자유롭게 먹이를 먹인 쥐 (2013)에서 스낵 식품 섭취와 관련된 전체 뇌 활동 패턴의 매핑을위한 망간 강화 자기 공명 영상

개요

칼로리 과잉 영양소와 관련된 과식증은 산업 사회에서 비만 및 비만 관련 합병증의 발생에 실질적으로 기여합니다 [1]. 항상성 hyperphagia는 기아와 포만을 조절하는 항상성 시스템의 교란으로 인해 발생하지만, hedonic hyperphagia는 포만과는 독립적입니다. [1]. 그러나 기아와 음식 섭취의 생리적 조절을 무시하는 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았습니다. 특정 조건에서 음식 섭취는 식욕의 항상성 조절을 과도하게 보상하는 방식으로 뇌 보상 시스템을 활성화시킬 수 있습니다. [2]. 결과적인 고혈압증은 소비자의 정서적 상태, 정신 건강 상태 또는 수면 박탈과 같은 여러 요인의 영향을받습니다. [1]. 또한, 분자 식품 조성 및 에너지 밀도는 고혈압증의 유도에 중요한 요소 인 것으로 보인다. “맛있는 음식”이 사람과 동물에게 과식증을 유발할 수 있다는 것이 잘 알려져 있습니다 [3], [4]. 예를 들어, 인간의 폭식 에피소드는 종종 지방이나 설탕이 풍부한 음식과 관련이 있습니다. [5].

굶주림 상태의 음식 섭취는 뇌의 핵 축적과 복부 두개, 중뇌의 복부 부분, 전두엽 피질, 해마 및 편도를 포함한 복잡한 보상 시스템을 유발합니다. [6]. 이러한 활성화 패턴은 예를 들어 핵 축적 또는 등쪽 선조체에서 도파민 방출과 관련이있을 가능성이 높다 [7], [8], [9], 약물 중독에서도 활성화되는 과정 [10]. 그러나 항상성 조건 하에서 포만 신호는 꼬리 뇌간, 시상 하부, 특히 아 치핵 또는 핵 궤양과 같은 뇌 구조를 유발하여 예를 들어 보상 가치를 줄임으로써 음식 섭취를 제한합니다. [6], [11]. 고지방 또는 카페테리아 다이어트와 같은 특정 유형의 음식은 음식 및 / 또는 에너지 섭취를 증가시켜 결국 비만으로 이어진다는 것이 관찰되었습니다. 예를 들어, 식당식이 요법에 대한 접근을 제한 한 임의의 먹이를 먹은 쥐는 접근 기간 동안 폭식과 같은 먹이 행동을 개발했습니다. [10]. 따라서 일부 식품 성분이 포만 조절을 무효화하여 기아와 독립적으로 식품 섭취를 유발할 수 있다고 가정 할 수 있습니다.

흥미롭게도, 쥐에서 2 주 후에 음식과 칼로리 섭취의 초기 지방 유발 증가가 보상되는 것으로 나타났습니다 [12]. 따라서, 고지방식이의 만성 섭취는 음식의 보람 효과를 감소 시켜서 먹이 패턴의 구성을 파괴하여 결국 과체중을 초래한다고 제안되었습니다 [13].

산업 사회의 비만과 건강 관리 시스템에 미치는 영향에 대한 주요 기여자 인 고혈압증에 대처하기 위해서는 고혈압 폭식증과 관련된 특정 유형의 음식에 의해 유발되는 뇌 과정을 이해하는 것이 중요합니다. 뇌 활동에 대한 음식 섭취의 영향을 분석하기위한 기능적 자기 공명 영상 (MRI)과 같은 비 침습적 전체 뇌 영상 기술의 적용은 음식 섭취와 MRI의 필요한 동기화에 의해 고전적인 자극 중심 접근법에서 제한된다. 뇌 활동에 대한 장기적인 영향을 모니터링하기 위해 망간 강화 MRI (MEMRI)가 사용되었습니다. 조영제 망간은 활성화 된 뇌 구조에 축적되며 신경 활동의 필수적인 측정을 반영합니다 [14], [15], [16]. MEMRI를 사용하면 MRI 측정에서 뇌 활동 분석을 분리 할 수 ​​있습니다. 이를 위해 MnCl₂ MRI 측정 전에 주입됩니다. 망간 이온 (Mn²⁺)은 이온 반경과 칼슘 이온 (Ca²⁺). 따라서, 미네소타²⁺ 전압 게이트 된 칼슘 채널을 통해 흥분성 세포로 수송된다. Ca와 대조적으로²⁺그러나 Mn²⁺ 세포의 활동에 비례하여 세포에 축적되고, 이후 상자성 특성으로 인해 MRI에 의해 기록 될 수있다. 따라서 MRI 측정 전 최대 며칠 동안 발생한 사건과 관련된 뇌 활동을 기록 할 수 있습니다. 따라서이 기술의 주요 장점은 자극 (공급)과 MRI 측정을 분리 할 수 ​​있다는 것입니다. 또한, Mn²⁺ 다른 뇌 영역으로의 축삭 이동에 의해 재배치 될 수 있습니다. Mn의 주요 단점²⁺그러나 세포 독성은 자연 행동에 상당한 영향을 미치고 행동 연구에서의 적용을 제한 할 수 있습니다. MnCl의 피하 주사는₂ MRI 분석에 충분한 농도로 인해 운동 능력과 음식 섭취량 및 체중 감소가 지속적으로 감소했습니다. [17]. 그러나 최근에는 삼투 펌프가 MEMRI 연구에 도입되었습니다. MnCl₂ 삼투 펌프에 의해 투여되는데, 이는 삼투압 펌프에 의해 투여되며, 이는 운동 활동에 대한 악영향을 피하면서 MRI 분석을위한 충분한 망간 축적을 제공하면서 최대 7 일 동안 용액을 천천히 연속적으로 방출한다 [17].

