Komentar: Studi mengungkapkan kepekaan dan hypofrontality pada individu obesitas. Keduanya merupakan ciri khas dari perubahan otak terkait kecanduan.
Metabolisme glukosa dari nukleus kaudat di otak tengah (A) secara signifikan lebih tinggi pada orang yang gemuk dibandingkan individu kurus (B).
Di sebagian besar negara barat, peningkatan prevalensi tahunan dan tingkat keparahan obesitas saat ini sangat besar. Meskipun obesitas biasanya hasil dari asupan energi yang berlebihan, saat ini tidak jelas mengapa beberapa orang cenderung makan berlebihan dan menambah berat badan.
Karena sistem saraf pusat terlibat erat dalam pemrosesan sinyal kelaparan dan mengendalikan asupan makanan, ada kemungkinan bahwa penyebab kenaikan berat badan dan obesitas mungkin ada di otak.
Para peneliti di Universitas Turku dan Universitas Aalto kini telah menemukan bukti baru untuk peran otak dalam obesitas. Para peneliti mengukur fungsinya sirkuit otak terlibat dengan berbagai metode pencitraan otak.
Hasilnya mengungkapkan bahwa pada individu yang gemuk versus kurus, metabolisme glukosa otak secara signifikan lebih tinggi di daerah striatal otak, yang terlibat dalam pemrosesan hadiah. Selain itu, sistem penghargaan individu yang mengalami obesitas merespons gambar makanan dengan lebih bersemangat, sedangkan respons di daerah kortikal frontal yang terlibat dalam kontrol kognitif berkurang..
"Hasilnya menunjukkan bahwa otak individu yang mengalami obesitas mungkin terus-menerus menghasilkan sinyal yang mendorong makan bahkan ketika tubuh tidak memerlukan pengambilan energi tambahan., ”Kata Ajun Profesor Lauri Nummenmaa dari Universitas Turku.
“Hasilnya menyoroti peran otak dalam obesitas dan penambahan berat badan. Hasilnya memiliki implikasi besar pada model obesitas saat ini, tetapi juga pada pengembangan pengobatan farmakologis dan psikologis obesitas, ”kata Nummenmaa.
Para partisipan adalah individu yang sangat gemuk dan kontrol yang ramping dan sehat. Otak mereka metabolisme gula/glukosa diukur dengan positron tomografi emisi selama kondisi di mana tubuh kenyang dalam hal pensinyalan insulin. Respon otak untuk gambar makanan diukur dengan pencitraan resonansi magnetik fungsional.
Penelitian ini didanai oleh Akademi Finlandia, Rumah Sakit Universitas Turku, Universitas Turku, Universitas Åbo Akademi dan Universitas Aalto.
Hasilnya diterbitkan pada Januari 27th, 2012 dalam jurnal ilmiah PLoS ONE.
STUDI: Dorsal Striatum dan Konektivitas Limbiknya Memediasi Abnormal Anticipatory Reward Processing dalam Obesity
Lauri Nummenmaa, Jussi Hirvonen, Jarna C. Hannukainen, Heidi Immonen, Markus M. Lindroos, Paulina Salminen, Pirjo Nuutila .. PLOS ONE, 2012; 7 (2): e31089 DOI: 10.1371 / journal.pone.0031089
Abstrak
Obesitas ditandai oleh ketidakseimbangan dalam sirkuit otak yang mempromosikan pencarian hadiah dan kontrol kognitif yang mengatur. Di sini kami menunjukkan bahwa nukleus berekor dorsal dan hubungannya dengan amigdala, insula, dan korteks prefrontal berkontribusi pada pemrosesan hadiah abnormal pada obesitas. Kami mengukur penyerapan glukosa otak regional pada subjek yang obesitas (n = 19) dan berbobot normal (n = 16) dengan subjek 2- [18F] fluoro-2-deoxyglucose ([18F] FDG) positron emission tomography (PET) selama hiperinsulinemia euglikemik dan dengan pencitraan resonansi magnetik fungsional (fMRI) sementara hadiah makanan antisipatif diinduksi oleh presentasi berulang-ulang gambar makanan hambar dan makanan hambar. Pertama, kami menemukan bahwa tingkat penyerapan glukosa dalam nukleus kaudat dorsal lebih tinggi pada obesitas dibandingkan pada subjek dengan berat normal. Kedua, subyek obesitas menunjukkan peningkatan respons hemodinamik pada nukleus kaudatus sambil melihat selera makanan versus makanan hambar di fMRI. Caudate juga menunjukkan konektivitas fungsional terkait tugas yang meningkat dengan amygdala dan insula pada subjek yang obesitas versus berat normal. Akhirnya, subjek yang obesitas memiliki respon yang lebih kecil terhadap makanan yang berselera dibandingkan makanan hambar di korteks dorsolateral dan orbitofrontal daripada subjek dengan berat normal, dan kegagalan untuk mengaktifkan korteks prefrontal dorsolateral berkorelasi dengan metabolisme glukosa tinggi pada nukleus kaudat dorsal. Temuan ini menunjukkan bahwa peningkatan sensitivitas terhadap isyarat makanan eksternal pada obesitas dapat melibatkan pembelajaran stimulus-respon abnormal dan motivasi insentif yang di bawah pengawasan inti kaudat dorsal, yang pada gilirannya mungkin disebabkan oleh input abnormal tinggi dari amigdala dan insula serta kontrol penghambatan disfungsional oleh daerah kortikal frontal. Perubahan fungsional dalam respon dan interkonektivitas dari rangkaian hadiah ini bisa menjadi mekanisme penting untuk menjelaskan makan berlebihan pada obesitas.
Kutipan: Nummenmaa L, Hirvonen J, Hannukainen JC, Immonen H, Lindroos MM, dkk. (2012) Dorsal Striatum dan Konektivitas Limbiknya Memediasi Abnormal Anticipatory Reward Processing dalam Obesity. PLoS ONE 7 (2): e31089. doi: 10.1371 / journal.pone.0031089
Editor: Ya-Ping Tang, Pusat Ilmu Kesehatan Universitas Negeri Louisiana, Amerika Serikat
diterima: Agustus 19, 2011; Diterima: Januari 2, 2012; Diterbitkan: Februari 3, 2012
Hak cipta: © 2012 Nummenmaa et al. Ini adalah artikel akses terbuka yang didistribusikan di bawah ketentuan Lisensi Atribusi Creative Commons, yang memungkinkan penggunaan, distribusi, dan reproduksi tanpa batas dalam media apa pun, asalkan penulis dan sumber aslinya dikreditkan.
Pendanaan: Karya ini didukung oleh Academy of Finland (hibah #256147 dan #251125 http://www.aka.fi) ke LN, oleh Universitas Aalto (AivoAALTO Grant, http://www.aalto.fi) Yayasan Sigrid Juselius (www.sigridjuselius.fi/foundation) Rumah Sakit Universitas Turku (hibah EVO http://www.tyks.fi). Para penyandang dana tidak memiliki peran dalam desain studi, pengumpulan dan analisis data, keputusan untuk menerbitkan, atau persiapan naskah.
Kepentingan bersaing: Para penulis telah menyatakan bahwa tidak ada kepentingan yang bersaing.
Pengantar
Di sebagian besar negara barat, peningkatan prevalensi tahunan dan tingkat keparahan obesitas saat ini sangat besar [1]. Ketersediaan makanan enak yang tidak dibatasi adalah faktor lingkungan paling jelas yang mendorong obesitas [2], dan gen yang mempromosikan asupan energi secara cepat melalui asupan gula dan lemak yang tinggi dalam kondisi kelangkaan makanan telah menjadi kewajiban di masyarakat modern di mana makanan berkalori tinggi tersedia di mana-mana. Untuk memerangi epidemi obesitas saat ini, sangat penting untuk memahami faktor mana yang menentukan apakah konsumsi makanan dikejar atau dikendalikan. Makan memberikan nutrisi tetapi juga sangat menguatkan, karena itu menginduksi perasaan kesenangan dan penghargaan yang intens. Studi banding telah menetapkan bahwa rangkaian hadiah yang saling berhubungan yang terdiri dari subkortikal (amigdala, hipotalamus, striatum) dan daerah frontokortikal (motorik, premotor, orbital dan medial) memainkan peran kunci dalam memandu perilaku nafsu makan. [3], [4], [5]. Studi pencitraan fungsional pada manusia lebih lanjut menunjukkan bahwa subkomponen dari rangkaian hadiah berkontribusi pada pemrosesan isyarat makanan eksternal seperti gambar makanan. [6], [7], [8], [9], dan disfungsi dari sirkuit hadiah juga telah dikaitkan dengan obesitas dan kecanduan narkoba. [2], [10], [11], [12], [13], [14]. Dalam penelitian ini kami menunjukkan bagaimana aktivitas tonik, respons regional serta interkonektivitas dari rangkaian hadiah dapat menjadi mekanisme penting yang menjelaskan makan berlebihan dan obesitas.
