Imágenes de resonancia magnética con manganeso para mapear los patrones de actividad cerebral total asociados con la ingesta de bocadillos en ratas alimentadas a voluntad (2013)

Introducción

La hiperfagia, que está asociada con la hiperalimentación calórica, contribuye sustancialmente al desarrollo de la obesidad y las complicaciones relacionadas con la obesidad en las sociedades industriales. [ 1 ]. Mientras que la hiperfagia homeostática es causada por una alteración del sistema homeostático que regula el hambre y la saciedad, la hiperfagia hedónica es bastante independiente de la saciedad. [ 1 ]. Los mecanismos, sin embargo, que anulan la regulación fisiológica del hambre y la ingesta de alimentos no están completamente aclarados. Bajo ciertas condiciones, la ingesta de alimentos puede activar el sistema de recompensa del cerebro de una manera que compensa en exceso el control homeostático del apetito [ 2 ]. La hiperfagia hedónica resultante está influenciada por varios factores, como el estado emocional del consumidor, las condiciones de salud mental o la falta de sueño. [ 1 ]. Además, la composición molecular de los alimentos y la densidad de energía parecen ser factores importantes en la inducción de la hiperfagia hedónica. Está bien documentado que los "alimentos sabrosos" pueden provocar hiperfagia en humanos y animales [ 3 ], [ 4 ]. Los episodios de atracones en humanos, por ejemplo, a menudo involucran alimentos ricos en grasas o azúcares, o ambos [ 5 ].

La ingesta de alimentos en el estado de hambre desencadena un complejo sistema de recompensa en el cerebro que incluye el núcleo accumbens y el pálido ventral en el estriado ventral, el área tegmental ventral en el cerebro medio, la corteza prefrontal, el hipocampo y la amígdala [ 6 ]. Estos patrones de activación están más probablemente asociados con la liberación de dopamina, por ejemplo, en el núcleo accumbens o el cuerpo estriado dorsal. [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], procesos que también se activan en la adicción a las drogas. [ 10 ]. Sin embargo, en condiciones homeostáticas, las señales de saciedad desencadenan estructuras cerebrales como el tronco cerebral caudal, el hipotálamo, en particular el núcleo arqueado o núcleo solitario, que limitan la ingesta de alimentos, por ejemplo, disminuyendo su valor de recompensa. [ 6 ], [ 11 ]. Se había observado que ciertos tipos de alimentos, como una dieta alta en grasas o en la cafetería, inducen un aumento en la ingesta de alimentos y / o energía que conduce eventualmente a la obesidad. Las ratas alimentadas a voluntad, por ejemplo, que tenían acceso restringido a una dieta de cafetería, desarrollaron un comportamiento de alimentación similar al atracón durante el período de acceso. [ 10 ]. Por lo tanto, se puede suponer que algunos componentes de los alimentos pueden anular la regulación de la saciedad que resulta en la ingestión de alimentos independiente del hambre.

Curiosamente, se demostró que en ratones, el aumento inicial de la ingesta de alimentos y calorías inducido por la grasa se compensa después de un período de dos semanas [ 12 ]. Por lo tanto, se sugirió que la ingesta crónica de una dieta alta en grasas disminuye el efecto gratificante de los alimentos, lo que conduce a la desorganización del patrón de alimentación, lo que finalmente resulta en sobrepeso. [ 13 ].