현재의 연구는 음식물 섭취와 관련된 전체 뇌 활동을 스캔하기 위해 삼투 펌프 보조 MEMRI 분석의 유용성을 테스트했습니다. 이 방법은 임의의 먹이를 먹은 쥐에서 감자 칩 섭취의 특정 뇌 활성화 패턴을 풀기 위해 적용되었습니다.

재료 및 방법

1. 윤리 성명서

이 연구는 국립 보건원 (National Institutes of Health)의 실험 동물의 관리 및 사용을위한 가이드의 권고에 따라 엄격하게 수행되었다. 이 프로토콜은 Erlangen-Nuremberg 대학의 동물 실험 윤리위원회 (Regierung Mittelfranken, 허가 번호 : 54-2532.1-28 / 12)에 의해 승인되었습니다. 모든 수술 및 MRI 실험은 이소 플루 란 마취하에 수행되었으며, 고통을 최소화하기 위해 모든 노력을 기울였다.

2. 실험 설계 및 행동 분석

수컷 Wistar 랫트 (독일 설츠 펠트의 찰스 리버 (Charles River)로부터 구입 한 257 / 21 h 암 / 광 사이클로 유지 된 초기 중량 12 ± 12 g)를 무작위로 2 개의 그룹 (그룹당 4 개의 케이지, 케이지 당 4 마리의 동물)으로 나누었다. 각각의 그룹은 표준 차우 펠렛 (독일의 Lage, Altromin, Altromin 1326)에 추가하여 다른 식품 중 하나를 받았다. 스낵 식품 그룹 (n = 16, 초기 체중 258 ± 28 g)은 감자 칩 (미각 성분 또는 맛 강화제가 첨가되지 않은 상업용 향이없는 소금에 절인 감자 칩, 특히 식품 가공업자에 의해 분쇄 된 모노 소듐 글루타메이트가 없음) 및 표준 차우 그룹을 받았다. (초기 체중 256 ± 21 g)는 각각 분말 표준 차우 (Altromin 1321, n = 16)를 받았다. 표준 차우 펠렛은 연구의 전체 과정에 걸쳐 임의로 제공되었으며, 시험 식품 (각각 분쇄 된 감자 칩 또는 분말 표준 차우)은 훈련 단계 및 망간 단계 동안 추가로 표준 차우 펠릿에 임의로 제공되었다 (참조) 그림 1 실험 설계 용). 훈련을 위해, 시험 식품을 7 일 (훈련 단계) 동안 케이지의 우측 및 좌측에 동일한 시험 식품을 함유하는 2 개의 식품 디스펜서에 제시하고,이어서 시험 식품없이 7 일의 중간 날 (중간 단계)을 제공 하였다. 그 후 염화 망간 (MnCl)으로 채워진 삼투 펌프₂자세한 내용은 아래를 참조하십시오). 드립 주사 기간 동안 (7 일, 표준 차우 그룹 : 163 ± 5 h, 스낵 식품 그룹 166 ± 4 h) 및 MnCl 축적₂ 쥐 뇌 (망간 단계)에서 동물은 훈련 단계에 익숙한 시험 식품에 자유롭게 접근 할 수 있었다. 표준 차우 펠렛 및 수돗물은 연구의 모든 단계에서 임의로 이용 가능하므로, 연구 동안 동물은 금식하지 않았다. 이 기간 동안의 MnCl 후 MEMRI에 의해 활성 뇌 구조를 스캔 하였다₂ 관리_. 상이한 단계 동안, 섭취 된 음식의 양은 음식 분배기를 하루에 두 번 차등 계량함으로써 측정되었다. 에너지 섭취량은 시험 식품의 칼로리 값과 섭취량을 곱함으로써 결정되었다. 음식 섭취량은 쥐의 초기 체중과 양의 상관 관계가있었습니다. 그러나, 두 종류의 시험 식품에 대한 상관 관계는 유사하였고, 초기 체중 분포는 두 그룹간에 유의하게 다르지 않았다.

