Imagerie par résonance magnétique au manganèse améliorée pour la cartographie des schémas d'activité du cerveau entier associés à la consommation d'aliments à grignoter chez des rats nourris ad libitum (2013)

Introduction

L'hyperphagie, associée à une hyperalimentation calorique, contribue de manière substantielle au développement de l'obésité et de complications liées à l'obésité dans les sociétés industrielles . Alors que l'hyperphagie homéostatique est provoquée par une perturbation du système homéostatique qui régule la faim et la satiété, l'hyperphagie hédonique est plutôt indépendante de la satiété . Cependant, les mécanismes qui prévalent sur la régulation physiologique de la faim et de la prise alimentaire ne sont pas complètement élucidés. Dans certaines conditions, la prise de nourriture peut activer le système de récompense du cerveau de manière à surcompenser le contrôle homéostatique de l'appétit. . L'hyperphagie hédonique qui en résulte est influencée par plusieurs facteurs tels que l'état émotionnel du consommateur, ses problèmes de santé mentale ou sa privation de sommeil. . De plus, la composition moléculaire des aliments et la densité énergétique semblent être des facteurs importants dans l'induction de l'hyperphagie hédonique. Il est bien documenté que la “nourriture au goût agréable” peut induire une hyperphagie chez l'homme et les animaux , . Les crises de boulimie chez l'homme, par exemple, impliquent souvent des aliments riches en graisses ou en sucres, ou les deux .

La prise de nourriture à l'état de faim déclenche fortement un système de récompense complexe dans le cerveau, comprenant le noyau accumbens et le pallidum ventral dans le striatum ventral, la région tégmentale ventrale dans le cerveau moyen, le cortex préfrontal, l'hippocampe et l'amygdale . Ces schémas d'activation sont très probablement associés à la libération de dopamine, par exemple dans le noyau accumbens ou le striatum dorsal. , , , processus qui sont également activés dans la toxicomanie . Dans des conditions homéostatiques, toutefois, les signaux de satiété déclenchent des structures cérébrales telles que le tronc cérébral caudal, l'hypothalamus, en particulier le noyau arqué, ou nucleus tractus solitarius, qui limitent la prise de nourriture, par exemple en diminuant sa valeur de récompense. , . Il avait été observé que certains types d’aliments, tels que les régimes riches en graisses ou à la cafétéria, entraînaient une augmentation de l’alimentation et / ou de l’énergie, entraînant éventuellement l’obésité. Les rats nourris ad libitum, par exemple, qui avaient un accès limité à un régime de cafétéria, ont développé un comportement alimentaire semblable à une frénésie alimentaire pendant la période d'accès . Ainsi, on peut émettre l'hypothèse que certains composants alimentaires peuvent outrepasser la régulation de la satiété, ce qui entraîne une ingestion d'aliments indépendante de la faim.

Il est intéressant de noter que chez les souris, l’augmentation initiale de l’apport alimentaire en calories et en calories est compensée après une période de deux semaines. . Ainsi, il a été suggéré que la consommation chronique d'un régime riche en graisses diminue l'effet de récompense de l'alimentation, entraînant une désorganisation du régime alimentaire, qui aboutit finalement à un excès de poids. .

