auch gezeigt, dass Ratten wiederholt durch Zwangsernährung durch intragastrische Röhrchen gefüttert werden, bis ihr Gewicht um ~ 200 g zugenommen hat. Wie bei diesen Befunden bei Ratten wurde die Reaktion von Katzen auf laterale hypothalamische BSR durch vorheriges Füttern mit Sättigung23 gehemmt, was zeigt, dass Wechselwirkungen zwischen der Gehirnbelohnungsfunktion und dem metabolischen Zustand konserviert sind und daher wahrscheinlich auch beim Menschen auftreten. Der leichte Zugang und die daraus resultierende Überernährung von Cafeteria-Diäten beim Menschen gilt als wichtiger Umweltfaktor für die derzeitige Epidemie der Adipositas in westlichen Gesellschaften26. Unsere Daten zeigen, dass eine Belohnungs-Hypofunktion bei Ratten auftritt, die freiwillig eine schmackhafte Cafeteria-Diät, die der von Menschen konsumierten ähnlich ist, übermäßig isst und dass dieser Effekt mit zunehmender Gewichtszunahme zunehmend schlechter wird. Bemerkenswerterweise hatten alle Ratten mit Belohnungsschwellenerhöhungen ≥19% BSR-Elektroden, die innerhalb von ~ 20 μm des Fornix dorsolateral gelegen waren. Die Empfindlichkeit von belohnungsbezogenen Neuronen in diesem Bereich wird durch Einschränkung der Nahrungsaufnahme auf eine Weise erhöht, die empfindlich auf das aus dem Fett stammende Hormon Leptin ist, und diese Gehirnregion wird als wichtiges Substrat für die Nahrungsmittelbelohnung 500 betrachtet. Die Gehirnkreisläufe, die die Hedonik von Nahrungsmitteln regulieren, werden daher durch die Veröffentlichung von Sättigungssignalen, die die Sättigung vorhersagen, gehemmt. Dies steht im Einklang mit kürzlich durchgeführten bildgebenden Humanstudien, die zeigen, dass die Magendistention27 und das aus dem Darm stammende postprandiale Faktorpeptid YY28-3 (PYY) 36 die Aktivität von Gehirnregionen modulieren an der Bearbeitung von Belohnungen beteiligt. Außerdem werden Belohnungssysteme auch durch übermäßige Gewichtszunahme gehemmt. Kürzlich veröffentlichten Berichten zufolge kann zirkulierendes Leptin, ein wichtiger Regulator des Energiehaushalts, in das Gehirngewebe eindringen und die Aktivität der Belohnungskreise 29, 3, 27, 30 hemmen.