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그림 1. 연구 디자인.

망간 강화 자기 공명 영상 법에 의해 음식 성분이 전체 뇌 활동 패턴에 미치는 영향을 모니터링하기위한 연구 설계에 대한 개요.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.g001

또한, 시험 식품과 관련된 운동 활동은 정의 된 "카운트"를 통해 케이지 위의 웹캠에 의해 기록 된 사진 (10 초당 하나의 사진)의 평가에 의해 정량화되었다. 하나의 "카운트"는 "하나의 쥐가 하나의 그림에서 음식 디스펜서 근처의 운동 활동을 보여줍니다"로 정의되었습니다. 스튜던트 t- 검정은 그룹당 4 개의 케이지 (24 동물)의 평균으로서 7 일에 걸쳐 1 시간짜리 쓰레기통으로 하루에 16h 동안 다른 그룹에서 랫트의 운동 활성에 유의 한 차이를 평가하기 위해 사용되었다.

3. 삼투 펌프의 준비 및 주입

조영제 (MnCl의 2001 M 용액의 200 μL)의 적용을 위해 미니 삼투 펌프 (Alzet®, 모델 1, Durect Corporation, 미국 캘리포니아 주 쿠퍼 티노)가 사용되었습니다.₂분자 생물학의 경우, BioReagent, Sigma Aldrich, Schnelldorf, Germany) [17]. MRI에 사용하기 위해, 스테인레스 스틸 유동 조절기는 PEEK ™ 마이크로 의료용 튜브 (미국 애리조나 주 레이크 하바수 시티의 과학 용품)로 대체되었다. 충전 된 삼투압 펌프를 이식 전에 12h 동안 등장 성 식염수에서 배양 하였다. 7 일 동안 적하 주입, MnCl₂ 1 µL h의 유량으로 방출 됨^{- 1}.

망간 단계의 첫날 오후에 그림 1), 삼투압 펌프를 이식 하였다. 이를 위해, 의료 공기에서 이소 플루 란 (초기 15 % 및 5 % 유지, Baxter Deutschland, Unterschleißheim, Germany)으로 동물을 최대 1.5 분 동안 마취시키고 채워진 펌프를 등 피하 조직에 이식 하였다. 그 후, 작은 상처는 티슈 접착제 (Histoacryl174 ;, B. Braun Petzold, Melmelen, Germany)에 의해 폐쇄되었다.

4. MRI 측정

망간 7 일 후, MRI가 기록되었다. 삼투 펌프의 이식 후 이소 플루 란 (의료용 공기에서 5 %) 163 ± 5 h (표준 차우 그룹) 및 166 ± 4 h (간식 그룹)로 동물을 마취시켰다. 마취는 각 동물에 대해 최대 50 분 동안 지속되었습니다. 마취 유도 후, 동물을 자기 공명 단층 촬영기 (Bruker BioSpec 47 / 40, 200 mT / m, 직교 표면 뇌 코일) 내부의 크레이들에 두었다. 크래들에서 순환하는 온수에 의해 동물의 체온을 37 ℃에서 일정하게 유지시켰다. 랫트 헤드의 고정 및 연속 이소 플루 란 마취는 표면 코일 바로 아래의 "코 입 마스크"에 의해 보장되었다. 래트의 가슴 아래에 고정 된 호흡 센서를 통해 측정 동안 동물의 중요한 기능을 모니터링 하였다. 호흡 속도를 약 60 분으로 일정하게 유지하려면^{- 1}이소 플루 란 농도는 1 % 내지 2 %의 범위에서 조정되었다.

측정 된 구동 평형 푸리에 변환 (MDEFT) 시퀀스를 사용하여 측정을 수행 하였다 : 반복 시간 4 s, 에코 시간 5.2 ms, 반전 시간 1000 ms, 4 개의 세그먼트 및 수집 매트릭스 256 × 128 × 32, 0 이후의 재구성 매트릭스 256 × 256 × 64의 해상도로 109 × 109 × 440 µm의 해상도로 27.90 × 27.90 × 28.16 mm의 시야각과 두 개의 평균으로 17 분의 측정 시간이 두 번 반복됩니다.

