L'apport en saccharose diminue la disponibilité des récepteurs μ-opioïdes et dopamine D2 / 3 dans le cerveau porcin (2020)

Une consommation excessive de saccharose provoque une envie de dépendance qui peut sous-tendre l'épidémie d'obésité. Les opioïdes et la dopamine assurent la médiation des effets gratifiants des drogues d'abus et des récompenses naturelles des stimuli tels que les aliments agréables au goût. Nous avons étudié les effets du saccharose en utilisant l'imagerie TEP avec [¹¹C] carfentanil (agoniste des récepteurs opioïdes μ) et [¹¹C] raclopride (antagoniste des récepteurs de la dopamine D2 / 3) chez sept femelles de porcs anesthésiés de Göttingen. Nous avons ensuite donné aux miniporcs accès à une solution de saccharose pendant une heure pendant 12 jours consécutifs et avons effectué une nouvelle imagerie 24 heures après l'accès final au saccharose. Dans un échantillon plus petit de cinq miniporcs, nous avons effectué une [¹¹C] Séance de PET carfentanil après la première exposition au saccharose. Nous avons calculé les potentiels de liaison au voxel (BP_ND) en utilisant le cervelet comme région de liaison non déplaçable, analysé les différences avec une cartographie statistique non paramétrique et effectué une analyse régionale. Après 12 jours d'accès au saccharose, BP_ND des deux traceurs avaient diminué de manière significative dans le striatum, le noyau accumbens, le thalamus, l'amygdale, le cortex cingulaire et le cortex préfrontal, conformément à la régulation négative de la densité des récepteurs. Après une seule exposition au saccharose, nous avons constaté une diminution de la liaison de [¹¹C] carfentanil dans le noyau accumbens et le cortex cingulaire, compatible avec la libération d'opioïdes. La moindre disponibilité des récepteurs opioïdes et dopaminergiques peut expliquer le potentiel addictif associé à la consommation de saccharose.

Cinq pour cent de la population mondiale sont cliniquement obèses¹. En tant que caractéristique du syndrome métabolique, l'obésité est associée au diabète de type 2, aux maladies cardiovasculaires, aux problèmes respiratoires et au risque de dépression et éventuellement de démence². La consommation accrue d'aliments riches en énergie a exagéré la distinction physiologique entre la faim homéostatique qui suit la privation de nourriture et la faim hédonique, ou «envie», qui se produit en l'absence de privation^3,4. Comme la régulation homéostatique ne peut à elle seule expliquer l'augmentation actuelle de l'obésité, il est obligatoire de tester l'effet sur les mécanismes cérébraux de récompense et de plaisir des propriétés addictives des aliments très appétents.

La consommation de saccharose est associée à l'obésité, et le saccharose est de plus en plus considéré comme une substance provoquant une dépendance⁵. Certaines conclusions sont en contradiction avec cette allégation en raison des difficultés à séparer la consommation d'aliments non agréables au goût des réponses alimentaires hédoniques, et à déterminer l'ingrédient addictif dans les aliments transformés, ainsi que les différents mécanismes par lesquels les aliments modifient les circuits cérébraux par des voies naturelles⁶. Néanmoins, dans des contextes spécifiques, la consommation de saccharose induit une récompense et une envie, comparables en ampleur à celles induites par les drogues addictives, qui conduisent à une surconsommation et à une éventuelle obésité^6,7.

La faim est associée au «désir» qui est étroitement lié aux effets de la neurotransmission dopaminergique dans un certain nombre de circonstances de récompense⁸, mais on ne sait pas comment l'action de la dopamine (DA) est modulée en réponse à l'alimentation compulsive. La consommation d'aliments appétents est liée au «goût», médié principalement par le système opioïde endogène, en particulier le récepteur μ-opioïde (μOR)^9,10, qui peut favoriser la surconsommation en cas de déréglementation. Dans le présent rapport, nous testons l'allégation selon laquelle le saccharose entraîne une libération d'opioïdes et de dopamine qui diminue la disponibilité des récepteurs μOR et DA D2 / 3. La disponibilité est un indice du nombre de récepteurs inoccupés disponibles pour la liaison du traceur et ne fait en principe aucune distinction entre l'occupation du ligand et la densité des récepteurs¹¹.

L'apparition de l'alimentation compulsive dépend de plusieurs facteurs, et les études causales chez l'homme soulèvent des problèmes éthiques. La majorité des études se concentrent donc sur le comportement alimentaire des rats¹². Bien que les rats aient une «dent sucrée», leurs mécanismes homéostatiques importants pour la prise de poids, le métabolisme et le type d'accumulation de graisse diffèrent considérablement de ceux des humains. Le miniporc de Göttingen est un grand animal omnivore avec un cerveau gyrencéphalique bien développé, qui peut être imagé à une résolution suffisante. Ses régions corticales sous-corticales et préfrontales bien définies¹³ permettre une traduction plus directe de la fonction cérébrale humaine. Ici, nous utilisons l'imagerie par tomographie par émission de positons (TEP) pour tester in vivo μOR et DA D2 / 3 disponibles dans un modèle miniporc d'exposition subchronique au saccharose. Dans un échantillon plus petit, nous avons étudié les effets immédiats sur l'occupation des μOR après la première exposition au saccharose. Enfin, nous avons testé la relation entre les changements dans la disponibilité des récepteurs des deux traceurs.