Para hacer frente a la hiperfagia hedónica como un importante contribuyente de la obesidad en las sociedades industriales y sus implicaciones para el sistema de atención médica, es importante comprender los procesos cerebrales que son desencadenados por ciertos tipos de alimentos asociados con los episodios de atracones hedónicos. La aplicación de técnicas de imágenes de cerebro completo no invasivas, como la imagen de resonancia magnética funcional (IRM) para analizar la influencia de la ingesta de alimentos en la actividad cerebral, está limitada en su enfoque clásico, impulsado por estímulos, mediante la sincronización necesaria de la ingesta de alimentos y la RMN. Para monitorear los efectos a largo plazo sobre la actividad cerebral, se ha empleado la MRI mejorada con manganeso (MEMRI). El agente de contraste manganeso se acumula en las estructuras cerebrales activadas y refleja una medida integral de la actividad neuronal [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ]. MEMRI permite desacoplar el análisis de la actividad cerebral de la medición de MRI. Para ello, MnCl.₂ Se inyecta antes de la medición de MRI. Iones de manganeso (Mn²⁺) tienen un radio iónico similar y la misma carga que los iones de calcio (Ca²⁺). Por lo tanto, mn²⁺ Se transporta a través de canales de calcio regulados por voltaje a células excitables. En contraste con el Ca²⁺sin embargo, Mn²⁺ Se acumula en las células proporcionalmente a su actividad y se puede registrar posteriormente por MRI debido a su carácter paramagnético. Por lo tanto, se puede registrar la actividad cerebral asociada a eventos que tuvieron lugar hasta varios días antes de la medición de MRI. Por lo tanto, la principal ventaja de esta técnica es la posibilidad de desenredar el estímulo (alimentación) y la medición de MRI. Adicionalmente, Mn²⁺ Se puede reubicar mediante transporte axonal a otras áreas del cerebro. El mayor inconveniente de Mn²⁺Sin embargo, es su citotoxicidad, que puede influir considerablemente en el comportamiento natural y limita la aplicación en los estudios de comportamiento. Se demostró que la inyección subcutánea de MnCl₂ en concentraciones suficientes para el análisis de MRI resultó en una disminución persistente en el rendimiento motor y la ingesta de alimentos, así como en la pérdida de peso [ 17 ]. Recientemente, sin embargo, se introdujeron bombas osmóticas en los estudios MEMRI. MnCl₂ es administrado por bombas osmóticas, que liberan la solución lenta y continuamente durante un período de hasta siete días, evitando los efectos adversos sobre la actividad motora, pero proporcionando suficiente acumulación de manganeso para el análisis de MRI [ 17 ].

El presente estudio probó la utilidad del análisis MEMRI asistido por bomba osmótica para explorar toda la actividad cerebral asociada con la ingesta de alimentos. El método se aplicó para desentrañar los patrones específicos de activación cerebral de la ingesta de papas fritas en ratas alimentadas a voluntad.

Materiales y Métodos

1. Declaración de Ética

Este estudio se realizó en estricto cumplimiento de las recomendaciones de la Guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio de los Institutos Nacionales de la Salud. El protocolo fue aprobado por el Comité de Ética de los Experimentos con Animales de la Universidad de Erlangen-Nuremberg (Regierung Mittelfranken, Número de permiso: 54-2532.1-28 / 12). Toda la cirugía y los experimentos de RM se realizaron con anestesia con isoflurano y se hicieron todos los esfuerzos para minimizar el sufrimiento.

2. Diseño experimental y análisis de comportamiento.

Ratas Wistar macho (peso inicial 257 ± 21 g, mantenidas en un ciclo 12 / 12 h de oscuridad / luz, compradas en Charles River, Sulzfeld, Alemania) se dividieron al azar en dos grupos (cuatro jaulas por grupo, cuatro animales por jaula). Cada grupo recibió uno de los diferentes alimentos adicionales a sus pellets estándar (Altromin 1326, Altromin, Lage, Alemania). El grupo de alimentos de aperitivo (n = 16, peso corporal inicial 258 ± 28 g) recibió papas fritas (papas fritas saladas sin sabor comerciales sin compuestos de sabor agregado o mejorador del sabor, en particular sin glutamato monosódico triturado por un procesador de alimentos) y el grupo de comida estándar (el peso corporal inicial 256 ± 21 g) recibió un chow estándar en polvo (Altromin 1321, n = 16), respectivamente. Las pastillas de comida estándar se ofrecieron a voluntad durante todo el curso del estudio, el alimento de prueba (papas fritas trituradas o comida estándar en polvo, respectivamente), se ofreció a voluntad durante la fase de entrenamiento y la fase de manganeso además de las bolitas de comida estándar (ver Figura 1 y XNUMX para diseño experimental). Para el entrenamiento, los alimentos de prueba se presentaron en dos dispensadores de alimentos que contenían alimentos de prueba idénticos en el lado derecho e izquierdo de la jaula durante un período de siete días (fase de entrenamiento), seguidos de siete días intermedios (fase intermedia) sin alimentos de prueba. Posteriormente, bombas osmóticas llenas de cloruro de manganeso (MnCl).₂, ver más abajo para detalles) fueron implantados. Durante el período de la inyección por goteo (siete días, grupo de chow estándar: 163 ± 5 h, grupo de comida rápida 166 ± 4 h) y acumulación de MnCl₂ en el cerebro de rata (fase de manganeso), los animales tuvieron acceso ad libitum al alimento de prueba familiar desde la fase de entrenamiento. Debido a que las pastillas de comida estándar y el agua del grifo estaban disponibles ad libitum durante todas las fases del estudio, los animales no se mantuvieron en ayunas en ningún momento durante el estudio. Las estructuras cerebrales activas fueron escaneadas por MEMRI después de este período de MnCl₂ administración_. Durante las diferentes fases, la cantidad de alimentos ingeridos se midió mediante el pesaje diferencial de los dispensadores de alimentos dos veces al día. La ingesta de energía se determinó multiplicando los valores calóricos de los alimentos de prueba con las cantidades ingeridas. La ingesta de alimentos se correlacionó positivamente con el peso corporal inicial de las ratas. Sin embargo, la correlación fue similar para ambos tipos de alimentos de prueba y la distribución del peso corporal inicial no difirió significativamente entre ambos grupos.

