Komen: Kajian mendedahkan kepekaan dan hypofrontality dalam individu gemuk. Kedua-duanya adalah ciri-ciri perubahan otak berkaitan dengan ketagihan.
Metabolisme glukosa nukleus caudate di tengah otak (A) jauh lebih tinggi di kalangan obes berbanding individu yang bersandar (B).
Di kebanyakan negara barat peningkatan tahunan dalam kelaziman dan keterukan obesiti pada masa ini adalah besar. Walaupun obesiti biasanya menghasilkan hanya dari pengambilan tenaga yang berlebihan, pada masa ini tidak jelas mengapa sesetengah orang terdedah kepada makan berlebihan dan mendapatkan berat badan.
Kerana sistem saraf pusat terlibat dalam pemprosesan isyarat kelaparan dan mengawal pengambilan makanan, kemungkinan penyebab kenaikan berat badan dan obesitas mungkin di dalam otak.
Penyelidik di University of Turku dan Aalto University kini mendapati bukti baru untuk peranan otak dalam obesiti. Para penyelidik mengukur fungsi litar otak terlibat dengan kaedah pengimejan otak yang banyak.
Hasil kajian menunjukkan bahawa pada individu yang gemuk berbanding kurus, metabolisme glukosa otak jauh lebih tinggi di kawasan otak yang terlibat dalam proses pemberian ganjaran. Lebih-lebih lagi, sistem ganjaran individu yang gemuk bertindak balas dengan lebih kuat terhadap gambar makanan, sedangkan tindak balas di kawasan kortikal frontal yang terlibat dalam kawalan kognitif dibasahi.
"Hasilnya menunjukkan bahawa otak individu yang gemuk selalu menghasilkan isyarat yang menggalakkan makan walaupun badan tidak memerlukan pengambilan tenaga tambahan, ”Kata Profesor Adunun Lauri Nummenmaa dari University of Turku.
"Hasilnya menunjukkan peranan otak dalam kegemukan dan kenaikan berat badan. Hasilnya mempunyai implikasi besar pada model kegemukan saat ini, tetapi juga pada pengembangan rawatan farmakologi dan psikologi kegemukan, ”kata Nummenmaa.
Para peserta adalah individu gemuk dan tanpa lemak, kawalan yang sihat. Otak mereka metabolisme glukosa diukur dengan positron tomografi pelepasan semasa keadaan di mana badan menjadi kenyang dari segi isyarat insulin. Maklum balas otak untuk gambar makanan diukur dengan pencitraan resonans magnetik berfungsi.
Penyelidikan ini dibiayai oleh Akademi Finland, Hospital Universiti Turku, Universiti Turku, Åbo Akademi University dan Aalto University.
Hasilnya diterbitkan pada bulan Januari 27th, 2012 dalam jurnal saintifik PLoS ONE.
KAJIAN: Striatum Punggung dan Kesinambungan Limbicnya Mengatasi Pemprosesan Ganjaran Antipenal Abnormal dalam Obesiti
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
Obesiti dicirikan oleh ketidakseimbangan dalam litar otak yang menggalakkan pencarian ganjaran dan kawalan kognitif yang mentadbir. Di sini kita menunjukkan bahawa nukleus caudate dorsal dan sambungannya dengan amygdala, insula dan korteks prefrontal menyumbang kepada pemprosesan ganjaran yang tidak normal dalam obesiti. Kami mengukur pengambilan glukosa otak serantau dengan subjek yang berlebihan (n = 19) dan subjek yang berwajaran normal (n = 16) dengan 2- [18F] fluoro-2-deoxyglucose ([18F] FGG) tomografi pelepasan positron (PET) semasa hyperinsulinemia euglycemic dan dengan pencitraan resonans magnetik fungsional (fMRI) manakala ganjaran makanan anticipatory diinduksi oleh persembahan berulang-ulang gambar makanan selera dan hambar. Pertama, kami mendapati bahawa kadar pengambilan glukosa dalam nukleus caudate dorsal lebih tinggi di obes daripada di subjek berat badan biasa. Kedua, subjek obes menunjukkan tindak balas hemodinamik yang meningkat dalam nukleus caudate sambil melihat selera berbanding makanan hambar di fMRI. Caudate juga menunjukkan keterkaitan fungsi yang berkaitan dengan tugas dengan amygdala dan insula dalam subjek obes versus berat badan normal. Akhirnya, subjek obes mempunyai tindak balas yang lebih kecil untuk menyelerakan makanan hambar di korteks dorsolateral dan orbitofrontal daripada subjek berat badan normal, dan kegagalan untuk mengaktifkan korteks prefrontal dorsolateral berkorelasi dengan metabolisme glukosa tinggi dalam nukleus caudate dorsal. Penemuan ini menunjukkan bahawa sensitiviti yang meningkat terhadap isyarat makanan luaran dalam obesiti mungkin melibatkan pembelajaran tindak balas rangsangan yang tidak normal dan motivasi insentif yang disokong oleh nukleus caudate dorsal, yang seterusnya mungkin disebabkan oleh input yang luar biasa yang tinggi dari amigdala dan insula dan kawalan perencatan yang tidak berfungsi oleh kawasan kortikal hadapan. Perubahan fungsi dalam respons dan interkoneksi litar ganjaran boleh menjadi mekanisme kritikal untuk menjelaskan kegemukan dalam obesiti.
Petikan: Nummenmaa L, Hirvonen J, Hannukainen JC, Immonen H, Lindroos MM, et al. (2012) Dorsal Striatum dan Kesalinghubungan Limbicnya Mengantara Pemprosesan Ganjaran Anticipatory Abnormal dalam Obesiti. PLOS ONE 7 (2): e31089. doi: 10.1371 / journal.pone.0031089
Editor: Ya-Ping Tang, Pusat Sains Kesihatan Universiti Louisiana, Amerika Syarikat
Menerima: Ogos 19, 2011; Diterima: Januari 2, 2012; Diterbitkan: Februari 3, 2012
Copyright: © 2012 Nummenmaa et al. Ini adalah artikel capaian terbuka yang diedarkan di bawah syarat-syarat Lesen Pengiktirafan Creative Commons, yang membenarkan penggunaan, pengedaran, dan pembiakan tidak terhad dalam mana-mana medium, dengan syarat penulis dan sumber asal dikreditkan.
Pembiayaan: Kerja ini disokong oleh Akademi Finland (geran #256147 dan #251125 http://www.aka.fi) kepada LN, oleh Universiti Aalto (AivoAALTO Grant, http://www.aalto.fi) Sigrid Juselius foundation (asas)www.sigridjuselius.fi/foundation) Hospital Universiti Turku (geran EVO http://www.tyks.fi). Para pendanaan tidak mempunyai peranan dalam reka bentuk kajian, pengumpulan data dan analisis, keputusan untuk menerbitkan, atau penyediaan manuskrip.
Minat bersaing: Para pengarang telah menyatakan bahawa tidak ada kepentingan bersaing.
Pengenalan
Di kebanyakan negara barat peningkatan tahunan dalam kelaziman dan keterukan obesiti pada masa ini adalah besar [1]. Penyediaan makanan enak yang tidak terbatas adalah faktor persekitaran yang paling jelas yang menggalakkan obesiti [2], dan gen yang mempromosikan pengambilan tenaga yang pesat melalui pengambilan gula dan lemak yang tinggi di bawah keadaan kekurangan makanan telah menjadi tanggungjawab dalam masyarakat moden di mana makanan berkalori tinggi tersedia di mana-mana. Untuk melawan wabak obesiti semasa, adalah mustahak untuk memahami faktor-faktor yang menentukan sama ada penggunaan makanan diguna atau dikekang. Makan menyediakan nutrien tetapi juga sangat menguatkan, kerana ia mendorong perasaan sihat dan ganjaran yang sengit. Kajian perbandingan telah menunjukkan bahawa litar ganjaran yang saling berkait terdiri daripada subkortikal (amygdala, hipothalamus, striatum) dan bahagian depan depan (motor, premis, orbit dan medial prefrontal) memainkan peranan utama dalam membimbing kelakuan selera [3], [4], [5]. Kajian pencitraan fungsional pada manusia telah menunjukkan lagi bahawa subkomputer litar ganjaran menyumbang kepada pemprosesan isyarat makanan luaran seperti gambar makanan [6], [7], [8], [9], dan disfungsi litar ganjaran juga dikaitkan dengan ketagihan obesiti dan dadah. [2], [10], [11], [12], [13], [14]. Dalam kajian ini, kami menunjukkan bagaimana aktiviti tonik, tindak balas serantau dan interkoneksi litar ganjaran mungkin merupakan mekanisme kritikal yang menjelaskan kegemukan dan obesiti.
