La integridad estructural entre las regiones de control ejecutivo y de recompensa del cerebro predice el porcentaje de grasa corporal en personas que hacen dieta crónica (2016)

Neurociencia Cognitiva
 

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

Páginas 1-5 | Recibido 19 Abr 2016, Aceptado 05 Sep 2016, Versión de autor aceptado publicado en línea: 23 Sep 2016, Publicado en línea: 11 Oct 2016

Compendio

El hecho de no mantener un peso corporal saludable puede reflejar un desequilibrio a largo plazo entre el control ejecutivo y los sistemas de recompensa del cerebro. El estudio actual examinó si la conectividad anatómica entre estos dos sistemas predecía la variabilidad individual para lograr un peso corporal saludable, particularmente en personas que hacen dieta crónica. Treinta y seis mujeres que realizaban dietas crónicas completaron una tarea de reactividad de indicios de alimentos en el escáner. Se definieron dos regiones de interés (ROI) a partir de la tarea de reactividad: el giro frontal inferior (IFG), que involucra el control cognitivo y la corteza orbitofrontal (OFC), que representa el valor de recompensa. Se identificó un tracto de materia blanca que conecta estos dos ROI entre los participantes mediante el uso de imágenes de tensor de difusión (DTI) y tractografía probabilística. Los resultados mostraron una relación negativa entre el porcentaje de grasa corporal y la integridad de la materia blanca dentro del tracto identificado. Esto sugiere que la integridad estructural reducida entre la OFC y la IFG puede estar relacionada con problemas de autorregulación para aquellos que realizan dietas crónicas para controlar el peso corporal.

PALABRAS CLAVE: Auto control, imágenes de tensor de difusión, Wireless, resonancia magnética funcional, diferencias individuales, obesidad

Introducción

La obesidad y la dieta han aumentado sustancialmente en las últimas décadas, y muchas personas que hacen dieta no logran perder peso durante largos períodos de tiempo y se convierten en personas que hacen dieta crónica (Andreyeva, Long, Henderson y Grode, 2010 Andreyeva, T., Long, MW, Henderson, KE y Grode, GM (2010). Tratando de perder peso: estrategias de dieta entre estadounidenses con sobrepeso u obesidad en 1996 y 2003. Revista de la Asociación Dietética Americana, 110 (4), 535 – 542. doi: 10.1016 / j.jada.2009.12.029[CrossRef], [PubMed]). Entre estos individuos, algunos aumentan aún más de peso después de años de dieta (van Strien, Herman y Verheijden, 2014 van Strien, T., Herman, CP y Verheijden, MW (2014). Contención dietética y cambio de masa corporal. Un estudio de seguimiento de 3 años en una muestra representativa de Holanda. Apetito, 76, 44 – 49. doi: 10.1016 / j.appet.2014.01.015[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), participando así en comportamientos que socavan sus objetivos. Una revisión exhaustiva de la obesidad sugiere que no solo la mayor sensibilidad a la recompensa a las señales alimentarias, sino también las fallas en la autorregulación también juegan un papel en la obesidad (Volkow, Wang, Tomasi y Baler, 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D. y Baler, RD (2013). Obesidad y adicción: superposiciones neurobiológicas. Revisiones de Obesidad, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Del mismo modo, las diferencias individuales en el logro o mantenimiento del éxito de una dieta a largo plazo pueden reflejar diferencias en la capacidad de autorregulación (Heatherton, 2011 Heatherton, TF (2011). Neurociencia del yo y autorregulación. Revisión anual de la psicología, 62 (1), 363 – 390. doi: 10.1146 / annurev.psych.121208.131616[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Según el modelo de equilibrio, tales resultados autorreguladores reflejan diferencias individuales en el equilibrio entre las regiones del cerebro involucradas en el control ejecutivo, por ejemplo, la circunvolución frontal inferior (IFG) y las regiones que representan el valor de recompensa, por ejemplo, la corteza orbitofrontal (OFC) (Heatherton Y Wagner, 2011 Heatherton, TF y Wagner, DD (2011). Neurociencia cognitiva del fracaso de la autorregulación. Tendencias en Ciencias Cognitivas, 15 (3), 132 – 139. doi: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Un equilibrio entre la recompensa y el control depende de la comunicación entre el IFG y la OFC (Wagner, Altman, Boswell, Kelley y Heatherton, 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM y Heatherton, TF (2013). El agotamiento autorregulador mejora las respuestas neuronales a las recompensas y deteriora el control de arriba hacia abajo. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), que se refleja en la conectividad entre ellos. Las diferencias individuales en la integridad estructural de estas vías anatómicas pueden predecir el resultado a largo plazo de una dieta crónica, como el porcentaje de grasa corporal.

