Tekorten van mesolimbische dopamine neurotransmissie bij obesitas bij ratten (2009)

Opmerkingen: onderzoek toont aan dat het teveel eten van "cafetariavoedsel" voor obesitas leidt tot verlaging van het dopaminegehalte en een afgestompte dopamine-respons op normaal voer van ratten. De ratten reageerden echter nog steeds op het eten in de cafetaria. Een van de vele onderzoeken die hersenveranderingen aantonen die vergelijkbaar zijn met die welke aan drugs verslaafd zijn. Overconsumptie van supernormale versies van natuurlijke beloningen kan tot verslaving leiden.

Neuroscience. 2009 apr 10; 159 (4): 1193-9. doi: 10.1016 / j.neuroscience.2009.02.007. Epub 2009 Feb 11.

BM Geiger,a M. Haburcak,a NM Avena,b,c MC Moyer,c BG Hoebel,c en EN Pothosa,*

De definitieve bewerkte versie van dit artikel is beschikbaar op Neurowetenschap leerprogramma

Zie andere artikelen in PMC dat citeren het gepubliceerde artikel.

Ga naar:

Abstract

Verhoogde calorie-inname bij obesitas bij het eten kan worden aangestuurd door centrale mechanismen die gedrag dat op beloning gericht is reguleren. Het mesolimbische dopaminesysteem en de nucleus accumbens in het bijzonder liggen ten grondslag aan zowel de beloning van voedsel als geneesmiddelen. We hebben onderzocht of ratten-obesitas gerelateerd is aan veranderingen in de dopaminerge neurotransmissie in die regio. Sprague-Dawley-ratten werden geplaatst in een cafetarieachtig dieet om zwaarlijvigheid of een laboratoriumvoeddieet te induceren om normale gewichtstoename te handhaven. Extracellulaire dopaminegehalten werden gemeten met in vivo microdialyse. Elektrisch opgewekte dopamine-afgifte werd ex vivo gemeten in coronale plakjes van de nucleus accumbens en het dorsale striatum met behulp van real-time koolstofvezel-amperometrie. Gedurende 15 weken werden ratten die met een cafetaria-dieet waren gevoerd, zwaarlijvig (> 20% toename in lichaamsgewicht) en vertoonden lagere extracellulaire accumbens-dopaminegehalten dan ratten met een normaal gewicht (0.007 ± 0.001 vs. 0.023 ± 0.002 pmol / monster; P<0.05). Dopamine-afgifte in de nucleus accumbens van zwaarlijvige ratten werd gestimuleerd door een cafetaria-dieetuitdaging, maar het reageerde niet op een laboratoriummaaltijd. Administratie van d-amfetamine (1.5 mg / kg ip) onthulde ook een verzwakte dopamine-respons bij obese ratten. Experimenten die elektrisch opgewekt dopamine-signaal ex vivo meten in nucleus accumbens-slices vertoonden een veel zwakkere respons bij obese dieren (12 versus 25 × 106 dopaminemoleculen per stimulatie, P<0.05). De resultaten tonen aan dat tekorten in mesolimbische dopamine-neurotransmissie verband houden met obesitas via de voeding. Een verminderde afgifte van dopamine kan ertoe leiden dat zwaarlijvige dieren dit compenseren door het eten van smakelijk "comfort" -voedsel, een stimulus die dopamine afgeeft wanneer laboratoriumvoer faalde.

sleutelwoorden: nucleus accumbens, striatum, voeding, lichaamsgewicht, amfetamine, hyperfagie