Cartes paramétriques moyennes de [¹¹C] carfentanil et [¹¹C] potentiel de liaison au raclopride (BP_ND) sont illustrés à la Fig. 1. Analyser les changements survenus après la première exposition au saccharose dans cinq miniporcs par rapport à la ligne de base et un jour après le 12^th accès au saccharose dans sept miniporcs par rapport à la ligne de base, nous avons utilisé la théorie de la permutation et l'analyse du cerveau entier non limitée régionalement, la méthode préférée pour les échantillons de cette taille¹⁴.

Potentiel de liaison moyen non déplaçable au niveau du voxel (BP_ND) cartes superposées aux images IRM en vue sagittale. Les données sont présentées pour [¹¹C] carfentanil BP_ND des 5 miniporcs imagés au départ, après une exposition initiale au saccharose et après 12 jours d'exposition au saccharose (rangée du haut). [¹¹C] carfentanil BP_ND des 7 miniporcs imagés au départ et après 12 jours d'accès au saccharose sont présentés dans la rangée du milieu. [¹¹C] raclopride BP_ND des 7 miniporcs imagés au départ et après 12 jours d'accès au saccharose sont indiqués dans la rangée du bas. Notez que l'échelle de couleurs est exponentielle pour mettre en surbrillance le [¹¹C] raclopride BP_ND dans les régions extrastriatales.

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Exposition initiale au saccharose

Dans les cinq miniporcs imagés avec [¹¹C] carfentanil au départ et immédiatement après la première exposition au saccharose, nous avons constaté une réduction significative de la liaison du traceur dans le cortex cingulaire antérieur et le noyau accumbens en réponse au saccharose, illustré en couleur sur la Fig. 2, indiquant p <0.05. Nous avons détecté jusqu'à 14% de diminution de la liaison du traceur dans les deux zones par rapport à la ligne de base.

Baisse significative de [¹¹C] carfentanil BP_ND après la première exposition à l'eau de saccharose par rapport à la ligne de base (n = 5). Seuls les voxels avec une importante (p <0.05) les diminutions sont indiquées par des zones colorées projetées sur des coupes IRM pondérées en T1 au niveau du cortex cingulaire antérieur (à gauche) et du noyau accumbens (au milieu) à partir d'un atlas cérébral stéréotaxique minipig. Notez que le niveau de signification maximal pouvant être atteint avec 5 animaux est de 2^-5 ≈ 0.031 (voir la barre de couleur). Les données sont présentées sur les coupes coronales du cerveau de porc aux niveaux indiqués sur l'image sagittale (à droite).

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12 jours d'accès au saccharose

Nous avons ensuite effectué l'analyse de sept miniporcs imagés avec [¹¹C] carfentanil au départ et après 12 jours d'accès au saccharose et a trouvé une réduction significative de la liaison du traceur chez les animaux exposés au saccharose par rapport au départ. Les régions les plus fortement affectées sont représentées en rouge sur la Fig. 3 (p <0.01) et comprennent des parties des structures olfactives, le noyau accumbens / striatum ventral et le cortex / lobe temporal, suivis des zones en jaune (p <0.015) qui comprenaient des parties du cortex préfrontal, du cortex cingulaire, de l'amygdale et du tronc cérébral . Afin d'obtenir BP_ND et évaluer la variation en pourcentage, nous avons effectué une analyse régionale et obtenu des valeurs moyennes dans chaque région au départ et après la consommation de saccharose (Fig. 4).

Baisse significative de [¹¹C] Potentiel de liaison du carfentanil (BP_ND) entre l'inclusion et après 12 jours d'exposition à l'eau de saccharose (n = 7). Les voxels avec d'importantes (p <0.05) les diminutions sont représentées par des zones colorées projetées sur des coupes IRM pondérées en T1 à partir d'un atlas cérébral stéréotaxique minipig. Les données sont présentées sur des coupes coronales cérébrales aux niveaux indiqués sur l'image sagittale (en bas à droite). Notez que le niveau de signification maximal pouvant être atteint avec 7 animaux est de 2^-7 ≈ 0.0078 (voir la barre de couleur).

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Analyse régionale de [¹¹C] Potentiel de liaison du carfentanil (BP_ND) entre l'inclusion et après 12 jours d'exposition à l'eau de saccharose (n = 7). Les données sont présentées sous forme de moyenne ± erreur standard.

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Nous avons utilisé [¹¹C] raclopride en tant que traceur des récepteurs DA D2 / 3 dans les régions cérébrales striatales et extrastriatales chez les miniporcs au départ et après 12 jours d'accès au saccharose (Fig. 1). Nous avons trouvé une diminution de la liaison du traceur chez les animaux exposés au saccharose, par rapport à la ligne de base avec des effets les plus importants (p <0.01) dans les zones du cortex préfrontal, du noyau accumbens / striatum ventral, du cortex cingulaire, de l'amygdale, du thalamus, du mésencéphale, des régions hippocampiques et des zones olfactives. (Figure. 5). Les données de l'analyse régionale sont présentées sur la Fig. 6.

