Dana M. Small, Alexandra G. DiFeliceantonio
Ilmu 25 Jan 2019:
Vol. 363, Edisi 6425, hlm. 346-347
DOI: 10.1126 / science.aav0556
Sinyal yang menyampaikan informasi nutrisi dari usus ke otak mengatur penguatan makanan dan pilihan makanan (1-4). Secara khusus, meskipun perhitungan saraf pusat menjalankan pilihan, sistem saraf usus mengkomunikasikan informasi tentang hasil gizi pilihan ke otak sehingga representasi nilai makanan dapat diperbarui. Di sini, kami membahas temuan terbaru yang menunjukkan kesetiaan pensinyalan usus dan otak yang dihasilkan dari nilai makanan dikompromikan oleh makanan olahan (3, 4). Memahami sumbu ini dapat menginformasikan tentang perilaku makan yang melibatkan makanan olahan dan obesitas.
Dalam 1947, percobaan di mana tikus diberi makan diet isocaloric yang bervariasi dalam volume mengungkapkan bahwa tikus akurat titrasi volume makanan yang dikonsumsi untuk mempertahankan asupan kalori konstan sepanjang hari, menunjukkan bahwa "tikus makan untuk kalori" (5). Ini menyiratkan bahwa sinyal harus dihasilkan untuk mengkomunikasikan nilai energetik makanan ke otak untuk memandu asupan. Kemudian, yang lain mengkonfirmasi bahwa sinyal "pasca-pencernaan" ini dapat diperkuat dengan menunjukkan bahwa hewan dapat membentuk preferensi untuk citarasa yang dikonsumsi dengan kalori dibandingkan dengan yang dikonsumsi tanpa — suatu bentuk pembelajaran yang disebut pengkondisi zat-gizi (FNC) (6). Yang penting, FNC terjadi bahkan tanpa adanya stimulasi sensorik oral secara bersamaan, yang mengisolasi sinyal post-ingestive sebagai penguat kunci (7). Sebagai contoh, hewan yang tidak memiliki mesin neurobiologis untuk mengubah rasa manis tetap membentuk preferensi untuk air yang mengandung sukrosa dibandingkan dengan air saja, dan perilaku ini disertai dengan kenaikan dopamin ekstraseluler di striatum, wilayah otak yang diperlukan untuk motivasi dan pembelajaran. Namun, secara kritis, infus agen antimetabolik 2-deoxyglucose, yang menghambat kemampuan sel untuk menggunakan glukosa sebagai bahan bakar, melemahkan dopamin ekstraseluler dan pembentukan preferensi (1). Sinyal-sinyal ini kemungkinan neural daripada endokrin (yaitu, hormonal) karena kenaikan dopamin ekstraseluler cepat setelah infus glukosa intragastrik (8). Lebih lanjut, infus glukosa tetapi bukan glukosa yang tidak dimetabolisme pada vena portal meningkatkan dopamin ekstraseluler (8). Secara kolektif, ini menunjukkan bahwa pada hewan, stimulus tanpa syarat yang mendorong penguatan gula (karbohidrat) adalah sinyal metabolisme yang dihasilkan ketika sel menggunakan glukosa untuk bahan bakar; sinyal ini kemudian dirasakan oleh mekanisme di vena porta dan kemudian dikirim ke otak untuk mengatur pensinyalan dopamin (lihat gambar). Sifat pasti dari sinyal metabolisme, sensornya, dan bagaimana ia ditransmisikan ke otak tidak diketahui.