Con el fin de aislar las regiones del cerebro que se sabe que participan en el procesamiento del valor apetitivo de los alimentos, utilizamos una tarea de reactividad de señal de alimentos para localizar las regiones de interés (ROI) de IFG y OFC mediante imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) . Las revisiones de esta investigación indican que las personas que hacen dieta crónica tienden a mostrar una actividad exagerada a las señales de comida apetitiva tanto en las regiones de recompensa como en las regiones involucradas en el control ejecutivo después de estar expuestas a condiciones asociadas con el fracaso de la dieta en el mundo real, como consumir alimentos ricos en calorías o ser agotado en su control cognitivo (Kelley, Wagner y Heatherton, 2015 Kelley, WM, Wagner, DD y Heatherton, TF (2015). En busca de un sistema de autorregulación humana. Revisión anual de neurociencia, 38(1), 389–411. doi:10.1146/annurev-neuro-071013-014243[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Volkow et al. 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D. y Baler, RD (2013). Obesidad y adicción: superposiciones neurobiológicas. Revisiones de Obesidad, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Por lo tanto, utilizamos una tarea de reactividad de indicios de alimentos para localizar la extensión de las regiones IFG y OFC involucradas en el procesamiento de indicios de alimentos, y luego utilizamos estas dos regiones como máscaras de semillas para la tractografía probabilística en un análisis de imágenes de tensor de difusión (DTI) para Calcular la integridad de la materia blanca entre estas dos regiones. El objetivo de este estudio fue utilizar un enfoque multimodal para aislar tractos de materia blanca entre las regiones definidas funcionalmente del IFG y OFC. Este enfoque ofrece una forma específica de examinar si la integridad estructural de este tracto predice la variabilidad de las personas que hacen dieta crónica en el porcentaje de grasa corporal. Planteamos la hipótesis de que las personas que hacen dieta crónica y que tienen el mayor porcentaje de grasa corporal mostrarían la integridad estructural más baja en el tracto que conecta el IFG y la OFC.

Métodos

Cuarenta mujeres diestras que hacen dieta crónica que obtuvieron una puntuación superior a 15 en la Escala de restricción, una medida de la dieta crónica (Heatherton, Herman, Polivy, King y McGree, 1988 Heatherton, TF, Herman, CP, Polivy, J., King, GA y McGree, ST (1988). La (mala) medición de la moderación: un análisis de cuestiones conceptuales y psicométricas. Revista de Psicología Anormal, 97(1), 19–28. doi:10.1037/0021-843X.97.1.19[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), fueron reclutados en este estudio de una muestra grande de estudiantes universitarios. Los participantes fueron evaluados para no tener antecedentes de anomalías metabólicas, psicológicas o neurológicas. Se excluyó a cuatro participantes debido a movimientos excesivos de la cabeza (más de 3 mm en la dirección x, y o z) durante el escaneo, lo que resultó en un tamaño de muestra de 36 personas que hacen dieta crónica. Las personas que hicieron dieta se pesaron utilizando una báscula Tanita (modelo TBF-300A Arlington Heights), que ha demostrado medir de manera confiable el porcentaje de grasa corporal. Entre estas personas que hacen dieta crónica, el porcentaje medio de grasa corporal fue del 29.6% (DE = 5.5%; rango = 16.6-38.2%) y el índice de masa corporal (IMC) medio fue de 23.9 (DE = 3.1%, rango = 17.2-33.7, Tabla 1) .

Tabla 1. Características demográficas y dietéticas de la población.