Baisse significative de [¹¹C] potentiel de liaison au raclopride (BP_ND) entre l'inclusion et après 12 jours d'exposition à l'eau de saccharose (n = 7). Les voxels avec d'importantes (p <0.05) les diminutions sont représentées par des zones colorées projetées sur des coupes IRM pondérées en T1 à partir d'un atlas cérébral stéréotaxique minipig. Les données sont présentées sur des coupes coronales du cerveau de porc aux niveaux indiqués sur l'image sagittale (en bas à droite). Notez que le niveau de signification maximal pouvant être atteint avec 7 animaux est de 2^-7 ≈ 0.0078 (voir la barre de couleur).

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Analyse régionale de [¹¹C] potentiel de liaison au raclopride (BP_ND) entre l'inclusion et après 12 jours d'exposition à l'eau de saccharose (n = 7). Les données sont présentées sous forme de moyenne ± erreur standard.

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Corrélations entre [¹¹C] le raclopride et [¹¹C] données sur le carfentanil

Nous avons testé la corrélation potentielle entre [¹¹C] le raclopride et [¹¹C] valeurs de carfentanil de BP_ND dans les régions striatales et non striatales chez les mini-porcs au départ et après 12 jours de consommation de saccharose, sans association observée. Nous avons ensuite testé si les déclins de la liaison du traceur étaient corrélés, et nous avons comparé les changements de BP_ND pour [¹¹C] raclopride avec les changements de BP_ND pour [¹¹C] carfentanil uniquement chez les miniporcs qui avaient une TA plus faible_ND des deux traceurs après la consommation de saccharose (n = 6). Nous avons trouvé des corrélations négatives importantes dans la moyenne extrastriatale (r² = 0.91, p <0.01), mais pas dans les régions striatales (Fig. 7).

Corrélations entre les diminutions pré- et post-décroissantes de [¹¹C] le raclopride et [¹¹C] potentiels de liaison du carfentanil (BP_ND) chez les cochons nains avec une diminution de la liaison du traceur après la consommation de saccharose (n = 6). Les données des régions extrastriatales moyennes (en haut) et du striatum (en bas) sont présentées. Le coefficient de détermination (r²) et les valeurs de p sont affichées pour chaque graphique.

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Nous avons déterminé les effets de l'accès intermittent répété au saccharose sur la neurotransmission opioïde et DA dans le cerveau des mammifères. Longitudinal in vivo L'imagerie TEP des récepteurs μOR et DA D2 / 3 a révélé une disponibilité réduite des récepteurs dans tout le circuit de récompense, y compris le noyau accumbens, le cortex préfrontal et le cortex cingulaire antérieur. Les résultats démontrent clairement que le saccharose affecte les mécanismes de récompense d'une manière similaire à celle des drogues d'abus.

L'apport de saccharose en tant que substance appétente est connu pour libérer de l'AD et induire une dépendance chez les rongeurs¹⁵, le saccharose étant encore plus agréable que la cocaïne chez les rongeurs dans certains contextes. Ainsi, les rongeurs travaillent plus intensément pour obtenir du saccharose que de la cocaïne, même en l'absence de privation alimentaire⁵. Cependant, les effets du saccharose sont régulés à la fois par le système homéostatique et par les circuits de récompense hédoniques^16,17 qui peuvent arbitrer la distinction entre les aspects nutritionnels et hédoniques de l'action du saccharose¹⁸. Nous avons opté pour un horaire d'une heure par jour afin de favoriser le «binging», car des études antérieures chez le rat avaient révélé un apport plus élevé au cours de la première heure d'accès quotidien dans un horaire intermittent^15,19. Les études comportementales de l'apport alimentaire ciblent souvent les animaux à alimentation restreinte, mais la conception ne reflète pas nécessairement les mêmes mécanismes neuronaux actifs dans l'obésité. Les porcs de la présente étude n'étaient pas soumis à des restrictions alimentaires et ont été nourris avec les quantités habituelles de leur alimentation normale en plus de l'accès au saccharose.

Les récepteurs opioïdes (OR) sont largement exprimés dans le cerveau, en particulier dans les structures connues pour moduler les processus alimentaires et de récompense²⁰. Il a été démontré que les RUP jouent un rôle important dans les effets gratifiants et récidivants de la cocaïne^21,22,23,24. Les altérations de la liaison ont également été liées aux réponses homéostatiques à l'alimentation et au plaisir associé à une nourriture agréable au goût²⁵. En particulier, le «goût» des aliments est lié au système opioïde endogène, en particulier le μOR^9,10 dans la coquille du noyau accumbens et du pallidum ventral²⁶. Les infusions d'un agoniste μOR dans des parties distinctes du noyau accumbens et du pallidum ventral améliorent fortement les comportements de «sympathie», y compris les saillies de la langue et le léchage des pattes, après une augmentation de la consommation de nourriture agréable au goût^27,28,29. Des preuves supplémentaires de la signalisation opioïde dans le traitement de la régulation hédonique proviennent d'antagonistes μOR qui atténuent la consommation de nourriture agréable au goût dans les deux cas. ad libitum-animaux nourris et soumis à des restrictions alimentaires, mais avec un effet plus limité sur la consommation de pellets standard non appétents^30,31. Chez l'homme, les antagonistes μOR diminuent l'apport alimentaire à court terme et réduisent l'agréabilité des aliments appétents^32,33,34. La signalisation des opioïdes dans l'amygdale basolatérale contribue également au «manque» d'aliments par la modulation de la recherche de récompenses et la valeur incitative des aliments³⁵.