De snelle opkomst van obesitas bij volwassenen in geïndustrialiseerde samenlevingen geeft aan dat niet-homeostatische signaalroutes die zorgen voor een chronische positieve energie-inname verantwoordelijk kunnen zijn. Een cruciale vraag is waarom laboratoriumdieren en mensen energie-rijk, eetbaar voedsel blijven eten in die mate dat ze zwaarlijvig worden. Vanuit een evolutionair perspectief is te verwachten dat de hersenen een systeem hebben ontwikkeld om te reageren op natuurlijke beloningen, zoals voedsel. Deze centrale mechanismen zijn over alle soorten heen bewaard om overleving te garanderen (Kelley en Berridge, 2002) en zou kunnen interageren met of moduleren van het circuit dat het lichaamsgewicht regelt. Daarom kan de beschikbaarheid van belonend smakelijk voedsel leiden tot een verhoogde calorie-inname en gewichtstoename die door homeostase gestuurde mechanismen, die voornamelijk afkomstig zijn van de hypothalamus, mogelijk niet overwinnen. Deze mogelijkheid kan, althans gedeeltelijk, de epidemische proporties van obesitas bij voeding verklaren.

Prominent onder neurale systemen zijn de mesolimbische dopamine-routes, waarvan bekend is dat de werking van dopamine, met name in de nucleus accumbens-klemmen, versterkingsmechanismen kan mediëren. De activering van dit systeem omvat een verhoging van het dopaminegehalte en veranderingen in dopamine-omzet na natuurlijk beloningsgedrag zoals voeding (Hernandez en Hoebel, 1988; Radhakishun et al., 1988). Bovendien is bekend dat dopamine in de nucleus accumbens (en het aangrenzende dorsale striatum) toeneemt bij blootstelling aan voedselgerelateerde stimuli en motorische activiteit in verband met het verkrijgen van voedsel (Mogenson en Wu, 1982; Bradberry et al., 1991; Salamone et al., 1991). Het is daarom redelijk om te verwachten dat obesitas met voeding kan worden gekoppeld aan het mesolimbische dopamine-vrijmakende vermogen van smakelijk hoog energetisch voedsel.

In deze studie hebben we onderzocht of chronische blootstelling (15 weken) van ratten aan een hoogenergetisch, smakelijk cafetariadieet veranderingen in nucleus accumbens dopamine veroorzaakt. Dit zeer smakelijke dieet is succesvol bij het induceren van obesitas bij de voeding van ratten en is het meest relevant voor de ontwikkeling van obesitas bij de mens (Sclafani en Springer, 1976). Bovendien lieten de cafetariadiëten ons een onderscheid maken tussen vetrijke en hoge koolhydraatvoorkeuren en of dergelijke voorkeuren van invloed waren op de mesolimbische dopamine-afgifte. We ontdekten dat Sprague-Dawley-ratten het grootste deel van hun dagelijkse calorie-inname haalden uit bronnen met hoog koolhydraten en een dieetgerelateerde obesitas (DIO) ontwikkelden. Verder toonden ze gedeprimeerde basale dopamine-afgifte in de nucleus accumbens en een verzwakte dopamine-respons op een standaard voer voor het voer of systemische toediening van damfetamine.

EXPERIMENTELE PROCEDURES

Dieren

Vrouwelijke albino Sprague-Dawley-ratten (Taconic, Hudson, NY, VS) werden gematcht voor een lichaamsgewicht van 300 g elk op de leeftijd van 3 maanden. Vrouwelijke dieren werden gekozen omdat, in tegenstelling tot mannelijke ratten, het lichaamsgewicht van met laboratorium-chow gevoede vrouwen relatief stabiel is in de tijd. Dieren werden afzonderlijk gehuisvest in dezelfde ruimte onder een 12-h cyclus van omgekeerd licht / donker (licht aan: 6 pm, licht uit: 6 am). Onder deze omstandigheden zagen we geen impact van de oestrische cyclusfase op de mesolimbische dopamine-afgifte (Geiger et al., 2008). Alle dieren werden gebruikt in overeenstemming met de gepubliceerde richtlijnen van de Amerikaanse National Institutes of Health (NIH) en het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van Tufts University en het Tufts Medical Center. Alle inspanningen werden geleverd om het aantal gebruikte dieren te beperken om het gebruik en het lijden van dieren tot een minimum te beperken.