Makanan enak membawa kekuatan motivasi yang kuat. Penglihatan kek yang lazat atau bau makanan kegemaran kami mungkin menimbulkan keinginan yang kuat untuk makan sekarang, dan pendedahan kepada isyarat-isyarat tersebut mungkin menimpa isyarat fisiologi dan memicu penggunaan makanan [15]. Berlebihan itu mungkin bergantung kepada keseimbangan antara litar ganjaran dan rangkaian yang menghalang pencarian ganjaran, seperti korteks prefrontal dorsolateral [16], [17], [18]. Sastera yang masih ada dari kajian pencitraan pada manusia menunjukkan bahawa obesitas dicirikan oleh ketidakseimbangan dalam sistem ini, di mana litar ganjaran itu terlalu aktif untuk memberi ganjaran kepada kegemukan dan rangkaian penghalang mungkin gagal mengendalikan litar ganjaran [2], [10], [11], [12], [13], [14], [19]. Terdapat perbezaan individu yang besar dalam tindak balas rangkaian ganjaran terhadap makanan, dan ini mungkin merupakan faktor penting yang menyumbang kepada makan berlebihan dan kegemukan [2]. Pemandu ganjaran sifat kepribadian secara positif dikaitkan dengan keinginan makanan dan berat badan [20], dan kajian fMRI telah menunjukkan bahawa ia juga meramalkan tindak balas striatum ventral terhadap gambar makanan yang menyelerakan pada individu dengan berat badan normal [21]. Begitu juga, sensitiviti diri yang dilaporkan kepada isyarat makanan luar dikaitkan secara positif dengan interconnectivity litar ganjaran [22]. Sejajar dengan penemuan ini, kajian fMRI telah mengesahkan bahawa litar ganjaran individu gemuk adalah hipersensitif kepada penglihatan makanan. Individu gemuk menunjukkan tindak balas yang tinggi terhadap gambar makanan di amygdala, nukleus caudate dan korteks cingulate anterior [10], [19], dan telah dicadangkan bahawa hiperaktiviti litar ganjaran dopaminergik ini mungkin menyebabkan individu gemuk terdedah kepada makan berlebihan. Kajian PET telah menunjukkan persamaan dopaminergik dalam mekanisme penyalahgunaan dadah dan pengambilan makanan berlebihan, mencadangkan bahawa sekurang-kurangnya dalam sesetengah kes obesiti mungkin dicirikan sebagai 'ketagihan makanan'. Laluan ganjaran dopaminergik di midbrain memodulasi penggunaan makanan dan dadah [23] terutamanya dengan mewujudkan sensasi keinginan makanan dan dadah [24], dan kedua-dua ubat dan makanan menguatkan kesannya dengan meningkatkan dopamin di kawasan limbik. Pesakit dengan gangguan ketagihan menunjukkan tahap asas yang rendah pada tahap rendah2 reseptor (D2R) ketumpatan di striatum, dan pembebasan dopamine tumpul berikutan pentadbiran ubat penyalahgunaan. Sama seperti ubat penyalahgunaan, penggunaan makanan dikaitkan dengan pembebasan dopamin dalam striatum dorsal dalam subjek yang sihat, dan jumlah dopamin yang dilepaskan berkorelasi positif dengan penilaian keseronokan makanan [12]. Serupa dengan pesakit dengan gangguan ketagihan, subjek obes mempunyai tahap awal yang lebih rendah daripada striat D2R ketumpatan, yang berlawanan dengan BMI [11].
Walaupun kepekaan yang diubah suai litar ganjaran mungkin merupakan faktor kritikal yang menjelaskan obesiti, ia tetap sukar difahami betapa lancar ganjaran memberi sumbangan kepada fungsi ganjaran anticipatory yang berkaitan dengan makanan dalam individu gemuk. Pertama, demonstrasi terdahulu tanggapan litar ganjaran yang tinggi untuk makanan dalam subjek berat badan dan gemuk [10], [19] tidak menangani perbezaan dalam aktiviti asas tonik litar ganjaran di dalam otak. Tonik metabolisme glukosa rendah dalam korteks prefrontal meramalkan dopamine striat rendah D2 ketumpatan reseptor - ciri litar ganjaran yang tidak terkawal - pada subjek obes [17]. Walau bagaimanapun, sama ada aktiviti tonik rangkaian saraf yang memproses ganjaran anticipatory meramalkan tindak balas berfungsi terhadap isyarat makanan luaran tidak diketahui. Kedua, hanya segelintir kajian telah mengambil pendekatan sistem peringkat untuk menguji sama ada obesiti akan mengubah sambungan fungsi litar ganjaran. Walaupun kajian pencitraan baru-baru ini dalam manusia sihat menunjukkan bahawa hubungan dalam litar ganjaran manusia bergantung kepada kepekaan individu terhadap isyarat makanan luaran [22], yang lain yang melibatkan obes dan berat badan individu mencadangkan bahawa obesiti secara khusus dikaitkan dengan penyambungan fungsi kekurangan dari amygdala ke korteks orbitofrontal, (OFC) dan hubungan yang lebih tinggi dari OFC ke striatum ventral [25]. Walau bagaimanapun, mekanisme neural tepat yang mendasari perubahan fungsinya tidak diketahui.
Dalam kajian ini kami menggunakan pengimejan otak multimodal dengan menggabungkan [18F] PET FDG dengan percubaan fMRI yang melibatkan ganjaran anticipatory yang disebabkan oleh pembentangan gambar makanan yang menyelerakan dan hambar. Perhatikan bahawa walaupun tidak ada hadiah yang diberikan kepada para peserta, kami menggunakan istilah 'ganjaran antisipatif' demi kesempurnaan, kerana melihat sasaran yang sangat bermanfaat seperti makanan yang dipercayai menginduksi tanggapan jangkaan ganjaran di striatum ventral, walaupun tidak ada ganjaran dihantar [21]. Telah ditetapkan bahawa penggunaan glukosa dikaitkan dengan frekuensi spiking [26], maka kadar metabolisme glukosa dapat digunakan untuk mengukur aktivasi basal tonik otak semasa rehat. Dengan menggunakan penjepit hyperinsulinemic terlebih dahulu [27] semasa imbasan PET, kami dapat membandingkan metabolisme glukosa otak individu yang gemuk dan berat badan normal dalam keadaan di mana badan berada dalam keadaan kenyang dari segi isyarat insulin. Eksperimen fMRI membolehkan kami membandingkan sama ada individu yang gemuk dan berat badan berbeza sehubungan dengan tindak balas otak serantau dan kesambungan berkesan rangkaian ganjaran semasa melihat makanan yang menyelerakan berbanding yang hambar. Akhirnya, menggabungkan data PET dan fMRI membolehkan kami menggunakan kadar metabolisme glukosa serantau (GMR) yang diperoleh dalam imbasan PET untuk meramalkan tindak balas otak terhadap makanan yang menyelerakan dalam eksperimen fMRI.
Bahan dan Kaedah
Peserta
Jawatankuasa Etika Daerah Hospital Finland Selatan-Barat meluluskan protokol kajian dan semua peserta menandatangani borang persetujuan yang diluluskan oleh etika jawatankuasa etika. Kajian ini dijalankan selaras dengan Deklarasi Helsinki. Jadual 1 membentangkan ringkasan peserta. Kumpulan obesitas terdiri daripada sembilan belas mata pelajaran subjek obes yang utuh secara neurologis (MBMI = 43.87, SDBMI = 6.60). Lima daripada mereka menggunakan ubat antidiabetik oral dan dikecualikan daripada kajian PET. Seramai 16 sukarelawan sukarelawan yang sihat secara normal berfungsi sebagai kawalan (MBMI = 24.10, SDBMI = 2.07) dan dipadankan dengan pesakit berkenaan dengan umur, ketinggian, dan indeks hipertensi (iaitu tekanan darah). Gangguan makan, gangguan mental yang teruk dan penyalahgunaan bahan adalah kriteria pengecualian untuk semua peserta. Subjek berat badan normal dikecualikan daripada analisis data fMRI disebabkan gerakan kepala berlebihan.
Jadual 1. Ciri-ciri peserta.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t001
Pengukuran tingkah laku
Sebelum percubaan, peserta menilai rasa lapar mereka menggunakan skala analog visual. Selepas eksperimen fMRI, para peserta menilai valensi (keseronokan berbanding ketidakpuasan) rangsangan eksperimen pada komputer menggunakan Manikin Penilaian Sendiri [28] dengan skala dari 1 (tidak menyenangkan) ke 9 (menyenangkan).
Pemerolehan dan analisis PET
Kajian itu dilakukan selepas jam puasa 12. Subjek yang ditahan daripada minuman yang mengandungi kafein dan dari merokok 24 jam sebelum PET kajian. Sebarang aktiviti fizikal berat adalah dilarang dari petang sebelumnya. Dua kateter dimasukkan ke dalam urat antekubital, satu untuk garam, insulin dan campuran glukosa dan suntikan radioterapi [18F] FDG, dan satu lagi ke lengan yang bertenaga panas untuk mendapatkan sampel darah arteri. Teknik penjepit hyperinsulinemik euglycemic digunakan seperti yang diterangkan sebelum ini [27]. Kadar infusi insulin adalah 1 mU · kg-1 · Min-1 (Actrapid, Novo Nordisk, Copenhagen, Denmark). Semasa hyperinsulinemia, euglycemia dikekalkan dengan menyuntikkan 20% glukosa secara intravena. Kadar infusi glukosa diselaraskan mengikut kepekatan glukosa plasma yang diukur setiap min 5-10 daripada darah arteri. Pada titik masa 100 + -10 minit clamp hyperinsulinemic euglycemic, [18F] FDG (189 ± 9 MBq) disuntik secara intravena sepanjang 40 kedua dan imbasan otak dinamik 40 min (bingkai; 4 • 30 s, 3 • 60 s, 7 • 300 s) bermula. Semasa sampel darah arteri imbasan telah diambil untuk analisis radioaktif. Pengimbas PETA GE Advance (Sistem Perubatan Elektrik Umum, Milwaukee, WI, AS) dengan resolusi 4.25 mm digunakan untuk kajian PET seperti yang dinyatakan sebelum ini [29], [30]. [18F] FDG disintesis seperti yang dinyatakan sebelum ini [31]. Radioaktiviti plasma diukur dengan kaunter gamma automatik (Wizard 1480 3 ", Wallac, Turku, Finland).