Afin de faire face à l'hyperphagie hédonique en tant que facteur majeur de l'obésité dans les sociétés industrielles et à ses implications pour le système de santé, il est important de comprendre les processus cérébraux déclenchés par certains types d'aliments associés à des épisodes d'hyperphagie boulimique hédoniques. L’application de techniques d’imagerie cérébrale non invasive telles que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRM) pour analyser l’influence de la prise alimentaire sur l’activité cérébrale est limitée dans son approche classique, pilotée par un stimulus, par la nécessaire synchronisation de la prise alimentaire et de l’IRM. Pour surveiller les effets à long terme sur l'activité cérébrale, une IRM améliorée au manganèse (MEMRI) a été utilisée. Le manganèse, agent de contraste, s’accumule dans les structures cérébrales activées et reflète une mesure intégrale de l’activité neuronale. , , . MEMRI permet de découpler l'analyse de l'activité cérébrale de la mesure par IRM. À cette fin, MnCl₂ est injecté avant la mesure IRM. Ions de manganèse (Mn²⁺) ont un rayon ionique similaire et la même charge que les ions calcium (Ca²⁺). Par conséquent, Mn²⁺ est transporté via des canaux calciques voltage-dépendants dans des cellules excitables. Contrairement à Ca²⁺cependant Mn²⁺ s'accumule dans les cellules proportionnellement à leur activité et peut ensuite être enregistré par IRM en raison de son caractère paramagnétique. Ainsi, l'activité cérébrale associée aux événements survenus plusieurs jours avant l'enregistrement IRM peut être enregistrée. Par conséquent, le principal avantage de cette technique est la possibilité de démêler le stimulus (alimentation) et la mesure par IRM. De plus, Mn²⁺ peut être déplacé par transport axonal vers d'autres zones du cerveau. L'inconvénient majeur de Mn²⁺cependant, c’est sa cytotoxicité, qui peut influer considérablement sur le comportement naturel et limiter l’application aux études comportementales. Il a été démontré que l’injection sous-cutanée de MnCl₂ à des concentrations suffisantes pour une analyse IRM a entraîné une diminution persistante des performances motrices et de l'ingestion de nourriture, ainsi qu'une perte de poids . Récemment, cependant, les pompes osmotiques ont été introduites dans les études MEMRI. MnCl₂ est administré par des pompes osmotiques, qui libèrent lentement et en continu la solution sur une période allant jusqu'à sept jours, évitant ainsi les effets indésirables sur l'activité motrice, tout en offrant une accumulation de manganèse suffisante pour l'analyse par IRM .

La présente étude a testé l'utilisabilité de l'analyse MEMRI assistée par pompe osmotique pour analyser l'activité cérébrale totale associée à l'absorption d'aliments. La méthode a été appliquée pour déterminer les schémas spécifiques d'activation cérébrale de la consommation de chips de pomme de terre chez des rats nourris à volonté.

Matériels et méthodes

1. Déclaration d'éthique

Cette étude a été réalisée en stricte conformité avec les recommandations du Guide pour le soin et l'utilisation des animaux de laboratoire des National Institutes of Health. Le protocole a été approuvé par le comité d'éthique de l'expérimentation animale de l'université d'Erlangen-Nuremberg (Regierung Mittelfranken, numéro d'autorisation: 54-2532.1-28 / 12). Toutes les expériences de chirurgie et d'IRM ont été réalisées sous anesthésie à l'isoflurane et tous les efforts ont été déployés pour minimiser les souffrances.

2. Conception expérimentale et analyse comportementale

Les rats Wistar mâles (poids initial 257 ± 21 g, conservés dans un cycle noir / lumière 12 / 12 h, acheté chez Charles River, Sulzfeld, Allemagne) ont été divisés au hasard en deux groupes (quatre cages par groupe, quatre animaux par cage). Chaque groupe a reçu l'un des différents aliments en plus de ses pastilles de chow standard (Altromin 1326, Altromin, Lage, Allemagne). Le groupe collations (n ​​= 16, poids corporel initial 258 ± 28 g) a reçu des croustilles (croustilles du commerce salées sans arôme, sans composés de goût ni exhausteur de goût, en particulier sans glutamate de monosodium broyé par un processeur de produits alimentaires) et le groupe de consommation standard (poids corporel initial 256 ± 21 g) ont reçu un aliment standard en poudre (Altromin 1321, n = 16), respectivement. Les pilules standard de chow ont été offertes ad libitum tout au long de l’étude, les aliments à tester (chips de pomme de terre concassées ou chow standard en poudre, respectivement) ont été proposés à volonté au cours de la phase de formation et la phase au manganèse, en plus des pastilles de Figure 1 pour la conception expérimentale). Pour la formation, les aliments à tester ont été présentés dans deux distributeurs contenant des aliments à tester identiques à droite et à gauche de la cage pendant sept jours (phase de formation), suivis de sept jours intermédiaires (phase intermédiaire) sans aliments à tester. Par la suite, des pompes osmotiques remplies de chlorure de manganèse (MnCl₂, voir ci-dessous pour plus de détails) ont été implantés. Au cours de la période d’injection goutte à goutte (sept jours, groupe de nourriture standard: 163 ± 5 h, groupe de grignotines 166 ± 4 h) et accumulation de MnCl₂ dans le cerveau du rat (phase manganèse), les animaux ont eu accès à volonté à la nourriture de test qui leur était familière dès la phase de formation. Etant donné que les pastilles de chow standard et l’eau du robinet étaient disponibles ad libitum au cours de toutes les phases de l’étude, les animaux n’ont été à jeun à aucun moment au cours de l’étude. Les structures cérébrales actives ont été scannées par MEMRI après cette période de MnCl₂ administration_. Au cours des différentes phases, la quantité de nourriture ingérée a été mesurée par pesée différentielle des distributeurs de nourriture deux fois par jour. L'apport énergétique a été déterminé en multipliant les valeurs caloriques des aliments testés par les quantités ingérées. La prise alimentaire était en corrélation positive avec le poids corporel initial des rats. Cependant, la corrélation était similaire pour les deux types d'aliments testés et la distribution du poids corporel initial ne différait pas significativement entre les deux groupes.