CSVTabla pantalla

Para localizar el ROI de IFG y OFC involucrado en el procesamiento de indicios de alimentos, utilizamos un paradigma de reactividad de indicios de alimentos como tarea localizadora. Antes de esta tarea de localizador, utilizamos una tarea de control inhibitorio que agotaba, ya que esta tarea ayuda a obtener una actividad de recompensa sólida (Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM y Heatherton, TF (2013). El agotamiento autorregulador mejora las respuestas neuronales a las recompensas y deteriora el control de arriba hacia abajo. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). En esta tarea de control inhibitorio agotador, se pidió a los participantes que vieran un video de 7 minutos sobre el borrego cimarrón canadiense con una serie de palabras distractoras que se movían desde la parte inferior hacia el centro de la pantalla en 3 s (40 palabras en total). Se instruyó a los participantes para que evitaran leer las palabras distractoras y solo se concentraran en ver el video. Inmediatamente después de la tarea de control inhibitorio de agotamiento, los participantes recibieron la tarea de reactividad de señal de comida. Esta tarea consistió en 90 imágenes de comida apetecible y otras 180 imágenes de personas o escenas naturales como imágenes de control. Cada imagen fue presentada durante 2000 ms y seguida de fijación durante otros 500 ms en un diseño relacionado con eventos. A los participantes se les indicó que hicieran un juicio interior / exterior para cada imagen presionando botones. Esta tarea de juicio hizo que los participantes mantuvieran su enfoque en esta tarea sin ser conscientes del propósito de nuestro estudio, que era localizar las regiones del cerebro que respondían a las señales alimentarias.

Los datos de fMRI de la tarea de reactividad de cue de alimentos se procesaron previamente y se analizaron con SPM8 (Wellcome Department of Cognitive Neurology, Londres, Inglaterra). Los procedimientos de preprocesamiento incluyeron corrección de movimiento, realineación, desobstrucción, normalización al espacio estándar y 6-mm de ancho total en la mitad máxima (FWHM) alisado del kernel gaussiano (consulte los Materiales suplementarios para obtener una descripción detallada de los parámetros de escaneo fMRI). Para cada participante, se calculó un modelo lineal general que incorporaba efectos de tarea y covariables sin interés y se resolvió con una función de respuesta hemodinámica canónica (HRF). Se crearon imágenes de contraste de control de alimentos para cada participante y luego se enviaron a un análisis de cerebro completo de efectos aleatorios, corregido para comparaciones múltiples con p <0.05 con simulaciones de Monte Carlo usando AlphaSim de AFNI (Figura 1 (a), Tabla S1). Las ROI de IFG y OFC se definieron en base a este análisis de todo el cerebro y se usaron como máscaras (Figura 1 (b)) en un método de siembra de dos máscaras para la tractografía probabilística DTI. Los datos de DTI se procesaron previamente y se analizaron con Diffusion Toolbox en FSL (Behrens et al., 2003 Behrens, T., Woolrich, MW, Jenkinson, M., Johansen-Berg, H., Nunes, RG, Clare, S.,… Smith, SM (2003). Caracterización y propagación de la incertidumbre en imágenes de RM ponderadas por difusión. Resonancia magnética en medicina, 50 (5), 1077 – 1088. doi: 10.1002 / mrm.10609[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Utilizamos un método de siembra de dos máscaras para garantizar que los mapas de tractografía solo incluyeran líneas de flujo que pasaran por ambas máscaras de semillas. Alrededor de 5000 se enviaron líneas de flujo probabilísticas desde cada vóxel dentro de ambas máscaras de semillas y estos resultados se normalizaron al espacio estándar del Instituto de Neurología de Montreal. Para determinar un mapa de tractografía común entre los individuos, los resultados de la tractografía de cada individuo fueron binarizados y superpuestos con todos los demás para crear un mapa de probabilidad del tracto a nivel de grupo. Para hacer que el mapa de tractografía sea robusto, se estableció un umbral con una probabilidad de 50% en todos los participantes en el espacio estándar (Figura 1 (c)). Este mapa de tractografía común se superpuso luego en las imágenes de anisotropía fraccional (FA) de cada participante (una medida general de la integridad o coherencia de la materia blanca) y se extrajeron los valores de FA de todos los vóxeles dentro de este mapa de tractografía. Para cada participante, se calculó una puntuación promedia de FA para representar la integridad de la materia blanca. Las puntuaciones de la edad, el IMC y la FA de los participantes se tomaron como variables independientes en el análisis de regresión múltiple con el porcentaje de grasa corporal como variable dependiente, examinando si las diferencias individuales en la integridad de la materia blanca reflejaban el éxito autorregulador a largo plazo en la dieta.