Kadar pengambilan glukosa serebral diukur untuk setiap voxel secara berasingan daripada imbasan PET dinamik seperti yang diterangkan sebelum ini [29], [30], kecuali bahawa 0.8 tetap digunakan [32]. Normalisasi dan analisis statistik imej metabolisme glukosa parametrik dijalankan dengan perisian SPM 5 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Gambar parametrik dinormalisasi menjadi templat metabolisme glukosa dalaman di ruang MNI menggunakan transformasi linier dan tidak linear, dan dilancarkan dengan kernel Gaussian FWHM 10-mm. Kontras t sederhana untuk gambar parametrik dinormalisasi digunakan untuk menganalisis perbezaan kumpulan dalam metabolisme glukosa. Ambang statistik ditetapkan pada p <.001, tidak diperbetulkan, dengan ukuran kluster minimum 100 voxel bersebelahan. Untuk pembetulan isipadu kecil (SVC) dalam data PET, ditentukan secara anatomi kawasan minat apriori dalam sistem ganjaran (inti caudate, amigdala, thalamus, insula dan korteks orbitofrontal) didefinisikan menggunakan pickatlas WFU [33] dan AAL [34] atlas.
Reka bentuk Eksperimen untuk fMRI
Stimuli dan reka bentuk diringkaskan dalam Rajah 1. Rangsangan itu telah didigitkan gambar-gambar makanan penuh selera (seperti coklat, pizza, stik), makanan hambar (contohnya lentil, kubis, keropok) dan kereta yang dipadankan dengan ciri-ciri visual rendah seperti kecerahan, kontras RMS dan global tenaga. Contoh sukarelawan sukarelawan 29 yang bebas menilai valensi (tidak menyenangkan berbanding keceriaan) rangsangan dengan SAM. Analisis penilaian valensi (Mselera = 6.64, Mhambar = 3.93, Mkereta = 4.41) menetapkan bahawa makanan yang menyelerakan dinilai lebih menyenangkan daripada makanan yang hambar, t (28) = 10.97, p <.001, dan kereta, t (28) = 7.52, p <.001, tetapi tidak ada perbezaan dalam kesenangan makanan dan kereta yang hambar, t (28) = 1.19.
Rajah 1. Reka bentuk eksperimen untuk fMRI dan contoh rangsangan yang digunakan.
Para peserta melihat zaman selanjar 15.75 makanan, kereta, dan makanan hambar. Setiap zaman terdiri daripada enam rangsangan eksperimen pseudorandomly bercampur dengan tiga peristiwa null.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g001
Semasa di-scan mata pelajaran dilihat bergantian 15.75-dua epochs yang mengandungi enam rangsangan dari satu kategori (makanan selera, makanan hambar atau kereta) bercampur dengan tiga peristiwa null. Untuk memproses imej makanan secara implisit, kami menggunakan jangka masa rangsangan ringkas dan tugas tingkah laku yang tidak berkaitan dengan nilai rangsangan rangsangan: Satu percubaan merangkumi persembahan 1000 ms imej rangsangan yang diikuti oleh pusat kontras yang rendah salib (ms 750). Acara Null terdiri daripada persembahan 1750 ms daripada salib kontras rendah. Rangsangan makanan dan kereta telah diusir sedikit ke kiri atau ke kanan skrin, dan para peserta diarahkan untuk menekan butang kiri atau kanan mengikut sisi mana rangsangan itu dibentangkan. Pada percubaan null tiada respons telah dituntut. Perintah rangsangan pada setiap zaman adalah pseudo-rawak berkaitan dengan jenis percubaan (rangsangan atau batal), supaya tidak lebih daripada tiga percubaan berturut-turut adalah jenis yang sama. Pseudo-randomization ini meningkatkan kecekapan reka bentuk sambil mengekalkan ketidakpastian onset rangsangan dalam peserta naif [35]. Bidang visual rangsangan adalah rawak dan mengimbangi sepenuhnya. Secara keseluruhannya terdapat ujian 72 selera makanan (dalam zaman 12), ujian makanan hambar 72 (dalam zaman 12) dan ujian kereta 144 (dalam zaman 24). Untuk memaksimumkan kekuatan reka bentuk dan untuk mencegah kesan pengembalian melihat makanan yang menyelerakan, urutan rangsangan zaman telah ditetapkan sedemikian rupa sehingga era rangsangan kereta sentiasa dibentangkan antara zaman rangsangan yang menyelerakan dan hambar. Masa permulaan tugas itu mengimbangi peserta. Tempoh tugas total ialah minit 14. Peserta mengamalkan tugas di luar pengimbas sebelum memulakan eksperimen fMRI.
Perolehan dan Analisis fMRI
Sesi pengimbasan berlaku sekitar pagi atau tengah hari (9 am-2 pm) Peserta telah diarahkan untuk menahan diri daripada makan dan minum hanya air selama sekurang-kurangnya tiga jam sebelum pengimbasan. Pencitraan MR dilakukan dengan pengimbas Philips Gyroscan Intera 1.5 T CV Nova Dual di pusat Turku PET. Imej anatom resolusi tinggi (1 mm3 resolusi) diperoleh menggunakan urutan berturut-turut T1 (TR 25 ms, TE 4.6 ms, sudut 30 ° flip, masa imbasan 376 s). Data fungsian utuh-otak diperoleh dengan urutan pengimejan echo-planar (EPI), sensitif kepada kontras isyarat-oksigen-bergantung (BOLD) darah (TR = 3000 ms, TE = 50 ms, sudut flip 90 °, 192 mm FOV, matriks 64 × 64, lebar jalur 62.5 kHz, ketebalan 4.0 mm, jurang 0.5 mm antara kepingan, potongan antara 30 yang diperolehi dalam urutan menaik). Sejumlah volum berfungsi 270 diperoleh, dan volum 5 pertama dibuang untuk membolehkan kesan kesamaan. Data telah diproses dan dianalisis menggunakan perisian SPM5 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Imej EPI adalah sinc interpolasi dalam masa untuk membetulkan perbezaan masa irisan dan menyusun semula kepada imbasan pertama oleh transformasi badan yang tegar untuk membetulkan gerakan kepala. EPI dan imej struktur telah dikecualikan dan dinormalisasi kepada templat piawai T1 dalam ruang MNI (Montreal Neurological Institute (MNI) - Konsortium Antarabangsa untuk pemetaan otak) menggunakan transformasi linear dan bukan linear, dan disaluti dengan inti Gaussian FWHM 8-mm.
Analisis kesan serantau
Model kesan rawak otak keseluruhan dilaksanakan menggunakan proses dua peringkat (tahap pertama dan kedua). Analisis kesan rawak ini menilai kesan berdasarkan varians antara subjek dan dengan itu membenarkan kesimpulan mengenai populasi yang diambil oleh peserta. Untuk setiap peserta, kami menggunakan GLM untuk menilai kesan wilayah dari parameter tugas pada indeks pengaktifan BOLD. Model ini merangkumi tiga keadaan eksperimen (makanan menyelerakan, makanan hambar dan kereta) dan kesan tidak menarik (parameter penyesuaian semula) untuk mempertimbangkan variasi yang berkaitan dengan gerakan. Drift isyarat frekuensi rendah dikeluarkan menggunakan saringan lulus tinggi (cutoff 128 sec) dan pemodelan AR (1) autokorelasi temporal diterapkan. Imej kontras individu dihasilkan menggunakan makanan kontras - makanan hambar, dan juga untuk kesan utama makanan (iaitu makanan menyelerakan dan makanan hambar terhadap kesan menarik yang lain). Analisis tahap kedua menggunakan gambar kontras ini dalam GLM baru, dan menghasilkan gambar statistik, iaitu peta SPM-t. Dengan reka bentuk yang seimbang pada tahap pertama (iaitu peristiwa serupa untuk setiap subjek, dalam jumlah yang serupa) analisis tahap kedua ini menghampiri reka bentuk kesan campuran sebenar, dengan kedua-dua variasi subjek di dalam dan di antara subjek. Analisis awal menunjukkan bahawa tidak ada perbezaan antara kedua-kelompok antara kumpulan yang signifikan ketika pembetulan kadar penemuan palsu yang ketat (FDR) pada p <.05 diterapkan. Oleh itu, ambang statistik ditetapkan pada p <.005, tidak diperbetulkan, dengan ukuran kluster minimum 20 vokal bersebelahan untuk perbandingan antara kumpulan.