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Figure 1. Étudier le design.

Vue d'ensemble du protocole de l'étude visant à surveiller l'influence de la composition des aliments sur les schémas d'activité du cerveau entier par imagerie par résonance magnétique améliorée au manganèse.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g001

De plus, l'activité locomotrice associée aux aliments testés a été quantifiée par l'évaluation d'images enregistrées par des webcams au-dessus des cages (une image par dix secondes) via des «comptages» définis. Un «compte» a été défini comme «un rat montre une activité locomotrice près des distributeurs de nourriture sur une photo». Le test t de Student a été utilisé pour évaluer les différences significatives dans l'activité locomotrice des rats dans les différents groupes au cours de 24 h par jour avec des bacs d'une heure sur sept jours avec une moyenne de quatre cages (animaux 16) par groupe.

3. Préparation et implantation des pompes osmotiques

Des mini-pompes osmotiques (Alzet®, modèle 2001, Durect Corporation, Cupertino, CA, USA) ont été utilisées pour l'application de l'agent de contraste (200 µL d'une solution 1 M de MnCl₂, pour la biologie moléculaire, BioReagent, Sigma Aldrich, Schnelldorf, Allemagne) selon . Pour l'utilisation en IRM, le modérateur de flux en acier inoxydable a été remplacé par un micro-tube médical PEEK ™ (Scientific Commodities, Lake Havasu City, Arizona, États-Unis). Les pompes osmotiques remplies ont été incubées dans une solution saline isotonique pour 12h avant l'implantation. Au cours des sept jours d’injection au goutte-à-goutte, MnCl₂ a été libéré avec un débit de 1 µL h^-1.

Dans l'après-midi du premier jour de la phase manganèse (voir Figure 1), des pompes osmotiques ont été implantées. À cette fin, les animaux ont été anesthésiés sous isoflurane pendant un temps maximal de minutes 15 (initialement 5% et 1.5 maintenance, Baxter Deutschland, Unterschleißheim, Allemagne) et les pompes remplies ont été implantées dans du tissu sous-cutané dorsal. Ensuite, la petite coupure a été fermée par de la colle pour tissus (Histoacryl®, B. Braun Petzold, Melsungen, Allemagne).

4. IRM Mesure

Après sept jours de phase manganèse, des IRM ont été enregistrées. Les animaux ont été anesthésiés avec de l'isoflurane (initialement 5% dans l'air médical) 163 ± 5 h (groupe de Chow standard) et 166 ± 4 h (groupe collation), après l'implantation des pompes osmotiques. L'anesthésie a duré un maximum de 50 minutes pour chaque animal. Après induction de l'anesthésie, les animaux ont été placés sur un berceau à l'intérieur du tomographe à résonance magnétique (Bruker BioSpec 47 / 40, 200 mT / m, spirale cérébrale à surface en quadrature). La température corporelle des animaux a été maintenue constante à 37 ° C grâce à de l'eau chaude circulant dans le berceau. La fixation de la tête du rat et une anesthésie continue à l'isoflurane ont été assurées par un «masque nez-bouche» directement sous l'enroulement de surface. Les fonctions vitales des animaux ont été contrôlées au cours de la mesure via un capteur respiratoire fixé sous la poitrine du rat. Pour maintenir le taux de respiration constant à environ 60 min^-1, la concentration en isoflurane a été ajustée dans une plage entre 1% et 2%.

La mesure a été réalisée à l'aide d'une séquence de transformation de Fourier d'équilibre modifié modifiée (MDEFT): temps de répétition 4 s, temps d'écho 5.2 ms, temps d'inversion 1000 ms, avec quatre segments et une matrice d'acquisition de 256 × 128 × 32, matrice de reconstruction après zéro remplissage 256 × 256 × 64 avec une résolution de 109 × 109 × 440 µm, champ de vision 27.90 × 27.90 × 28.16 mm et deux moyennes donnant un temps de mesure de 17 min répété deux fois.