Makanan enak mengandung kekuatan motivasi yang kuat. Hanya melihat kue lezat atau aroma makanan favorit kami dapat menimbulkan keinginan kuat untuk makan sekarang, dan paparan isyarat seperti itu dapat mengesampingkan sinyal kenyang fisiologis dan memicu konsumsi makanan [15]. Makan berlebihan karenanya kemungkinan tergantung pada keseimbangan antara sirkuit hadiah dan jaringan yang menghambat pencarian hadiah, seperti korteks prefrontal dorsolateral [16], [17], [18]. Literatur yang masih ada dari studi pencitraan pada manusia menunjukkan bahwa obesitas dicirikan oleh ketidakseimbangan dalam sistem ini, di mana sirkuit hadiah itu terlalu aktif untuk hadiah antisipasi dalam obesitas dan bahwa jaringan penghambat mungkin gagal untuk melakukan kontrol atas sirkuit hadiah [2], [10], [11], [12], [13], [14], [19]. Ada perbedaan individu yang besar dalam respon sirkuit penghargaan terhadap makanan, dan ini mungkin merupakan faktor penting yang berkontribusi pada makan berlebihan dan obesitas. [2]. Dorongan sifat kepribadian berhubungan positif dengan mengidam makanan dan berat badan [20], dan studi fMRI telah mengungkapkan bahwa itu juga memprediksi respons ventral striatum terhadap gambar makanan yang menggugah selera pada individu dengan berat badan normal. [21]. Demikian pula, sensitivitas yang dilaporkan sendiri terhadap isyarat makanan eksternal berkorelasi positif dengan interkonektivitas dari rangkaian hadiah [22]. Sejalan dengan temuan ini, penelitian fMRI telah mengkonfirmasi bahwa rangkaian hadiah individu yang obesitas sangat sensitif terhadap pandangan makanan. Individu yang obesitas menunjukkan peningkatan respons terhadap gambar makanan di amigdala, nukleus kaudat, dan korteks singulata anterior [10], [19], dan telah diusulkan bahwa hiperaktifitas sirkuit hadiah dopaminergik ini dapat membuat individu gemuk cenderung makan berlebihan. Studi PET lebih lanjut menunjukkan kesamaan dopaminergik dalam mekanisme penyalahgunaan obat dan asupan makanan yang berlebihan, menunjukkan bahwa setidaknya dalam beberapa kasus obesitas mungkin ditandai sebagai 'kecanduan makanan'. Jalur hadiah dopaminergik di otak tengah memodulasi konsumsi makanan dan obat-obatan [23] khususnya dengan cara menciptakan sensasi keinginan makan dan obat-obatan [24], dan baik obat-obatan maupun makanan memberikan efek penguatnya dengan meningkatkan dopamin di daerah limbik. Pasien dengan gangguan kecanduan menunjukkan garis dasar yang lebih rendah D2 reseptor (D2R) kepadatan di striatum, dan pelepasan dopamin tumpul setelah pemberian obat pelecehan. Mirip dengan penyalahgunaan obat-obatan, konsumsi makanan dikaitkan dengan pelepasan dopamin di dorsal striatum pada subyek sehat, dan jumlah dopamin yang dilepaskan berkorelasi positif dengan peringkat kesenangan makanan. [12]. Mirip dengan pasien dengan gangguan kecanduan, subyek obesitas memiliki striatal D awal yang lebih rendah2Densitas R, yang berbanding lurus dengan BMI [11].
Meskipun sensitivitas yang berubah dari sirkuit hadiah mungkin merupakan faktor penting yang menjelaskan obesitas, masih sulit dipahami bagaimana sebenarnya sirkuit hadiah berkontribusi pada fungsi hadiah antisipatif terkait makanan pada individu yang obesitas. Pertama, demonstrasi sebelumnya dari respon sirkuit hadiah tinggi terhadap makanan dalam berat badan normal dan subjek obesitas [10], [19] belum membahas perbedaan dalam aktivitas dasar tonik dari sirkuit hadiah di otak. Metabolisme glukosa rendah tonik pada korteks prefrontal memprediksi dopamin striatal rendah D2 kepadatan reseptor - ciri dari sirkuit penghargaan yang tidak diatur - pada subjek obesitas [17]. Namun, apakah aktivitas tonik jaringan saraf yang memproses hadiah antisipatif memprediksi respons fungsional terhadap isyarat makanan eksternal tidak diketahui. Kedua, hanya sedikit penelitian yang telah mengambil pendekatan tingkat sistem untuk menguji apakah obesitas akan mengubah konektivitas fungsional dari rangkaian hadiah. Sementara sebuah studi pencitraan baru-baru ini pada manusia sehat menunjukkan bahwa konektivitas dalam sirkuit hadiah manusia tergantung pada sensitivitas individu terhadap isyarat makanan eksternal [22], orang lain yang melibatkan orang dengan obesitas dan berat badan normal menyarankan bahwa obesitas secara khusus dikaitkan dengan konektivitas fungsional yang kurang dari amigdala ke orbitofrontal cortex, (OFC) dan peningkatan konektivitas dari OFC ke ventral striatum [25]. Namun, mekanisme saraf yang tepat yang mendasari perubahan fungsional ini masih belum diketahui.
Dalam penelitian ini kami menerapkan pencitraan otak multimoda dengan menggabungkan [18F] FDG PET dengan percobaan fMRI yang melibatkan hadiah antisipatif yang diinduksi oleh presentasi gambar makanan hambar dan hambar. Perhatikan bahwa meskipun tidak ada hadiah yang benar-benar dikirimkan kepada para peserta, kami menggunakan istilah 'hadiah antisipatif' demi keringkasan, karena melihat target yang sangat bermanfaat seperti makanan dapat menginduksi respons antisipasi hadiah di ventral striatum, bahkan ketika tidak ada hadiah yang sebenarnya dikirim [21]. Telah ditetapkan bahwa pemanfaatan glukosa terkait erat dengan frekuensi spiking [26], maka tingkat metabolisme glukosa dapat digunakan untuk mengukur aktivasi dasar tonik otak selama istirahat. Dengan menggunakan penjepit hiperinsulinemia prima [27] Selama pemindaian PET, kami dapat membandingkan metabolisme glukosa otak individu yang obesitas dan berat badan normal dalam situasi di mana tubuh berada dalam keadaan kenyang dalam hal pensinyalan insulin. Eksperimen fMRI memungkinkan kami untuk membandingkan apakah individu dengan obesitas dan berat badan normal berbeda dalam hal respons otak regional dan konektivitas efektif dari sirkuit penghargaan selama melihat makanan yang menggugah selera vs. makanan hambar. Terakhir, menggabungkan data PET dan fMRI memungkinkan kami menggunakan tingkat metabolisme glukosa regional (GMR) yang diturunkan dalam pemindaian PET untuk memprediksi respons otak terhadap makanan yang membangkitkan selera dalam percobaan fMRI.
Bahan dan Metode
Peserta
Komite Etik Distrik Rumah Sakit Finlandia Barat Daya menyetujui protokol penelitian dan semua peserta menandatangani formulir persetujuan yang disetujui komite etis. Studi ini dilakukan sesuai dengan Deklarasi Helsinki. Tabel 1 menyajikan ringkasan peserta. Kelompok obesitas terdiri dari sembilan belas subyek obesitas yang tidak sehat secara neurologis (MBMI = 43.87, SDBMI = 6.60). Lima dari mereka menggunakan obat antidiabetik oral dan dikeluarkan dari studi PET. Enam belas subjek sukarelawan berat badan normal yang secara neurologis berfungsi sebagai kontrol (MBMI = 24.10, SDBMI = 2.07) dan dicocokkan dengan pasien sehubungan dengan usia, tinggi, dan indeks hipertensi (yaitu tekanan darah). Gangguan makan, gangguan mental berat dan penyalahgunaan zat adalah kriteria eksklusi untuk semua peserta. Satu subjek dengan berat normal dikeluarkan dari analisis data fMRI karena gerakan kepala yang berlebihan.
Tabel 1. Karakteristik peserta.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t001
Pengukuran perilaku
Sebelum percobaan, peserta menilai rasa lapar mereka menggunakan skala analog visual. Setelah percobaan fMRI, para peserta menilai valensi (kesenangan versus ketidaknyamanan) dari rangsangan eksperimental pada komputer menggunakan Self-assessment Manikin. [28] dengan skala mulai dari 1 (tidak menyenangkan) hingga 9 (menyenangkan).
Akuisisi dan analisis PET
Penelitian dilakukan setelah puasa 12 jam. Subjek menahan diri dari minuman yang mengandung kafein dan dari merokok 24 jam sebelum studi PET. Segala jenis aktivitas fisik yang berat dilarang dari malam sebelumnya. Dua kateter dimasukkan ke dalam vena antekubital, satu untuk infus salin, insulin dan glukosa dan injeksi radiotracer [18F] FDG, dan lainnya ke lengan hangat berlawanan untuk pengambilan sampel darah arteri. Teknik penjepit euglycemic hyperinsulinemic digunakan seperti yang dijelaskan sebelumnya [27]. Tingkat infus insulin adalah 1 mU · kg-1 · Mnt-1 (Actrapid, Novo Nordisk, Kopenhagen, Denmark). Selama hiperinsulinemia, euglikemia dipertahankan dengan menginfus glukosa 20% secara intravena. Tingkat infus glukosa disesuaikan dengan konsentrasi glukosa plasma yang diukur setiap 5-10 min dari darah arteri. Pada titik waktu 100 + −10 menit klem hiperinsulinemik euglikemik, [18F] FDG (189 ± 9 MBq) diinjeksi secara intravena lebih dari 40 detik dan pemindaian otak dinamis untuk 40 min (bingkai; 4 • 30 s, 3 • 60 s, 7 • 300 s) dimulai. Selama pemindaian, sampel darah arteri diambil untuk analisis radioaktivitas. Pemindai GE Advance PET (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI, USA) dengan resolusi 4.25 mm digunakan untuk studi PET seperti yang dijelaskan sebelumnya [29], [30]. [18F] FDG disintesis seperti yang dijelaskan sebelumnya [31]. Radioaktivitas plasma diukur dengan penghitung gamma otomatis (Wizard 1480 3 ″, Wallac, Turku, Finland).