Interaksi psikofisiologi (PPI) dalam model linear umum (GLM)
Kesambungan fisiologi antara dua kawasan otak boleh berubah sebagai fungsi konteks psikologi [36] yang dikenali sebagai Interaksi Psikofisiologi (PPI). PPI dapat dikenalpasti oleh model linear umum yang sensitif terhadap modulasi kontekstual kovarian yang berkaitan dengan tugas. Berbeza dengan pemodelan biasa dinamik atau persamaan struktur pemodelan sambungan rangkaian, PPI tidak memerlukan model anatomi yang ditentukan. Sebaliknya, ia bermula dengan rantau 'sumber' dan mengenal pasti 'vokal' / kluster 'sasaran' yang lain di dalam otak yang mana sumbernya mempunyai sambungan yang bergantung kepada konteks. Kawasan sasaran tidak perlu dikaitkan dengan tugas atau konteks sahaja, tetapi interaksi antara faktor-faktor ini. PPI yang penting tidak dalam diri mereka menunjukkan arah atau neurokimia pengaruh kausal antara kawasan sumber dan sasaran, atau sama ada hubungannya dimediasi oleh koneksi mono- atau poli-sinaptik, atau perubahan dalam struktur neuroplastik dari zaman ke zaman. Walau bagaimanapun, mereka menunjukkan interaksi antara sistem serantau, dan keputusan PPI sesuai dengan kaedah penyambungan lain seperti pemodelan kausal dinamik [37].
Nukleus caudate kanan digunakan sebagai kawasan sumber untuk analisis konektiviti untuk kontras dengan makanan yang kurang enak. Maksimum global (2, 8, 4) untuk rantau ini di peringkat kedua dengan obes versus berat normal dalam analisis data PET (lihat di bawah) digunakan untuk memperolehi anggaran secara statistik untuk pusat kawasan sumber; ini berkesan dijaga daripada 'mencelup ganda' dalam pemilihan kawasan asal [38], dan membolehkan pengintegrasian secara teoritis masuk akal data PET dan fMRI. ROI sfera dengan radius mm 10 dihasilkan di lokasi ini. Siri masa untuk setiap peserta dikira dengan menggunakan eigenvariate pertama dari semua siri masa voxel dalam ROI. Siri masa BOLD ini telah memutuskan untuk menganggarkan 'siri masa neuron' untuk rantau ini menggunakan piawai-dekonvolusi parameter yang mungkir dalam SPM5 [39]. Istilah interaksi psychophysiological (regressor PPI) dikira sebagai produk elemen demi elemen siri masa neuron ROI dan pengekodan vektor untuk kesan utama tugas (iaitu 1 untuk makanan selera, -1 untuk makanan hambar). Produk ini kemudiannya disokong semula oleh fungsi tindak balas hemodinamik kanonikal (hrf). Model ini juga termasuk kesan utama tugas yang dibangkitkan oleh hrf, 'siri masa neuron' untuk setiap 'sumber' dan regresi pergerakan sebagai kesan tanpa minat. Model PPI yang sesuai [36] telah dijalankan, dan kontras imej dihasilkan untuk PPI positif dan negatif. Analisa seluruh otak yang dikenal pasti rantau ini mempunyai perubahan yang lebih besar atau kurang dalam hubungan dengan kawasan sumber mengikut konteks (iaitu, selera berbanding makanan hambar). Imej-imej kontras kemudiannya dimasukkan ke dalam analisis GLM tahap kedua untuk perbezaan minat, dan peta tmp SPM yang dihasilkan menggunakan teori Gaussian Random Field untuk membuat kesimpulan statistik.
Hasil
Pengukuran tingkah laku
Penarafan valensi rangsangan dianalisis dengan 3 (rangsangan: makanan selera vs. makanan hambar vs. kereta) × 2 (kumpulan: obes vs berat badan normal) ANOVA bercampur. Ini menunjukkan bahawa penarafan valensi berbeza dengan ketara merentasi kategori rangsangan, F (2,60) = 6.01, p = .004, ηp2 = .17, tetapi serupa pada kumpulan gemuk dan berat badan normal (F = 1.46). Beberapa perbandingan dengan pembetulan Bonferronni menunjukkan bahawa peserta menilai makanan yang menyelerakan lebih enak daripada makanan yang hambar, t (31) = 4.67, p <.001, atau kereta, t (31) = 2.76, p = .01, tetapi tidak menilai hambar makanan lebih menyenangkan daripada kereta, t (31) = .41. Peringkat lapar juga sama di antara kumpulan pesakit dan kawalan (p> .05).
Metabolisme glukosa otak
Subjek obes mempunyai metabolisme glukosa yang lebih tinggi dalam nukleus ketara yang lebih tinggi daripada subjek berat normal (X = 4, Y = 8, Z = 4, T = 3.97, p = .03, SVC)Rajah 2), tetapi tidak dalam bidang kepentingan priori lain (amygdala, thalamus, insula, atau korteks orbitofrontal).
Rajah 2. Pemeriksaan PET dengan 2- [18F] FDG semasa hyperinsulinemia euglycemic menunjukkan kadar metabolik glukosa (GMR, μmol / 100 g * min) di nukleus caudate kananX = 4, Y = 8, Z = 4) adalah jauh lebih tinggi di obesnya daripada subjek berat badan biasa (p<.05, SVC).
Panel A menunjukkan peta parametrik statistik kesan antara kumpulan, panel B menunjukkan nilai-nilai GMR subjek dalam nukleus caudate.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g002
Kesan serantau di fMRI
Di sebalik semua subjek, kontras yang menyelerakan berbanding makanan yang hambar mengakibatkan pengaktifan litar ganjaran yang mantap. Faktor pengaktifan diperhatikan dalam korteks prefrontal medial, gyrus anting anterior, striatum cortex kanan, insula posterior dua hala dan cingulate gyrus dan precuneus posteriorRajah 3, Jadual 2). Walau bagaimanapun, analisis antara kumpulan mendedahkan bahawa pengekodan untuk ganjaran antisipatif adalah bergantung kepada obesiti. Tindak balas kepada semua makanan (selera dan hambar) lebih tinggi di obes daripada di subjek berat badan normal di amygdala kiri, hippocampus, korteks cingulate posterior dan gyrus fusiform, serta korteks somatosensori yang betul. Walau bagaimanapun, maklum balas lebih rendah di obes daripada di subjek berat badan normal di gyrus frontal superior kiri. Jadual 3 membentangkan ringkasan fasia pengaktifan ini.
Rajah 3. Kawasan otak menunjukkan peningkatan tindak balas terhadap makanan selera dan makanan hambar di semua mata pelajaran.
Makanan yang menyelerakan meningkatkan aktiviti di anterior (ACC) dan korteks cingulate posterior (PCC), korteks prefrontal medial (mPFC), nukleus kaudate kanan (CAUD) dan insula dua hala (INS). Data diplotkan pada p <.005, tidak diperbetulkan untuk pemeriksaan visual.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g003
Jadual 2. Kawasan otak menunjukkan peningkatan tindak balas terhadap selera makan berbanding makanan hambar di semua subjek, p <.05 (FDR diperbetulkan).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t002
Jadual 3. Perbezaan antara kumpulan (berat badan berbanding berat badan normal dan berat badan normal berbanding obes) dalam tindak balas serebrum terhadap semua gambar makanan (menyelerakan dan hambar), p <.005 (tidak.).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t003
Seterusnya, kami bertanya sama ada subjek obes akan menunjukkan respons fungsional yang lebih besar khusus untuk menyelerakan daripada makanan yang hambar. Untuk itu, kami menggunakan analisis interaksi antara kumpulan (obes, berat badan normal) dan jenis makanan (selera, hambar). Selaras dengan ramalan bahawa obesiti akan dikaitkan dengan hiperaktif dalam litar ganjaran, tindak balas terhadap selera berbanding makanan hambar dalam nukleus caudate yang betul adalah lebih besar di obes daripada pada individu yang berat badan normalRajah 4a, Jadual 4). Sebaliknya, subjek obes mempunyai tindak balas fungsi yang lebih kecil untuk menyelerakan berbanding makanan yang hambar daripada subjek berat badan normal di insula kiri, korteks frontal sisi, lobus parietal superior, korteks orbitofrontal kanan dan gyrus temporal unggul (Rajah 4b, Jadual 4). Oleh itu, subjek obes kelihatan mempunyai ketidakseimbangan dalam tindak balas fungsi serantau terhadap ganjaran makanan yang dijangkakan: tindak balas yang lebih besar dalam nukleus caudate dan tindak balas yang lebih kecil di beberapa kawasan kortikal frontal
Rajah 4. Tindak balas BOLD yang berbeza kepada makanan yang menyelerakan dan hambar dalam subjek berat badan dan gemuk dalam nukleus caesar dan insula anterior.
Tindak balas otak terhadap makanan yang berselera vs hambar lebih besar di kepala nukleus kaudate kanan (CAUD) pesakit gemuk, sedangkan tindak balas terhadap makanan yang berselera makan vs hambar lebih besar pada insula anterior kanan (INS) individu dengan berat badan normal . Data diplotkan pada p <.005, tidak diperbetulkan untuk pemeriksaan visual.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g004
Jadual 4. Perbezaan antara kumpulan (berat badan berbanding berat badan normal dan berat badan normal berbanding obes) dalam tindak balas serebrum terhadap selera makan berbanding makanan yang hambar, p <.005 (tidak.).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t004
Akhirnya, untuk mengkaji jika tonik hiperaktif daripada nukleus caudate diperhatikan di dalam [18F] Pengimbasan PET FDG akan meramalkan ganjaran anticipatory yang tidak normal pada fMRI, kami mula-mula mengekstrak nilai-nilai GMR subjek dalam nukleus caudate dari imej GMR parametrik. Seterusnya, kami menggunakan nilai-nilai ini sebagai pemarkahan dalam model peringkat kedua yang membandingkan respons BOLD untuk menyelerakan makanan hambar di fMRI. Analisis ini menunjukkan bahawa peningkatan metabolisme glukosa dalam nukleus berkhasiat meramalkan tindak balas yang lebih kecil terhadap selera berbanding makanan hambar khususnya pada korteks frontal sisi kanan (Rajah 5). Temuan ini konsisten dengan kawalan kendalian yang tidak mencukupi sistem ganjaran subkortikal oleh korteks hadapan.