5. Traitement de l'information

Enregistrement et prétraitement d'images 5.1.

Pour étudier les différences d'anatomie / de fonction du cerveau, tous les ensembles de données devaient être transférés dans un système de coordonnées commun. L'objectif était de faire correspondre l'anatomie sans éliminer les différences pertinentes. Ceci a été réalisé en utilisant un schéma d'enregistrement non paramétrique et non rigide, qui a calculé un champ de déformation pour un volume modèle T, indiquant un vecteur de traduction pour chaque voxel de telle sorte que la similarité du volume modèle déformé avec le volume de référence R était maximale.

La méthode d'enregistrement a optimisé une fonction d'énergie consistant en un terme de données mesurant la similarité des deux ensembles de données sous la transformée de courant (ici une information mutuelle) et un terme de régularisation limitant la déformation autorisée. Dans notre cas, le lissage de la déformation était assuré par la régularisation de la courbure du champ de déformation, introduite dans . L'enregistrement a été effectué à l'aide d'une implémentation personnalisée des composants d'enregistrement non rigides utilisés. .

Premièrement, tous les ensembles de données appartenant à un groupe ont été enregistrés de manière non rigide sur un volume de référence de ce groupe choisi au hasard, et le volume moyen par groupe et un volume de variance ont été calculés. Ensuite, tous les volumes moyens par groupe ont ensuite été enregistrés de manière non rigide dans l’un des volumes et le champ de déformation respectif a été appliqué au volume de variance par groupe. Enfin, un volume moyen global et un volume de variance ont été calculés. L'analyse morphométrique à base de voxel (VBM) permet de déterminer de manière significative (statistiques t) différentes zones cérébrales activées entre les deux groupes d'aliments. L’utilisation de statistiques différentes sur les ensembles de données enregistrés a également permis d’annuler les contrastes tissulaires de base des images, identiques dans les deux groupes.

5.2 Traitement des valeurs de gris pour une analyse spécifique à la structure.

L'analyse des valeurs de gris basée sur ces ensembles de données préenregistrés a été réalisée à MagnAN (BioCom GbR, Uttenreuth, Allemagne). Un enregistrement basé sur la surface a ajusté chaque ensemble de données de valeur de gris MEMRI sur l’atlas numérique du cerveau de rat dérivé de . Ensuite, afin de compenser les différences de forme individuelles mineures, les diapositives de l’atlas ont été ajustées finement pour chaque jeu de données, en se basant sur les contours du cerveau et du système ventriculaire. L'atlas numérique était constitué de structures cérébrales distinctes présélectionnées 166. La zone tegmentale ventrale (VTA) est l’une des plus petites structures évaluées, mais a un impact important sur les résultats obtenus. Il a un volume de 0.7914 mm³ par hémisphère, c’est-à-dire 152 voxels. Dans chaque dimension spatiale, la VTA a été échantillonnée avec plus de voxels 4. Par conséquent, les effets de volume partiels, qui pourraient causer des problèmes de confusion majeurs dans notre analyse, pourraient être évités. Les valeurs de gris moyennes de ces régions ont été déterminées pour chaque jeu de données. Pour normaliser les valeurs de gris de chaque individu, les scores z ont été calculés en divisant la différence entre la valeur de gris de chaque structure cérébrale et la valeur de gris moyenne de toutes les structures de l'atlas par l'écart type des valeurs de gris de toutes les structures de l'atlas. Le test t de Student a été utilisé pour évaluer les différences significatives des structures cérébrales entre les deux groupes. L'approche d'analyse combinée a permis d'obtenir les différentes zones significatives (VBM) ainsi que la régulation à la hausse et à la baisse de l'activité dans les régions de l'atlas correspondantes (région par région).

Résultats et discussion

1. Effet du régime alimentaire des grignotines (croustilles) sur la consommation de calories et l'activité locomotrice

La présente étude a examiné les schémas d'activité cérébrale spécifiques liés à la consommation d'aliments à grignoter (croustilles) par rapport au chow standard. L’activité cérébrale liée à la consommation de l’aliment à tester a été enregistrée par MEMRI, ce qui a permis d’intégrer l’activité cérébrale sur une période de sept jours de consommation alimentaire. (Figure 1).