Avec [¹¹C] carfentanil, nous avons obtenu des images de la liaison du traceur qui est sensible à la fois aux niveaux μOR et à la libération par le cerveau d'opioïdes endogènes^36,37. Nous avons détecté une perte immédiate de disponibilité de μOR dans les zones du noyau accumbens et du cortex cingulaire antérieur, régions cérébrales spécifiques de la voie de récompense, après la consommation initiale de saccharose par cinq miniporcs, compatible avec la libération endogène d'opioïdes. Des études antérieures ont montré que la nourriture agréable au goût peut entraîner des sensations de plaisir³⁸ en stimulant la libération d'opioïdes. Après 12 jours d'accès au saccharose, nous avons observé une diminution [¹¹Fixation C] carfentanil, qui a plusieurs explications possibles³⁹ y compris la libération et la liaison d'opioïdes endogènes à μOR, l'internalisation de μOR en raison de l'augmentation de la liaison aux opioïdes et de l'activation accrue des récepteurs DA D2 / 3 conduisant à une désensibilisation hétérologue de μOR⁴⁰.

À l'appui des présentes conclusions, [¹¹C] études sur le carfentanil chez des patients boulimiques⁴¹, obésité^42,43,44et troubles de l'hyperphagie boulimique⁴⁵, montrent une diminution de la disponibilité des récepteurs. Cependant, ce sont des conditions chroniques alors que les miniporcs n'ont reçu du saccharose que pendant 12 jours. Dans une étude du comportement alimentaire aigu chez des hommes en bonne santé, l'alimentation a conduit à une libération d'opioïdes cérébraux endogènes robuste et généralisée, en présence et en l'absence d'hédonie, ce qui suggère que la libération d'opioïdes reflète des réponses métaboliques et homéostatiques, ainsi qu'hédoniques.²⁵. Cette étude, avec une autre qui a imaginé des patients après un repas liquide au chocolat⁴⁴, est directement pertinente pour l'étude aiguë de cinq miniporcs après la première exposition au saccharose, mais diffère de l'étude d'exposition chronique au saccharose sur 12 jours où la disponibilité réduite des récepteurs reflète plus probablement une surstimulation répétée et une régulation négative concomitante de μOR.

Le cortex préfrontal est important dans la prise de décision et l'attribution de valeur aux articles et, par conséquent, le μOR dans le cortex préfrontal peut être responsable de la modification de l'évaluation de la saillance des aliments, ce qui peut augmenter le potentiel de dépendance des aliments. Nous avons constaté une diminution de la liaison dans le cortex préfrontal, conformément aux études précédentes montrant qu'un régime riche en graisses réduit les niveaux d'ARNm μOR dans le cortex préfrontal⁴⁶ et que la perfusion d'un agoniste μOR dans le cortex préfrontal augmente la consommation d'aliments sucrés⁴⁷. Encore une fois, cependant, la question se pose de savoir si le régime riche en graisses est une maladie plus chronique qui intervient plus probablement dans la régulation à la baisse des récepteurs, par rapport à la conception d'alimentation à court terme en saccharose, suggérant une libération prolongée d'opioïdes endogènes qui déplace le traceur carfentanil lié à μOR , même après 12 jours de saccharose.

DA a été impliqué dans les récompenses à la fois des drogues et du comportement. La consommation chronique de cocaïne inhibe la signalisation de l'AD⁴⁸. Les niveaux des récepteurs DA D1 et D2 / 3 sont modifiés par la nicotine dans le cerveau de porc⁴⁹et chez les primates non humains ayant des antécédents d'abus de cocaïne⁵⁰, compatible avec la régulation négative des récepteurs D2 / 3 dans le cerveau des toxicomanes humains^51,52. Quant aux drogues d'abus, il a été démontré que le saccharose régule positivement les récepteurs DA D1¹⁹ et augmenter la version DA⁵³, renforçant le rôle du DA dans le «vouloir» par rapport à la nourriture agréable au goût. Des études antérieures sur la TEP ont démontré une diminution de la disponibilité des récepteurs striataux DA D2 / 3 dans l'obésité morbide par rapport au poids moyen^54,55, d'une ampleur similaire à la réduction du nombre de patients toxicomanes⁵⁶, et chez l'animal avec des modèles d'obésité⁵⁷. Dans les études sur les rongeurs, le renversement des récepteurs D2 / 3 dans le striatum favorise le développement de la recherche compulsive de nourriture chez les rats ayant accès à une nourriture agréable au goût⁵⁷.