Rajah 5. Kadar metabolik glukosa tinggi (GMR, μmol / 100 g * min) dalam nukleus caudate semasa imbasan PET 2- [18F] FDG dikaitkan secara negatif dengan tindak balas terhadap selera makan makanan hambar pada korteks hadapan sebelah kanan (kanan) dalam eksperimen fMRI.
Panel A menunjukkan kawasan di mana perbezaannya diperhatikan, panel B menunjukkan penyebaran GMR dan respons BOLD.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g005
Interaksi Psikophysiologi
Setelah menemui bukti untuk peranan utama nukleus caudate dalam memediasi ganjaran antisipasi yang tidak normal dalam obesiti, kami seterusnya bertanya sama ada kawasan otak ini mempunyai sambungan fungsi tugas yang tidak normal ke kawasan otak utama yang lain, seperti sistem limbik. Artinya, kami bertanya wilayah otak mana yang akan menjadi pusat dalam memodulasi kegiatan yang berkaitan dengan ganjaran antisipasi dalam inti caudate sambil melihat makanan yang enak berbanding makanan yang hambar. Kami menggunakan interaksi psikofisiologi untuk menentukan hubungan fungsional nukleus caudate, menggunakan voxel dengan perbezaan metabolisme glukosa tertinggi dalam data PET sebagai pusat rantau benih. Kami mendapati bahawa subjek obes menunjukkan hubungan yang lebih kuat antara nukleus kaudate kanan dan amigdala basolateral kanan (X = 33, Y = −5, Z = −16, T = 3.92, p <.005, unc.), Korteks somatosensori primer (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 daripada subjek dengan berat normal (Rajah 6).
Rajah 6. Sambungan yang berkesan.
Ketika melihat makanan yang menyelerakan berbanding yang hambar, hubungan yang berkesan antara inti kaudate kanan dan amygdala kanan (AMY), insula (INS) dan korteks somatosensori (SSC) lebih tinggi pada obesiti berbanding dengan subjek dengan berat normal. Data diplotkan pada p <.005, tidak diperbetulkan untuk pemeriksaan visual.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g006
Perbincangan
Kajian ini mendedahkan cara-cara khusus di mana obesiti mengubah tanggapan serta sambungan fungsinya litar ganjaran di dalam otak. Secara khusus, hasilnya menggarisbawahi peran sentral untuk inti caudate dorsal, wilayah yang mempromosikan pembelajaran kebiasaan dan motivasi insentif, dalam mengintegrasikan berbagai input saraf dalam proses antisipasi makanan. Semasa hiperinsulinemia dicapai dengan penjepit euglikemik hiperinsulinemia, nukleus dorsal caudate mempunyai metabolisme glukosa basal yang lebih tinggi pada subjek obes berbanding pada subjek dengan berat normal. Eksperimen fMRI menunjukkan bahawa walaupun subjek yang gemuk dan berat badan normal memberikan laporan diri yang serupa dengan keseronokan rangsangan makanan, rangsangan tersebut menimbulkan perbezaan pola pengaktifan otak dan perubahan dalam hubungan antara kedua-dua kumpulan. Ketika makanan yang menyelerakan dan hambar berbeza antara satu sama lain, inti caudate menunjukkan tindak balas yang lebih besar pada subjek obes. Sebaliknya, subjek obes gagal mengaktifkan kawasan penghambatan kortikal, seperti korteks dorsolateral dan orbitofrontal, sebagai tindak balas terhadap makanan yang menyelerakan; fenomena ini juga berkorelasi secara signifikan dengan metabolisme glukosa basal yang lebih tinggi pada inti caudate dorsal. Akhirnya, kawasan yang sama dari nukleus dorsal caudate yang menunjukkan peningkatan metabolisme glukosa pada peserta yang gemuk berbanding dengan berat badan normal juga menunjukkan peningkatan hubungan dengan amigdala dan insula posterior pada subjek obes ketika mereka melihat makanan yang menyelerakan berbanding makanan yang hambar. Yang penting, kesan ini diperhatikan dalam keadaan di mana peserta tidak sengaja memperhatikan isi gambar rangsangan. Oleh itu, hasilnya menunjukkan bahawa pemprosesan ganjaran implan isyarat visual untuk dimakan dimodulasi oleh kegemukan, yang mungkin menjelaskan mengapa individu gemuk menghadapi masalah dengan menahan makan ketika melihat makanan berkalori tinggi. Walau bagaimanapun, kita mesti ingat bahawa para peserta mungkin terlibat dalam proses pemberian ganjaran secara eksplisit, walaupun tugas tingkah laku itu tidak bergantung pada nilai hadiah gambar makanan. Oleh itu, kajian masa depan perlu membuktikan sama ada individu yang gemuk dan berat badan normal boleh berbeza berkenaan dengan proses imbuhan implisit berbanding eksplisit.
Perbezaan Serantau di Nucleus Caudate
Nukleus dorsal caudate telah dikaitkan dengan pembelajaran rangsangan-respons biasa, motivasi dan pengkondisian, dan kajian pencitraan pada manusia menunjukkan bahawa ia menyumbang kepada pelbagai fungsi yang berkaitan dengan ganjaran dan ketagihan ganjaran. Pesakit dengan ketagihan dadah menunjukkan tahap awal yang lebih rendah D2 reseptor (D2R) ketumpatan di striatum, dan pembebasan dopamine tumpul berikutan pentadbiran ubat penyalahgunaan [40]. Penggunaan makanan juga berkaitan dengan pembebasan dopamin dalam striatum dorsal dalam subjek sihat, dan jumlah dopamin yang dilepaskan berkorelasi positif dengan penarafan kepuasan makanan [12]. Dalam eksperimen fMRI, pengaktifan nukleus caudate telah dikaitkan dengan keinginan yang dilaporkan sendiri untuk makanan tertentu [8], dan subjek gemuk telah didapati untuk menunjukkan tindak balas teguh tinggi terhadap imej makanan [10]. Subjek obes juga telah menurunkan tahap awal striat D2R ketumpatan, dan telah dicadangkan bahawa ini mungkin mencerminkan downregulation yang mengimbangi peningkatan dopamine sementara yang sering disebabkan oleh overestimulasi litar penghargaan oleh penggunaan dadah atau makan [11].
Dengan menggunakan clamp hyperinsulinemic, kami mensimulasikan keadaan di mana badan berada dalam keadaan yang sihat dari segi isyarat insulin. Walaupun pendekatan ini tidak sepenuhnya mensimulasikan ketegangan fisiologi disebabkan oleh kekurangan rangsangan orosensori dan pelepasan hormon dari usus, glukosa intravena yang terkandung plasebo telah ditunjukkan untuk meningkatkan penanda hormon [41] dan aktiviti dopaminergik dalam litar ganjaran pada lelaki [42]. Kami mendapati striatum punggung subjek obes tetap hiperaktif berbanding dengan subjek berat badan normal semasa pengapit hyperinsulinemic. Seperti penjepit mengekalkan tahap glukosa darah yang stabil, metabolisme glukosa tinggi dalam subjek obes semasa pengapit menunjukkan nukleus caudate subjek obes boleh menyumbang kepada keinginan makanan walaupun kepekatan glukosa darah tidak berkurang. Lebih-lebih lagi, kerana penglibatannya dalam pembelajaran tersirat dan pembentukan kebiasaan, caudate boleh menyumbang kepada pemprosesan kedua-dua isyarat tersirat (periferal) dan jelas (visual, orosensory). Isyarat-isyarat ini kemudian boleh menyebabkan makan berlebihan walaupun badan tidak memerlukan pengambilan tenaga tambahan.
Telah ditubuhkan bahawa subjek obes, D2Ketersediaan R dalam striatum dikaitkan secara negatif dengan metabolisme glukosa frontokortikal [43]. Data gabungan PET-fMRI kami menyerupai penemuan ini. Apabila metabolisme glukosa dalam nukleus caudate digunakan sebagai pemangkin untuk memodelkan tindak balas fungsi untuk menyelerakan makanan hambar di fMRI, kami mendapati hubungan negatif yang signifikan dengan metabolisme glukosa dalam nukleus caudate dan respons BOLD prefrontalRajah 5). Oleh itu, kegagalan untuk melibatkan mekanisme prefrontal yang menyumbang kepada kawalan perencatan dan pengikatan yang menonjol boleh menggalakkan makan berlebihan dengan menurunkan ambang untuk memberi isyarat ganjaran makanan dalam nukleus caudate. Walau bagaimanapun, ia juga harus diperhatikan bahawa beberapa kajian terdahulu [19] telah melaporkan tindak balas depan yang tinggi kepada gambar makanan di obes berbanding individu berat badan normal. Ia mungkin bahawa percanggahan ini merangkumi penglibatan tugas yang bergantung kepada korteks frontal: sementara kajian kami melibatkan pemprosesan tersirat dari isyarat makanan yang diberikan secara ringkas, Rothemund dan rakan-rakannya menggunakan persembahan rangsangan yang agak panjang dengan tugas ingatan. Oleh itu, adalah mungkin bahawa individu obes mungkin gagal untuk mengaktifkan litar kawalan kognitif terutamanya apabila mereka tidak memproses secara eksplisit item makanan yang mereka lihat. Oleh itu, ini menunjukkan bahawa walaupun gambar-gambar makanan yang 'tidak kelihatan' atau tanpa pengawasan dalam pelbagai iklan dapat mencetuskan dorongan kuat untuk makan di kalangan individu gemuk.