Figura 1. (a) El paradigma fMRI de reactividad de la señal de los alimentos provocó la activación en las regiones de OFC e IFG, de acuerdo con los hallazgos anteriores en la literatura. (b) Las regiones OFC e IFG del análisis fMRI se utilizaron luego como máscaras de semillas para el análisis de tractografía probabilística DTI. (c) A partir del análisis de DTI, luego delineamos una ruta de materia blanca entre el IFG y la OFC, que fue consistente entre los sujetos. La integridad de la materia blanca dentro de esta vía se correlacionó con la grasa corporal de cada sujeto. (d) El valor de FA extraído del tracto IFG-OFC mostró una correlación negativa con el porcentaje de grasa corporal (el área sombreada representa el intervalo de confianza del% de NUMX).

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Resultados

Los resultados del FMRI de la tarea de reactividad de la señal de alimentos revelaron que tanto el IFG como el OFC mostraron mayor actividad para los alimentos que las imágenes de control (Figura 1 (a), Tabla S1), en consonancia con los hallazgos de estudios anteriores (Lopez, Hofmann, Wagner, Kelley y Heatherton, 2014 López, RB, Hofmann, W., Wagner, DD, Kelley, WM y Heatherton, TF (2014). Predictores neuronales de ceder a la tentación en la vida diaria. Psychological Science, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Wagner et al. 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM y Heatherton, TF (2013). El agotamiento autorregulador mejora las respuestas neuronales a las recompensas y deteriora el control de arriba hacia abajo. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Las agrupaciones de IFG y OFC resultantes del análisis fMRI se utilizaron como regiones semilla para la tractografía probabilística DTI (Figura 1 (b)). El análisis de tractografía probabilística con DTI cruzado-sujeto reveló un tracto de sustancia blanca robusto que une el IFG izquierdo a la OFC izquierda (Figura 1 (c)). Los valores promedio de AF dentro de este tracto mostraron una correlación significativamente negativa con el porcentaje de grasa corporal (R₃₆ = −0.379, p = 0.023), lo que indica que las personas que hacen dieta con menor porcentaje de grasa corporal mostraron una mayor integridad de la sustancia blanca (Figura 1 (d)). Después de controlar por edad e IMC, los valores promedio de FA dentro del tracto continuaron mostrando una correlación significativamente negativa con el porcentaje de grasa corporal (beta = −0.247, t(35) = −2.862, p = 0.007).

Debate general

Nuestros hallazgos apoyan la hipótesis de que la integridad estructural entre el IFG, una región clave en la inhibición de la respuesta (Aron, 2011 Aron, AR (2011). De control reactivo a proactivo y selectivo: desarrollo de un modelo más rico para detener respuestas inapropiadas. Psiquiatría Biológica, 69 (12), e55 – 68. doi: 10.1016 / j.biopsych.2010.07.024[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) y la OFC, una región que representa el valor de recompensa subjetivo de los alimentos (van der Laan, de Ridder, Viergever y Smeets, 2011 van der Laan, LN, de Ridder, DTD, Viergever, MA y Smeets, PAM (2011). El primer sabor es siempre con los ojos: un metaanálisis sobre los correlatos neuronales del procesamiento de señales visuales de alimentos. NeuroImage, 55 (1), 296 – 303. doi: 10.1016 / j.neuroimage.2010.11.055[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), está relacionado con las diferencias individuales en el porcentaje de grasa corporal, un índice putativo de éxito a largo plazo en la dieta. Basado en el modelo de equilibrio de autorregulación (Heatherton & Wagner, 2011 Heatherton, TF y Wagner, DD (2011). Neurociencia cognitiva del fracaso de la autorregulación. Tendencias en Ciencias Cognitivas, 15 (3), 132 – 139. doi: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), las fallas en la autorregulación resultan del desequilibrio entre las regiones de control ejecutivo y de recompensa. Los individuos con una integridad reducida de la materia blanca dentro del tracto que conecta estas regiones pueden tener una menor eficiencia en la comunicación entre estas regiones que aquellos con alta integridad (Madden et al., 2012 Madden, DJ, Bennett, IJ, Burzynska, A., Potter, GG, Chen, N.-K. y Song, AW (2012). Imágenes con tensor de difusión de la integridad de la sustancia blanca cerebral en el envejecimiento cognitivo. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bases moleculares de la enfermedad, 1822 (3), 386 – 400. doi: 10.1016 / j.bbadis.2011.08.003[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Con una comunicación ineficiente entre las regiones de control ejecutivo y de recompensa, las personas con integridad reducida pueden tener dificultades para superar las tentaciones gratificantes, lo que conduce a una mayor probabilidad de convertirse en obesos que aquellos con mayor integridad estructural.