Laju pengambilan glukosa otak diukur untuk setiap voxel secara terpisah dari pemindaian PET dinamis seperti yang dijelaskan sebelumnya [29], [30], kecuali bahwa konstanta terpusat dari 0.8 digunakan [32]. Normalisasi dan analisis statistik dari gambar metabolisme glukosa parametrik dilakukan dengan perangkat lunak SPM 5 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Gambar parametrik dinormalisasi menjadi template metabolisme glukosa in-house di ruang MNI menggunakan transformasi linier dan nonlinier, dan dihaluskan dengan kernel Gaussian FWHM 10-mm. T-kontras sederhana untuk gambar parametrik yang dinormalisasi digunakan untuk menganalisis perbedaan kelompok dalam metabolisme glukosa. Ambang statistik ditetapkan pada p <001, tidak dikoreksi, dengan ukuran cluster minimum 100 voxel yang berdekatan. Untuk koreksi volume kecil (SVC) dalam data PET, secara anatomis didefinisikan daerah a priori yang menarik dalam sistem penghargaan (inti kaudata, amigdala, talamus, insula dan korteks orbitofrontal) ditentukan menggunakan pickatlas WFU. [33] dan AAL [34] atlas.
Desain Eksperimental untuk fMRI
Rangsangan dan desain dirangkum dalam Gambar 1. Stimulus adalah foto digital berwarna penuh dari makanan yang membangkitkan selera (misalnya coklat, pizza, steak), makanan hambar (misalnya lentil, kol, kerupuk) dan mobil yang cocok dengan fitur visual tingkat rendah seperti luminositas rata-rata, kontras RMS dan global. energi. Sampel independen sukarelawan sehat 29 menilai valensi (ketidaknyamanan versus kesenangan) dari rangsangan dengan SAM. Analisis peringkat valensi (Mselera = 6.64, Mhambar = 3.93, Mmobil = 4.41) menetapkan bahwa makanan yang membangkitkan selera dinilai lebih enak daripada makanan hambar, t (28) = 10.97, p <001, dan mobil, t (28) = 7.52, p <001, tetapi tidak ada perbedaan pada kenikmatan makanan hambar dan mobil, t (28) = 1.19.
Gambar 1. Desain eksperimental untuk fMRI dan contoh-contoh rangsangan yang digunakan.
Para peserta melihat secara bergantian 15.75 zaman makanan, mobil, dan makanan hambar. Setiap zaman terdiri dari enam rangsangan eksperimental yang secara acak dicampur dengan tiga peristiwa nol.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g001
Ketika sedang dipindai, subjek yang dilihat bergantian 15.75-detik zaman yang mengandung enam rangsangan dari satu kategori (makanan selera, makanan hambar atau mobil) dicampur dengan tiga peristiwa nol. Untuk mempelajari pemrosesan implisit gambar makanan, kami menggunakan durasi tampilan stimulus singkat dan tugas perilaku yang tidak terkait dengan nilai hedonis stimuli: Sebuah percobaan tunggal terdiri dari presentasi 1000 ms dari gambar stimulus diikuti oleh pusat kontras rendah. silang (750 ms). Peristiwa Null terdiri dari presentasi 1750 ms dari persilangan kontras rendah. Stimulus makanan dan mobil dipindahkan sedikit ke kiri atau ke kanan layar, dan para peserta diminta untuk menekan tombol kiri atau kanan sesuai dengan sisi mana stimulus disajikan. Pada uji coba nol, tidak ada respons yang diminta. Urutan rangsangan selama setiap zaman adalah pseudo-acak sehubungan dengan jenis percobaan (stimulus atau nol), sehingga tidak lebih dari tiga percobaan berturut-turut dari jenis yang sama. Ini pseudo-pengacakan meningkatkan efisiensi desain sambil menjaga ketidakpastian stimulus dari peserta naif [35]. Bidang visual stimuli diacak dan sepenuhnya diimbangi. Secara keseluruhan ada total uji coba makanan selera 72 (dalam zaman 12), uji coba makanan hambar 72 (dalam zaman 12) dan percobaan mobil 144 (dalam zaman 24). Untuk memaksimalkan kekuatan desain dan untuk mencegah efek sisa dari melihat makanan yang menggugah selera, urutan zaman stimulus ditetapkan sedemikian rupa sehingga zaman stimulus mobil selalu disajikan antara zaman merangsang dan zaman stimulus lembut. Periode awal tugas ini diimbangi antar peserta. Total durasi tugas adalah 14 menit. Peserta mempraktikkan tugas di luar pemindai sebelum memulai percobaan fMRI.
Akuisisi dan Analisis fMRI
Sesi pemindaian berlangsung sekitar pagi atau siang hari (9 am-2 pm) Peserta diperintahkan untuk menahan diri dari makan dan minum hanya air selama setidaknya tiga jam sebelum pemindaian. Pencitraan MR dilakukan dengan pemindai Philips Gyroscan Intera 1.5 T CV Nova Dual di Turku PET center. Gambar anatomi resolusi tinggi (1 mm3 resolusi) diperoleh menggunakan urutan T1-tertimbang (TR 25 ms, TE 4.6 ms, sudut flip 30 °, waktu pemindaian 376 s). Data fungsional otak utuh diperoleh dengan urutan pencitraan echo-planar (EPI), peka terhadap kontras sinyal (BOLD) yang bergantung pada tingkat oksigen-oksigen (TR = 3000 ms, TE = 50 ms, 90 ° sudut sudut, 192 mm FOV, 64 × 64 matrix, 62.5 kHz bandwidth, 4.0 mm tebal slice, 0.5 mm gap antar slice, 30 slice interleaved diperoleh dalam urutan menaik). Total volume fungsional 270 diperoleh, dan volume 5 pertama dibuang untuk memungkinkan efek kesetimbangan. Data diolah lebih dulu dan dianalisis menggunakan perangkat lunak SPM5 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Gambar EPI disisipkan dengan cermat pada waktunya untuk mengoreksi perbedaan waktu irisan dan disesuaikan dengan pemindaian pertama dengan transformasi tubuh yang kaku untuk mengoreksi gerakan kepala. EPI dan gambar struktural dihubungkan dan dinormalisasi ke template standar T1 di ruang MNI (Montreal Neurological Institute (MNI) - Konsorsium Internasional untuk Pemetaan Otak) menggunakan transformasi linear dan non-linear, dan dihaluskan dengan kernel Gaussian FWHM 8-mm.
Analisis efek regional
Model efek acak seluruh otak diimplementasikan menggunakan proses dua tahap (tingkat pertama dan kedua). Analisis efek acak ini menilai efek berdasarkan varian antar-subjek dan dengan demikian memungkinkan kesimpulan tentang populasi yang diambil peserta. Untuk setiap peserta, kami menggunakan GLM untuk menilai efek regional dari parameter tugas pada indeks BOLD aktivasi. Model tersebut mencakup tiga kondisi eksperimental (makanan yang membangkitkan selera, makanan hambar dan mobil) dan efek tanpa minat (parameter penataan kembali) untuk memperhitungkan variasi terkait gerakan. Penyimpangan sinyal frekuensi rendah dihilangkan menggunakan filter high-pass (cutoff 128 detik) dan pemodelan AR (1) autokorelasi temporal diterapkan. Gambar kontras individu dihasilkan menggunakan kontras selera - makanan hambar, serta untuk efek utama dari makanan (yaitu makanan yang menggugah selera dan makanan hambar terhadap efek lain yang menarik). Analisis tingkat kedua menggunakan gambar kontras ini dalam GLM baru, dan menghasilkan gambar statistik, yaitu peta SPM-t. Dengan desain yang seimbang di tingkat pertama (yaitu peristiwa serupa untuk setiap subjek, dalam jumlah yang sama) analisis tingkat kedua ini mendekati desain efek campuran yang sebenarnya, dengan variasi di dalam dan di antara subjek. Analisis awal mengungkapkan bahwa tidak ada kontras tingkat kedua antara kelompok yang signifikan ketika koreksi tingkat penemuan palsu (FDR) yang ketat pada p <.05 diterapkan. Dengan demikian, ambang statistik ditetapkan pada p <.005, tidak dikoreksi, dengan ukuran klaster minimum 20 voxel yang berdekatan untuk perbandingan antar kelompok.