Kesalinghubungan yang berkesan dari Caudate Nucleus dan Amygdala
Amigdala terlibat dalam peringkat awal pemprosesan ganjaran [44], dan ia menunjukkan tindak balas yang konsisten terhadap persembahan visual makanan [6], [22]. Perbezaan individu dalam kedua-dua pemanduan ganjaran [21] dan berat badan [10] diketahui mempengaruhi tanggapan amygdala terhadap persembahan visual makanan. Dalam kajian ini, kami juga mendapati bahawa tindak balas amygdala terhadap makanan dinaikkan dalam subjek obes. Lebih-lebih lagi, apabila pola sambungan yang efektif (PPI) nukleus caudate diperiksa, kami mendapati bahawa sambungan nukleus caudate dan amygdala ipsilateral dinaikkan dalam subjek obes. Secara umum, data ini sepadan dengan penemuan terdahulu dalam subjek berat badan normal yang menunjukkan bahawa sambungan yang berkesan antara amygdala dan stratum dipengaruhi oleh perbezaan individu dalam keinginan yang dilaporkan sendiri untuk makan apabila melihat makanan ('kepekaan makanan luaran') [22]. Walau bagaimanapun, sementara kajian terdahulu telah mendapati bahawa terutamanya striatum ventral terlibat dalam jangkaan ganjaran [21] dan gandingan antara striatum ventral (nukleus accumbens) dan amygdala dipengaruhi oleh kepekaan makanan luaran [22], kami mendapati bahawa obesiti mempengaruhi penggabungan antara amygdala dan lebih banyak bahagian dorsal nukleus caudate. Bukti mengenai peranan striatum dorsal dalam pemprosesan ganjaran agak bercampur, dengan beberapa kajian menghubungkannya dengan memproses antisipatif [45] dan lain-lain untuk menghasilkan [46] ganjaran. Walau bagaimanapun, peranan striatum dorsal dalam pengkodongan persatuan tindakan tindakan untuk potensi hadiah adalah lebih baik ditubuhkan [47], [48]. Oleh itu, kami mencadangkan bahawa pendedahan berulang kepada makanan yang enak dalam obesiti mengakibatkan persatuan-persoalan respons rangsangan-ganjaran makanan yang kuat dan secara implisit melibatkan penilaian hasil mengenai potensi ganjaran dalam individu yang obes sehingga memodulasi hubungan antara amigdala dan striatum punggung apabila melihat makanan.
Tafsiran PPI yang penting adalah terdapat pembahagian hubungan anatomi sebagai fungsi konteks psikologi. Walaupun PPI tidak dapat digunakan untuk mendedahkan sama ada sambungan itu wujud, kemungkinan PPI yang kita perhatikan mencerminkan perubahan dalam penglibatan sambungan anatomi langsung antara kawasan benih dan sasaran kerana hubungan langsung anatomi antara striatum dan amigdala disokong dengan mengesan kajian di primata lain [49], [50]. Walau bagaimanapun, PPI tidak dapat digunakan untuk mengarahkan ke arah sambungan yang diperhatikan, oleh itu kita tidak boleh mengatakan sama ada i) meningkatkan metabolisme glukosa dalam nukleus caudate meningkatkan konektiviti antara nukleus caudate dan amygdala atau ii) peningkatan input dari amygdala meningkatkan metabolisme glukosa dalam nukleus caudate.
Neuron Amygdala memudahkan imbuhan mencari melalui unjuran mereka ke striatum [44]. Rangsangan reseptor μ-opioid di striatum mencetuskan makan berlebihan, tetapi ini boleh disekat oleh inaktivasi amigdala [51], [52]. Oleh itu, konektivitas amygdalo-striatal yang tinggi boleh menyebabkan peningkatan tonik dalam aktiviti nukleus caudate, yang boleh menjadi mekanisme kritikal yang menjelaskan makan berlebihan dalam obesiti. Diambil bersama, amygdala mungkin terlibat dalam ganjaran makanan yang dijangkakan dengan memberikan nilai emosi kepada selera makanan dan mempengaruhi corak makan yang dipelajari dan kompulsif dengan penyambungan yang lebih baik dengan nukleus caudate dorsal.
Kesalinghubungan yang berkesan dari Nucleus Caudate dan Insula
Analisis PPI mendedahkan bahawa kesalinghubungan antara striatum dorsal dan insula posterior dinaikkan di obes berbanding subjek berat badan normal, manakala tindak balas serantau terhadap selera berbanding makanan hambar di anterior insula adalah lebih kecil di subjek obes. Insula anterior mengintegrasikan isyarat autonomi dan pendengaran ke dalam fungsi motivasi dan emosi, sedangkan insula posterior dikatakan mendasari somatosensori, vestibular dan integrasi motor serta pemantauan keadaan tubuh [53]. Kerja-kerja baru-baru ini juga menunjukkan bahawa isyarat somatosensori dalam insula boleh menyumbang dengan ketara kepada ketagihan, terutamanya dengan dorongan untuk mengambil ubat penyalahgunaan (lihat ulasan dalam ref. [53]). Kajian PET dan fMRI yang sebelumnya telah menghubungkan insula kepada pemprosesan keseronokan isyarat makanan luaran [8], [9], [46], tetapi isyarat periferi seperti leptin juga mempengaruhi tindak balas serangga untuk melihat makanan. Dalam orang dewasa yang kekurangan leptin, tindakbalas insular terhadap makanan selera lebih besar semasa kekurangan leptin dan bukan semasa penggantian leptin [54]. Selain itu, dalam subjek obes dengan kekurangan leptin, penggantian leptin meredakan tindak balas seragam untuk melihat makanan selera [55]. Oleh kerana insula memproses kedua-dua isyarat berkaitan makanan dalaman (iaitu hormon) dan luaran (iaitu visual) [56], gangguan dalam penyepaduan isyarat dalaman dan luaran ini boleh menyebabkan subjek obes lebih kerap berlebihan apabila melihat makanan yang disebabkan oleh peningkatan ketinggian insula dan striatum dorsal. Sejak insula posterior terlibat dalam pemantauan keadaan tubuh, penyambungan yang lebih baik antara insula posterior dan nukleus caudate dorsal mungkin membayangkan bahawa perwakilan teringat semula keadaan somatik pasca pranikus oleh insula mungkin berpotensi memperkuat perilaku pemakanan melalui pembelajaran insentif yang disokong oleh nukleus caudate dorsal [18]. Selaras dengan tanggapan ini, nukleus caudate juga menunjukkan penyambungan yang berkaitan dengan tugas yang lebih tinggi dengan korteks somatosensori dalam obesiti, mengesahkan bahawa isyarat visual hanya boleh mencetuskan sensasi somatik yang berkaitan dengan makan. Sensasi ini boleh menggalakkan pemakanan walaupun dalam ketiadaan isyarat lapis fisiologi [15]. Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa beberapa kajian terdahulu telah menemui tindak balas anterior anterior yang tinggi terhadap ganjaran berkaitan makanan yang diharapkan dan berkhasiat di obesnya berbanding dengan individu tanpa lemak [10], [57]. Walaupun kita tidak mempunyai penjelasan yang jelas mengenai penemuan ini, mungkin ia mencerminkan perbezaan dalam populasi subjek obes yang terlibat dalam kajian seperti makan sejarah dan tabiat serta faktor genetik dan hormon.
Had dan arah masa depan
Satu batasan yang ketara bagi kajian ini ialah walaupun saiz sampel yang besar (n = 35) perbandingan antara kumpulan untuk data fMRI tidak signifikan apabila diperbetulkan untuk beberapa perbandingan. Walaupun perbezaan antara kumpulan diperhatikan di rantau yang diramalkan, beberapa langkah perlu diberi perhatian apabila mentafsirkan hasil kajian. Tambahan pula, kita mesti menekankan bahawa kita tidak dapat menerangkan sepenuhnya mekanisme psikologi yang tepat yang menghasilkan tindak balas otak yang tinggi terhadap gambar makanan pada individu gemuk. Walaupun kami memperoleh penarafan dari keseronokan yang dirasakan ('menyukai') makanan, ini serupa di kalangan individu gemuk dan berat badan normal. Sehubungan itu, keinginan makanan yang menyelerakan dalam obesiti tidak dapat menyumbang kepada perbezaan dalam respon otak. Walau bagaimanapun, ia boleh membuat spekulasi bahawa keinginan makanan daripada suka dapat menjadi faktor utama yang memodulasi tindak balas otak terhadap gambar makanan dalam obesiti. Untuk menyokong hipotesis ini, telah ditunjukkan bahawa walaupun makanan yang sama seperti obes dan berat badan sama seperti 'makanan', keinginan makanan yang disebabkan tekanan lebih tinggi pada individu yang gemuk [58]. Dalam kajian pencitraan fungsional yang akan datang, adalah mustahak untuk menguraikan tindak balas 'keinginan' dan 'suka' terhadap makanan di obes berbanding individu berat badan normal. Lebih-lebih lagi, memandangkan tindak balas keinginan dimediasi oleh pautan dopaminergik litar ganjaran, [24], adalah mustahak untuk melakukan kajian gabungan neurotransmitter-PET-fMRI di mana seseorang dapat menguji sama ada, misalnya, ketersediaan dopamin striatal pada individu gemuk berbanding kurus meramalkan tindak balas rangkaian ganjaran terhadap rangsangan luaran dengan makanan.