5. 데이터 처리

5.1 이미지 등록 및 전처리.

뇌 해부학 / 기능의 차이점을 조사하기 위해 모든 데이터 세트를 공통 좌표계로 전송해야했습니다. 목표는 관련 차이점을 제거하지 않고 해부학과 일치시키는 것이 었습니다. 이것은 비모수, 비 강성 등록 체계를 사용하여 달성되었으며, 이는 템플릿 볼륨 T에 대한 변형 필드를 계산하고, 변형 된 템플릿 볼륨과 참조 볼륨 R의 유사성이 각 복셀에 대한 변환 벡터를 표시합니다. 최대였다.

등록 방법은 전류 변환 (여기서는 상호 정보) 하에서 두 데이터 세트의 유사성을 측정하는 데이터 용어와 허용 된 변형을 제한하는 정규화 용어로 구성된 에너지 기능을 최적화했습니다. 우리의 경우에, 변형 장의 곡률을 정규화함으로써 변형의 평활 함이 보장되었다. [18]. 사용 된 비 강성 등록 구성 요소의 사용자 정의 구현을 사용하여 등록을 수행 [19].

먼저, 한 그룹에 속하는 모든 데이터 세트가 해당 그룹의 무작위로 선택된 기준 볼륨에 엄격하게 등록되지 않았으며, 그룹 별 평균 볼륨과 분산 볼륨이 계산되었습니다. 그 후, 모든 그룹 별 평균 체적은 체적 중 하나에 비강 성적으로 등록되었고, 각각의 변형 장은 그룹 별 분산 체적에 적용되었다. 마지막으로 전체 평균 량과 분산 량을 계산했습니다. 복셀 기반 형태 분석 (VBM)에 의해, 두 식품군 사이의 상이한 활성화 된 뇌 영역이 상당히 (t- 통계) 결정될 수있다. 등록 된 데이터 세트에 복셀 단위 통계를 사용하면 이미지에서 기본 조직 대비를 취소 할 수 있었으며 두 그룹에서 동일했습니다.

구조 별 분석을위한 5.2 Gray 값 처리.

이러한 사전 등록 된 데이터 세트에 기초한 그레이 값 분석은 MagnAN (BioCom GbR, Uttenreuth, Germany)에서 수행되었다. 표면 기반 등록은 각각의 MEMRI 그레이 값 데이터 세트를 [20]. 다음으로, 작은 개별적인 모양 차이를 보상하기 위해, 뇌의 개요 및 심실 시스템에 의해 유도 된 각각의 데이터 세트에 대해 아틀라스 슬라이드를 슬라이스별로 미세 조정 하였다. 디지털 아틀라스는 166 사전 선택된 별개의 뇌 구조로 구성되었습니다. 복부 Tegmental Area (VTA)는 평가 된 가장 작은 구조 중 하나이지만, 결과에 큰 영향을 미칩니다. 0.7914 mm의 부피가 있습니다³ 반구 당, 즉 152 복셀. 각 공간 차원에서 VTA는 4 복셀 이상으로 샘플링되었습니다. 따라서 분석에 중대한 혼란을 야기 할 수있는 부분 부피 효과를 피할 수 있습니다. 이 영역의 평균 회색 값은 개별 데이터 세트에서 결정되었습니다. 각 개인의 그레이 값의 정규화를 위해, 모든 단일 뇌 구조의 그레이 값과 모든 아틀라스 구조의 평균 그레이 값 사이의 차이를 모든 아틀라스 구조의 그레이 값의 표준 편차로 나누어 z- 점수를 계산 하였다. 스튜던트 t- 검정을 사용하여 두 상이한 그룹 사이의 뇌 구조의 유의미한 차이를 평가 하였다. 결합 된 분석 접근법을 통해 해당 아틀라스 지역 내에서 활동 상승 및 하강 규제뿐만 아니라 유의미한 다른 영역 (VBM)을 얻을 수있었습니다.

결과 및 토론

1. 스낵 식품 (고구마 칩) 다이어트가 칼로리 섭취 및 운동 활동에 미치는 영향

본 연구는 표준 차우에 비해 스낵 식품 (감자 칩)의 섭취와 관련된 특정 뇌 활동 패턴을 조사했다. 특정 시험 음식 섭취와 관련된 뇌 활동은 MEMRI에 의해 기록되었으며,이를 통해 음식 섭취 7 일 동안 뇌 활동을 통합 할 수있었습니다. (그림 1).