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Figura 1. Diseño del estudio.

Descripción general del diseño del estudio para monitorear la influencia de la composición de los alimentos en los patrones de actividad cerebral total mediante imágenes de resonancia magnética con manganeso.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g001

Además, la actividad locomotora asociada con los alimentos de prueba se cuantificó mediante la evaluación de imágenes grabadas por cámaras web sobre las jaulas (una imagen por diez segundos) mediante "conteos" definidos. Un "recuento" se definió como "una rata muestra la actividad locomotora cerca de los dispensadores de alimentos en una imagen". La prueba t de Student se usó para evaluar diferencias significativas en la actividad locomotora de las ratas en los diferentes grupos durante 24 h por día con contenedores de una hora durante siete días como media de cuatro jaulas (animales 16) por grupo.

3. Preparación e implantación de las bombas osmóticas.

Se utilizaron bombas mini-osmóticas (Alzet®, modelo 2001, Durect Corporation, Cupertino, CA, EE. UU.) Para la aplicación del agente de contraste (200 µL de una solución 1 M de MnCl).₂, para biología molecular, BioReagent, Sigma Aldrich, Schnelldorf, Alemania) según [ 17 ]. Para el uso en MRI, el moderador de flujo de acero inoxidable fue reemplazado por un tubo médico PEEK ™ (Scientific Commodities, Lake Havasu City, AZ, EE. UU.). Las bombas osmóticas llenas se incubaron en solución salina isotónica para 12 h antes de la implantación. Durante los siete días de inyección por goteo, MnCl.₂ fue lanzado con un caudal de 1 µL h^-1.

En la tarde del primer día de la fase de manganeso (ver Figura 1 y XNUMX), se implantaron bombas osmóticas. Para este propósito, los animales se anestesiaron durante un tiempo máximo de 15 minutos con isoflurano (inicialmente 5% y 1.5% de mantenimiento, Baxter Deutschland, Unterschleißheim, Alemania) en aire médico y las bombas llenas se implantaron en tejido subcutáneo dorsal. Posteriormente, el pequeño corte se cerró con pegamento para tejidos (Histoacryl®, B. Braun Petzold, Melsungen, Alemania).

4. Medición MRI

Después de siete días de la fase de manganeso, se registraron las IRM. Los animales se anestesiaron con isoflurano (inicialmente 5% en aire medicinal) 163 ± 5 h (grupo de comida estándar) y 166 ± 4 h (grupo de alimentos de aperitivo) después de la implantación de las bombas osmóticas. La anestesia duró un máximo de 50 minutos para cada animal. Después de la inducción de la anestesia, los animales se colocaron en una cuna dentro de la tomografía de resonancia magnética (Bruker BioSpec 47 / 40, 200 mT / m, bobina cerebral de superficie en cuadratura). La temperatura corporal de los animales se mantuvo constante a 37 ° C por el agua caliente que circula en la cuna. La fijación de la cabeza de la rata y la anestesia continua con isoflurano se aseguró con una "máscara de nariz y boca" directamente debajo de la superficie de la bobina. Las funciones vitales de los animales se monitorizaron durante la medición a través de un sensor de respiración fijado debajo del pecho de la rata. Para mantener la frecuencia de respiración constante en aproximadamente 60 min.^-1, la concentración de isoflurano se ajustó en un rango entre 1% y 2%.

La medición se realizó utilizando una secuencia de transformada de Fourier de equilibrio (MDEFT) modificada: tiempo de repetición 4 s, tiempo de eco 5.2 ms, tiempo de inversión 1000 ms, con cuatro segmentos y una matriz de adquisición de 256 × 128 × 32, matriz de reconstrucción después de cero llenando 256 × 256 × 64 con una resolución de 109 × 109 × 440 µm, campo de visión 27.90 × 27.90 × 28.16 mm y dos promedios que resultan en un tiempo de medición de 17 min repetido dos veces.

5. Procesamiento de datos

Registro y preprocesamiento de imágenes 5.1.