Cafetaria dieet samenstelling

De dieren werden verdeeld in de cafetaria DIO-groep (ook beschreven als de groep met zwaarlijvige voeding hieronder) en de laboratoriumvoedingsgroep (normale gewichtsgroep). Alle groepen werden gevoerd ad libitum. Het cafetariadieet bevatte vetrijke componenten zoals Crisco (33% plantaardig bakvet, 67% Purina-poeder), salami, cheddar-kaas en pindakaas; en koolhydraatrijke componenten zoals gezoete gecondenseerde melk (merk Magnolia gemengd met water, 1: 1), chocoladekoekjes, melkchocolade, bananen, marshmallows en een 32% sucrose-oplossing. Van dit zeer smakelijke dieet is aangetoond dat het zeer effectief is bij het induceren van obesitas bij de voeding van ratten en de nabootsing van menselijke obesitas nabootsen (Sclafani en Springer, 1976). Elk van de componenten was te allen tijde beschikbaar en werd vier keer per week gewijzigd. De cafetaria DIO-groep werd naast smakelijk voedsel ook gegeven ad libitum toegang tot Purina-laboratoriumvoer. Om dieetvoorkeuren te identificeren, werd de inname van elk van de componenten van het cafetariadieet gemeten over twee 48-h-perioden tijdens de elfde week van het dieet. Lichaamsgewichten werden één keer per week geregistreerd.

Stereotaxische chirurgie

Stereotaxische chirurgie werd uitgevoerd tijdens week 7 van de studie (n= 24 cafetaria DIO ratten, n= 32 laboratorium-ratten). Dieren werden geanesthetiseerd met ketamine (60 mg / kg ip) en xylazine (10 mg / kg ip) voor implantatie van bilaterale 10 mm, 21 gauge roestvrijstalen microdialyse gidscanules gericht op het achterste nucleus accumbens omhulselgebied. De stereotaxische coördinaten waren 10 mm vóór de interaurale nul, 1.2 mm lateraal van de midsagittale sinus en 4 mm ventrale naar het niveau van de schedel. De sondedialysevezel verlengde nog een 4 mm ventrale om de doellocatie te bereiken (Paxinos en Watson, 2007). Na de operatie werden alle dieren teruggebracht naar hun kooien en voortgezet met hun dieet.

Microdialyse en hoge prestatie vloeistofchromatografie met elektrochemische detectie (HPLC-EC) procedure

Microdialyse werd gedurende week 14 van het onderzoek uitgevoerd om adequaat herstel van de operatie mogelijk te maken. Voor elke microdialysesessie werden de dieren afzonderlijk in microdialysekooien geplaatst en werden probes in de microdialysecanules 12-15 h geplaatst voordat het eerste monster werd verzameld. De plaats van implantatie (links of rechts) werd gecompenseerd. Microdialyseprobes waren van het concentrische type, lokaal gemaakt en hebben een 10% herstel van neurochemicaliën in in vitro testen zoals eerder beschreven (Hernandez et al., 1986). De sondes werden geperfuseerd met een Ringer's oplossing (142 mM NaCl, 3.9 mM KCl, 1.2 mM CaCl2, 1.0 mM MgCl2, 1.4 mM Na2HPO4, 0.3 mM NaN2PO4) met een snelheid van 1 ° μl / min. Het dialysaat werd verzameld in 40 μl-flesjes met 5 μl conserveermiddel (0.1 M HCl en 100 ° μM EDTA) om de oxidatie van monoamines te vertragen. Het verzamelen van monsters begon in het midden van de donkere cyclus en al het voedsel werd 3 h verwijderd voorafgaand aan het nemen van monsters voor alle dieren. Monsters werden verzameld met intervallen van 30-min voor ten minste 2 h van baseline, gevolgd door een systemische injectie van d-amfetamine (1.5 mg / kg ip; Sigma, St. Louis, MO, VS). Van elk monster werd 25 μl dialysaat geïnjecteerd in een amperometrisch Antec HPLC-EC-systeem (GBC, Inc., Boston, MA, VS) met een 10 cm Rainin-kolom en een fosfaat mobiele fasebuffer, die dopamine scheidt en detecteert, en de dopaminemetabolieten dihydroxyfenylazijnzuur (DOPAC) en homovanillinezuur (HVA). De resulterende pieken werden vervolgens gemeten en geregistreerd. Plaatsing van de microdialyseprobe op de doelplaats werd aan het einde van het experiment geverifieerd door histologisch onderzoek van het sondekanaal na fixatie van de hersenen met paraformaldehyde.