Nos observations d'une diminution de la disponibilité des récepteurs D2 / 3 du porc peuvent indiquer une augmentation des niveaux de DA en réponse à la saillance incitative associée à la consommation de saccharose depuis que la DA est libérée dans le cadre du manque de drogues d'abus et d'autres activités agréables^52,58,59,60. Comme les porcs étaient anesthésiés pendant l'imagerie et n'avaient pas reçu de saccharose depuis 24 heures, la diminution de la PA D2 / 3_ND reflète plus probablement une réduction du nombre de récepteurs en réponse à l'augmentation prolongée de la libération de DA à chacun des 12 jours d'accès au saccharose. La réduction peut augmenter les seuils de récompense cérébrale, associés à une régulation négative des récepteurs striataux DA D2. Cela peut expliquer la sensibilité accrue aux drogues d'abus observée dans les études précédentes de rats mangeant trop de saccharose qui a conduit à une sensibilisation croisée à la cocaïne, à l'hyperactivité après une faible dose d'amphétamine, à une consommation accrue d'alcool en s'abstenant de saccharose et à une tolérance aux effets analgésiques des opiacés⁶.

Une étude précédente de l'obésité chez le miniporc de Göttingen a identifié une diminution du flux sanguin cérébral dans le noyau accumbens, la zone tegmentale ventrale (VTA) et le cortex préfrontal, avec une tomographie par émission de photons unique (SPECT) du cerveau⁶¹. Conformément à ces résultats, nous avons observé une réduction de la liaison à DA D2 / 3 dans la région ventroforebrain contenant le noyau accumbens et dans le cortex préfrontal. Les niveaux extracellulaires de DA sont multipliés par 3 dans le noyau accumbens après la prise de saccharose chez des rats en mouvement libre subissant une microdialyse⁶². Chez les animaux dépendants du saccharose, l'apport répété de saccharose peut conduire à la libération de DA à partir de la coquille du noyau accumbens⁶³. Les animaux nourris avec un régime restreint avec un accès limité au saccharose avaient une liaison plus faible aux récepteurs DA D2 dans la coque du noyau accumbens et le striatum dorsal⁶⁴. Les régimes restreints riches en graisses et en saccharose peuvent conduire à une régulation négative prolongée des ARNm des récepteurs D1 et D2 dans le noyau accumbens⁶⁵. Une étude de microdialyse des effets des aliments appétents a révélé une augmentation de la libération de DA dans le noyau accumbens et le cortex préfrontal lorsque l'aliment était encore considéré comme nouveau; une fois que les rats se sont habitués à la nouvelle nourriture, la libération accrue a été émoussée dans le noyau accumbens, mais pas dans le cortex préfrontal⁶⁶. La sensibilité différentielle à l'habituation et au conditionnement de l'activité dans deux régions peut expliquer l'augmentation plus importante observée dans le cortex préfrontal que dans le noyau accumbens des miniporcs exposés à la même substance agréable au goût qui a perdu de la nouveauté après douze jours. Cependant, comme nous n'avons pas imaginé de mini-cochons avec [¹¹C] raclopride après la première administration de saccharose, cette explication est spéculative.

Le cortex préfrontal module la fonction exécutive, la prise de décision et la maîtrise de soi⁶⁷. La neurotransmission DA dysfonctionnelle dans le cortex préfrontal altère la modulation du traitement des récompenses, suggérant une altération de la fonction exécutive et des compétences décisionnelles chez les personnes obèses^68,69. De plus, une étude TEP humaine a corrélé une diminution du métabolisme du cortex frontal avec une diminution de la liaison striatale D2 dans l'obésité⁷⁰. Ici, nous trouvons une disponibilité réduite des récepteurs D2 / 3 dans le cortex préfrontal, y compris le cortex orbitofrontal des porcs exposés au régime de saccharose.

Les neurones dopaminergiques du VTA envoient des projections à l'hippocampe et à l'amygdale, où ils soutiennent des comportements de type habitude⁷¹ et médiation de l'encodage et de la récupération du conditionnement à la drogue^72,73 et des indices alimentaires^74,75. L'imagerie du cerveau humain a montré une activation hippocampique en réponse à l'envie et à la dégustation de nourriture⁷⁶. Conformément à nos résultats d'une réduction de la disponibilité des récepteurs hippocampiques et amygdaliens D2 / 3 en réponse au saccharose, la cartographie du cerveau humain avec [¹⁸Le f] fallypride a montré une libération de DA induite par la cocaïne dans l'amygdale et l'hippocampe⁷⁷. Dans le cerveau des rongeurs, l'exposition à la cocaïne a déclenché la libération de DA dans l'amygdale⁷⁸et les altérations des niveaux d'amygdale DA ont influencé le comportement de recherche de cocaïne induit par les signaux⁷⁹.