Kesimpulan
Kami menunjukkan bahawa obesiti dikaitkan dengan peningkatan metabolisme glukosa nukleus caudate, serta respon serantau yang diubahsuai dan penyambungan rangkaian litar ganjaran apabila melihat makanan yang bersesuaian berbanding makanan hambar. Data ini selari dengan penemuan pada otak yang diubah berfungsi dalam gangguan ketagihan, dan menyokong pandangan bahawa obesiti boleh berkongsi substrat saraf umum dengan ketagihan [2], [59]. Khususnya, sensitiviti yang dipertingkatkan kepada isyarat makanan luaran dalam obesiti mungkin melibatkan pembelajaran tindak balas rangsangan yang tidak normal dan motivasi insentif yang disokong oleh nukleus caudate dorsal, yang seterusnya mungkin disebabkan oleh input yang luar biasa yang tinggi daripada amygdala dan insula posterior dan kawalan perencatan yang tidak berfungsi oleh frontal kawasan kortikal. Perubahan fungsi dalam respons dan interkoneksi litar ganjaran dan sistem kawalan kognitif boleh menjadi mekanisme kritikal yang menjelaskan makan berlebihan dalam obesity.
Kajian ini dijalankan di Pusat Kecemerlangan Finland dalam Pengimejan Molekul dalam Penyelidikan Kardiovaskular dan Metabolik yang disokong oleh Akademi Finlandia, Universiti Turku, Hospital Universiti Turku, dan Akademi Akademi Åbo. Kami berterima kasih kepada radiographers Pusat Turku PET atas bantuan mereka dengan pengambilalihan data serta peserta kami untuk membuat kajian ini mungkin.
Menyedari dan merancang eksperimen: LN JH PN. Menjalankan eksperimen: LN JH JCH HI MML PS. Menganalisis data: LN JH JCH HI. Tulis kertas: LN JH PN.
Rujukan
WHO (2000) Obesiti: mencegah dan menguruskan wabak global. Laporan konsultasi WHO. Kesihatan Organik Kesihatan Dunia Rep Ser 894: i-xii, 1-253. Cari artikel ini dalam talian
Volkow ND, Bijak RA (2005) Bagaimana penagihan dadah dapat membantu kita memahami obesiti? Alam Neurosains 8: 555-560. Cari artikel ini dalam talian
Berridge KC (1996) Ganjaran makanan: substrat otak yang ingin dan suka. Ulasan Neurosains dan Biobehavioral 20: 1-25. Cari artikel ini dalam talian
Ikemoto S, Panksepp J (1999) Peran nukleus mengakui dopamin dalam tingkah laku yang bermotivasi: tafsiran penyatuan dengan rujukan khas untuk mencari ganjaran. Kajian Penyelidikan Otak 31: 6-41. Cari artikel ini dalam talian
Kelley AE (2004) kawalan striatal Ventral motivasi yang sesuai: Peranan dalam tingkah laku ingestif dan pembelajaran berkaitan ganjaran. Ulasan Neurosains dan Biobehavioral 27: 765-776. Cari artikel ini dalam talian
Killgore WDS, Muda AD, Femia LA, Bogorodzki P, Rogowska J, et al. (2003) Pengaktifan kortikal dan limbik semasa melihat makanan berkalori tinggi berbanding kalori. NeuroImage 19: 1381-1394. Cari artikel ini dalam talian
LaBar KS, Gitelman DR, Parrish TB, Kim YH, Nobre AC, et al. (2001) Kelaparan secara selektif memodulasi pengaktifan kortikolimbi kepada rangsangan makanan pada manusia. Neurosains Behavioral 115: 493-500. Cari artikel ini dalam talian
Pelchat ML, Johnson A, Chan R, Valdez J, Ragland JD (2004) Imej keinginan: pengaktifan makanan keinginan semasa fMRI. NeuroImage 23: 1486-1493. Cari artikel ini dalam talian
Wang GJ, Volkow ND, Telang F, Jayne M, Ma J, et al. (2004) Pendedahan kepada rangsangan makanan yang selera mengesankan otak manusia. Neuroimage 21: 1790-1797. Cari artikel ini dalam talian
Stoeckel LE, Weller RE, Cook EW Iii, Twieg DB, Knowlton RC, et al. (2008) Pengaktifan sistem ganjaran yang meluas dalam wanita gemuk sebagai tindak balas kepada gambar makanan berkalori tinggi. NeuroImage 41: 636-647. Cari artikel ini dalam talian
Wang GJ, Volkow ND, Logan J, Pappas NR, Wong CT, et al. (2001) Dopamine otak dan obesiti. Lancet 357: 354-357. Cari artikel ini dalam talian
DM kecil, Jones-Gotman M, Dagher A (2003) Pembebasan dopamin yang disebabkan oleh makanan dalam striatum dorsal berkorelasi dengan penilaian keseronokan makan dalam sukarelawan manusia yang sihat. NeuroImage 19: 1709-1715. Cari artikel ini dalam talian
Kelley AE, Berridge KC (2002) Saraf alam semula jadi: Relevan terhadap ubat ketagihan. Jurnal Neurosains 22: 3306-3311. Cari artikel ini dalam talian
Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Telang F (2008) Lengkung neuron bertindih dalam ketagihan dan obesiti: bukti patologi sistem. Transaksi falsafah Royal Society B-Biological Sciences 363: 3191-3200. Cari artikel ini dalam talian
Cornell CE, Rodin J, Weingarten H (1989) Rangsangan yang disebabkan oleh stimulasi apabila ditekan. Physiol Behav 45: Cari artikel ini dalam talian
Koob GF, Volkow ND (2010) Neurocircuitry Ketagihan. Neuropsychopharmacology 35: 217-238. Cari artikel ini dalam talian
Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK, et al. (2008) Dopamine rendah reseptor D2 yang dikaitkan dengan metabolisme prefrontal dalam subjek obes: Kemungkinan faktor penyumbang. NeuroImage 42: 1537-1543. Cari artikel ini dalam talian
Verdejo-Garcia A, Bechara A (2009) Teori penanda somatik ketagihan. Neuropharmacology 56: 48-62. Cari artikel ini dalam talian
Rothemund Y, Preuschhof C, Bohner G, Bauknecht HC, Klingebiel R, et al. (2007) Pengaktifan stigatori dorsal oleh rangsangan makanan visual kalori tinggi dalam individu yang gemuk. NeuroImage 37: 410-421. Cari artikel ini dalam talian
Franken IHA, Muris P (2005) Perbezaan individu dalam sensitiviti ganjaran berkaitan dengan keinginan makanan dan berat badan relatif pada wanita yang sihat. Selera 45: 198-201. Cari artikel ini dalam talian
Beaver JB, Lawrence AD, van Ditzhuijzen J, Davis MH, Woods A, et al. (2006) Perbezaan individu dalam pemacu ganjaran meramalkan tindak balas saraf terhadap imej makanan. Jurnal Neurosains 26: 5160-5166. Cari artikel ini dalam talian
Passamonti L, Rowe JB, Schwarzbauer C, Ahli Parlimen Ewbank, von dem Hagen E, et al. (2009) Keperibadian Meramalkan Tanggapan Otak terhadap Melihat Makanan Yang Menyenangkan: Asas Neural Faktor Risiko untuk Makan berlebihan. J Neurosci 29: 43–51. Cari artikel ini dalam talian
Dagher A (2009) Neurobiologi selera: kelaparan sebagai ketagihan. Jurnal Antarabangsa Obesiti 33: S30-S33. Cari artikel ini dalam talian
Berridge KC, Ho CY, Richard JM, DiFeliceantonio AG (2010) Otak yang tergoda dimakan: Keseronokan dan keinginan litar dalam obesiti dan gangguan makan. Penyelidikan Otak 1350: 43-64. Cari artikel ini dalam talian
Stoeckel LE, Kim J, Weller RE, Cox JE, Cook EW Iii, et al. (2009) Sambungan berkesan rangkaian penghargaan dalam wanita gemuk. Buletin Penyelidikan Otak 79: 388-395. Cari artikel ini dalam talian
Sokoloff L (1999) Energetik pengaktifan fungsi dalam tisu saraf. Penyelidikan Neurochemical 24: 321-329. Cari artikel ini dalam talian
DeFronzo RA, Tobin JD, Andres R (1979) Teknik penguncupan glukosa: satu kaedah untuk mengukur rembesan dan rintangan insulin. AmJPhysiol 237: E214-E223. Cari artikel ini dalam talian
Bradley MM, Lang PJ (1994) Mengukur emosi - Manekin Penilaian Kendiri dan perbezaan semantik. Jurnal Terapi Tingkah Laku dan Psikiatri Eksperimental 25: 49–59. Cari artikel ini dalam talian