De plus, la prise alimentaire et l'activité locomotrice dépendant de l'aliment testé ont été enregistrées. Au cours de la phase d'entraînement, les rats nourris avec de la nourriture standard ont montré une activité continuellement inférieure à celle des rats nourris avec des croustilles, en particulier pendant la période sombre du cycle noir / lumière 12 / 12 h. La consommation de chips de pomme de terre a induit une activité élevée avec des différences significatives à 10 par rapport aux points horaires 24 au cours de la phase d'entraînement (Figure 2A).

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Figure 2. Activité locomotrice liée à l'alimentation lors de l'accès à des grignotines (croustilles) ou à des aliments standard.

Activité locomotrice liée à l'alimentation des rats pendant l'accès à des grignotines (croustilles) ou à la nourriture standard pendant la phase d'entraînement (A) et la phase manganèse pendant le MnCl₂ application (B). Les données sont présentées comme la moyenne de 16 animaux sur 7 jours par groupe. *** p <0.001, ** p <0.01, p * <0.05.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g002

2. Application du MEMRI assisté par pompe osmotique à l'analyse des profils d'activité du cerveau entier associés au régime

Pour l’analyse des schémas cérébraux actifs, on a appliqué le MEMRI assisté par pompe osmotique. Alors qu'une seule dose de MnCl₂ conduit à une accumulation maximale 24 h après l'injection, l'accumulation de manganèse dans le cerveau via des pompes osmotiques a atteint un plateau après trois jours . La concentration cumulée obtenue de Mn²⁺ était suffisant pour la cartographie fonctionnelle aboutissant à un rapport signal sur bruit similaire à celui obtenu par une injection à dose unique de MnCl₂, mais l'activité motrice n'a pas été affectée dans ces conditions . Différences en général Mn²⁺ distribution due à différentes perméabilités des structures cérébrales au Mn²⁺ devrait être la même dans les deux groupes. Les différences de Z-Score entre les groupes ont été utilisées pour évaluer l'activité cérébrale testée liée aux aliments au lieu des valeurs de Z-score absolues. Par conséquent, les zones du cerveau qui avaient été actives pendant la période de sept jours de la phase manganèse pourraient être enregistrées par une seule mesure IRM (Figure 1). Dans notre cas, MEMRI assisté par pompe osmotique a fourni une vue complète de l'activité du cerveau entier induite par les aliments testée.

La présente étude a enregistré une activité motrice totale légèrement réduite pendant la phase manganèse par rapport à la phase d’entraînement. (Figure 2B). Cela peut être dû à l'implantation et au stress associé, à la cytotoxicité du manganèse ou aux effets d'accoutumance concernant l'aliment à tester. Néanmoins, les rats nourris avec des croustilles ont montré une activité nettement supérieure à celle du contrôle avec une activité significativement accrue à quatre moments différents. Ce comportement était similaire à la phase d’entraînement. Autrement, la quantité de nourriture ingérée n’a pas été modifiée de manière significative pendant la phase manganèse par rapport à la phase d’entraînement pour les cycles 12 h light et dark 12 h. Une consommation légèrement accrue de la collation au cours du cycle d'obscurité 12 h par rapport à la nourriture standard à la fois pendant la formation et la phase manganèse a été détectée (Figure 3A). Cela a conduit à un apport énergétique plus élevé grâce aux croustilles par rapport au chow standard. La différence n'était pas significative pendant la période de lumière 12 h, mais très significative pendant la période sombre de 12 h pendant la phase d'entraînement et la phase de manganèse (Figure 3B). Ainsi, il a été conclu que MnCl₂ l'administration par pompes osmotiques est une méthode appropriée pour cartographier les schémas d'activité cérébrale spécifiques à différents aliments ingérés.

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Figure 3. Consommation de nourriture et d'énergie via des snacks (chips) et du chow standard.

Consommation d'aliments (A) et d'énergie (B) via des grignotines (SF, croustilles) et aliment standard (STD) chez des rats nourris ad libitum au cours de la phase d'entraînement (TP) avant et pendant la phase manganèse (MnP) au cours de MnCl₂ infiltration de la pompe sur une période de 7 j. L'apport alimentaire par heure a été déterminé par pesée différentielle, l'apport énergétique en multipliant la quantité de nourriture ingérée par le contenu énergétique séparément pendant le cycle de lumière de 12 h et le cycle d'obscurité de 12 h. La moyenne ± écart-type de 16 animaux dans chaque groupe est indiquée. *** p <0.001, ** p <0.01, p * <0.05, ns non significatif.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g003

Après la normalisation du score z, les données d'image ont été analysées d'une part par une approche VBM, qui a abouti - purement basée sur les données - à des zones cérébrales activées de manière significativement différente. (Figure 4). D'autre part, l'analyse par région supplémentaire utilisant un atlas numérique a permis de déterminer les régulations à la hausse et à la baisse de chaque structure d'atlas étiquetée.