또한, 시험 식품에 따른 음식 섭취 및 운동 활동이 기록되었다. 훈련 단계 동안, 표준 차우를 먹인 쥐는 감자 칩을 먹인 쥐보다 특히 12 / 12 h 다크 / 라이트 사이클의 어두운시기에 지속적으로 낮은 활동을 보였다. 감자 칩 섭취는 훈련 단계에서 10 시점에서 24에서 상당한 차이로 더 높은 활동을 유도했습니다. (그림 2A).

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그림 2. 간식 (고구마 칩) 또는 표준 차우에 접근하는 동안 먹이 관련 운동 활동.

MnCl 동안 훈련 단계 (A) 및 망간 단계에서 간식 (고구마 칩) 또는 표준 차우에 접근하는 동안 랫트의 먹이 관련 운동 활동₂ 응용 프로그램 (B). 데이터는 그룹당 16 일 동안 7 마리 동물의 평균으로 표시됩니다. *** p <0.001, ** p <0.01, p * <0.05.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.g002

2. 다이어트 관련 전체 두뇌 활동 패턴의 분석을위한 삼 투 펌프 보조 MEMRI의 응용

활성 뇌 패턴의 분석을 위해, 삼투압 펌프 보조 MEMRI가 적용되었습니다. MnCl의 단일 용량₂ 주사 후 최대 축적 24 h로 이어졌으며 삼투 펌프를 통한 뇌의 망간 축적은 3 일 후에 정체에 도달했습니다. [17]. 얻어진 Mn의 누적 농도²⁺ MnCl의 단일 용량 주입으로 얻은 신호 대 잡음비와 유사한 기능적 매핑에 충분₂그러나 이러한 조건에서는 운동 활동에 영향을 미치지 않았습니다 [17]. 일반적인 Mn의 차이점²⁺ Mn에 대한 뇌 구조의 다른 투과성으로 인한 분포²⁺ 두 그룹에서 동일해야합니다. 그룹 간의 Z- 점수 차이를 사용하여 절대 z- 점수 값 대신 시험 음식 관련 뇌 활동을 평가 하였다. 결과적으로, 망간 7 일 동안 활성화 된 뇌 영역은 단일 MRI 측정에 의해 기록 될 수있다 (그림 1). 우리의 경우에, 삼투 펌프 보조 MEMRI는 시험 음식-유도 된 전체 뇌 활동에 대한 포괄적 인 관점을 제공 하였다.

본 연구는 훈련 단계와 비교하여 망간 단계 동안 총 운동 활동이 다소 감소 된 것을 기록했다 (그림 2B). 이것은 이식 및 관련 스트레스, 망간의 세포 독성 또는 시험 식품에 관한 습관화 효과 때문일 수있다. 그럼에도 불구하고, 감자 칩을 먹인 쥐는 4 가지 시점에서 활동이 크게 증가한 대조군과 비교하여 분명히 더 높은 활동을 보였다. 이 동작은 훈련 단계와 비슷했습니다. 그렇지 않으면, 섭취 된 음식의 양은 12 h 빛 및 12 h 어두운주기 둘 다에 관한 훈련 단계와 비교하여 망간 단계 동안 유의하게 변경되지 않았다. 훈련 및 망간 상 둘 다에서 표준 차우에 비해 12 h 암주기 동안 간식의 섭취가 약간 증가 된 것이 검출되었다 (그림 3A). 이로 인해 표준 차우에 비해 감자 칩을 통한 에너지 섭취량이 증가했습니다. 차이는 12 h 조명 기간 동안 유의하지 않았지만, 훈련 단계 및 망간 단계 모두에서 12 h 암흑 기간 동안 크게 유의했습니다. (그림 3B). 따라서 MnCl은₂ 삼투 펌프에 의한 투여는 상이한 섭취 식품에 대해 뇌의 활동 패턴을 맵핑하기에 적합한 방법이다.

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그림 3. 스낵 식품 (감자 칩) 및 표준 차우를 통한 음식 및 에너지 섭취.

MnCl 동안 훈련 단계 (TP) 및 망간 단계 (MnP)에서 임의의 사료를 섭취 한 래트에서 간식 (SF, 감자 칩) 및 표준 사료 (STD)를 통한 음식 (A) 및 에너지 (B) 섭취₂ 7 d 기간 동안 펌프 침투. 시간당 음식 섭취량은 12 시간 빛과 12 시간 어두운주기 동안 섭취 한 음식의 양과 에너지 함량을 개별적으로 곱하여 차등 계량, 에너지 섭취에 의해 결정되었습니다. 각 그룹에서 16 마리 동물의 평균 ± SD가 표시됩니다. *** p <0.001, ** p <0.01, p * <0.05, ns는 중요하지 않습니다.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.g003

z- 점수 정규화 후 이미지 데이터는 VBM 접근 방식으로 분석되었으며, 결과적으로 완전히 다른 방식으로 활성화 된 뇌 영역에서 데이터를 기반으로합니다. (그림 4). 반면에, 디지털 아틀라스를 사용하는 추가 영역 기반 분석을 통해 각 레이블이 붙은 아틀라스 구조의 상향 및 하향 조정을 결정할 수있었습니다.