Para investigar las diferencias en la anatomía / función cerebral, todos los conjuntos de datos tenían que transferirse a un sistema de coordenadas común. El objetivo era hacer coincidir la anatomía sin eliminar las diferencias relevantes. Esto se logró utilizando un esquema de registro no paramétrico, no rígido, que calculó un campo de deformación para un volumen de plantilla T, indicando un vector de traslación para cada voxel de tal manera que la similitud del volumen de plantilla deformado con el volumen de referencia R era maximo

El método de registro optimizó una función de energía que consiste en un término de datos que mide la similitud de los dos conjuntos de datos bajo la transformación actual (aquí información mutua), y un término de regularización que restringe la deformación permitida. En nuestro caso, la suavidad de la deformación se aseguró mediante la regularización de la curvatura del campo de deformación, tal como se introdujo en [ 18 ]. El registro se realizó mediante una implementación personalizada de los componentes de registro no rígidos empleados [ 19 ].

Primero, todos los conjuntos de datos pertenecientes a un grupo se registraron de forma no rígida en un volumen de referencia elegido aleatoriamente de ese grupo, y se calcularon el volumen promedio a nivel de grupo y un volumen de varianza. Posteriormente, todos los volúmenes promedio por grupo se registraron de forma no rígida en uno de los volúmenes, y el campo de deformación respectivo se aplicó al volumen de varianza por grupo. Finalmente, se calculó un volumen promedio general y un volumen de varianza. Mediante el análisis morfométrico (VBM) basado en voxel, se pudieron determinar significativamente diferentes áreas cerebrales activadas (estadísticas t) entre los dos grupos de alimentos. El uso de estadísticas de voxelwise en los conjuntos de datos registrados también permitió cancelar contrastes de tejidos básicos en las imágenes, que fueron los mismos en ambos grupos.

Procesamiento de valores de 5.2 Gray para análisis de estructura específica.

El análisis del valor de gris basado en estos conjuntos de datos registrados previamente se realizó en MagnAN (BioCom GbR, Uttenreuth, Alemania). Un registro basado en la superficie ajustó cada conjunto de datos de valor gris de MEMRI al atlas del cerebro de rata digital derivado de [ 20 ]. A continuación, para compensar las pequeñas diferencias de formas individuales, las diapositivas del atlas se ajustaron de manera precisa corte por corte para cada conjunto de datos guiado por los contornos del cerebro y el sistema ventricular. El atlas digital consistió en 166 preseleccionó distintas estructuras cerebrales. El área ventral tegmental (VTA) es una de las estructuras más pequeñas evaluadas, pero tiene un alto impacto en los resultados obtenidos. Tiene un volumen de 0.7914 mm.³ por hemisferio, es decir, voxels 152. En cada dimensión espacial, el VTA fue muestreado con más de voxels 4. Por lo tanto, se podrían evitar los efectos de volumen parcial, que podrían causar problemas de confusión importantes en nuestro análisis. Los valores grises medios de estas regiones se determinaron en los conjuntos de datos individuales. Para la normalización de los valores de gris de cada individuo, las puntuaciones z se calcularon dividiendo la diferencia entre el valor de gris de cada estructura cerebral individual y el valor de gris medio de todas las estructuras de atlas por la desviación estándar de los valores de gris de todas las estructuras de atlas. La prueba t de Student se utilizó para evaluar diferencias significativas de las estructuras cerebrales entre los dos grupos diferentes. El enfoque de análisis combinado permitió obtener las diferentes áreas significativas (VBM), así como la actividad de regulación hacia arriba y hacia abajo dentro de las regiones del atlas correspondientes (basadas en la región).

Resultados y discusión

1. Efecto de la dieta de bocadillos (papas fritas) en la ingesta de calorías y la actividad locomotora

El presente estudio investigó patrones específicos de actividad cerebral relacionados con la ingesta de bocadillos (papas fritas) en comparación con el chow estándar. La actividad cerebral relacionada con la ingesta del alimento de prueba en particular fue registrada por MEMRI, lo que permitió integrar la actividad cerebral durante el período de siete días de ingesta de alimentos (Figura 1 y XNUMX).

Además, se registraron la ingesta de alimentos y la actividad locomotora dependiente del alimento de prueba. Durante la fase de entrenamiento, las ratas alimentadas con comida estándar mostraron una actividad continuamente menor que las ratas alimentadas con papas fritas, especialmente en el período oscuro del ciclo de oscuridad / luz de 12 / 12. La ingesta de papas fritas indujo una mayor actividad con diferencias significativas en 10 de los puntos de tiempo de 24 en la fase de entrenamiento (Figura 2A).

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Figura 2. Actividad locomotora relacionada con la alimentación durante el acceso a bocadillos (papas fritas) o chow estándar.