Belohnungsdefizite bei übergewichtigen Ratten können auf eine gegenadaptive Abnahme der Grundempfindlichkeit der Belohnungskreise des Gehirns zurückzuführen sein, um ihrer Überstimulation durch schmackhafte Nahrung entgegenzuwirken. Eine solche diätbedingte Belohnungshypofunktion kann zur Entwicklung von Fettleibigkeit beitragen, indem sie die Motivation erhöht, hoch belohnte „fettleibige“ Diäten zu konsumieren, um diesen Zustand negativer Belohnung zu vermeiden oder zu lindern6, 32. Dies könnte für die Hypophagie verantwortlich sein, die wir bei erweitertem Zugang beobachtet haben Ratten und in geringerem Maße bei Ratten mit eingeschränktem Zugang, wenn das schmackhafte Futter entnommen wurde und nur das weniger schmackhafte Futter verfügbar war. Ein solches Szenario steht auch im Einklang mit Daten aus Bildgebungsstudien des menschlichen Gehirns, in denen eine stumpfe Aktivierung des Striatums als Reaktion auf sehr schmackhafte Lebensmittel, insbesondere bei Personen mit genetischen Polymorphismen, von denen angenommen wird, dass sie die D2R-Expression im Striatal verringern, mit einer langfristigen Gewichtszunahme verbunden ist4. Es war unklar, ob sich eine solche Belohnungshyposensitivität bei übergewichtigen Personen vor der Entwicklung von Fettleibigkeit manifestiert und ausschließlich mit genetischen Faktoren zusammenhängt („Belohnungsmangelsyndrom“) oder ob übermäßiges Essen zu einer Störung der Belohnungsverarbeitung führen kann. Unsere Daten zeigen, dass ein erweiterter Zugang zu schmackhaften, energiereichen Lebensmitteln und das anschließende Überessen von Blunts die Empfindlichkeit belohnen und daher einen wichtigen hedonischen Mechanismus darstellen können, der die Entwicklung von Fettleibigkeit fördert. Eine ähnliche Belohnungsstörung wie die hier bei adipösen Ratten berichtete wird auch bei Ratten mit einer Vorgeschichte eines erweiterten Zugangs zur intravenösen Selbstverabreichung von Kokain oder Heroin festgestellt, jedoch nicht bei solchen mit einer Vorgeschichte eines eingeschränkten Zugangs12, 13, 14. Darüber hinaus ist der Übergang von Es wurde vorgeschlagen, gelegentlich nach zwanghafter Drogensuche zu suchen, um den anhaltenden Zustand einer verminderten Belohnung zu lindern, der durch diese durch Drogen verursachte Belohnungsstörung hervorgerufen wird12, 32, 33. Daher weisen unsere Daten darauf hin, dass Fettleibigkeit und Drogenabhängigkeit die zugrunde liegenden hedonischen Mechanismen gemeinsam haben können.

Die Herunterregulierung der striatalen D2R-Expression ist eine bemerkenswerte neuroadaptive Reaktion auf einen übermäßigen Konsum von schmackhaftem Essen. In der Tat ist eine Verringerung der striatalen D2R-Dichte bei übergewichtigen Individuen4, 34 und Nagetieren35, 36 zu beobachten. Umgekehrt haben Personen mit Anorexia nervosa erhöhte D2R37-Werte im striaten Bereich, und Gewichtsverlust bei adipösen Personen nach einer bariatrischen Operation (Magenbypass) ist mit einer erhöhten D2R-Dichte28 verbunden. Der Gen-Polymorphismus, der als TaqIA A1-Allel bezeichnet wird, führt zu einer verminderten striatalen D2R-Dichte, und Personen, die dieses Allel beherbergen, sind in adipösen Populationen 4 überrepräsentiert. Das TaqIA-Allel erhöht auch die Anfälligkeit für Alkohol-, Opioid- und psychomotorische Stimulanzien38. Eine Verringerung der striatalen D2R-Dichte, die entweder durch konstitutive genetische Faktoren oder als Folge von Überessen auftritt, kann daher zu den neurobiologischen Mechanismen der Fettleibigkeit beitragen. Wir fanden heraus, dass die Striatalspiegel der 70-kDa-D2R-Isoform, von denen angenommen wurde, dass sie die membranassoziierte D2R widerspiegeln, umgekehrt mit dem Körpergewicht bei Ratten der Chow-Only-Gruppen mit eingeschränktem Zugang (Extended-Access) und Extended-Access-Gruppen (4) zusammenhängen. Der Knockdown der striatalen D2R-Expression, am prominentesten im dorsolateralen Striatum (Abb. 5), führte dazu, dass die BSR-Schwellenwerte unmittelbar nach Exposition bei der Cafeteria-Diät anstiegen. Die Abnahme der striatalen D2R-Expression beschleunigte daher rasch die Entstehung einer Belohnungshypofunktion bei Ratten mit erweitertem Zugang zu sehr wohlschmeckenden Lebensmitteln, was mit den Daten des menschlichen Gehirns übereinstimmt, die zeigen, dass Defizite in der striatalen D2R-Dichte zur Belohnung der Hypofunktion bei adipösen Individuen beitragen4.