Ada bukti bahwa mekanisme serupa beroperasi pada manusia. Penelitian neuroimaging telah menetapkan bahwa isyarat makanan, yang merupakan prediksi kalori, mengaktifkan striatum pada manusia dan bahwa besarnya respons ini diatur oleh sinyal metabolik (9). Secara khusus, peningkatan glukosa plasma darah setelah konsumsi minuman yang mengandung karbohidrat memprediksi besarnya respon striatal yang dikondisikan terhadap penglihatan dan rasa minuman. Karena glukosa harus hadir untuk digunakan sebagai bahan bakar, ini menunjukkan bahwa pada manusia, seperti pada hewan, penguat karbohidrat tergantung pada sinyal metabolisme yang terkait dengan keberadaan glukosa. Selain itu, pengamatan pada manusia menunjukkan bahwa representasi otak dari sinyal metabolisme tidak tergantung dari persepsi sadar, seperti menyukai makanan. Respons striatal yang sama terhadap isyarat rasa yang dapat diprediksi oleh kalori yang sangat erat dengan perubahan glukosa plasma tidak terkait dengan kesukaan nilai minuman oleh partisipan. Ini konsisten dengan studi neuroimaging tambahan yang menemukan bahwa kepadatan energi aktual, dan bukan perkiraan kepadatan energi atau nilai suka gambar makanan, memprediksi kemauan untuk membayar makanan dan tanggapan sirkuit hadiah striatal sirkuit (3, 10). Pengamatan ini menunjukkan bahwa representasi saraf dari sinyal nutrisi yang menguatkan ini tidak tergantung pada persepsi sadar tentang makanan. Kemungkinan yang menarik adalah bahwa sinyal-sinyal metabolik merupakan generator penting dari arti-penting insentif (bagaimana isyarat menjadi bermakna secara motivasi) dan bahwa jalur-jalur berbeda yang diprakarsai oleh sinyal-sinyal ini memetakan ke sirkuit-sirkuit saraf yang menginginkan makanan versus makanan yang menyukai makanan (11).
Lipid adalah sumber energi penting lainnya yang dimetabolisme secara berbeda dari karbohidrat. Dengan demikian, jalur di mana nilai energi dari lemak dikomunikasikan ke otak berbeda. Memblokir oksidasi lemak meningkatkan nafsu makan lemak, dan memblokir oksidasi glukosa meningkatkan nafsu makan gula. Namun, vagotomy (pembedahan untuk memutus saraf vagus) pada tikus hanya mengganggu peningkatan nafsu makan akan lemak, membuat nafsu makan glukosa tidak terpengaruh (12). Secara konsisten, seperti glukosa, infus langsung lipid ke usus menghasilkan peningkatan segera dopamin striatal ekstraseluler. Namun, ini terjadi melalui mekanisme reseptor α (PPARα) yang diaktifkan proliferator peroxisome (spesifik2). PPARα diekspresikan oleh enterosit duodenal dan jejunal di usus halus dan memberi sinyal ke saraf vagus melalui mekanisme yang belum diketahui. Seperti pelepasan dopamin striatal oleh glukosa, peningkatan dopamin cepat, yang konsisten dengan pensinyalan saraf daripada endokrin. Selain itu, aktivasi neuron sensorik vagal ini di usus bagian atas yang diproyeksikan ke ganglion nodosa kanan, otak belakang, substantia nigra, dan striatum punggung cukup untuk mendukung pembelajaran hadiah (preferensi tempat) dan untuk melepaskan dopamin striatal pada tikus (13). Apakah jalur ini ada pada manusia tidak jelas, dan apakah jalur metabolik neural aferen (MNA) ada untuk lipid lain dan nutrisi sedang diselidiki.
Penemuan bahwa stimulus tanpa syarat yang mendukung penguatan makanan adalah sinyal MNA — yang setidaknya kadang-kadang independen dari kenikmatan indrawi — mengejutkan. Namun, refleksi yang lebih dalam mengungkapkan keanggunan solusi ini. Semua organisme harus mendapatkan energi untuk bertahan hidup, dan sebagian besar kekurangan fungsi otak tingkat tinggi yang mendukung kesadaran. Dengan demikian, mekanisme ini kemungkinan mencerminkan sistem yang dikonservasi yang dirancang untuk menyampaikan sifat gizi makanan ke sirkuit pusat di otak yang mengatur pemberian makan secara independen dari kesadaran, sehingga makanan sama kuatnya dengan sumber energi yang berguna. Oleh karena itu, transfer informasi nutrisi dari usus ke otak yang sangat tepat sangat penting untuk estimasi nilai yang akurat.
Meskipun jelas bahwa lingkungan makanan modern mempromosikan obesitas dan diabetes, kontroversi mengelilingi mekanisme yang tepat dengan mana ini terjadi. Makanan olahan modern cenderung padat energi, direkayasa untuk menjadi tak tertahankan mungkin, dan memberikan nutrisi dalam dosis dan kombinasi yang tidak ditemui sebelumnya. Karena sinyal yang energetik mendorong penguatan, peningkatan dosis dapat meningkatkan kekuatan dan karenanya "membuat kecanduan" potensi makanan olahan. Namun, ini mungkin bukan satu-satunya faktor yang berkontribusi terhadap peningkatan diabetes dan obesitas.