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Figure 4. Accumulation de manganèse dans le cerveau très différente de celle observée dans les aliments classiques pour enfants ou les collations (croustilles).

En (A), la superposition d'une tranche du jeu de données de transformée de Fourier équilibrée modifiée moyenne (MDEFT) reconstituée avec la coupe correspondante (Bregma -5.28 mm) de l'atlas de Paxinos est indiquée avec l'une des plus petites régions analysées (VTA) marquée en jaune Les parties (B), (C) et (D) montrent l’accumulation de manganèse dans le cerveau des rats nourris ad libitum de manière très différente, avec un accès supplémentaire à la nourriture standard (STD) ou à la collation (chips), enregistrée par MEMRI. Les zones cérébrales avec une activité significativement plus élevée en raison de la consommation de collations par rapport à la consommation de nourriture chow standard sont marquées en rouge, les zones cérébrales qui ont montré une activité significativement plus élevée après la prise de nourriture standard par rapport à la prise de collations sont indiquées en bleu . Les données ont été traitées par analyse statistique voxelwise. Les résultats sont affichés en vues axiales (B), horizontales (C) et sagitales (D).

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g004

Des scores z significativement différents ont été détectés dans les zones du cerveau 80 lors de la comparaison entre des aliments pour enfants et des collations standard (croustilles) (Tables 1, 2, 3, 4). En général, les deux stratégies différentes d'analyse des données ont conduit à des résultats comparables. L’activation MEMRI différentielle des structures cérébrales les plus pertinentes après la consommation de chips de pomme de terre par rapport au chow standard est illustrée pour certaines structures cérébrales sélectionnées (Figure 5).

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Figure 5. Différences d'activation liées aux grignotines (croustilles) par rapport aux aliments standards dans des structures cérébrales représentatives.

Statistiques des différences d'activation dues à la consommation de grignotines (croustilles) par rapport à la nourriture standard dans des structures cérébrales représentatives du circuit moteur (putamen caudé: CPu), du système limbique (cortex cingulaire: CgCx), du système de récompense (région de la coquille du noyau accumbens: AcbSh, région centrale du noyau accumbens: AcbC) et rythme veille / sommeil (noyaux tegmentaux: Teg) représentés dans la colonne de gauche sur la base de l'atlas de référence. La colonne du milieu montre des différences significatives de l'analyse VBM superposée sur l'anatomie IRM pondérée T2 standard correspondante et les étiquettes d'atlas. La colonne de droite montre le changement fractionnaire de la collation en chow standard v (valeurs de gris MEMRI) *** p <0.001, ** p <0.01.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.g005

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Tableau 1. Accumulation de manganèse dans les structures cérébrales liée à la prise alimentaire.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.t001

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Tableau 2. Accumulation de manganèse dans les structures cérébrales liée à la récompense et à la dépendance.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.t002

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Tableau 3. Accumulation de manganèse dans les structures cérébrales liées au sommeil.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.t003

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Tableau 4. Accumulation de manganèse dans les structures cérébrales liée à l'activité locomotrice.

doi: 10.1371 / journal.pone.0055354.t004

La qualité d’enregistrement finale obtenue est décrite dans Figure 4A et Figure 5.

3. Influence de la consommation de collations (croustilles) sur les circuits de récompense et de satiété

Dans la présente étude, l’ingestion de chips de pomme de terre a entraîné divers changements d’activité spécifiques à la structure, qui sont résumés dans Tables 1, 2, 3, 4. Une activité significativement accrue a été observée pour le noyau et la coque du noyau accumbens (côtés gauche et droit (R + L)), le globus pallidus ventral (R + L), ainsi que pour l'hypothalamus dorsomédial (R) et le noyau thalamique paraventriculaire antérieur. Dans le même temps, le noyau arqué (L) et le tractus central solitarius (R) ont été désactivés chez les rats ayant ingéré des croustilles par rapport aux animaux nourris avec de la nourriture standard. Les mécanismes centraux régulant la consommation de nourriture et l'appétit ont récemment été résumés par Harrold et al. et Kenny , : la régulation homéostatique de la prise alimentaire est principalement induite par des signaux traduisant un déficit énergétique . En revanche, la prise alimentaire hédonique semble être dictée par l’activation de mécanismes de récompense surcompensant la régulation à la baisse homéostatique de la prise alimentaire. .