Bemerkenswert sind auch drei Merkmale der Lenti-D2Rsh-Ratten. Erstens, obwohl der striatale D2R-Knockdown in Kombination mit einem erweiterten Zugang zu der schmackhaften Diät zu erhöhten BSR-Schwellenwerten führte, gab es bei diesen Ratten im Vergleich zu Kontrollratten keine Unterschiede in der Kalorienaufnahme oder Gewichtszunahme. Dies könnte die Tatsache widerspiegeln, dass Ratten nur 14 d Zugang zur Cafeteria-Diät hatten; längere Zugriffszeiten hätten im Laufe der Zeit zu einer höheren Gewichtszunahme geführt, ähnlich wie bei Menschen mit einem Defizit der striatalen D2R-Signalgebung4. Der Vorteil der Beschränkung des Zugangs zur Cafeteria-Diät auf nur 14 d besteht jedoch darin, dass die Knockdown-Ratten mit erweitertem Zugang die einzige Gruppe waren, die erhöhte BSR-Schwellenwerte aufwiesen. Dies ermöglichte es uns, die potenzielle Rolle der Belohnungshypofunktion bei der Entwicklung von Zwangsmaßnahmen zu bewerten Essen (siehe unten). Zweitens blieben die BSR-Schwellenwerte bei den Knockdown-Ratten, die nur Zugang zu Futter hatten, stabil und unverändert. Dies deutet darauf hin, dass eine verminderte striatale D2R-Expression allein nicht ausreichte, um Belohnungs-Hyposensitivität zu induzieren. Stattdessen schien es mit dem übermäßigen Verzehr von schmackhaften Lebensmitteln zu interagieren, um die Entstehung dieses Zustands der reduzierten Belohnungsempfindlichkeit zu beschleunigen. Andere adaptive Reaktionen in Gehirnbelohnungskreisläufen könnten daher bei Ratten mit einem erweiterten Zugang zur Cafeteria-Diät eine Belohnungsempfindlichkeit auslösen. In diesem Zusammenhang stellen wir fest, dass der D2R-Agonist Bromocriptin die zirkulierenden Mengen von Leptin39 reduziert und Leptin die Nahrungsaufnahme zumindest zum Teil hemmt, indem es die striatalen Regionen hemmt, die die hedonischen Reaktionen auf food3, 30, 31 steuern. Daher ist es möglich, dass die Herabregulierung des striatalen D2R als Reaktion auf die Erhöhung des Körpergewichts die Leptinsignalisierung erhöht und dadurch die hemmenden Wirkungen dieses Adipokins auf die Belohnungssysteme im Gehirn verstärkt. Schließlich stellen wir fest, dass wir unsere Lentivirus-Vektoren auf das dorsolaterale Striatum ausgerichtet haben. Dies war vor allem aus technischen Gründen, da die seitliche Platzierung von Kanülen für die Virusabgabe in das Striatum es uns ermöglichte, auch die hypothalamische Verweilzeit-Stimulationselektrode für die BSR-Schwellenwertbestimmung unterzubringen. Daher ist es möglich, dass das Targeting von D2Rs für einen Knockdown in anderen Bereichen des Striatum, insbesondere im dorsomedialen und ventralen Bereich (Nucleus accumbens core und shell), die BSR-Schwellenwerte auch ohne die schmackhafte Ernährung erhöht.