Untuk meningkatkan kelezatan, pemanis non-gizi (zat tanpa kandungan kalori) sering ditambahkan ke makanan dan minuman yang juga mengandung gula dan pati yang bernutrisi. Sebagai contoh, minuman yang dimaniskan dengan gula mengandung glukosa dan fruktosa gula nutrisi, serta pemanis non-nutrisi sucralose dan acesulfame K. Yogurt sering mengandung gula bernutrisi dan pemanis tidak bergizi seperti ekstrak daun stevia. Pembacaan singkat label makanan di toko grosir akan mengungkapkan banyak contoh makanan dan minuman yang mengandung gula bergizi dan pemanis tidak bergizi. Sebaliknya, dalam makanan yang tidak diproses, rasa manis sebanding dengan kadar gula, dan karenanya, kandungan kalori (energi) makanan. Bukti terbaru menunjukkan bahwa produk yang mengandung kombinasi gula bergizi dan pemanis non-gizi menghasilkan efek metabolisme yang mengejutkan dan menguatkan. Misalnya, mengonsumsi minuman 115-kkal akan menimbulkan efek termogenik yang lebih besar jika rasa manisnya “cocok” dengan beban kalori dibandingkan dengan jika terlalu manis atau tidak cukup manis (4). Karena dietogen-induced thermogenesis (DIT) adalah penanda metabolisme nutrisi dan respons metabolik yang mendorong penguatan melalui MNA, minuman "cocok" berkalori lebih rendah dapat mengkondisikan kesukaan dan striatal yang lebih besar daripada minuman "tak serasi" berkalori lebih tinggi (4). Yang penting, efek ini terjadi meskipun glukosa plasma naik. Ini menunjukkan bahwa pada manusia, seperti pada hewan, bukanlah kehadiran nutrisi dalam usus atau darah yang mendorong penguatan, melainkan generasi MNA ketika nutrisi digunakan sebagai bahan bakar yang sangat penting. Mekanisme di balik efek "ketidakcocokan" ini pada manusia tidak diketahui dan memerlukan studi lebih lanjut. Secara khusus, memahami nasib glukosa yang tidak termetabolisme, dan menentukan apakah ada implikasi untuk diabetes dan obesitas, adalah arah masa depan yang kritis. Yang jelas adalah bahwa nilai energik dari minuman yang mengandung gula bergizi dan pemanis tidak bergizi tidak dikomunikasikan secara akurat ke otak, setidaknya dalam beberapa keadaan, dan ini dapat menyebabkan generasi sinyal yang tidak akurat tidak hanya untuk mengatur hadiah tetapi juga proses seperti penyimpanan energi dan partisi nutrisi.
Memperkuat sinyal metabolisme ke otak
Dalam model yang diusulkan ini untuk memperkuat sinyal metabolic neural afferent (MNA), sinyal untuk lemak tergantung pada aktivasi yang dimediasi PPARα dari aferen sensorik vagal yang diproyeksikan ke ganglion nodosa kanan, otak belakang, substantia nigra, dan striatum dorsal. Sinyal untuk karbohidrat dihasilkan selama oksidasi glukosa dan mengaktifkan sensor portal vena yang tidak diketahui, yang menginduksi sinyal yang mengaktifkan neuron dopamin otak tengah yang memproyeksikan ke striatum. Jaringan kortikal independen mengintegrasikan sinyal MNA dengan nilai sadar.
GRAFIS: A. KITTERMAN /ILMU
Contoh kedua dari kesetiaan yang terganggu dari pensinyalan usus-otak berasal dari sebuah studi di mana nilai penguatan makanan yang terutama mengandung lemak, terutama karbohidrat, atau baik lemak maupun karbohidrat dibandingkan (3). Makanan tinggi lemak dan karbohidrat tidak mudah ditemukan dalam makanan non-olahan tetapi sering menjadi subyek mengidam makanan (misalnya, cokelat dan donat). Studi ini menunjukkan bahwa dari pilihan makanan yang sama kalori dan disukai, orang menginginkan makanan yang memiliki lemak dan karbohidrat lebih dari mereka yang memiliki lemak atau karbohidrat saja, dan ini tercermin dalam respon striatal supra-aditif (3). Hal ini dapat berkontribusi pada beberapa makanan yang didambakan atau lebih menarik dari yang lain dan karena itu berperan dalam makan berlebihan.