Interaksi psikofisiologis (PPI) dalam model linier umum (GLM)
Konektivitas fisiologis antara dua daerah otak dapat bervariasi sebagai fungsi dari konteks psikologis [36] dikenal sebagai Interaksi Psikofisiologis (PPI). PPI dapat diidentifikasi oleh model linier umum yang sensitif terhadap modulasi kontekstual dari kovarians terkait tugas. Berbeda dengan pemodelan kasual dinamis atau pemodelan persamaan struktural konektivitas jaringan, PPI tidak memerlukan model anatomi tertentu. Sebaliknya, seseorang mulai dengan wilayah 'sumber' dan mengidentifikasi voxel / kelompok 'target' lainnya di otak yang sumbernya memiliki konektivitas yang bergantung pada konteks. Target wilayah tidak perlu berkorelasi dengan tugas atau konteks saja, tetapi interaksi antara faktor-faktor ini. PPI yang signifikan tidak dengan sendirinya menunjukkan arah atau neurokimia dari pengaruh kausal antara daerah sumber dan target, atau apakah konektivitas dimediasi oleh koneksi mono atau poli-sinaptik, atau perubahan neuroplastisitas struktural dari zaman ke zaman. Namun, mereka mengindikasikan interaksi antara sistem regional, dan hasil PPI sesuai dengan metode konektivitas lain seperti pemodelan kausal dinamis [37].
Inti caudate kanan digunakan sebagai wilayah sumber untuk analisis konektivitas untuk kontras makanan hambar dikurangi. Maksimum global (2, 8, 4) untuk wilayah ini pada obesitas tingkat kedua versus kontras berat normal dalam analisis data PET (lihat di bawah) digunakan untuk memperoleh estimasi independen secara statistik untuk pusat wilayah sumber; ini secara efektif melindungi dari 'pencelupan ganda' dalam pemilihan wilayah sumber [38], dan memungkinkan integrasi yang masuk akal secara teoritis dari data PET dan fMRI. ROI bola dengan jari-jari 10 mm dihasilkan di lokasi ini. Rangkaian waktu untuk setiap peserta dihitung dengan menggunakan eigenvariate pertama dari semua rangkaian waktu voxel di ROI. Rangkaian waktu BOLD ini didekonvolusi untuk memperkirakan 'rangkaian waktu neuronal' untuk wilayah ini menggunakan parameter parameter dekonvolusi PPI default di SPM5 [39]. Istilah interaksi psikofisiologis (PPI regressor) dihitung sebagai produk elemen-demi-elemen dari seri waktu neuron ROI dan pengkodean vektor untuk efek utama tugas (yaitu 1 untuk makanan selera, −1 untuk makanan hambar). Produk ini kemudian dililit kembali oleh fungsi respon hemodinamik kanonik (jam). Model ini juga termasuk efek utama dari tugas yang dililit oleh HRF, 'deret waktu neuronal' untuk masing-masing 'sumber' dan gerakan mundur sebagai efek yang tidak menarik. Model PPI yang bijaksana [36] dijalankan, dan gambar kontras dihasilkan untuk PPI positif dan negatif. Analisis seluruh otak ini mengidentifikasi daerah yang memiliki perubahan konektivitas yang lebih besar atau lebih kecil dengan wilayah sumber sesuai dengan konteksnya (yaitu, selera versus makanan hambar). Gambar kontras kemudian dimasukkan ke dalam analisis GLM tingkat kedua untuk perbedaan kepentingan, dan t-peta SPM dihasilkan menggunakan teori Gaussian Random Field untuk membuat kesimpulan statistik.
Hasil
Pengukuran perilaku
Peringkat stimulus valensi dianalisis dengan 3 (stimulus: makanan selera vs makanan hambar vs mobil) × 2 (kelompok: obesitas vs berat normal) ANOVA campuran. Ini mengungkapkan bahwa peringkat valensi berbeda secara signifikan di seluruh kategori stimulus, F (2,60) = 6.01, p = .004, ηp2 = 17, tetapi serupa di seluruh kelompok obesitas dan berat badan normal (F = 1.46). Beberapa perbandingan dengan koreksi Bonferronni mengungkapkan bahwa peserta menilai makanan yang menggugah selera sebagai lebih menyenangkan daripada makanan hambar, t (31) = 4.67, p <.001, atau mobil, t (31) = 2.76, p = .01, tetapi tidak menilai hambar makanan lebih enak daripada mobil, t (31) = 41. Tingkat kelaparan juga sama antara pasien dan kelompok kontrol (p> .05).
Metabolisme glukosa otak
Subjek obesitas memiliki metabolisme glukosa yang secara signifikan lebih tinggi pada nukleus kaudat kanan daripada subjek dengan berat normal (X = 4, Y = 8, Z = 4, T = 3.97, p = .03, SVC) (Gambar 2), tetapi tidak dalam wilayah apriori lain yang menarik (amigdala, talamus, insula, atau korteks orbitofrontal).
Gambar 2. Pemindaian PET dengan 2- [18F] FDG selama hiperinsulinemia euglikemik menunjukkan bahwa laju metabolisme glukosa (GMR, µmol / 100 g * mnt) pada nukleus kaudat kanan (X = 4, Y = 8, Z = 4) secara signifikan lebih tinggi pada obesitas daripada pada subjek dengan berat normal (p<.05, SVC).
Panel A menunjukkan peta parametrik statistik dari efek antara-kelompok, panel B menunjukkan nilai GMR subjek-bijaksana dalam inti berekor.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g002
Efek regional dalam fMRI
Di semua mata pelajaran, perbedaan selera makanan versus makanan hambar menghasilkan aktivasi yang kuat dari sirkuit hadiah. Fokus aktivasi diamati di korteks prefrontal medial, gyrus cingulate anterior, striatum ventral kanan, insula posterior bilateral, dan gyrus cingulate posterior dan precuneus (Gambar 3, Tabel 2). Namun, analisis antar kelompok mengungkapkan bahwa pengkodean untuk hadiah antisipatif bergantung pada obesitas. Respons terhadap semua makanan (selera dan hambar) lebih tinggi pada obesitas dibandingkan pada subjek dengan berat normal di amigdala kiri, hippocampus, posterior cingulate cortex dan fusiform gyrus, serta korteks somatosensori kanan. Namun, tanggapan lebih rendah pada obesitas dibandingkan pada subjek dengan berat normal di kiri superior frontal gyrus. Tabel 3 menyajikan ringkasan fokus aktivasi ini.
Gambar 3. Wilayah otak menunjukkan peningkatan respons terhadap makanan hambar vs. makanan hambar di semua subjek.
Menikmati makanan meningkatkan aktivitas di anterior (ACC) dan posterior cingulate cortex (PCC), medial prefrontal cortex (mPFC), right caudate nucleus (CAUD) dan bilateral insula (INS). Data diplot pada p <.005, tidak dikoreksi untuk inspeksi visual.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g003
Tabel 2. Daerah otak menunjukkan peningkatan respons terhadap selera versus makanan hambar di semua subjek, p <05 (FDR dikoreksi).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t002
Tabel 3. Perbedaan antar-kelompok (obesitas vs. berat badan normal dan berat badan normal vs. obesitas) dalam respons otak terhadap semua gambar makanan (selera dan hambar), p <.005 (tidak.).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t003
Selanjutnya, kami bertanya apakah subyek obesitas akan menunjukkan respons fungsional yang lebih besar secara khusus untuk selera daripada makanan hambar. Untuk itu, kami menerapkan analisis interaksi antara kelompok (obesitas, berat badan normal) dan jenis makanan (selera, hambar). Konsisten dengan prediksi bahwa obesitas akan dikaitkan dengan hiperaktif dalam sirkuit hadiah, respon terhadap makanan selera versus makanan hambar dalam nukleus berekor kanan lebih besar pada obesitas daripada individu dengan berat badan normal (Gambar 4a, Tabel 4). Sebaliknya, subjek yang obesitas memiliki respons fungsional yang lebih kecil terhadap makanan yang berselera dibandingkan makanan hambar daripada subjek dengan berat normal di insula kiri, korteks frontal lateral, lobulus parietal superior, korteks orbitofrontal kanan dan gyrus temporal superior (Gambar 4b, Tabel 4). Dengan demikian, subyek obesitas tampaknya memiliki ketidakseimbangan dalam respons fungsional regional terhadap imbalan makanan yang diantisipasi: respons yang lebih besar pada nukleus kaudat dan respons yang lebih kecil di beberapa daerah kortikal frontal.
Gambar 4. Tanggapan BOLD yang berbeda terhadap makanan selera dan hambar pada subjek dengan berat normal dan obesitas pada nukleus kaudat dan insula anterior.
Respons otak terhadap makanan yang menggugah selera vs. makanan hambar lebih besar di kepala nukleus kaudatus kanan (CAUD) pasien obesitas, sedangkan respons terhadap makanan selera vs. makanan hambar lebih besar di insula anterior kanan (INS) pada individu dengan berat badan normal. . Data diplot pada p <.005, tidak dikoreksi untuk inspeksi visual.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g004
Tabel 4. Perbedaan antarkelompok (obesitas vs. berat badan normal dan berat badan normal vs. obesitas) perbedaan respons otak terhadap selera versus makanan hambar, p <.005 (tidak.).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t004
Akhirnya, untuk memeriksa apakah hiperaktif tonik nukleus kaudat diamati di dalam [18F] FDG PET scan akan memprediksi hadiah antisipatif abnormal pada fMRI, kami pertama-tama mengekstraksi nilai-nilai GMR subjek-bijaksana dalam inti berekor dari gambar GMR parametrik. Selanjutnya, kami menggunakan nilai-nilai ini sebagai regressor dalam model tingkat kedua yang membandingkan respons BOLD terhadap selera dengan makanan hambar di fMRI. Analisis ini menunjukkan bahwa peningkatan metabolisme glukosa dalam nukleus kaudat memprediksikan respons yang lebih kecil terhadap selera makan dibandingkan makanan hambar khususnya di korteks frontal lateral kanan (Gambar 5). Temuan ini konsisten dengan kontrol penghambatan yang tidak memadai dari sistem imbalan subkortikal oleh korteks frontal.