Actividad locomotora relacionada con la alimentación de las ratas durante el acceso a bocadillos (papas fritas) o comida estándar en la fase de entrenamiento (A) y la fase de manganeso durante el MnCl₂ aplicación (B). Los datos se presentan como la media de 16 animales durante 7 días por grupo. *** p <0.001, ** p <0.01, p * <0.05.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g002

2. Aplicación de MEMRI asistida por bomba osmótica para el análisis de patrones de actividad cerebral total asociados con la dieta

Para el análisis de patrones cerebrales activos, se aplicó MEMRI asistida por bomba osmótica. Considerando que una dosis única de MnCl₂ llevó a una acumulación máxima de 24 h después de la inyección, la acumulación de manganeso en el cerebro a través de bombas osmóticas alcanzó una meseta después de tres días [ 17 ]. La concentración acumulada obtenida de Mn.²⁺ fue suficiente para el mapeo funcional que resultó en una relación señal / ruido similar a la obtenida mediante una inyección de una sola dosis de MnCl₂, pero la actividad motora no se vio afectada en estas condiciones. [ 17 ]. Diferencias en general Mn²⁺ Distribución debido a la diferente permeabilidad de las estructuras cerebrales a Mn.²⁺ Debe ser el mismo en ambos grupos. Se utilizaron las diferencias de puntuación Z entre los grupos para evaluar la actividad cerebral relacionada con los alimentos en lugar de los valores de puntuación z absolutos. En consecuencia, las áreas cerebrales que habían estado activas durante los siete días de la fase de manganeso se podían registrar mediante una sola medición de MRI (Figura 1 y XNUMX). En nuestro caso, el MEMRI asistido por la bomba osmótica brindó una visión completa de la actividad cerebral total probada por los alimentos.

El presente estudio registró una actividad motora total algo reducida durante la fase de manganeso en comparación con la fase de entrenamiento. (Figura 2B). Esto puede deberse a la implantación y al estrés asociado, a la citotoxicidad del manganeso oa los efectos de habituación relacionados con el alimento de prueba. Sin embargo, las ratas alimentadas con papas fritas mostraron una actividad claramente mayor en comparación con el control con una actividad significativamente mayor en cuatro puntos temporales. Este comportamiento fue similar a la fase de entrenamiento. De lo contrario, la cantidad de alimento ingerido no se alteró significativamente durante la fase de manganeso en comparación con la fase de entrenamiento con respecto a la luz de 12 h y el ciclo de oscuridad de 12 h. Se detectó una ingesta ligeramente mayor de bocadillos durante el ciclo de oscuridad de 12 h en comparación con el chow estándar tanto en el entrenamiento como en la fase de manganeso. (Figura 3A). Esto llevó a una mayor ingesta de energía a través de papas fritas en comparación con el chow estándar. La diferencia no fue significativa durante el período de luz 12 h, pero sí fue muy significativa durante el período de oscuridad 12 h, tanto durante la fase de entrenamiento como durante la fase de manganeso. (Figura 3B). Así, se concluyó que MnCl₂ la administración mediante bombas osmóticas es un método adecuado para mapear patrones de actividad en el cerebro específicos para diferentes alimentos ingeridos.

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Figura 3. Ingesta de alimentos y energía a través de aperitivos (papas fritas) y chow estándar.

Ingesta de alimentos (A) y energía (B) a través de bocadillos (SF, papas fritas) y chow estándar (STD) en ratas alimentadas ad libitum en la fase de entrenamiento (TP) antes y en la fase de manganeso (MnP) durante el MnCl₂ infiltración de la bomba durante un período de 7 d. La ingesta de alimentos por hora se determinó mediante pesaje diferencial, la ingesta energética multiplicando la cantidad de alimento ingerido por el contenido energético por separado durante el ciclo de 12 h de luz y de 12 h de oscuridad. Se muestra la media ± DE de 16 animales en cada grupo. *** p <0.001, ** p <0.01, p * <0.05, ns no significativo.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g003

Después de la normalización de la puntuación z, los datos de las imágenes se analizaron, por un lado, mediante un enfoque VBM, que resultó, puramente basado en datos, en áreas cerebrales activadas de manera significativamente diferente (Figura 4 y XNUMX). Por otro lado, el análisis adicional basado en la región que utiliza un atlas digital permitió determinar las regulaciones hacia arriba y hacia abajo de cada estructura de atlas etiquetada.

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Figura 4. Significativamente diferente acumulación de manganeso en el cerebro en relación con el chow estándar o la comida rápida (papas fritas).