Dans une étude d'individus obèses, l'association entre les disponibilités D2 / 3 et μOR, connue pour exister dans les régions striatales des individus maigres, a été perturbée dans le striatum ventral⁸⁰. Nous avons comparé les valeurs de BP_ND des deux traceurs pour tester si les données reproduisent cet effet. Contrairement aux humains maigres, le cerveau actuel des porcs n'avait aucune corrélation entre les valeurs de la PA_ND des deux traceurs, au départ ou après l'exposition au saccharose. Nous avons ensuite testé si les animaux présentant les déclins les plus importants de la liaison du raclopride traceur auraient également les plus fortes diminutions de la liaison du tracer carfentanil, mais au lieu de cela, nous avons trouvé une corrélation négative dans les régions extrastriatales moyennes, suggérant que les animaux présentant le plus grand changement du potentiel de liaison de le raclopride traceur présentait la variation la plus faible du potentiel de liaison du traceur carfentanil. La relation inverse entre les changements suggère que les effets de l'apport en saccharose sur les disponibilités des récepteurs respectifs sont régulés dans des directions opposées. Il est connu que la consommation excessive d'aliments ou de médicaments agréables au goût peut être motivée par le désir ou le goût, ou les deux.^60,81. Il est possible que l’ampleur du désir provoqué par la dopamine annule l’ampleur du goût entraîné par les opioïdes, ou vice versa. Des preuves récentes indiquent les rôles du GABA_A récepteurs dans le VTA et terminaux cholinergiques dans le striatum et éventuellement le cortex qui agissent comme des commutateurs entre les mécanismes d'action des opioïdes dépendants de la dopamine et indépendants de la dopamine^82,83 cela peut expliquer la réciprocité de la dopamine et des effets opioïdes dans les régions extrastriatales porcines déterminées ici.

Un défaut de la TEP, également chez des animaux comparativement grands, est la résolution spatiale limitée de la tomographie qui affecte les résultats de petites régions cérébrales impliquées dans les comportements associés aux aliments. Cependant, malgré ces préoccupations, [¹¹La liaison au raclopride C] a été enregistrée précédemment dans les régions striatales et extrastriatales^84,85,86,87. L'utilisation de [¹¹Le raclopride C] pour étiqueter le même type de récepteurs ne soulève aucune préoccupation concernant les différences d'affinité potentielles qui peuvent affecter l'utilisation de traceurs séparés pour les mêmes récepteurs dans différentes régions. Des études récentes ont inclus des dossiers de liaison extrastriatale de [¹¹C] raclopride. Alakurtti et al. trouvé une bonne reproductibilité des mesures de la liaison du raclopride striatale dans le striatum, avec seulement une reproductibilité bonne à modérée dans le cortex⁸⁵. Dans une étude ultérieure, Svensson et al. discuté de plusieurs questions affectant l'utilisation de [¹¹C] raclopride en tant que marqueur des récepteurs extrastriataux D2 / 3 dans une étude sur des humains en bonne santé, y compris une mauvaise reproductibilité dans le cortex et un déclin limité de la liaison extrastriatale dans le cortex frontal en réponse à un agent bloquant D2 / 3⁸⁸. Les comparaisons test-retest ont révélé des variabilités de 4 à 7% dans le striatum et de 13 à 59% dans les régions corticales, mais le temps entre les examens était en moyenne de 20 jours, contrairement aux 1 à 2 jours les plus informatifs de la plupart des études. Un certain nombre de facteurs dans la vie de ces sujets peuvent avoir eu le temps d'influencer les résultats. En effet, nous montrons ici que le simple fait d'ajouter la consommation de saccharose à une routine matinale pendant 12 jours peut avoir influencé les mesures contraignantes obtenues deux semaines plus tard. D'autres facteurs aussi communs que les jeux vidéo, le shopping, la création de nouvelles relations amoureuses et l'activité sexuelle, la consommation de drogues ou le changement de régime alimentaire et l'exercice peuvent influencer les niveaux de dopamine extrastriataux avec un potentiel de grande variation des ensembles de données. L'étude actuelle sur les miniporcs a introduit une configuration bien contrôlée, la seule variable étant l'absence ou la présence de saccharose dans l'alimentation. Dans ce contexte, les données de sept animaux présentaient une variabilité suffisamment faible dans les régions extrastriatales pertinentes pour identifier une réduction statistiquement significative de la liaison en réponse au saccharose.

L’une des limites de la présente étude est l’utilisation d’anesthésiques nécessaires pour garantir l’immobilité in vivo imagerie des animaux. Les effets d'anesthésiques spécifiques et leurs interactions avec des médicaments ou d'autres interventions peuvent perturber la liaison des radioligands^89,90. La kétamine est un médicament anti-glutamatergique avec des effets antidépresseurs rapides à des doses sous-anesthésiques^91,92,93, qui ne réduisent pas le striatal [¹¹C] liaison au raclopride chez l'homme⁹⁴. Cependant, il a été constaté que la S-kétamine réduit la disponibilité de liaison des récepteurs dopaminergiques D2 / 3 dans le striatum de primates non humains conscients.⁹⁵. L'isoflurane est un anesthésique courant dans la TEP animale. Dans des études précédentes, nous avons trouvé une accumulation striatale de [¹¹C] SCH23390, un radioligand des récepteurs de la dopamine D1 significativement plus élevé chez les miniporcs anesthésiés à l'isoflurane plutôt qu'au propofol, suggérant une sensibilité de la neurotransmission dopaminergique aux effets de l'anesthésie⁹⁶. Dans la présente étude, tous les porcs miniatures ont été imagés aux deux moments sous pré-médicament à la kétamine et sous anesthésie à l'isoflurane, ce qui rend les présentes comparaisons valides.