Gambar 5. Laju metabolisme glukosa yang tinggi (GMR, μmol / 100 g * mnt) dalam nukleus kaudat selama 2- [18F]. Pemindaian FDG PET secara negatif dikaitkan dengan respons terhadap makanan yang berselera dibandingkan makanan hambar dalam korteks frontal lateral kanan (LFC) dalam percobaan fMRI.
Panel A menunjukkan wilayah tempat perbedaan diamati, panel B menunjukkan sebaran respons GMR dan BOLD.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g005
Interaksi Psikofisiologis
Setelah menemukan bukti untuk peran sentral caudate nucleus dalam memediasi penghargaan antisipatif abnormal pada obesitas, kami selanjutnya bertanya apakah wilayah otak ini memiliki konektivitas terkait tugas fungsional yang abnormal ke wilayah otak utama lainnya, seperti sistem limbik. Yaitu, kami menanyakan bagian otak mana yang akan menjadi pusat dalam memodulasi aktivitas antisipatif yang berhubungan dengan hadiah di nukleus kaudatus sambil melihat makanan yang menggugah selera versus makanan tawar. Kami menggunakan interaksi psikofisiologis untuk menentukan konektivitas fungsional dari inti kaudatus, menggunakan voxel dengan perbedaan metabolisme glukosa tertinggi dalam data PET sebagai pusat wilayah benih. Kami menemukan bahwa subjek obesitas menunjukkan konektivitas yang lebih kuat secara signifikan antara nukleus kaudatus kanan dan amigdala basolateral kanan (X = 33, Y = −5, Z = −16, T = 3.92, p <.005, unc.), Primary somatosensory cortex (X = 39, Y = −13, Z = 32, T = 3.63, p <.005, unc.) Dan insula posterior (X = 30, Y = 14, Z = 18, T = 3.47, p <.005, unc .) dibandingkan subjek dengan berat badan normal (Gambar 6).
Gambar 6. Konektivitas yang efektif.
Saat melihat makanan yang menggugah selera versus makanan hambar, konektivitas efektif antara nukleus kaudatus kanan dan amigdala kanan (AMY), insula (INS), dan korteks somatosensori (SSC) lebih besar pada penderita obesitas daripada pada subjek dengan berat badan normal. Data diplot pada p <.005, tidak dikoreksi untuk inspeksi visual.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g006
Diskusi
Studi ini mengungkapkan cara-cara spesifik di mana obesitas mengubah responsif serta koneksi fungsional dari sirkuit hadiah di otak. Secara khusus, hasil tersebut menggarisbawahi peran sentral untuk dorsal caudate nucleus, wilayah yang mempromosikan pembelajaran kebiasaan dan motivasi insentif, dalam mengintegrasikan berbagai input saraf dalam proses pemberian makanan antisipatif. Selama hiperinsulinemia dicapai dengan klem euglikemik hiperinsulinemik, nukleus kaudatus dorsal memiliki metabolisme glukosa basal yang lebih tinggi pada subjek obesitas dibandingkan pada subjek dengan berat badan normal. Eksperimen fMRI menunjukkan bahwa meskipun subjek obesitas dan berat badan normal memberikan laporan diri yang serupa dengan kesenangan rangsangan makanan, rangsangan tersebut menimbulkan pola aktivasi otak yang berbeda dan perubahan konektivitas di kedua kelompok. Ketika makanan yang menggugah selera dan hambar dikontraskan satu sama lain, nukleus kaudatus menunjukkan respons yang lebih besar pada subjek obesitas. Sebaliknya, subjek obesitas gagal mengaktifkan daerah penghambatan kortikal, seperti korteks dorsolateral dan orbitofrontal, sebagai respons terhadap makanan yang menggugah selera; fenomena ini juga secara signifikan berkorelasi dengan metabolisme glukosa basal yang lebih tinggi di nukleus ekor dorsal. Akhirnya, daerah yang sama dari inti ekor dorsal yang menunjukkan peningkatan metabolisme glukosa pada peserta obesitas versus berat badan normal juga menunjukkan peningkatan konektivitas dengan amigdala dan insula posterior pada subjek obesitas saat mereka melihat makanan yang menggugah selera versus makanan hambar. Yang penting, efek ini diamati dalam kondisi di mana peserta tidak dengan sengaja memperhatikan konten gambar stimulus. Dengan demikian, hasil menunjukkan bahwa pemrosesan hadiah implisit dari isyarat visual untuk makan dimodulasi oleh obesitas, yang mungkin menjelaskan mengapa individu yang gemuk memiliki masalah dengan menahan makan mereka saat melihat makanan berkalori tinggi. Namun demikian, kami harus mencatat bahwa ada kemungkinan bahwa peserta dapat terlibat sampai batas tertentu dalam pemrosesan hadiah secara eksplisit, meskipun tugas perilaku tidak bergantung pada nilai hadiah gambar makanan. Oleh karena itu, penelitian di masa depan perlu menetapkan apakah individu dengan obesitas dan berat badan normal dapat berbeda dalam hal pemrosesan penghargaan implisit versus eksplisit.
Perbedaan Regional dalam Inti Caudate
Nukleus berekor dorsal telah terlibat dalam kebiasaan belajar stimulus-respon, motivasi dan pengkondisian, dan studi pencitraan pada manusia menunjukkan bahwa itu berkontribusi pada berbagai fungsi yang berkaitan dengan pemberian sinyal dan kecanduan. Pasien dengan kecanduan narkoba menunjukkan baseline yang lebih rendah D2 reseptor (D2R) kepadatan di striatum, dan pelepasan dopamin tumpul setelah pemberian obat pelecehan [40]. Konsumsi makanan juga berhubungan dengan pelepasan dopamin pada dorsal striatum pada subyek sehat, dan jumlah dopamin yang dilepaskan berkorelasi positif dengan tingkat kenyamanan makanan. [12]. Dalam percobaan fMRI, aktivasi nukleus kaudat telah dikaitkan dengan keinginan yang dilaporkan sendiri untuk makanan tertentu [8], dan subyek obesitas telah ditemukan untuk menunjukkan peningkatan respon striatal terhadap gambar makanan [10]. Subjek obesitas juga menurunkan striatal D awal2Kepadatan R, dan telah diusulkan bahwa hal ini mungkin mencerminkan downregulasi yang mengkompensasi peningkatan dopamin sementara yang sering terjadi karena overestimulasi terus-menerus dari rangkaian hadiah oleh penggunaan narkoba atau makan [11].
Dengan menggunakan penjepit hiperinsulinemia, kami mensimulasikan situasi di mana tubuh dalam keadaan kenyang dalam hal pensinyalan insulin. Meskipun pendekatan ini tidak sepenuhnya mensimulasikan rasa kenyang fisiologis karena kurangnya stimulasi orosensorik dan pelepasan hormon dari usus, glukosa intravena yang dikontrol plasebo terbukti meningkatkan tanda hormon rasa kenyang. [41] dan aktivitas dopaminergik dalam sirkuit imbalan pada pria [42]. Kami menemukan bahwa striatum punggung subjek obesitas tetap hiperaktif dibandingkan dengan subjek berat normal selama klem hiperinsulinemia. Karena penjepitan mempertahankan kadar glukosa darah yang stabil, peningkatan metabolisme glukosa pada subjek yang mengalami obesitas selama penjepit menunjukkan nukleus caudate dari subjek yang mengalami obesitas dapat berkontribusi terhadap keinginan makanan bahkan ketika konsentrasi glukosa darah tidak dapat menurun. Selain itu, karena keterlibatannya dalam pembelajaran implisit dan pembentukan kebiasaan, caudate dapat berkontribusi untuk pemrosesan kedua sinyal kenyang implisit (perifer) dan eksplisit (visual, orosensori). Sinyal-sinyal ini selanjutnya dapat menyebabkan makan berlebihan bahkan ketika tubuh tidak membutuhkan asupan energi tambahan.