Le nucleus tractus solitarius est responsable du traitement des signaux périphériques qui reflètent l'apport alimentaire en cours, tels que la distension gastrique ou les taux de glucose dans la veine porte, entraînant la désactivation des zones du cerveau, telles que le noyau accumbens, conduisant finalement à une diminution de l'apport énergétique. , . L'inactivation du noyau du tractus solitaire par un «aliment agréable au goût» peut être provoquée par une diminution de la sensibilité de cette zone du cerveau aux hormones intestinales liées à la satiété. . Semblable au nucleus tractus solitarius, le noyau hypothalamique arqué est activé par des signaux périphériques reflétant l'état nutritionnel. Il est connecté à d'autres régions du cerveau, telles que le noyau paraventral et le noyau hypothalamique dorsomédial, qui contrôlent toutes les deux la prise alimentaire. , , . Ainsi, on peut supposer que les changements d’activité du noyau central du tractus solitaire, du noyau arqué, de l’hypothalamus dorsomédial et du noyau thalamique antérieur paraventrique, observés dans cette étude, traduisent une désactivation des circuits de satiété centraux, qui aboutit finalement à une perte de contrôle. apport calorique supérieur aux besoins énergétiques.

De plus, une forte activation du noyau accumbens liée à la consommation de chips de pomme de terre a été observée. Le noyau accumbens est une structure clé du système de récompense, qui s'active, par exemple, en récompensant les drogues. . Dans le contexte de la prise alimentaire, l'activation du noyau accumbens se traduit par un signal enrichissant induisant une prise alimentaire hédonique. En outre, une activation considérablement accrue lors de la consommation de croustilles a été enregistrée dans des zones précédemment attribuées aux systèmes de récompense généraux ou à la dépendance, à savoir le cortex pré-limique (R + L). , , le subiculum dorsal (R + L) , les noyaux du lit de stria terminalis (L) , thalamus médiodorsal (R + L) , , le cortex cingulaire (R + L) , caudé / putamen (striatum ventral) (R + L) et le cortex insulaire (R + L) . Le thalamus médiodorsal et le cortex insulaire ont également été associés à l'olfaction ou à l'intégration d'un olfactif à d'autres entrées sensorielles . Le caudé et l'insula sont également associés à la soif de drogue et de nourriture . Des structures cérébrales supplémentaires, associées à des récompenses et à une dépendance, ont montré une activité significativement plus faible après la consommation de collations par rapport au chow standard: le raphé , le noyau interpédonculaire , la région tegmentale ventrale (R + L) , , et le subiculum ventral (R + L) .

Ces résultats indiquent que la consommation de croustilles est liée à l'activation de circuits de récompense hédoniques et, en parallèle, à l'inactivation de circuits de satiété homéostatiques. Les deux circuits sont également reliés, principalement par le noyau paraventriculaire du thalamus, qui sert d’interface entre le bilan énergétique et la récompense. . Ainsi, le modèle d'activation observé peut entraîner un apport énergétique plus élevé lorsque des collations, telles que des croustilles, sont disponibles.

De nouvelles études sont maintenant nécessaires pour révéler les composants moléculaires des croustilles, le rôle de la densité énergétique ainsi que les mécanismes périphériques et centraux qui conduisent à une dérégulation du contrôle homéostatique de l'absorption d'énergie.

4. Influence de l'ingestion d'aliments à grignoter (croustilles) sur d'autres structures cérébrales liées à l'ingestion d'aliments

En outre, après la consommation de grignotines (croustilles), on a observé une activation plus forte de ces structures cérébrales qui étaient auparavant associées à la prise de nourriture, au comportement de l’appétit et au contrôle des aliments, comme le cortex infralimbique (R + L). , , l'hypothalamus latéral (R) et le septum (R + L) .

Les structures cérébrales du noyau de raphé et du noyau parabrachial latéral (R), également liées à la prise alimentaire, ont montré une activité significativement réduite après la consommation de croustilles par rapport au chow standard . Le noyau parabrachial latéral a été associé à la régulation calorique, à la récompense ingérée, au traitement cognitif dans l'alimentation , mais aussi avec apport en sodium et en eau . Ainsi, l'activité réduite de cette structure peut être associée à la teneur en sel plus élevée des chips de pomme de terre par rapport au chow standard. Les résultats indiquent qu'en raison de sa composition moléculaire, qui résulte par exemple en une densité d'énergie plus élevée, les croustilles peuvent activer les structures cérébrales associées à la récompense et au contrôle de la prise alimentaire différemment du chow standard. Cet effet peut éventuellement moduler la qualité et la quantité de nourriture ou plutôt l’apport énergétique.