Aunque estudios anteriores han utilizado DTI para examinar la relación entre la obesidad y la integridad de la materia blanca (Kullmann, Schweizer, Veit, Fritsche y Preissl, 2015 Kullmann, S., Schweizer, F., Veit, R., Fritsche, A. y Preissl, H. (2015). Integridad de la sustancia blanca comprometida en la obesidad. Revisiones de Obesidad, 16 (4), 273 – 281. doi: 10.1111 / obr.12248[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), este estudio es novedoso al emplear un enfoque multimodal para apuntar sistemáticamente a un tracto específico implicado en la regulación de los deseos alimentarios. Un estudio reciente ha demostrado que tanto el IFG como la OFC participan en la regulación del consumo de alimentos en la vida diaria (López et al., 2014 López, RB, Hofmann, W., Wagner, DD, Kelley, WM y Heatherton, TF (2014). Predictores neuronales de ceder a la tentación en la vida diaria. Psychological Science, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Usando este paradigma de fMRI, replicamos el hallazgo anterior e incluso encontramos que tanto el IFG como el OFC mostraron una actividad robusta cuando las personas con dietas crónicas estaban expuestas a señales de alimentos apetitosos, lo que sugiere que el procesamiento de la recompensa y el control ejecutivo pueden participar espontáneamente durante el período de exposición de referencia. (Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM y Heatherton, TF (2013). El agotamiento autorregulador mejora las respuestas neuronales a las recompensas y deteriora el control de arriba hacia abajo. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). La tarea del localizador de reactividad de cue de alimentos ofrece un enfoque más específico para definir las regiones IFG y OFC que el enmascaramiento basado en atlas y garantiza que los resultados de tractografía se basaron en regiones funcionalmente relevantes relacionadas con el procesamiento de cue de alimentos dentro de la misma muestra. Esta tarea del localizador de fMRI puede ayudar a los investigadores a identificar tratados clave de materia blanca relevantes para el control del comportamiento alimentario.

No está claro si las diferencias individuales en la integridad de la sustancia blanca se deben a dietas repetidas. Aunque un estudio anterior encontró que la práctica repetida de una tarea puede conducir a un aumento de FA en tractos de fibra específicos (Scholz, Klein, Behrens y Johansen-Berg, 2009 Scholz, J., Klein, MC, Behrens, TEJ y Johansen-Berg, H. (2009). El entrenamiento induce cambios en la arquitectura de la materia blanca. Nature Neuroscience, 12 (11), 1370 – 1371. doi: 10.1038 / nn.2412[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), también es posible que las fallas en la dieta conduzcan a la obesidad y factores relacionados con la obesidad, como la inflamación y la dislipidemia, que pueden causar alteraciones en la integridad de la materia blanca (Shimoji et al., 2013 Shimoji, K., Abe, O., Uka, T., Yasmin, H., Kamagata, K., Asahi, K., ... Aoki, S. (2013). Alteración de la sustancia blanca en el síndrome metabólico: análisis tensor de difusión. Cuidado de la Diabetes, 36(3), 696–700. doi:10.2337/dc12-0666[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Se necesitan futuros estudios longitudinales para determinar si la alteración en la integridad de la materia blanca es causada por la práctica repetida en la dieta o por factores relacionados con la obesidad. También se necesitan estudios longitudinales para examinar la relación entre la integridad de la materia blanca y el porcentaje de grasa corporal en personas que hacen dieta crónica. Si bien el reclutamiento exclusivo de mujeres que hacen dieta puede prevenir el efecto de confusión de la diferencia de género, aún se necesitan estudios futuros para comparar si la integridad de la materia blanca influye de manera diferencial en los resultados de la dieta entre personas que hacen dieta.

En conclusión, el estudio actual proporciona evidencia de que la integridad de la materia blanca está relacionada con las diferencias individuales en el porcentaje de grasa corporal en los tractos que conectan las regiones involucradas en la reactividad de los alimentos. Estos resultados son consistentes con el modelo de equilibrio de autorregulación y sugieren que la integridad estructural de las vías que conectan las regiones de control ejecutivo y de recompensa puede desempeñar un papel fundamental para lograr el éxito de autorregulación a largo plazo en la dieta.

Una nueva investigación muestra que el éxito en la dieta puede estar programado en el cerebro

25 de Octubre de 2016