Telah ditetapkan bahwa dalam mata pelajaran obesitas, D2Ketersediaan R dalam striatum berhubungan negatif dengan metabolisme glukosa frontokortikal [43]. Gabungan data PET-fMRI kami sejajar dengan temuan ini. Ketika metabolisme glukosa dalam nukleus kaudat digunakan sebagai regressor untuk memodelkan respons fungsional terhadap makanan yang berselera versus makanan hambar di fMRI, kami menemukan hubungan negatif yang signifikan dengan metabolisme glukosa dalam nukleus kaudat dan respons BOLD prefrontal (Gambar 5). Dengan demikian, kegagalan untuk melibatkan mekanisme prefrontal yang berkontribusi terhadap kontrol penghambatan dan atribusi yang menonjol dapat mendorong makan berlebih dengan menurunkan ambang batas untuk pemberian sinyal yang diinduksi oleh makanan pada nukleus kaudat. Namun, perlu juga dicatat bahwa beberapa penelitian sebelumnya [19] telah melaporkan peningkatan respons frontal terhadap gambar makanan pada orang yang kegemukan versus orang dengan berat badan normal. Kemungkinan perbedaan ini di seluruh studi mencerminkan keterlibatan tergantung tugas dari korteks frontal: sedangkan penelitian kami melibatkan pemrosesan implisit isyarat makanan yang disajikan secara singkat, Rothemund dan rekannya menggunakan presentasi stimulus yang relatif panjang dengan tugas memori. Dengan demikian dimungkinkan bahwa individu yang mengalami obesitas mungkin gagal untuk mengaktifkan sirkuit kontrol kognitif khususnya ketika mereka tidak secara eksplisit memproses makanan yang mereka tonton. Dengan demikian, ini menunjukkan bahwa bahkan gambar makanan 'tak terlihat' atau tidak diawasi dalam berbagai iklan dapat memicu dorongan kuat untuk makan pada individu yang obesitas.
Konektivitas Efektif Inti Caudate dan Amygdala
Amigdala terlibat dalam tahap awal pemrosesan hadiah [44], dan itu menunjukkan respons yang konsisten terhadap presentasi visual makanan [6], [22]. Perbedaan individu di kedua dorongan hadiah [21] dan berat badan [10] diketahui memengaruhi respons amigdala terhadap presentasi visual makanan. Dalam penelitian ini, kami juga menemukan bahwa respons amigdala terhadap makanan meningkat pada subjek obesitas. Selain itu, ketika pola konektivitas efektif (PPI) inti kaudat diperiksa, kami menemukan bahwa konektivitas inti kaudat dan amigdala ipsilateral meningkat pada subjek obesitas. Secara umum, data ini sesuai dengan temuan sebelumnya pada subjek dengan berat normal yang menunjukkan bahwa konektivitas efektif antara amygdala dan strata dipengaruhi oleh perbedaan individu dalam keinginan yang dilaporkan sendiri untuk makan setelah melihat makanan ('sensitivitas makanan eksternal') [22]. Namun demikian, sedangkan penelitian sebelumnya telah menemukan bahwa khususnya ventral striatum terlibat dalam antisipasi penghargaan [21] dan bahwa hubungan antara ventral striatum (nucleus accumbens) dan amigdala dipengaruhi oleh sensitivitas makanan eksternal [22], kami menemukan bahwa obesitas mempengaruhi hubungan antara amigdala dan bagian punggung dari inti kaudat. Bukti mengenai peran striatum dorsal dalam pemrosesan hadiah agak beragam, dengan beberapa studi mengaitkannya dengan pemrosesan antisipatif [45] dan lainnya untuk penyempurnaan [46] hadiah. Namun demikian, peran striatum punggung dalam mengkodekan asosiasi tindakan-hasil untuk imbalan potensial jauh lebih mapan [47], [48]. Oleh karena itu, kami mengusulkan bahwa paparan berulang untuk makanan yang enak pada obesitas menghasilkan asosiasi dan preferensi respon stimulus makanan yang kuat, dan secara implisit melibatkan evaluasi hasil mengenai imbalan potensial pada individu yang mengalami obesitas sehingga memodulasi interkonektivitas antara amygdala dan striatum dorsal saat melihat makanan
Penafsiran PPI yang signifikan adalah bahwa ada keterlibatan diferensial koneksi anatomi sebagai fungsi dari konteks psikologis. Meskipun PPI tidak dapat digunakan untuk mengungkapkan ada atau tidaknya hubungan seperti itu, ada kemungkinan bahwa PPI yang kami amati mencerminkan perubahan dalam keterlibatan hubungan anatomi langsung antara benih dan daerah target karena koneksi anatomi langsung antara striatum dan amigdala didukung. dengan menelusuri studi pada primata lain [49], [50]. Namun demikian, PPI tidak dapat digunakan untuk menyimpulkan directionality dari konektivitas yang diamati, oleh karena itu kita tidak dapat mengatakan apakah saya) meningkatkan metabolisme glukosa dalam nukleus kaudat meningkatkan konektivitas antara nukleus kaudat dan amigdala atau ii) meningkatkan input dari amigdala meningkatkan metabolisme glukosa dalam inti berekor.
Neuron Amygdala memfasilitasi pencarian hadiah melalui proyeksi mereka ke striatum [44]. Stimulasi reseptor μ-opioid di striatum memicu makan berlebih, tetapi ini dapat dihambat dengan inaktivasi amigdala [51], [52]. Dengan demikian, peningkatan konektivitas amygdalo-striatal dapat menyebabkan peningkatan tonik dalam aktivitas nukleus kaudat, yang bisa menjadi mekanisme penting yang menjelaskan makan berlebih pada obesitas. Secara bersama-sama, amigdala mungkin terlibat dalam hadiah makanan yang diantisipasi dengan memberikan valensi emosional pada isyarat makanan selera dan memengaruhi pola makan yang terpelajar dan kompulsif dengan meningkatkan konektivitas dengan inti berekor dorsal kaudat.
Konektivitas yang Efektif dari Inti Caudate dan Insula
Analisis PPI mengungkapkan bahwa interkonektivitas antara striatum dorsal dan insula posterior meningkat pada subjek yang kegemukan dan berat normal, sedangkan respons regional terhadap nafsu makan versus makanan hambar di insula anterior lebih kecil pada subjek yang gemuk. Insula anterior mengintegrasikan sinyal otonom dan visceral ke dalam fungsi motivasi dan emosional, sedangkan insula posterior dianggap mendasari integrasi somatosensorik, vestibular dan motorik serta memantau keadaan tubuh [53]. Penelitian terbaru juga menunjukkan bahwa pensinyalan somatosensori dalam insula dapat berkontribusi secara signifikan terhadap kecanduan, terutama dengan desakan untuk mengonsumsi obat pelecehan (lihat ulasan dalam referensi. [53]). Penelitian PET dan fMRI sebelumnya telah mengaitkan insula dengan pemrosesan kesenangan isyarat makanan eksternal [8], [9], [46], tetapi sinyal periferal seperti leptin juga memengaruhi respons insular untuk melihat makanan. Pada orang dewasa yang kekurangan leptin, respon insular terhadap makanan selera lebih besar selama defisiensi leptin daripada selama penggantian leptin. [54]. Selain itu, pada subjek obesitas dengan defisiensi leptin, penggantian leptin mengurangi respon insular untuk melihat makanan yang menggugah selera [55]. Saat insula memproses isyarat yang berkaitan dengan makanan (yaitu hormonal) dan eksternal (yaitu visual) [56], gangguan dalam integrasi isyarat internal dan eksternal ini dapat membuat subjek gemuk lebih rentan makan berlebihan saat melihat makanan karena konektivitas yang meningkat dari insula dan striatum punggung. Karena insula posterior terlibat dalam pemantauan keadaan tubuh, peningkatan konektivitas antara insula posterior dan nukleus kaudat dorsal mungkin menyiratkan bahwa gambaran keadaan somatik post-prandial yang ditarik oleh insula mungkin berpotensi memperkuat perilaku makan melalui pembelajaran insentif yang dilakukan oleh nukleus kaudat dorsal. [18]. Konsisten dengan gagasan ini, nukleus kaudatus juga menunjukkan konektivitas terkait tugas yang lebih tinggi dengan korteks somatosensori pada obesitas, menegaskan bahwa hanya isyarat visual makanan yang mungkin memicu sensasi somatik terkait dengan makan. Sensasi-sensasi ini selanjutnya dapat mendorong pemberian makan bahkan tanpa adanya sinyal kelaparan fisiologis [15]. Namun demikian, harus dicatat bahwa beberapa penelitian sebelumnya telah menemukan peningkatan respon insular anterior terhadap hadiah yang berhubungan dengan makanan yang diharapkan dan dikonsumsi dalam obesitas daripada pada individu kurus [10], [57]. Meskipun kami tidak memiliki penjelasan yang jelas untuk temuan-temuan yang berbeda ini, ada kemungkinan bahwa mereka mungkin mencerminkan perbedaan dalam populasi subjek obesitas yang terlibat dalam penelitian, seperti riwayat makan dan kebiasaan, serta faktor genetik dan hormon.