En (A) la superposición de un conjunto de datos de la transformada de Fourier de equilibrio impulsada modificada media (MDEFT) reconstruida con el correspondiente corte de atlas (Bregma −5.28 mm) del atlas de Paxinos se muestra con una de las regiones analizadas más pequeñas (VTA) marcada en amarillo. Las partes (B), (C) y (D) muestran la acumulación de manganeso significativamente diferente en el cerebro de ratas alimentadas ad libitum con acceso adicional al chow estándar (STD) o refrigerio (SF, papas fritas) registrado por MEMRI. Las áreas del cerebro con actividad significativamente mayor debido a la ingesta de bocadillos en comparación con la ingesta de comida estándar están marcadas en rojo, las áreas del cerebro que mostraron una actividad significativamente mayor después de la ingesta de alimento estándar en comparación con la ingesta de bocadillos están marcadas en azul . Los datos fueron procesados ​​mediante análisis estadístico voxelwise. Los resultados se muestran en vista axial (B), horizontal (C) y sagital (D).

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g004

Significativamente se detectaron puntuaciones z diferentes en las áreas del cerebro 80 cuando se compararon los alimentos estándar con chow y snack (papas fritas) (mesas 1, 2, 3, 4). En general, ambas estrategias diferentes de análisis de datos llevaron a resultados comparables. La activación diferencial de MEMRI de las estructuras cerebrales más relevantes después de la ingesta de papas fritas en comparación con el alimento estándar se representa para las estructuras cerebrales seleccionadas (Figura 5 y XNUMX).

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Figura 5. Diferencias de activación relacionadas con los bocadillos (papas fritas) frente al chow estándar en estructuras cerebrales representativas.

Estadísticas de las diferencias de activación debidas a la ingesta de bocadillos (papas fritas) frente a la comida estándar en estructuras cerebrales representativas para el circuito motor (putamen caudado: CPu), el sistema límbico (corteza cingulada: CgCx), el sistema de recompensa (región de la cáscara) del núcleo accumbens: AcbSh, región central del núcleo accumbens: AcbC) y el ritmo de sueño / vigilia (núcleos tegmentales: Teg) representados en la columna de la izquierda según el atlas de referencia. La columna del medio muestra diferencias significativas del análisis VBM superpuesto en las etiquetas de atlas y anatomía de MRI ponderadas en T2 estándar correspondientes. La columna de la derecha muestra el cambio fraccional de bocadillos a comida estándar v (valores de gris MEMRI) *** p <0.001, ** p <0.01.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g005

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Tabla 1. Acumulación de manganeso en estructuras cerebrales relacionadas con la ingesta de alimentos.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.t001

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Tabla 2. Acumulación de manganeso en estructuras cerebrales relacionadas con la recompensa y la adicción.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.t002

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Tabla 3. Acumulación de manganeso en estructuras cerebrales relacionadas con el sueño.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.t003

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Tabla 4. Acumulación de manganeso en estructuras cerebrales relacionadas con la actividad locomotora.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.t004

La calidad de registro final alcanzada se representa en Figura 4A y Figura 5 y XNUMX.

3. Influencia de la ingesta de Snack Food (papas fritas) en los circuitos de recompensa y saciedad

En el presente estudio, la ingestión de papas fritas condujo a una variedad de diferentes cambios en la actividad de estructura específica, que se resumen en mesas 1, 2, 3, 4. Se encontró una actividad significativamente mayor para el núcleo y la cubierta del núcleo accumbens (lado derecho e izquierdo (R + L)), el globo pálido ventral (R + L) y el hipotálamo dorsomedial (R) y el núcleo talámico paraventricular anterior. Al mismo tiempo, el núcleo arqueado (L) y el núcleo tractus solitarius (R) se desactivaron en ratas que ingirieron papas fritas en comparación con animales alimentados con chow estándar. Los mecanismos centrales que regulan la ingesta de alimentos y el apetito se resumieron recientemente por Harrold et al. y Kenny [ 4 ], [ 21 ]: la regulación homeostática de la ingesta de alimentos es inducida principalmente por señales que reflejan un déficit de energía [ 21 ]. La ingesta de alimentos hedónicos, en contraste, parece estar impulsada por la activación de mecanismos de recompensa que compensan en exceso la regulación homeostática de la ingesta de alimentos. [ 21 ].