Das dorsolaterale Striatum ist stark in das Lernen des Gewohnheitstyps der Reizantwort involviert, was sich in der Entwicklung eines Konsumverhaltens widerspiegelt, das unempfindlich gegen Abwertung durch vorherige Fütterung zur Sättigung oder durch Paarung mit schädlichen Reizen ist40. Indem wir vorwiegend auf das dorsolaterale Striatum abzielen, könnten wir Populationen von D2Rs niedergeschlagen haben, die die Anfälligkeit der Ratte für die Entwicklung von zwanghaftem Essen regulieren. Entsprechend der Rolle von striatalen D2Rs bei zwanghaftem Verhalten ist auch das TaqIA-Allel des menschlichen DRD2-ANKK1-Genlocus - das zu einer niedrigen striatalen D2R-Dichte5 führt, die striatale Aktivierung als Reaktion auf schmackhafte Lebensmittel stumpft4 und die Anfälligkeit für Fettleibigkeit erhöht4 - assoziiert Lerndefizite zur Vermeidung von Handlungen mit negativen Folgen41. Der Verlust der hemmenden Kontrolle über Verhaltensweisen, die sich negativ auswirken können, ist ein charakteristisches Merkmal sowohl von Fettleibigkeit als auch von Drogenabhängigkeit, bei denen das Konsumverhalten trotz negativer sozialer, gesundheitlicher oder finanzieller Konsequenzen fortbesteht. Das Verhalten bei der Einnahme von Kokain bei Ratten mit einer umfangreichen Medikamenteneinnahme in der Vorgeschichte kann unflexibel und resistent gegen Störungen durch einen aversiv konditionierten Stimulus werden, der ein negatives Ergebnis vorhersagt (Fußschock) 18. In ähnlicher Weise verbringen Mäuse, die zuvor Zugang zu einer schmackhaften fettreichen Ernährung hatten, mehr Zeit in einer aversiven Umgebung (hell beleuchtet), um das schmackhafte Futter zu erhalten, als Mäuse, die keine Erfahrung mit der Ernährung hatten42. Wir fanden heraus, dass ein wohlschmeckender Futterkonsum bei Ratten mit erweitertem Zugang zur Cafeteria-Diät ähnlich unempfindlich gegenüber einem aversiven konditionierten Stimulus war. In Übereinstimmung mit einer Rolle für striatale D2Rs in diesem Effekt wurde zwanghaftes Essen bei den striatalen D2R-Knockdown-Ratten gefunden, die zuvor 14 Tage erweiterten Zugang zur Cafeteria-Diät hatten, jedoch nicht in den Kontrollgruppen. Aus Sicht der Neurokreisläufe könnte ein erweiterter Zugang zu schmackhafter Nahrung Plastizität in kortikostriatalen Bahnen auslösen, wodurch Tiere anfälliger für die Entwicklung zwanghafter Verhaltensweisen werden, wobei Defizite in der striatalen D2R-Signalübertragung diesen Prozess verstärken. In der Tat korreliert eine verringerte striatale D2R-Dichte bei adipösen Personen mit einem verringerten Metabolismus in präfrontalen und orbitofrontalen kortikalen Bereichen43, die eine hemmende Kontrolle über das Verhalten ausüben44.

Insbesondere wurde der zwanghafte Konsum von schmackhafter Nahrung nur bei den Knockdown-Ratten festgestellt, die zuvor einen erweiterten Zugang zur Cafeteria-Diät hatten, nicht bei Kontrollratten, die über denselben Zeitraum einen längeren Zugang zur Cafeteria-Diät hatten, noch bei Knockdown-Ratten Nur-Chow-Zugriff. Der Hauptunterschied zwischen den Knockdown-Ratten mit vorherigem erweitertem Zugang zu den anderen Gruppen bestand in ihren anhaltend erhöhten BSR-Schwellenwerten. Dies könnte die üblichen neurobiologischen Ursprünge der Belohnungshypofunktion und die Entstehung zwanghafter Ernährung widerspiegeln, die zeitlich zusammenfallende, aber unabhängige Phänomene sind. Alternativ kann eine durch Ernährung induzierte Belohnungs-Hypofunktion als Substrat für eine negative Verstärkung dienen, die die Entwicklung zwanghafter Ernährung 14, 32, 33 erleichtert. Unabhängig von den zugrundeliegenden Mechanismen zeigen unsere Ergebnisse, dass bei adipösen Ratten süchtigmachende zwanghafte Reaktionen auf wohlschmeckende Nahrung auftreten können, und weisen darauf hin, dass Defizite bei striatalen D2R-Signalen die Anfälligkeit für die Entwicklung dieses Verhaltens erhöhen.