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그림 4. 표준 차우 또는 스낵 식품 (감자 칩)과 관련하여 뇌에 현저하게 다른 망간 축적.

(A)에서 Paxinos 아틀라스의 해당 아틀라스 슬라이스 (Bregma -5.28 mm)를 사용하여 재구성 된 평균 변형 구동 평형 푸리에 변환 (MDEFT) 데이터 세트의 슬라이스 오버레이는 가장 작은 분석 영역 (VTA) 중 하나로 표시됩니다. 노란색으로. 부분 (B), (C) 및 (D)는 MEMRI에 의해 기록 된 표준 사료 (STD) 또는 스낵 식품 (SF, 감자 칩)에 대한 추가 접근이 가능한 임의의 먹이를 먹은 쥐의 뇌에서 상당히 다른 망간 축적을 보여준다. 표준 음식 섭취와 비교하여 스낵 음식 섭취로 인해 활동이 현저히 높은 뇌 영역은 빨간색으로 표시되고, 스낵 음식 섭취와 비교하여 표준 음식 섭취 후 상당히 높은 활동을 보이는 뇌 영역은 파란색으로 표시됩니다 . 복셀 통계 분석에 의해 데이터를 처리 하였다. 결과는 축 (B), 가로 (C) 및 시상 (D)보기로 표시됩니다.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.g004

표준 차우와 스낵 식품 (감자 칩)을 비교할 때 80 뇌 영역에서 유의미하게 다른 z 점수가 발견되었습니다. (1 테이블, 2, 3, 4). 일반적으로 두 가지 데이터 분석 전략 모두 비슷한 결과를 가져 왔습니다. 표준 차우에 비해 감자 칩을 섭취 한 후 가장 관련성있는 뇌 구조의 차등 MEMRI 활성화가 선택된 뇌 구조에 대해 묘사됩니다 (그림 5).

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그림 5. 대표적인 뇌 구조에서 스낵 식품 (감자 칩) 대 표준 차우와 관련된 활성화 차이.

운동 회로 (caudate putamen : CPu), 변연계 (cingulate cortex : CgCx), 보상 시스템 (shell region)에 대한 대표적인 뇌 구조에서 스낵 식품 (감자 칩) 섭취에 따른 활성화 차이 통계 참조 아틀라스를 기반으로 왼쪽 열에 묘사 된 핵 accumbens : AcbSh, 핵 accumbens의 핵심 영역 : AcbC) 및 수면 / 각성 리듬 (tegmental nuclei : Teg). 중간 열은 해당 표준 T2 가중치 MRI 해부학 및 아틀라스 레이블에 중첩 된 VBM 분석의 중요한 차이점을 보여줍니다. 오른쪽 열은 스낵 식품의 표준 차우 v (MEMRI 회색 값)에 대한 부분적인 변화를 보여줍니다. *** p <0.001, ** p <0.01.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.g005

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테이블 1. 음식 섭취와 관련된 뇌 구조의 망간 축적.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.t001

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테이블 2. 보상과 중독과 관련된 뇌 구조의 망간 축적.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.t002

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테이블 3. 수면과 관련된 뇌 구조의 망간 축적.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.t003

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테이블 4. 운동 활동과 관련된 뇌 구조의 망간 축적.

doi : 10.1371 / journal.pone.0055354.t004

달성 한 최종 등록 품질은 다음과 같습니다. 그림 4A 및 그림 5.

3. 스낵 식품 (고구마 칩) 섭취가 보상 및 만족 회로에 미치는 영향

현재의 연구에서 감자 칩 섭취는 다양한 구조 별 활동 변화를 가져 왔으며, 1 테이블, 2, 3, 4. 핵 축적의 핵심과 껍질 (우측과 좌측 (R + L)), 복부 담낭 (R + L), 등쪽 시상 하부 (R)와 앞쪽 뇌실 주위 시상 핵에 대한 활성이 크게 증가했습니다. 동시에, 아치형 핵 (L) 및 핵 tractus solitarius (R)는 표준 차우를 먹인 동물에 비해 감자 칩을 섭취 한 쥐에서 비활성화되었다. 음식 섭취와 식욕을 조절하는 중앙 메커니즘은 최근 Harrold et al. 케니 [4], [21]: 음식 섭취의 항상성 조절은 주로 에너지 부족을 반영하는 신호에 의해 유도됩니다 [21]. 대조적으로, 고조파 음식 섭취는 음식 섭취의 항상성 하향 조절을 과도하게 보상하는 보상 메커니즘의 활성화에 의해 주도되는 것으로 보인다 [21].