El núcleo del tracto solitario es el responsable del procesamiento de las señales periféricas que reflejan la ingesta de alimentos en curso, como la distensión gástrica o los niveles de glucosa de la vena porta que dan como resultado la desactivación de áreas cerebrales, como el núcleo accumbens, que eventualmente conducen a una regulación negativa de la ingesta de energía. [ 4 ], [ 22 ]. La inactivación del núcleo del tracto solitario por "comida sabrosa" puede estar mediada por una disminución de la sensibilidad de esta área del cerebro hacia las hormonas intestinales relacionadas con la saciedad. [ 4 ]. Similar al núcleo del tracto solitario, el núcleo hipotalámico arqueado se activa por señales periféricas que reflejan el estado nutricional. Está conectado a otras regiones del cerebro, como el núcleo paraventral y el núcleo hipotalámico dorsomedial, que controlan la ingesta de alimentos. [ 21 ], [ 23 ], [ 24 ]. Por lo tanto, se puede suponer que los cambios en la actividad del núcleo del tracto solitario, el núcleo arqueado, el hipotálamo dorsomedial y el núcleo talámico anterior ventricular, que se observaron en este estudio, reflejan una desactivación de los circuitos de saciedad central, lo que finalmente resulta en una La ingesta calórica supera la necesidad energética.

Además, se ha observado una fuerte activación del núcleo accumbens relacionado con la ingesta de papas fritas. El núcleo accumbens es una estructura clave del sistema de recompensa, que se activa, por ejemplo, recompensando las drogas. [ 9 ]. En el contexto de la ingesta de alimentos, la activación del núcleo accumbens resulta en una señal gratificante que induce la ingesta de alimentos hedónicos. Además, se registró una activación significativamente mayor en el consumo de papas fritas en áreas previamente atribuidas a los sistemas generales de recompensa o adicción, a saber, la corteza prelímbica (R + L) [ 25 ], [ 26 ], el subículo dorsal (R + L) [ 27 ], los núcleos del lecho de la estría terminalis (L) [ 28 ], tálamo mediodorsal (R + L) [ 26 ], [ 29 ], la corteza cingulada (R + L) [ 26 ], caudado / putamen (estriado ventral) (R + L) [ 26 ] y la corteza insular (R + L) [ 30 ]. El tálamo mediodorsal y la corteza insular también se han asociado al olfato o a la integración de un olfato con otras entradas sensoriales. [ 31 ]. El caudado y la ínsula también se asocian al ansia por drogas y alimentos. [ 32 ]. Otras estructuras cerebrales, que se han asociado con la recompensa y la adicción, mostraron una actividad significativamente menor después de la ingesta de bocadillos en comparación con la comida estándar: el rafe [ 33 ], el núcleo interpeduncular [ 34 ], el área tegmental ventral (R + L) [ 35 ], [ 36 ], y el subículo ventral (R + L) [ 37 ].

Estos resultados indican que el consumo de papas fritas está relacionado con la activación de los circuitos hedónicos de recompensa y, en paralelo, con la inactivación de los circuitos de saciedad homeostática. Ambos circuitos también están vinculados, principalmente por el núcleo paraventricular del tálamo, que actúa como una interfaz entre el balance de energía y la recompensa. [ 38 ]. Por lo tanto, el patrón de activación observado puede resultar en un mayor consumo de energía cuando se dispone de bocadillos, como las papas fritas.

Ahora se requieren estudios adicionales para revelar los componentes moleculares de las papas fritas, el papel de la densidad de energía, así como los mecanismos centrales y periféricos que conducen a una desregulación del control homeostático de la absorción de energía.

4. Influencia de la ingesta de Snack Food (papas fritas) en otras estructuras cerebrales relacionadas con la ingesta de alimentos

Además, después del consumo de bocadillos (papas fritas), se observó una activación más fuerte de esas estructuras cerebrales que previamente se han asociado con la ingesta de alimentos, el comportamiento del apetito y el control de los alimentos, como la corteza infralímbica (R + L) [ 36 ], [ 39 ], el hipotálamo lateral (R) [ 36 ], y el septum (R + L) [ 40 ].

Las estructuras cerebrales de los núcleos de rafe y lateral parabrachal (R), que también se han relacionado con la ingesta de alimentos, mostraron una actividad significativamente reducida después del consumo de papas fritas en comparación con el alimento estándar. [ 41 ]. El núcleo parabrial lateral ha sido asociado con regulación calórica, recompensa ingestiva, procesamiento cognitivo en la alimentación. [ 42 ], pero también con la ingesta de sodio y agua. [ 43 ]. Por lo tanto, la actividad reducida de esta estructura puede estar asociada con el mayor contenido de sal de las papas fritas en comparación con el chow estándar. Los resultados indican que, debido a su composición molecular, que resulta, por ejemplo, en una mayor densidad de energía, las papas fritas pueden activar las estructuras cerebrales asociadas con la recompensa y el control de la ingesta de alimentos de manera diferente a la comida estándar. Este efecto puede eventualmente modular la calidad y cantidad de alimentos o más bien la ingesta de energía.