Zusammenfassend haben wir festgestellt, dass eine Überstimulation der Belohnungssysteme im Gehirn durch übermäßigen Verzehr von wohlschmeckender, energiedichter Nahrung einen tiefgreifenden Zustand der Belohnungsempfindlichkeit und die Entwicklung zwanghafter Ernährung auslöst. Diese maladaptiven Verhaltensreaktionen bei fettleibigen Ratten beruhen wahrscheinlich auf ernährungsbedingten Defiziten bei der striatalen D2R-Signalgebung. Übermäßiger Konsum von Missbrauchsdrogen senkt in ähnlicher Weise die striatale D2R-Dichte, führt zu einer tiefgreifenden Belohnungshypofunktion und löst zwangsähnliche Drogenkonsumverhalten aus. Unsere Ergebnisse unterstützen daher die bisherigen Arbeiten 4, 19, 42, 45, 46, 47, indem sie darauf hinweisen, dass Fettleibigkeit und Drogenabhängigkeit aus ähnlichen neuroadaptiven Reaktionen in Gehirnbelohnungskreisläufen resultieren können.

Methoden

Ratten.

Männliche Wistar-Ratten mit einem Gewicht von 300-350 g zu Beginn der Experimente wurden von Charles River erhalten. Bei der Ankunft wurden die Ratten einzeln bei konstanter Temperatur in einem 12-h-Licht-Dunkel-Zyklus gehalten (Lichter an 2200 h). Den Ratten wurde für die Dauer des Experiments nach Belieben Zugang zu Standardlaborfutter und Wasser gewährt. Alle Verfahren wurden vom Institutional Animal Care & Use Committee von Scripps, Florida genehmigt. Die Ratten wurden gemäß den Richtlinien der National Institutes of Health bezüglich der Grundsätze der Tierpflege behandelt.

Chirurgische Maßnahmen.

Mit BSR-Stimulationselektroden präparierte Ratten wurden zunächst durch Inhalation von 1-3% Isofluran in Sauerstoff anästhesiert und in einem stereotaktischen Rahmen (Kopf) positioniert. Bipolare BSR-Elektroden (11 mm lang) wurden in den posterioren lateralen Hypothalamus implantiert (anteroposterior, -0.5 mm von Bregma; mediolateral, ± 1.7 mm von der Mittellinie; dorsoventral, 8.3 mm von Dura; der Incisor-Stab wurde auf 5 mm über der interauralen Linie eingestellt ) 47. Ratten, die Virusinjektionen erhielten, wurden auch mit bilateralen Führungskanülen (23-Messgerät, 14 mm lang), die über dem Striatum (anteroposterior, 2.8 mm aus Bregma) positioniert waren, präpariert, mediolateral ± 3.1 mm aus der Mittellinie; dorsoventral, - 2.4 mm aus Dura und gefüllt mit 48-mm-Stiletten. Vier Edelstahl-Schädelschrauben und Dentalacryl fixierten die Elektrode und die Kanülen. Die Operationswunde wurde einmal alle 14 h für 12 d nach der Operation mit einem topischen Antibiotikum behandelt. Die Ratten konnten sich von 5-7 d nach einer Operation erholen und wurden dann im BSR-Schwellenverfahren trainiert.

BSR-Verfahren.

Die Ratten wurden trainiert, um auf BSR-Stimulation gemäß einem Verfahren mit diskreten Versuchsstromschwellen zu reagieren, das dem an anderer Stelle beschriebenen 10, 14 ähnelt. Kurz gesagt, die BSR-Strompegel wurden in abwechselnden absteigenden und aufsteigenden Reihen in 5-μA-Schritten variiert. In jeder Testsitzung wurden vier abwechselnd absteigende / aufsteigende Serien präsentiert. Der Schwellenwert für jede Serie wurde definiert als der Mittelpunkt zwischen zwei aufeinander folgenden Stromintensitäten, auf die Ratten in mindestens drei der fünf Studien angesprochen haben, und zwei aufeinander folgenden Stromintensitäten, auf die Ratten in drei oder mehr der fünf Studien nicht ansprachen. Der Gesamtschwellenwert der Sitzung wurde als Mittelwert der Schwellenwerte für die vier einzelnen Serien definiert. Jede Testsitzung dauerte ungefähr 30 min. Stabile BSR-Schwellenwerte wurden definiert als ≤10% Variation der Schwellenwerte über 5-aufeinanderfolgende Tage, die normalerweise nach 10-14 d des Trainings festgelegt wurden. Die Antwortwartezeit für jede Testsitzung wurde als mittlere Antwortwartezeit aller Versuche definiert, in denen eine positive Antwort auftrat.