Une consommation excessive d'aliments appétents peut à la fois provoquer et devenir le résultat d'une addiction ayant des conséquences directes sur la santé par l'obésité. Nous avons testé l'affirmation selon laquelle les opioïdes et la dopamine médient des récompenses, importantes pour la survie ainsi que pour l'abus de drogues. Les miniporcs avec un accès intermittent à une solution de saccharose pendant 12 jours consécutifs ont démontré une diminution de la disponibilité des récepteurs dopaminergiques D2 / 3 et μ-opioïdes dans les régions cérébrales striatales et extrastriatales, ce qui implique que les aliments riches en saccharose influencent le circuit de récompense cérébrale de manière similaire à ceux observés lors de la toxicomanie sont consommés. L'exposition unique initiale au saccharose était compatible avec la libération d'opioïdes dans les régions cérébrales actives en récompense. Les changements de la disponibilité des opioïdes et de la dopamine expliquent le potentiel addictif du saccharose consommé en excès.

Ethique animale

Cette étude a été approuvée et réglementée par l'Inspection danoise des expérimentations animales et toutes les expériences ont été menées conformément à la directive 2010/63 / UE du Parlement européen et du Conseil sur la protection des animaux utilisés à des fins scientifiques et aux lignes directrices ARRIVE. Nous avons utilisé sept miniporcs de Göttingen femelles de 6 mois (Ellegaard, Dalmose, Danemark). Les miniporcs ont reçu un régime alimentaire en granulés (2 dL, XNUMX fois par jour, Special Diets Services, Aarhus, Danemark) avec de l'eau du robinet disponible ad libitum. La température ambiante était de 20 à 22 ° C, l'humidité relative de 50 à 55% et l'air était changé huit fois par heure.

Consommation intermittente de saccharose

Nous avons imaginé sept mini-cochons avec [¹¹C] le raclopride et [¹¹C] carfentanil au départ, et à nouveau un jour après 12 jours consécutifs d'exposition à l'eau de saccharose. L'exposition au saccharose consistait en une heure d'accès à l'eau (saccharose, Dansukker, Copenhague, Danemark) (500 grammes de saccharose dans 2 litres d'eau), quotidiennement pendant une période de 12 jours. La quantité de saccharose ingérée a été enregistrée et tous les miniporcs ont consommé 2 litres chaque jour. Nous avons également imaginé cinq des mêmes mini-cochons avec [¹¹C] carfentanil, 30 minutes après le premier accès au saccharose, afin d'étudier la libération aiguë d'opioïdes.

Les miniporcs ont gagné en moyenne 13.6% de poids corporel de 25.4 kg (± 0.73 SEM) au départ à 28.9 kg (± 0.69 SEM) après l'exposition de 12 jours au saccharose, ce qui était significativement plus élevé (test t unilatéral, p < 0.001) que les augmentations observées dans un échantillon de miniporcs témoins obtenus dans les études précédentes, où les poids n'ont augmenté en moyenne que de 4.9%, au cours de la même période de développement.

Imagerie cérébrale TEP

Nous avons jeûné les porcs pendant la nuit avec un accès gratuit à l'eau avant l'imagerie. Nous avons pré-médicamenté et anesthésié les miniporcs comme décrit précédemment⁹⁷ et les a placés en décubitus dorsal dans un appareil TEP / TDM (Siemens Biograph 64 Truepoint PET). Nous avons effectué une tomodensitométrie à faible dose avant chaque acquisition TEP pour la définition anatomique et la correction d'atténuation des données d'émission de TEP. Nous avons administré par voie intraveineuse [¹¹C] raclopride à l'inclusion (360 ± 18 MBq, activité spécifique 77 ± 76 GBq / μmol, masse injectée 0.12 ± 0.08 μg / kg) et après 12 jours de saccharose (374 ± 54 MBq, activité spécifique 127 ± 85 GBq / μmol, masse injectée 0.06 ± 0.05 μg / kg), et [¹¹C] carfentanil au départ (377 ± 43 MBq, activité spécifique 311 ± 195 GBq / μmol, masse injectée 0.03 ± 0.02 μg / kg) et après 12 jours de saccharose (337 ± 71 MBq, activité spécifique 177 ± 157 GBq / μmol, masse injectée 0.06 ± 0.08 μg / kg) par la veine de l'oreille, dans 10 ml de solution saline, pendant la première minute d'un balayage de 90 minutes. Nous avons reconstruit des données TEP en utilisant TrueX 3D OSEM (3 itérations, 21 sous-ensembles), une matrice 256 × 256 × 109 et un filtre Gauss de 2 mm, en utilisant une structure temporelle de 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600 , 2 × 900 secondes (14 images au total, 90 minutes). Au départ et après 12 jours de saccharose, les miniporcs ont été imagés avec les deux traceurs injectés à au moins 100 minutes d'intervalle, en raison de la demi-vie de [¹¹C] Traceurs PET. À la fin de la dernière séance de TEP, nous avons euthanasié des miniporcs sous anesthésie profonde par une surdose intraveineuse de pentobarbital (100 mg / kg).