5. Influence de la consommation d'aliments à grignoter (croustilles) sur les structures cérébrales liées à l'activité locomotrice et au sommeil

De plus, six structures cérébrales liées au mouvement et à l’activité présentaient une valeur significativement plus élevée²⁺ accumulation lorsque les rats ont eu accès à des croustilles par rapport à la nourriture standard: le cortex moteur primaire (R + L), le cortex moteur secondaire (R + L) ainsi que le putamen caudé (R + L) . L'activité significativement élevée des zones motrices chez les animaux nourris avec des croustilles est en bon accord avec les études comportementales, qui montrent une activité locomotrice plus élevée dans ce groupe. (Figure 2A et B). L’augmentation de l’activité locomotrice a déjà été liée à la prise de nourriture. Ainsi, il a été montré, par exemple, que la ghréline induisait la consommation d’aliments enrichissants ainsi que l’activité locomotrice chez les rongeurs, ce qui est probablement lié à la stimulation du comportement de recherche de nourriture. [45], [46].

Enfin, l’ingestion de chips de pomme de terre était liée à une désactivation importante des structures cérébrales liées au sommeil, à savoir le noyau réticulaire latéral (R) , le noyau réticulaire parvicellulaire (R + L) , le noyau latéral paragigantocellulaire (R + L) , le noyau gigantocellulaire (R + L) , , le noyau réticulaire pontin oral (R + L) et les noyaux tegmentaux (R + L) . L'influence de la composition des aliments sur le comportement de sommeil n'est pas entièrement comprise. Il a été démontré que la consommation à long terme (six semaines) d'un régime riche en graisses entraînait une augmentation de la fréquence et de la durée des épisodes de sommeil. Cet effet, cependant, était plutôt lié à l'obésité en développement qu'à l'apport énergétique lui-même . D'autre part, plusieurs études ont révélé qu'une application à long terme d'un régime alimentaire riche en graisses induit une augmentation de l'apport alimentaire au cours de la période de repos diurne chez la souris. , . L'augmentation de l'apport alimentaire diurne est très probablement liée aux changements de comportement du sommeil et par conséquent à la modulation de l'activité de la structure cérébrale liée au sommeil. Dans les conditions d'alimentation à court terme appliquées ici, toutefois, les grignotines n'induisent ni une augmentation significative du poids corporel ni un changement du mode d'alimentation circadien. Par conséquent, nous supposons que la désactivation des structures cérébrales liées au sommeil est liée à l'augmentation de l'activité locomotrice et de recherche de nourriture, susceptible de supprimer le sommeil.

Conclusions

En résumé, MEMRI et l'analyse subséquente des structures cérébrales activées à la fois par VBM et par une approche basée sur une région d'intérêt ont montré une activation spécifique similaire, respectivement. désactivation de nombreuses structures cérébrales dépendantes de la nourriture ingérée. La consommation d'aliments à grignoter (croustilles) comparée à la nourriture standard administrée par des rats nourris ad libitum a induit des différences significatives dans les schémas d'activation des structures cérébrales associées auparavant à la prise de nourriture, à la récompense / dépendance, ainsi qu'à l'activité et aux mouvements. Les augmentations des structures d'activité locomotrice cérébrale ont été conformes au comportement des animaux: les profils d'activité sur plusieurs jours ont montré qu'un niveau plus élevé d'activité locomotrice des animaux était associé à la consommation de chips. Une activité réduite a été enregistrée dans les structures cérébrales qui sont importantes pour la régulation du rythme veille-sommeil, en particulier du sommeil paradoxal.

Les changements observés dans les schémas d'activité cérébrale liés à la consommation de nourriture sont probablement dus à la composition moléculaire de la collation, résultant par exemple en une densité d'énergie plus élevée. De plus, l'apport calorique par la collation peut induire une modulation des schémas d'activité cérébrale. Des études supplémentaires sont maintenant nécessaires pour révéler les déclencheurs des changements observés, soit en introduisant un groupe d'aliments à grignoter avec un apport calorique apparié au contrôle, soit en testant les effets de composants définis des aliments à grignoter sur les schémas d'activité cérébrale.