Virale Verpackung und Lieferung.

Kurze Haarnadel-RNA wurde unter Verwendung des pRNAT-U6.2 / Lenti-Vektorsystems (GenScript) abgegeben und konstitutiv exprimiert. Viruspartikel wurden gemäß dem Protokoll des Herstellers hergestellt. Kurz gesagt wurden HEK 293FT-Zellen mit einem Vektor transfiziert, der das shRNA-Insert (5'-GGATCCCGCGCAGCAGTCGAGCTTTCTTCAAGAGAGAAAGCTCGACTGCTGCGCTTTTTTCCAACTCGAG-3 ') enthielt, oder der leere Vektor plus ViraPower Packaging Mix (Invitrogen) für 72 h (ViraPower Packaging Mix (Invitrogen). Der Überstand wurde dann gesammelt und durch Ultrazentrifugation (24 g, Rotor Beckman Coulter SW 76,755 TI, 32 min, 90 ° C) konzentriert, und der Virustiter wurde durch fluoreszenzaktivierte Zellsortierung gemäß den Anweisungen des Herstellers bestimmt. Das Virus wurde aliquotiert und bis zur Verwendung in lichtgeschützten Kisten bei –4 ° C gelagert.

Ratten mit stabilen BSR-Schwellenwerten erhielten bilaterale Virusinjektionen an drei Stellen im Striatum jeder Gehirnhälfte (2 μl pro Injektion, 1 μl min-1, 1 min zwischen den Injektionen, insgesamt sechs Injektionen pro Ratte). Ratten durften sich mindestens 2-3 d von intrastriatalen Injektionen erholen, bevor die BSR-Schwellenwertbewertung wieder aufgenommen wurde. Die tägliche BSR-Schwellenwertbewertung wurde für 33 d nach Virusinjektionen fortgesetzt, um sicherzustellen, dass ein maximaler striataler D2R-Knockdown erreicht wurde, bevor Ratten Zugang zur Cafeteria-Diät gewährt wurden. Es gab keine Unterschiede in den BSR-Schwellenwerten zwischen den Lenti-Control- und Lenti-D2Rsh-Ratten während dieser 33-D-Werte (Daten nicht gezeigt).

Immunoblotting.

Ratten wurden ungefähr 1 h nach ihrem regelmäßig geplanten Zugang zur Cafeteria-Diät getötet und das Gehirn schnell entfernt. Gehirnschnitte mit einer Dicke von ~ 1-2 mm wurden unter Verwendung einer koronalen Gehirnmatrix (1-mm-Schichtintervall; Plastics One) auf einem Eisblock hergestellt, und es wurden Gewebeschläge von dorsalem Striatum (Bregma: ~ 2.2 bis -0.26 mm) genommen. Striatale Gewebestempel wurden schnell gesammelt, schnappgefroren und bis zur Verwendung bei -80 ° C aufbewahrt. Einzelne Proben wurden auf Eis aufgetaut und gleiche Mengen an striatalem Gewebe wurden auf Basis einer gewichtsabhängigen mittleren Aufteilung der Zugangsgruppen (7-10-Ratten pro Pool) gepoolt. Das Gewebe wurde in 500 μl eiskaltem RIPA-Puffer (Thermo Scientific), enthaltend Natriumorthovanadat, Phosphatase-Cocktail-Inhibitoren 1 und 2 (Sigma-Aldrich), Leupeptin und Pepstatin, vor der Homogenisierung resuspendiert. Die Gewebslysate wurden 10 min in Probenpuffer gekocht und auf 4% -20% oder 10% Tris-Glycin-SDS-Gele (Invitrogen) geladen. Das Protein wurde auf Nitrocellulosemembranen übertragen, für 1 h bei ~ 23 – 25 ° C (5% fettfreie Trockenmilch und 0.2% Tween-20 in PBS, pH 7.4) blockiert und über Nacht bei 4 ° C in Primärantikörper inkubiert. Die folgenden primären Antikörper wurden in Blocklösung verdünnt: D2R-Maus monoklonal (Santa Cruz, 1: 100) oder β-Actin-Maus monoklonal (Santa Cruz, 1: 200). Chemilumineszenz-ECL-Reagenz wurde nach Inkubation mit mit Meerrettichperoxidase konjugierten sekundären Antikörpern (Amersham, 1: 2,000) zugegeben. Die reife Membran-assoziierte Form von D2DR (70 kDa) 17, 49 wurde auf eine Proteinladekontrolle (β-Actin; 43 kDa) normalisiert und mittels Densitometrie unter Verwendung von NIH Image J-Software quantifiziert.