Keterbatasan dan arah masa depan
Satu batasan yang jelas dari penelitian ini adalah bahwa meskipun ukuran sampel yang besar (n = 35), perbandingan antara kelompok untuk data fMRI tidak signifikan ketika dikoreksi untuk beberapa perbandingan. Meskipun perbedaan antara kelompok diamati di daerah yang diprediksi, beberapa kehati-hatian harus dibenarkan ketika menafsirkan temuan. Selain itu, harus ditekankan bahwa kami tidak dapat sepenuhnya menggambarkan mekanisme psikologis yang tepat yang menghasilkan respon otak yang meningkat untuk gambar makanan pada individu yang obesitas. Meskipun kami memperoleh peringkat dari kenikmatan yang dirasakan ('suka') dari makanan, ini serupa di antara individu yang obesitas dan berat badan normal. Oleh karena itu, peningkatan kesukaan akan makanan yang menggugah selera pada obesitas tidak mungkin berkontribusi pada perbedaan respons otak. Namun, bisa berspekulasi bahwa keinginan makanan daripada kesukaan bisa menjadi faktor kunci yang memodulasi respons otak terhadap gambar makanan pada obesitas. Untuk mendukung hipotesis ini, telah ditunjukkan bahwa meskipun makanan 'suka' orang yang obesitas dan berat badan normal sama, keinginan makanan yang diinduksi stres jauh lebih tinggi pada orang gemuk. [58]. Dalam studi pencitraan fungsional masa depan, dengan demikian akan sangat penting untuk mengurai respon 'keinginan' dan 'suka' terhadap makanan pada individu yang kegemukan versus berat badan normal. Selain itu, mengingat bahwa respons keinginan dimediasi oleh tautan dopaminergik dari sirkuit hadiah, [24], akan sangat penting untuk melakukan studi gabungan neurotransmitter-PET-fMRI di mana seseorang dapat menguji apakah, misalnya, ketersediaan dopamin striatal pada individu gemuk vs. kurus memprediksi respons sirkuit penghargaan terhadap stimulasi eksternal dengan makanan.
Kesimpulan
Kami menunjukkan bahwa obesitas dikaitkan dengan peningkatan metabolisme glukosa dari nukleus kaudat, serta respons regional yang dimodifikasi dan konektivitas yang berubah dari sirkuit hadiah ketika melihat makanan berselera versus makanan hambar. Data-data ini paralel dengan temuan tentang perubahan fungsi otak pada gangguan kecanduan, dan mendukung pandangan bahwa obesitas dapat berbagi substrat saraf umum dengan kecanduan [2], [59]. Secara khusus, peningkatan kepekaan terhadap isyarat makanan eksternal pada obesitas dapat melibatkan pembelajaran respon-stimulus yang abnormal dan motivasi insentif yang di bawah pengawasan nukleus kaudat dorsal, yang pada gilirannya mungkin disebabkan oleh input abnormal tinggi dari amigdala dan insulasi posterior dan kontrol penghambatan disfungsional oleh frontal. daerah kortikal. Perubahan fungsional dalam respons dan interkonektivitas dari sirkuit hadiah dan sistem kontrol kognitif bisa menjadi mekanisme penting yang menjelaskan makan berlebihan pada obesitas.y.
Studi ini dilakukan dalam Pusat Keunggulan Finlandia dalam Pencitraan Molekuler dalam Penelitian Kardiovaskular dan Metabolik, didukung oleh Akademi Finlandia, Universitas Turku, Rumah Sakit Universitas Turku, dan Universitas Akademi Åbo. Kami berterima kasih kepada ahli radiografi Turku PET Center atas bantuan mereka dalam hal perolehan data serta para partisipan kami yang memungkinkan penelitian ini.
Bayangkan dan rancang percobaan: LN JH PN. Melakukan percobaan: LN JH JCH HI MML PS. Menganalisis data: LN JH JCH HI. Menulis makalah: LN JH PN.
Referensi
SIAPA (2000) Obesitas: mencegah dan mengelola epidemi global. Laporan konsultasi WHO. Rep Ser Tek Teknologi Kesehatan Dunia 894: i – xii, 1 – 253. Temukan artikel ini secara online
Volkow ND, Wise RA (2005) Bagaimana kecanduan narkoba dapat membantu kita memahami obesitas? Nature Neuroscience 8: 555 – 560. Temukan artikel ini secara online
Berridge KC (1996) Imbalan makanan: Otak ingin dan menyukai. Ulasan Neuroscience dan Biobehavioral 20: 1 – 25. Temukan artikel ini secara online
Ikemoto S, Panksepp J (1999) Peran nukleus accumbens dopamine dalam perilaku termotivasi: interpretasi pemersatu dengan referensi khusus untuk pencarian hadiah. Ulasan Brain Research 31: 6 – 41. Temukan artikel ini secara online
Kelley AE (2004) Kontrol striatal ventral motivasi nafsu makan: Peran dalam perilaku menelan dan pembelajaran terkait hadiah. Ulasan Neuroscience dan Biobehavioral 27: 765 – 776. Temukan artikel ini secara online
Killgore WDS, AD Muda, Femia LA, P Bogorodzki, Rogowska J, dkk. (2003) Aktivasi kortikal dan limbik selama menonton makanan tinggi atau rendah kalori. NeuroImage 19: 1381 – 1394. Temukan artikel ini secara online
LaBar KS, DR Gitelman, TB Parrish, Kim YH, Nobre AC, dkk. (2001) Lapar secara selektif memodulasi aktivasi kortikolimbik ke rangsangan makanan pada manusia. Behavioral Neuroscience 115: 493 – 500. Temukan artikel ini secara online
Pelchat ML, Johnson A, Chan R, Valdez J, Ragland JD (2004) Gambar keinginan: aktivasi keinginan makanan selama fMRI. NeuroImage 23: 1486 – 1493. Temukan artikel ini secara online
Wang GJ, Volkow ND, Telang F, Jayne M, Ma J, et al. (2004) Eksposur terhadap rangsangan makanan selera secara nyata mengaktifkan otak manusia. Neuroimage 21: 1790 – 1797. Temukan artikel ini secara online
Stoeckel LE, Weller RE, Cook EW Iii, Twieg DB, Knowlton RC, dkk. (2008) Aktivasi sistem hadiah yang tersebar luas pada wanita gemuk dalam menanggapi gambar makanan berkalori tinggi. NeuroImage 41: 636 – 647. Temukan artikel ini secara online
Wang GJ, Volkow ND, Logan J, Pappas NR, Wong CT, dkk. (2001) Otak dopamin dan obesitas. Lancet 357: 354 – 357. Temukan artikel ini secara online
DM Kecil, Jones-Gotman M, Dagher A (2003) Pelepasan dopamin yang diinduksi pemberian makan di dorsal striatum berkorelasi dengan peringkat kesenangan makan pada sukarelawan manusia sehat. NeuroImage 19: 1709 – 1715. Temukan artikel ini secara online
Kelley AE, Berridge KC (2002) Neuroscience of rewards natural: Relevansi dengan obat-obatan yang membuat kecanduan. Jurnal Neuroscience 22: 3306 – 3311. Temukan artikel ini secara online
Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Telang F (2008) Sirkuit neuronal yang tumpang tindih dalam kecanduan dan obesitas: bukti patologi sistem. Transaksi filosofis dari Royal Society B-Biological Sciences 363: 3191 – 3200. Temukan artikel ini secara online
Cornell CE, Rodin J, Weingarten H (1989) Stimulus-induced eating ketika kenyang. Physiol Behav 45: Temukan artikel ini secara online
Koob GF, Volkow ND (2010) Neurocircuitry of Addiction. Neuropsikofarmakologi 35: 217 – 238. Temukan artikel ini secara online
Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK, dkk. (2008) Reseptor D2 striatal dopamin rendah dikaitkan dengan metabolisme prefrontal pada subjek obesitas: Faktor-faktor yang berkontribusi. NeuroImage 42: 1537 – 1543. Temukan artikel ini secara online
Verdejo-Garcia A, Bechara A (2009) Sebuah teori tentang kecanduan somatik. Neurofarmakologi 56: 48 – 62. Temukan artikel ini secara online
Rothemund Y, Preuschhof C, Bohner G, Bauknecht HC, Klingebiel R, et al. (2007) Aktivasi diferensial dari striatum dorsal oleh rangsangan makanan visual berkalori tinggi pada individu obesitas. NeuroImage 37: 410 – 421. Temukan artikel ini secara online
Franken IHA, Muris P (2005) Perbedaan individu dalam sensitivitas hadiah terkait dengan keinginan makan dan berat badan relatif pada wanita sehat. Appetite 45: 198 – 201. Temukan artikel ini secara online
Beaver JB, Lawrence AD, van Ditzhuijzen J, Davis MH, Woods A, dkk. (2006) Perbedaan individual dalam drive hadiah memprediksi respons saraf terhadap gambar makanan. Jurnal Neuroscience 26: 5160 – 5166. Temukan artikel ini secara online
Passamonti L, Rowe JB, Schwarzbauer C, MP Ewbank, von dem Hagen E, dkk. (2009) Kepribadian Memprediksi Respon Otak untuk Melihat Makanan yang Memuaskan: Dasar Saraf dari Faktor Risiko Makan Berlebihan. J Neurosci 29: 43–51. Temukan artikel ini secara online
Dagher A (2009) Neurobiologi nafsu makan: lapar sebagai kecanduan. Jurnal Internasional Obesitas 33: S30 – S33. Temukan artikel ini secara online