Nucleus tractus solitarius는 위 팽창 또는 문맥 정맥 포도당 수준과 같은 지속적인 음식 섭취를 반영하는 주변 신호를 처리하여 핵 축적과 같은 뇌 영역을 비활성화시켜 결국 에너지 섭취량을 하향 조절합니다. [4], [22]. "맛있는 음식"에 의한 핵 소체 독물의 불 활성화는 포만 관련 장 호르몬에 대한이 뇌 영역의 민감도 감소에 의해 매개 될 수있다 [4]. 핵 궤양 solitarius와 유사하게, 아치형 시상 하부 핵은 영양 상태를 반영하는 말초 신호에 의해 활성화된다. 그것은 음식물 섭취를 조절하는 뇌하수체 핵 및 등쪽 시상 하부 핵과 같은 다른 뇌 영역에 연결되어 있습니다. [21], [23], [24]. 따라서, 본 연구에서 관찰 된 핵 소 솔리 타 리우스, 아 치핵 핵, 등쪽 시상 하부 및 뇌하수체 시상 핵 전방의 활동 변화는 중심 포만 회로의 비활성화를 반영하는 것으로 추정 될 수 있으며, 이는 결국 에너지 소비를 초과하는 칼로리 섭취.

또한, 감자 칩 섭취와 관련된 핵 축적의 강한 활성화가 관찰되었다. 핵 축적은 보상 시스템의 핵심 구조로, 예를 들어 약물 보상에 의해 활성화됩니다 [9]. 음식 섭취와 관련하여, 핵 축적의 활성화는 음식 섭취를 유도하는 보람있는 신호를 초래한다. 또한, 감자 칩 소비시 활성화가 현저히 증가한 것은 이전의 일반적인 보상 시스템 또는 중독, 즉 예비 피질 (R + L)에 기인 한 영역에서 기록되었습니다. [25], [26], 등쪽 소낭 (R + L) [27], stria terminalis (L)의 핵 [28], 메디 오도 살 시상 (R + L) [26], [29]cingulate 피질 (R + L) [26]caudate / putamen (복부 선조) (R + L) [26] 그리고 절연 피질 (R + L) [30]. Mediodorsal 시상 및 절연 피질은 후각 또는 후각과 다른 감각 입력의 통합과 관련이 있습니다. [31]. Caudate와 insula는 또한 음식 갈망뿐만 아니라 약물과 관련이 있습니다. [32]. 보상 및 중독과 관련된 추가 뇌 구조는 표준 음식에 비해 간식을 섭취 한 후 활동이 현저히 낮았습니다. [33], interinterununcular nucleus [34]복부 영역 (R + L) [35], [36], 및 복막 하구 (R + L) [37].

이러한 결과는 감자 칩의 소비가 hedonic 보상 회로의 활성화와 동시에, 항상성 포만 회로의 비활성화와 관련이 있음을 나타냅니다. 두 회로는 주로 시상의 뇌실 핵에 의해 연결되어 에너지 균형과 보상 사이의 인터페이스 역할을합니다. [38]. 따라서, 관찰 된 활성화 패턴은 감자 칩과 같은 스낵 식품이 이용 가능할 때 더 높은 에너지 섭취를 초래할 수있다.

감자 칩의 분자 성분, 에너지 밀도의 역할, 에너지 흡수의 항상성 제어의 조절을 방해하는 말초 및 중앙 메커니즘을 밝히기위한 추가 연구가 필요하다.

4. 간식 (고구마 칩) 섭취가 음식 섭취와 관련된 다른 뇌 구조에 미치는 영향

더욱이, 간식 (고구마 칩)의 소비 후, 이전에 음식 섭취, 식욕 행동 및 근적 외피 (R + L)와 같은 음식 조절과 관련된 뇌 구조의 더 강한 활성화가 관찰되었다 [36], [39]측면 시상 하부 (R) [36]및 격막 (R + L) [40].