Immunochemische Analyse.

Die Ratten wurden anästhesiert und mit 4% Paraformaldehyd in PBS (pH 7.6) transkardial perfundiert. Die Gehirne wurden entfernt, über Nacht nachfixiert und mindestens 30 h in Saccharose (7.4% ige Lösung in PBS, pH 72) aufbewahrt. Gefrorene Gewebeschnitte (Dicke 30 & mgr; m) wurden aus einem Mikrotom gesammelt und blockiert (3% BSA, 5% normales Ziegenserum und 0.3% Triton X-100 in PBS) für 1 h bei ~ 23-25 ° C. Die folgenden primären Antikörper wurden zu der Blocklösung gegeben und über Nacht bei 4 ° C inkubiert: Hühnerpolyklonal zu GFP (Abcam, 1: 1,000); Kaninchen monoklonal gegen GFAP (Millipore, 1: 1,000); Maus monoklonal zu NeuN (Millipore, 1: 1,000). Die Schnitte wurden mit fluoreszenzfarbstoffkonjugierten Sekundärantikörpern bei ~ 23-25 ° C inkubiert: Anti-Huhn-488-nm-Farbstoff (Jackson ImmunoResearch, 1: 1,000), Anti-Kaninchen-594-nm-Farbstoff (Invitrogen, 1: 1,000) ) und einen Anti-Maus-594-nm-Farbstoff (Invitrogen, 1: 1000). Die Abschnitte wurden mit Vectashield-Montagemedien mit DAPI (Vector Labs) und Deckglas versehen. Bilder wurden unter Verwendung eines Olympus BX61-Fluoreszenzmikroskops (× 2-Objektiv) oder eines Olympus-Konfokalmikroskops (× 10- und × 100-Objektive) aufgenommen.

Fütterungsverfahren.

Die Ratten wurden einzeln auf Papierbettwäsche (Alphapads; Shepherd Specialty Papers) untergebracht, um zu verhindern, dass Lebensmittelprodukte mit losen Bettwaren verschmutzt werden. Die Cafeteria-Diät bestand aus Speck, Wurst, Käsekuchen, Pfundkuchen, Zuckerguss und Schokolade, die einzeln gewogen wurden, bevor sie den Ratten zur Verfügung standen. Die Cafeteria-Diätprodukte wurden in kleinen Metallbehältern geliefert. Alle Lebensmittel, einschließlich Standardlaborfutter, wurden nach Beendigung der Fütterung erneut gewogen. Die Kalorienaufnahme aus den verschiedenen Makronährstoffen wurde anhand der Nährwertangaben des Herstellers berechnet.

Cue-induzierte Unterdrückung des Fütterungsverhaltens.