Berridge KC, Ho CY, Richard JM, DiFeliceantonio AG (2010) Otak tergoda makan: Sirkuit kesenangan dan keinginan pada obesitas dan gangguan makan. Penelitian Otak 1350: 43 – 64. Temukan artikel ini secara online
Stoeckel LE, Kim J, Weller RE, Cox JE, Cook EW Iii, et al. (2009) Konektivitas yang efektif dari jaringan hadiah pada wanita gemuk. Buletin Penelitian Otak 79: 388 – 395. Temukan artikel ini secara online
Sokoloff L (1999) Energetika aktivasi fungsional dalam jaringan saraf. Penelitian Neurokimia 24: 321 – 329. Temukan artikel ini secara online
DeFronzo RA, Tobin JD, Andres R (1979) Teknik klem glukosa: metode untuk mengukur sekresi dan resistensi insulin. AmJPhysiol 237: E214 – E223. Temukan artikel ini secara online
Bradley MM, Lang PJ (1994) Mengukur emosi - The Self-Assessment Mannequin dan diferensial semantik. Jurnal Terapi Perilaku dan Psikiatri Eksperimental 25: 49-59. Temukan artikel ini secara online
Kaisti KK, Langsjo JW, Aalto S, Oikonen V, Sipila H, dkk. (2003) Efek sevoflurane, propofol, dan tambahan nitro oksida pada aliran darah otak regional, konsumsi oksigen, dan volume darah pada manusia. Anestesiologi 99: 603 – 613. Temukan artikel ini secara online
Kaisti KK, Metsahonkala L, M Teras, Oikonen V, Aalto S, dkk. (2002) Efek tingkat bedah anestesi propofol dan sevoflurane pada aliran darah otak pada subyek sehat yang dipelajari dengan tomografi emisi positron. Anestesiologi 96: 1358 – 1370. Temukan artikel ini secara online
Hamacher K, Coenen HH, Stocklin G (1986) Sintesis Stereospesifik Efisien dari No-Carrier-Ditambahkan 2- [F-18] -Fluoro-2-Deoxy-D-Glukosa Menggunakan Aminopolyether yang Didukung Nukleofilik-Substitusi. Jurnal Kedokteran Nuklir 27: 235 – 238. Temukan artikel ini secara online
Graham MM, Muzi M, Spence AM, O'Sullivan F, Lewellen TK, dkk. (2002) FDG disamakan konstan di otak manusia normal. Jurnal Kedokteran Nuklir 43: 1157 – 1166. Temukan artikel ini secara online
Maldjian JA, Laurienti PJ, Kraft RA, Burdette JH (2003) Metode otomatis untuk interogasi atlas berbasis neuroanatomic dan cytoarchitectonic set data fMRI. Neuroimage 19: 1233 – 1239. Temukan artikel ini secara online
Tzourio-Mazoyer N, Landeau B, Papathanassiou D, Crivello F, Etard O, dkk. (2002) Pelabelan anatomi otomatis dari aktivasi dalam SPM menggunakan partisi anatomi makroskopik dari otak subjek tunggal MNI MRI. Neuroimage 15: 273 – 289. Temukan artikel ini secara online
Amaro E, Barker GJ (2006) Desain studi di MRI: Prinsip dasar. Otak dan Kognisi 60: 220 – 232. Temukan artikel ini secara online
Friston KJ, Buechel C, GR Fink, Morris J, Rolls E, dkk. (1997) Interaksi Psikofisiologis dan Modulatory dalam Neuroimaging. NeuroImage 6: 218 – 229. Temukan artikel ini secara online
Passamonti L, Rowe JB, Ewbank M, Hampshire A, Keane J, dkk. (2008) Konektivitas dari cingulate anterior ventral ke amigdala dimodulasi oleh motivasi nafsu makan sebagai respons terhadap sinyal wajah agresi. NeuroImage 43: 562 – 570. Temukan artikel ini secara online
Kriegeskorte N, Simmons WK, Bellgowan PSF, Baker CI (2009) Analisis sirkular dalam sistem ilmu saraf: bahaya pencelupan ganda. Nature Neuroscience 12: 535 – 540. Temukan artikel ini secara online
Gitelman DR, Penny WD, Ashburner J, Friston KJ (2003) Memodelkan interaksi regional dan psikofisiologis dalam fMRI: pentingnya dekonvolusi hemodinamik. NeuroImage 19: 200 – 207. Temukan artikel ini secara online
Volkow ND, Fowler JS, Wang GJ, Swanson JM (2004) Dopamin dalam penyalahgunaan dan kecanduan narkoba: hasil dari studi pencitraan dan implikasi pengobatan. Psikiatri Molekuler 9: 557 – 569. Temukan artikel ini secara online
Haltia LT, Savontaus E, T Vahlberg, Rinne JO, Kaasinen V (2010) Perubahan hormonal akut mengikuti tantangan glukosa intravena pada subjek manusia kurus dan obesitas. Jurnal Investigasi Klinis & Laboratorium Skandinavia 70: 275–280. Temukan artikel ini secara online
Haltia LT, Rinne JO, Merisaari H, RP Maguire, Savontaus E, dkk. (2007) Efek glukosa intravena pada fungsi Dopaminergik di otak manusia in vivo. Sinaps 61: 748 – 756. Temukan artikel ini secara online
Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK, dkk. (2008) Reseptor D2 striatal dopamin rendah dikaitkan dengan metabolisme prefrontal pada subjek obesitas: Faktor-faktor yang berkontribusi. NeuroImage 42: 1537 – 1543. Temukan artikel ini secara online
Ambroggi F, Ishikawa A, Fields HL, Nicola SM (2008) Neuron amigdala basolateral memfasilitasi perilaku mencari hadiah oleh inti neuron accumbens yang menarik. Neuron 59: 648 – 661. Temukan artikel ini secara online
Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Logan J, Jayne M, dkk. (2002) Motivasi makanan "nonhedonik" pada manusia melibatkan dopamin dalam striatum punggung dan methylphenidate memperkuat efek ini. Sinaps 44: 175 – 180. Temukan artikel ini secara online
DM kecil, Zatorre RJ, Dagher A, Evans AC, Jones-Gotman M (2001) Perubahan aktivitas otak yang berhubungan dengan makan coklat - Dari kesenangan menjadi keengganan. Otak 124: 1720–1733. Temukan artikel ini secara online
O'Doherty J, Dayan P, Schultz J, Deichmann R, Friston K, dkk. (2004) Peranan striatum ventral dan dorsal yang terlepas dari pengondisian instrumental. Sains 304: 452 – 454. Temukan artikel ini secara online
Balleine BW, Delgado MR, Hikosaka O (2007) Peran striatum dorsal dalam pemberian hadiah dan pengambilan keputusan. Jurnal Neuroscience 27: 8161 – 8165. Temukan artikel ini secara online
FT Russchen, Bakst I, Amaral DG, Harga JL (1985) Proyeksi Amygdalostriatal pada Monyet - Studi Penelusuran Anterograde. Penelitian Otak 329: 241–257. Temukan artikel ini secara online
Friedman DP, Aggleton JP, Saunders RC (2002) Perbandingan proyeksi hippocampal, amygdala, dan perirhinal dengan nucleus accumbens: Gabungan studi anterograde dan retrograde tracing di otak kera. Jurnal Neurologi Komparatif 450: 345 – 365. Temukan artikel ini secara online
Will MJ, Franzblau EB, Kelley AE (2004) Amigdala sangat penting untuk makan lemak yang dimediasi oleh opioid. NeuroReport 15: 1857 – 1860. Temukan artikel ini secara online
Baldo BA, Alsene KM, Negron A, Kelley AE (2005) Hyperphagia diinduksi oleh penghambatan GABAA-mediated cangkang dari nucleus accumbens shell: Ketergantungan pada output saraf utuh dari daerah amygdaloid pusat. Behavioral Neuroscience 119: 1195 – 1206. Temukan artikel ini secara online
Naqvi NH, Bechara A (2009) Pulau kecanduan yang tersembunyi: insula. Tren dalam Ilmu Saraf 32: 56 – 67. Temukan artikel ini secara online
Baicy K, London ED, Monterosso J, Wong ML, Delibasi T, dkk. (2007) Penggantian leptin mengubah respons otak terhadap isyarat makanan pada orang dewasa yang secara genetik kekurangan leptin. Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional 104: 18276 – 18279. Temukan artikel ini secara online
Rosenbaum M, Sy M, Pavlovich K, Leibel RL, Hirsch J (2008) Leptin membalikkan perubahan yang diinduksi penurunan berat badan dalam respon aktivitas saraf regional terhadap rangsangan makanan visual. Jurnal Investigasi Klinis 118: 2583 – 2591. Temukan artikel ini secara online
Cornier MA, Salzberg AK, Akhirnya DC, Bessesen DH, Rojas DC, et al. (2009) Pengaruh Overfeeding pada Respon Neuronal terhadap Isyarat Makanan Visual pada Individu yang Tipis dan Berkurang Obesitas. PLoS ONE 4: e6310. Temukan artikel ini secara online
Stice E, Spoor S, Bohon C, Veldhuizen MG, DM Kecil (2008) Hubungan Hadiah Dari Asupan Makanan dan Asupan Makanan yang Diantisipasi dengan Obesitas: Studi Pencitraan Resonansi Magnetik Fungsional. Jurnal Abnormal Psychology 117: 924 – 935. Temukan artikel ini secara online
Lemmens SG, Rutters F, Born JM, Westerterp-Plantenga MS (sedang dicetak) Stres menambah 'keinginan' makanan dan asupan energi pada subjek dengan berat badan berlebih tanpa adanya rasa lapar. Fisiologi & Perilaku Di Pers, Bukti Dikoreksi.
Nathan PJ, Bullmore ET (2009) Dari rasa hedonik hingga dorongan motivasi: reseptor mu-opioid sentral dan perilaku makan berlebihan. Jurnal Internasional Neuropsikofarmakologi 12: 995 – 1008. Temukan artikel ini secara online
;