음식 섭취와도 관련이있는 뇌 구조 raphe nuclei와 lateral parabrachial nucleus (R)는 표준 chow에 비해 감자 칩 소비 후 활동이 현저히 감소 함 [41]. 측면 부상 피성 핵은 칼로리 조절, 섭취 보상, 수유시인지 처리와 관련이 있습니다 [42]뿐만 아니라 나트륨과 물 섭취 [43]. 따라서,이 구조의 감소 된 활성은 표준 차우에 비해 감자 칩의 더 높은 염 함량과 관련 될 수있다. 결과는 예를 들어 더 높은 에너지 밀도를 초래하는 그의 분자 조성으로 인해 감자 칩이 표준 차우와 다르게 보상 및 음식 섭취의 제어와 관련된 뇌 구조를 활성화시킬 수 있음을 나타낸다. 이 효과는 결국 음식의 질과 양 또는 에너지 섭취량을 조절할 수 있습니다.

5. 운동 활동 및 수면 관련 뇌 구조에 간식 (고구마 칩) 섭취의 영향

또한, 운동과 활동에 연결된 6 개의 뇌 구조는 상당히 높은 Mn을 보여 주었다²⁺ 래트가 표준 차우에 비해 감자 칩에 접근 할 때 축적 : 1 차 운동 피질 (R + L), 2 차 운동 피질 (R + L) 및 꼬리 푸 타멘 (R + L) [44]. 감자 칩을 먹인 동물에서 운동 영역의 현저하게 증가 된 활동은 행동 연구와 잘 일치하며,이 그룹에서 더 높은 운동 활동을 보여줍니다 (그림 2A 및 B). 운동 활동의 증가는 음식 섭취와 관련이있었습니다. 따라서, 그렐린은 음식을 찾는 행동의 자극과 관련이있는 설치류의 운동 활동뿐만 아니라 보람있는 음식 섭취를 유도 한 것으로 나타났습니다 [45], [46].

마지막으로, 감자 칩 섭취는 수면과 관련된 뇌 구조, 즉 측면 망상 핵 (R)의 현저한 비활성화와 관련이 있었다 [47], 모낭 세포 망상 핵 (R + L) [47]측면 파라 기간 세포핵 (R + L) [48], 거대 세포핵 (R + L) [49], [50], 폰틴 망상 핵 경구 (R + L) [51] 그리고 핵핵 (R + L) [52]. 수면 행동에 대한 음식 구성의 영향은 완전히 이해되지 않았습니다. 고지방식이를 장기간 (6 주) 섭취하면 수면 에피소드의 빈도와 기간이 증가하는 것으로 나타났습니다. 그러나이 효과는 에너지 섭취 자체보다는 개발 비만과 관련이 있습니다. [53]. 한편, 여러 연구에 따르면 고지방식이를 장기간 적용하면 생쥐의 일주 휴식 기간 동안 음식 섭취량이 증가합니다. [12], [54]. 일주일 섭취량 증가는 수면 행동의 변화 및 결과적으로 수면과 관련된 뇌 구조 활동의 조절과 관련이 있습니다. 그러나, 여기에 적용되는 단기 공급 조건 하에서, 간식은 체중의 상당한 증가 또는 일주기 공급 패턴의 이동을 유발하지 않았다. 따라서, 우리는 수면 관련 뇌 구조의 비활성화가 수면을 억제 할 수있는 운동 및 음식 찾기 활동의 증가와 관련이 있다고 추측한다.

결론

요약하면, MEMRI 및 VBM 및 관심 영역 기반 접근법에 의한 활성화 된 뇌 구조의 후속 분석은 유사한 특정 활성화 resp를 보여 주었다. 섭취 한 음식에 따라 수많은 뇌 구조의 비활성화. 임의의 먹이를 먹은 쥐에 의한 표준 음식에 비해 간식 (고구마 칩)의 섭취는 음식 섭취, 보상 / 중독, 활동 및 운동과 관련되었던 뇌 구조의 활성화 패턴에서 유의미한 차이를 유발했습니다. 대뇌 운동 활동의 증가는 동물 행동에 따른 것이었다 : 며칠에 걸친 활동 프로파일은 동물의 운동 활동의 높은 수준이 감자 칩 섭취와 관련이 있음을 보여 주었다. 수면-각성 리듬, 특히 REM- 수면의 조절에 중요한 뇌 구조에서 감소 된 활성이 기록되었다.

음식 섭취와 관련된 뇌 활동 패턴의 관찰 된 변화는 아마도 간식의 분자 조성에 의해 야기 될 수 있으며, 예를 들어 더 높은 에너지 밀도를 초래한다. 또한, 스낵 식품에 의한 칼로리 공급은 뇌 활동 패턴의 조절을 유도 할 수있다. 통제 된 칼로리 섭취량을 가진 스낵 식품 그룹을 도입하거나 정의 된 스낵 식품 성분이 뇌 활동 패턴에 미치는 영향을 테스트함으로써 관찰 된 변화의 트리거를 밝히기위한 추가 연구가 필요합니다.