Temuan-temuan yang muncul ini menunjuk pada dua sistem yang dapat dipisahkan yang mendorong pilihan makanan. Satu sistem secara langsung mencerminkan nilai gizi makanan dan bergantung pada sinyal metabolik yang mencapai otak (MNA). Sistem penginderaan gizi ini tampaknya memainkan peran penting dalam mengatur striatal dopamin, menentukan nilai makanan, dan mengarahkan pilihan makanan. Dalam sistem kedua, persepsi sadar seperti rasa dan keyakinan tentang kandungan kalori, biaya, dan kesehatan makanan juga merupakan penentu penting dari pilihan makanan (14, 15). Komputasi saraf yang berkaitan dengan kontributor sadar terhadap nilai tampaknya berbeda dari yang terkait dengan sinyal penguat gizi MNA dan bergantung pada sirkuit di dalam korteks prefrontal dan korteks insular (9). Menentukan bagaimana kedua sistem berinteraksi untuk mengatur perilaku pencernaan dan metabolisme nutrisi adalah topik penelitian yang penting.
Bukti mengumpulkan bahwa kandungan gizi makanan olahan tidak secara akurat disampaikan ke otak. Hal ini meningkatkan kemungkinan bahwa bagaimana makanan disiapkan dan diproses, di luar kepadatan energi atau kelezatannya, memengaruhi fisiologi dengan cara-cara yang tidak terantisipasi yang dapat memicu disfungsi makan berlebih dan metabolisme. Pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana sifat-sifat makanan olahan berinteraksi dengan jalur usus-otak sangat penting, seperti menentukan apakah efek tersebut mempengaruhi pensinyalan rasa kenyang, sifat adiktif makanan, kesehatan metabolisme, dan obesitas. Selain itu, meskipun kami fokus pada lemak dan karbohidrat, ada kemungkinan beberapa jalur pensinyalan untuk menyampaikan berbagai informasi gizi ke otak untuk memandu pilihan makanan — dan jalur ini mungkin juga dipengaruhi oleh makanan olahan.
http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse
Ini adalah artikel yang didistribusikan berdasarkan ketentuan Lisensi Standar Jurnal Sains.
Referensi dan Catatan
- ↵
- LA Tellez et al
., J. Physiol. 591, 5727 (2013).
- ↵
- LA Tellez et al
., Sains 341, 800 (2013).
Abstrak / Teks Lengkap GRATISGoogle Scholar
- ↵
- AG DiFeliceantonio et al
., Metab Sel. 28, 33 (2018).
- ↵
- MG Veldhuizen et al
., Curr. Biol. 27, 2476 (2017).
- ↵
- EF Adolph
, Saya. J. Physiol. 151, 110 (1947).
- ↵
- GL Holman
, J. Comp. Physiol. Psikol. 69, 432 (1969).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Scholar
- ↵
- X. Ren et al
., J. Neurosci. 30, 8012 (2010).
Abstrak / Teks Lengkap GRATISGoogle Scholar
- ↵
- L. Zhang et al
., Depan. Integr. Nuerosci. 12, 57 (2018).
- ↵
- IE de Araujo et al
., Curr. Biol. 23, 878 (2013).
- ↵
- DW Tang et al
., Psikol. Sci. 25, 2168 (2014).
- ↵
- KC Berridge
, Neurosci. Biobehav. Rev. 20, 1 (1996).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Scholar
- ↵
- S. Ritter,
- JS Taylor
, Saya. J. Physiol. 258, R1395 (1990).
- ↵
- W. Han et al
., Cell 175, 665 (2018).
- ↵
- TA Hare et al
., Sains 324, 646 (2009).
Abstrak / Teks Lengkap GRATISGoogle Scholar
- ↵
- H. Plassmann et al
., J. Neurosci. 30, 10799 (2010).
Abstrak / Teks Lengkap GRATISGoogle Scholar
Ucapan Terima Kasih: Kami berterima kasih kepada I. de Araujo, A. Dagher, S. La Fleur, S. Luquet, M. Schatzker, dan M. Tittgemeyer atas bantuan mereka dalam membentuk Perspektif kami. Kami mengakui B. Milner atas karya rintisannya tentang pembelajaran implisit.
;