Kaisti KK, Langsjo JW, Aalto S, Oikonen V, Sipila H, et al. (2003) Kesan sevoflurane, propofol dan oksida nitrous tambahan pada aliran darah serebrum serantau, penggunaan oksigen, dan jumlah darah pada manusia. Anestesiologi 99: 603-613. Cari artikel ini dalam talian
Kaisti KK, Metsahonkala L, Teras M, Oikonen V, Aalto S, et al. (2002) Kesan tahap pembedahan propofol dan anestesi sevoflurane pada aliran darah serebrum dalam subjek sihat yang dikaji dengan tomografi pelepasan positron. Anestesiologi 96: 1358-1370. Cari artikel ini dalam talian
Hamacher K, Coenen HH, Stocklin G (1986) Sintesis Stereospecific yang Cekap Tanpa Pengangkut-Ditambah 2- [F-18] -Fluoro-2-Deoxy-D-Glukosa Menggunakan Aminopolimetrik yang Disokong Nukleophilic-Substitution. Jurnal Perubatan Nuklear 27: 235-238. Cari artikel ini dalam talian
Graham MM, Muzi M, Spence AM, O'Sullivan F, Lewellen TK, et al. (2002) FDG tetap berterusan di dalam otak manusia biasa. Jurnal Perubatan Nuklear 43: 1157-1166. Cari artikel ini dalam talian
Maldjian JA, Laurienti PJ, Kraft RA, Burdette JH (2003) Kaedah automatik untuk soal siasat berasaskan atmosfera dan cytoarkitonik di atas set data fMRI. Neuroimage 19: 1233-1239. Cari artikel ini dalam talian
Tzourio-Mazoyer N, Landeau B, Papathanassiou D, Crivello F, Etard O, et al. (2002) Penyelarasan anatomi automatik pengaktifan dalam SPM menggunakan pembungkusan anatomi makroskopi otak subjek MRI MNI tunggal. Neuroimage 15: 273-289. Cari artikel ini dalam talian
Amaro E, Barker GJ Reka bentuk kajian (2006) dalam MRI: Prinsip asas. Otak dan Kognisi 60: 220-232. Cari artikel ini dalam talian
Friston KJ, Buechel C, Fink GR, Morris J, Rolls E, et al. (1997) Interaksi Psikofisiologi dan Modulasi dalam Neuroimaging. NeuroImage 6: 218-229. Cari artikel ini dalam talian
Passamonti L, Rowe JB, Ewbank M, Hampshire A, Keane J, et al. (2008) Kesambungan dari cingulate anterior ventral ke amygdala dimodulasi oleh motivasi yang bersesuaian sebagai tindak balas kepada isyarat muka pencerobohan. NeuroImage 43: 562-570. Cari artikel ini dalam talian
Kriegeskorte N, Simmons WK, Bellgowan PSF, Baker CI (2009) Analisis pekeliling dalam sistem neurosains: bahaya berlumuran ganda. Alam Neurosains 12: 535-540. Cari artikel ini dalam talian
Gitelman DR, Penny WD, Ashburner J, Friston KJ (2003) Pemodelan interaksi serantau dan psikofisiologi dalam fMRI: kepentingan dekonvolusi hemodinamik. NeuroImage 19: 200-207. Cari artikel ini dalam talian
Volkow ND, Fowler JS, Wang GJ, Swanson JM (2004) Dopamin dalam penyalahgunaan dadah dan ketagihan: hasil daripada kajian imaging dan implikasi rawatan. Psikiatri Molekul 9: 557-569. Cari artikel ini dalam talian
Haltia LT, Savontaus E, Vahlberg T, Rinne JO, Kaasinen V (2010) Perubahan hormon akut berikutan cabaran glukosa intravena pada subjek manusia yang kurus dan gemuk. Jurnal Penyelidikan Klinikal & Makmal Scandinavia 70: 275-280. Cari artikel ini dalam talian
Haltia LT, Rinne JO, Merisaari H, Maguire RP, Savontaus E, et al. (2007) Kesan glukosa intravena pada fungsi Dopaminergik dalam otak manusia dalam vivo. Sinaps 61: 748-756. Cari artikel ini dalam talian
Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK, et al. (2008) Dopamine rendah reseptor D2 yang dikaitkan dengan metabolisme prefrontal dalam subjek obes: Kemungkinan faktor penyumbang. NeuroImage 42: 1537-1543. Cari artikel ini dalam talian
Ambroggi F, Ishikawa A, Bidang HL, Nicola SM (2008) Neuron amygdala basolateral memudahcarakan tingkah laku mencari ganjaran oleh nukleus yang menarik akrab neuron. Neuron 59: 648-661. Cari artikel ini dalam talian
Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Logan J, Jayne M, et al. (2002) "Motivasi makanan" Nonhedonic "pada manusia melibatkan dopamin pada striatum dorsal dan metilfenidat menguatkan kesan ini. Sinaps 44: 175-180. Cari artikel ini dalam talian
DM kecil, Zatorre RJ, Dagher A, Evans AC, Jones-Gotman M (2001) Perubahan aktiviti otak yang berkaitan dengan makan coklat - Dari keseronokan ke penghindaran. Otak 124: 1720–1733. Cari artikel ini dalam talian
O'Doherty J, Dayan P, Schultz J, Deichmann R, Friston K, et al. (2004) Peranan dissociable striatum ventral dan dorsal dalam penyaman instrumental. Sains 304: 452-454. Cari artikel ini dalam talian
Balleine BW, Delgado MR, Hikosaka O (2007) Peranan striatum dorsal dalam ganjaran dan membuat keputusan. Jurnal Neurosains 27: 8161-8165. Cari artikel ini dalam talian
Russchen FT, Bakst I, Amaral DG, Harga JL (1985) Unjuran Amygdalostriatal di Monyet - Kajian Pengesanan Anterograde. Penyelidikan Otak 329: 241–257. Cari artikel ini dalam talian
Friedman DP, Aggleton JP, Saunders RC (2002) Perbandingan unjuran hippocampal, amygdala, dan perirhinal kepada nukleus accumbens: Gabungan anterograde dan kajian penjejakan retrograde di otak pemangsa. Jurnal Neurologi Perbandingan 450: 345-365. Cari artikel ini dalam talian
Akan MJ, Franzblau EB, Kelley AE (2004) Amygdala adalah kritikal untuk makan lemak yang dimediasi oleh opioid. NeuroReport 15: 1857-1860. Cari artikel ini dalam talian
Baldo BA, Alsene KM, Negron A, Kelley AE (2005) Hyperphagia yang disebabkan oleh perencatan pengambilan reseptor GABAA yang ditimbulkan oleh nukleus accumbens shell: Ketergantungan pada output neural utuh dari rantau amygdaloid pusat. Neurosains Behavioral 119: 1195-1206. Cari artikel ini dalam talian
Naqvi NH, Bechara A (2009) Pulau tersembunyi ketagihan: insula. Trend dalam Neurosains 32: 56-67. Cari artikel ini dalam talian
Baicy K, London ED, Monterosso J, Wong ML, Delibasi T, et al. (2007) Penggantian leptin mengubah respon otak kepada isyarat makanan pada orang dewasa yang kekurangan leptin secara genetik. Prosiding Akademi Sains Kebangsaan 104: 18276-18279. Cari artikel ini dalam talian
Rosenbaum M, Sy M, Pavlovich K, Leibel RL, Hirsch J (2008) Leptin membalikkan perubahan akibat perubahan berat badan dalam tindak balas aktiviti saraf serantau terhadap rangsangan makanan visual. Jurnal Penyiasatan Klinikal 118: 2583-2591. Cari artikel ini dalam talian
Cornier MA, Salzberg AK, Endly DC, Bessesen DH, Rojas DC, et al. (2009) Kesan Overfeeding terhadap Respons Neuron terhadap Isyarat Makanan Visual dalam Individu Nipis dan Mengurangkan Obesitas. PLOS ONE 4: e6310. Cari artikel ini dalam talian
Stice E, Spoor S, Bohon C, Veldhuizen MG, DM Kecil (2008) Hubungan Ganjaran Dari Pengambilan Makanan dan Pengambilan Makanan Yang Diantisipasi kepada Obesiti: Kajian Pengimejan Resonans Magnetik yang berfungsi. Jurnal Psikologi Abnormal 117: 924-935. Cari artikel ini dalam talian
Lemmens SG, Rutters F, Lahir JM, Westerterp-Plantenga MS (dalam akhbar) Tekanan meningkatkan makanan yang 'diingini' dan pengambilan tenaga pada subjek yang mempunyai berat badan berlebihan jika tiada rasa lapar. Fisiologi & Tingkah Laku Dalam Akhbar, Bukti yang Dibetulkan.
Nathan PJ, Bullmore ET (2009) Dari rasa hedonik kepada pemacu motivasi: reseptor utama mu-opioid dan kelakuan pemakan pesta. Jurnal Antarabangsa Neuropsychopharmacology 12: 995-1008. Cari artikel ini dalam talian
;