5. Influencia de la ingesta de bocadillos (papas fritas) en estructuras cerebrales relacionadas con la actividad locomotora y el sueño

Además, seis estructuras cerebrales conectadas al movimiento y la actividad mostraron un Mn significativamente mayor²⁺ acumulación cuando las ratas tenían acceso a papas fritas en comparación con el chow estándar: la corteza motora primaria (R + L), la corteza motora secundaria (R + L) y el putamen caudado (R + L) [ 44 ]. La actividad significativamente elevada de las áreas motoras en los animales alimentados con papas fritas está de acuerdo con los estudios de comportamiento, que muestran una mayor actividad locomotora en este grupo (Figura 2A y B). El aumento de la actividad locomotora se ha relacionado antes con la ingesta de alimentos. Por lo tanto, se demostró, por ejemplo, que la grelina indujo la ingesta de alimentos gratificantes, así como la actividad locomotora en roedores, que probablemente esté relacionada con la estimulación del comportamiento de búsqueda de alimentos. [45], [46].

Finalmente, la ingestión de papas fritas se relacionó con una desactivación significativa de las estructuras cerebrales relacionadas con el sueño, a saber, el núcleo reticular lateral (R) [ 47 ], el núcleo reticular parvicelular (R + L) [ 47 ], el núcleo paragigantocelular lateral (R + L) [ 48 ], el núcleo gigantocelular (R + L) [ 49 ], [ 50 ], el núcleo oral reticular pontino (R + L) [ 51 ] y los núcleos tegmentales (R + L) [ 52 ]. La influencia de la composición de los alimentos en el comportamiento del sueño no se entiende completamente. Se ha demostrado que una ingesta a largo plazo (seis semanas) de una dieta alta en grasas condujo a un aumento de la frecuencia y la duración de los episodios de sueño. Este efecto, sin embargo, estuvo más bien relacionado con el desarrollo de la obesidad que con el consumo de energía en sí. [ 53 ]. Por otro lado, varios estudios revelaron que una aplicación a largo plazo de una dieta alta en grasas induce un aumento en la ingesta de alimentos durante el período de descanso diurno en ratones [ 12 ], [ 54 ]. El aumento de la ingesta diurna de alimentos está más probablemente relacionado con los cambios en el comportamiento del sueño y, en consecuencia, con la modulación de la actividad de la estructura cerebral relacionada con el sueño. Sin embargo, bajo las condiciones de alimentación a corto plazo aplicadas aquí, los bocadillos no indujeron un aumento significativo del peso corporal ni un cambio en el patrón de alimentación circadiano. Por lo tanto, especulamos que la desactivación de las estructuras cerebrales relacionadas con el sueño está relacionada con el aumento de la actividad locomotora y de búsqueda de alimentos, que puede suprimir el sueño.

Conclusiones

En resumen, MEMRI y el posterior análisis de las estructuras cerebrales activadas tanto por VBM como por el enfoque basado en la región de interés mostraron una activación específica similar, resp. Desactivación de numerosas estructuras cerebrales dependientes de los alimentos ingeridos. La ingesta de bocadillos (papas fritas) en comparación con el chow estándar de las ratas alimentadas ad libitum indujo diferencias significativas en los patrones de activación en las estructuras cerebrales que se habían asociado antes con la ingesta de alimentos, la recompensa / adicción, así como la actividad y el movimiento. Los aumentos en las estructuras de la actividad locomotora cerebral fueron acordes con el comportamiento del animal: los perfiles de actividad durante varios días mostraron que un mayor nivel de actividad locomotora de los animales se asoció con la ingesta de papas fritas. Se registró una actividad reducida en las estructuras cerebrales que son importantes para la regulación del ritmo de sueño-vigilia, especialmente del sueño REM.

Los cambios observados en los patrones de actividad cerebral relacionados con la ingesta de alimentos probablemente estén causados ​​por la composición molecular de los bocadillos, lo que resulta, por ejemplo, en una mayor densidad de energía. Además, el suministro de calorías por la merienda puede inducir la modulación de los patrones de actividad cerebral. Ahora se requieren estudios adicionales para revelar los factores desencadenantes de los cambios observados, ya sea mediante la introducción de un grupo de bocadillos con una ingesta de calorías del mismo nivel de control o probando los efectos de los componentes de los bocadillos en los patrones de actividad cerebral.