Fütterungsvorgänge fanden in schallgedämpften Betriebskammern statt, deren Abmessungen mit denen der BSR-Experimente identisch waren. Die Ratten wurden in eine Operantenkammer gebracht und hatten 30 Minuten lang Zugang zur Cafeteria-Diät oder zum Futter. Die Lebensmittel wurden in kleinen Metallbehältern geliefert. Alle Futtermittel wurden vor und nach den Fütterungssitzungen gewogen, die während der normalen Fütterungsperiode der Ratten durchgeführt wurden. Der Futterverbrauch wurde durch den Verbrauch von 45-mg-Futterpellets bewertet, deren Zusammensetzung mit dem in den Heimkäfigen der Ratten bereitgestellten Futter identisch war. Den Ratten wurde dann 30 Minuten Zugang pro Tag zur Cafeteria-Diät gewährt, bis eine stabile Aufnahme erreicht war (definiert als <10% Variation der täglichen Aufnahme), was 5–7 Tage erforderte. Nach der Stabilisierung der schmackhaften Nahrungsaufnahme während dieses Basiszeitraums wurden Ratten in jeder Zugangsbedingung zwei Gruppen zugeordnet: bestraft (diejenigen, die einen Fußschock erhielten) und ungestraft (die keinen Fußschock erhielten). Die Ratten wurden dann an aufeinanderfolgenden Tagen vier Konditionierungssitzungen in derselben Operationskammer unterzogen, in der sie zuvor Zugang zu dem schmackhaften Futter hatten. Während der 30-minütigen Konditionierungssitzungen wurde ein Hinweislicht (konditionierter Stimulus) für 10 Minuten aktiviert, für 10 Minuten ausgeschaltet und dann für 10 Minuten wieder eingeschaltet. Bestrafte Ratten erhielten nur während der Präsentation des Cue-Lichts einen Fußschock (0.5 mA für 1.0 s; 10 Stimulationen mit Intervallen von ~ 1 min). Die ungestraften Ratten wurden auf die gleiche Weise mit dem Hinweislicht versehen, jedoch ohne die Abgabe eines Fußschocks. Am Testtag, dem Tag nach der letzten Konditionierungssitzung, erhielten Ratten in den bestraften Gruppen einen intermittierenden Fußschock (insgesamt fünf Stimulationen), gepaart mit einer Aktivierung des Cue-Lichts für 5 Minuten. Die ungestraften Ratten wurden in Abwesenheit eines Fußschocks erneut dem Queue-Licht ausgesetzt. Nach der 5-minütigen Bestrafungsperiode wurde allen Ratten für eine 30-minütige Sitzung Zugang zu dem schmackhaften Futter gewährt, wobei der konditionierte Stimulus intermittierend aktiviert wurde (10-minütiges Cue-Licht an, 10-minütiges Cue-Licht aus, 10-minütiges Cue-Licht an).

Statistische Analysen.

Basislinienbelohnungsschwellenwerte wurden als Durchschnittsschwellenwert für 5 d vor dem Zugang zur Cafeteria-Diät für jedes Subjekt definiert. Die Belohnungsschwellenwerte wurden als prozentuale Änderung gegenüber dem Schwellenwert der Basislinie ausgedrückt. Die Daten zum prozentualen Anteil der Basisbelohnungsschwellenwerte, zur Gewichtszunahme, zum Kalorienverbrauch und zum Kalorienverbrauch aus Fett wurden durch eine Zweifaktoren-Varianzanalyse mit wiederholten Messungen mit Zugang (nur Chow-Chow, eingeschränkter Zugang oder erweiterter Zugang), Kalorienquelle ( Standard-Chow- oder Cafeteria-Diät), Virus (Lenti-control oder Lenti-D2Rsh) und Cue (gepaart oder ungepaart mit Bestrafung) als Faktoren der Zwischen-Subjekte und Zeit als In-Subjekt-Faktoren. Gegebenenfalls wurden die Haupteffekte in den Varianzanalysen durch Bonferroni-Post-hoc-Tests weiter analysiert. Alle statistischen Analysen wurden mit der GraphPad Prism-Software durchgeführt.

Bibliographie

Bibliographie

Korrespondenz:

· Paul J Kenny ([E-Mail geschützt] )