Analyses et statistiques quantitatives

Nous avons effectué des étapes de prétraitement à l'aide de PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Zurich, Suisse). Pour définir les paramètres de transformation stéréotaxique à partir d'images TEP à moyenne temporelle, nous avons utilisé des modèles spécifiques au ligand. Nous avons appliqué les matrices de transformation et les champs de déformation générés à la série temporelle TEP dynamique correspondante. Nous avons généré des images paramétriques de [¹¹C] potentiel de liaison au raclopride (BP_ND) au moyen de la méthode des tissus de référence multilinéaires d'Ichise et de ses collaborateurs⁹⁸. Nous avons créé un masque sur mesure du cervelet qui excluait le vermis pour obtenir la radioactivité des tissus cérébelleux au fil du temps dans une région de densité de récepteur DA D2 / 3 négligeable. Nous avons généré des images paramétriques de [¹¹C] carfentanil utilisant une implémentation du modèle tissulaire de référence Logan^99,100 avec t * = 30 min. Études de [¹¹La liaison du C] carfentanil dans le cerveau humain a utilisé le cortex occipital comme région de référence³⁶; cependant, chez le porc, selon les courbes d'activité temporelle, la liaison non déplaçable était plus faible dans le cervelet que dans le cortex occipital, conformément aux résultats d'une étude d'autoradiographie chez le rat.¹⁰¹. Nous avons donc sélectionné le cervelet comme région de référence dans la présente étude.

analyses statistiques

Nous avons soumis les cartes à une analyse au niveau du voxel avec la cartographie statistique non paramétrique (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) Boîte à outils SPM qui utilise la théorie de la permutation non paramétrique pour fournir un cadre pour l'inférence statistique, une approche qui fonctionne bien pour les petits échantillons en raison d'un contrôle strict des faux positifs¹⁴ et appliqué comme décrit précédemment¹⁰². Un expert en neuroanatomie porcine (DO) a comparé les images obtenues avec un seuil de signification de 5% à un atlas de miniporcs de Göttingen haute résolution^103,104 pour définir et étiqueter les régions de diminution de DA D2 / 3 et μOR BP_ND de la ligne de base à l'état post-saccharose. Nous avons ensuite effectué une analyse de la région d'intérêt (ROI) afin d'extraire BP_ND valeurs de régions spécifiques jugées intéressantes d'après l'analyse SnPM, y compris le striatum, le noyau accumbens, le thalamus, l'amygdale, le cortex cingulaire et le cortex préfrontal. Aucune statistique supplémentaire n'a été réalisée sur l'analyse du retour sur investissement, car ces régions se sont déjà révélées significatives à l'aide de SnPM.

Une «subvention de développement de projets AU Ideas» de l'Université d'Aarhus à AML a financé l'étude. Nous sommes reconnaissants pour le soutien technique du personnel du centre de TEP de l'hôpital universitaire d'Aarhus et de la ferme universitaire d'Aarhus pour l'aide au traitement des animaux. Nous remercions le professeur Morten Kringelbach, le professeur Jørgen Scheel-Kruger et le professeur agrégé Arne Møller pour leur aide dans le démarrage de ces études.

AFFILIATIONS

1. Département de médecine nucléaire et Centre TEP, Université d'Aarhus, Aarhus, Danemark
   • Michel Winterdahl
   • , Ove Noer
   • , Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • , Albert Gjedde
   •  Et Anne M. Landau
2. Département de neurochirurgie et CENSE, Hôpital universitaire d'Aarhus, Aarhus, Danemark
   • Dariusz Orlowski
3. Département de médecine nucléaire, Université du Danemark du Sud et hôpital universitaire d'Odense, Odense, Danemark
   • Albert Gjeddé
4. Département de neurosciences, Université de Copenhague, Copenhague, Danemark
   • Albert Gjeddé
5. Département de neurologie et de neurochirurgie, Université McGill, Montréal, Canada
   • Albert Gjeddé
6. Unité de neuropsychiatrie translationnelle, Université d'Aarhus, Aarhus, Danemark
   • Anne M. Landau

Contributions

MW et AML ont conçu l'étude et l'analyse; ACS et SJ ont synthétisé les traceurs PET; MW, AKOA et AML ont manipulé les miniporcs et effectué les scans TEP; MW, ON et AML ont effectué l'analyse des données; DO a fourni une expertise anatomique, MW, AG et AML ont interprété les données; MW et AML ont écrit le manuscrit avec le soutien d'AG; tous les auteurs ont approuvé la version finale du manuscrit.

auteur correspondant

Correspondance à Anne M. Landau.

Intérêts concurrents

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Réimpressions et autorisations