Voor dieren die worden gepresenteerd met een 30-min laboratoriumvoer of cafetaria-dieet maaltijduitdaging in plaats van d-amfetamine, alle groepen kregen te weinig eten voor 12 h voorafgaand aan het microdialyse-experiment om voldoende motivatie om te eten te garanderen.

Segmentelektrofysiologie

Ratten van de hersenen werden snel in ijskoude, geoxygeneerde kunstmatige cerebrospinale vloeistof (aCSF) geplaatst op een Leica VT1000S vibratome (Leica Microsystems, Wetzlar, Duitsland) en gesneden in 300 μm-coronale plakjes. Het plakbad bevatte aCSF (124 mM NaCl, 2.0 mM KCl, 1.25 mM KH2PO4, 2.0 mM MgSO4, 25 mM NaHCO3, 1.0 mM CaCl2, 11 mM glucose, pH = 7.3). Na 1 h in aCSF werden plakken overgebracht naar de opnamekamer met perfusie van geoxygeneerde aCSF ingesteld op 1 ml / min bij 37 ° C. Koolstofvezelelektroden, 5 μm in diameter, met een vers gesneden oppervlak werden in de nucleus accumbens-schaal of dorsale striatum ~ 50 μm in de plak geplaatst, met de referentie-elektrode (Ag / AgCl-draad) ingebracht in het aCSF-bad en de spanningsset tot + 700 mV (Axopatch 200 B, Axon Instruments Inc., Union City, CA, VS). De bipolaire, gedraaide draad, stimulerende elektrode (draaddiameter 0.005 in: MS 303 / 3, Plastics One, Inc., Roanoke, VA, VS) werd geplaatst binnen 100-200 μm van de koolstofvezelelektrode. Een constante monofasestroomstimulus van 2 ms bij + 500 μA werd geleverd door een Isoflex-stimulusisolator (AMPI, Inc., Jeruzalem, Israël) die werd geactiveerd door een constante stroomstimulator (Model S88; Grass Technologies, West Warwick, RI, VS) . De respons van de amperometrische elektrode (verandering in basislijn) werd gevolgd en gekwantificeerd door Superscope-software (GW Instruments, Inc., Somerville, MA, VS). Elektroden werden vóór en na gebruik gekalibreerd met op de achtergrond afgetrokken voltammogrammen (vijf golven toegepast en gemiddeld, 300 V / s, -400 tot + 1000 mV, in opnamemedium en medium met 10 μM dopamine). Amperometrische pieken werden geïdentificeerd als gebeurtenissen groter dan 3.5 × de rms-ruis van de basislijn. De gebeurtenisbreedte was de duur tussen (a) het basislijnintercept van de maximale helling van de basislijn tot het eerste punt dat de cutoff overschreed en (b) het eerste gegevenspunt dat de maximale amplitude volgde die een waarde van ≤0 pA registreerde. De maximale amplitude (d.w.z.max) van het evenement was de hoogste waarde binnen het evenement. Om het totale aantal moleculen te bepalen (N) vrijgegeven, de totale lading van de gebeurtenis tussen de onderscheppingen van de basislijn werd bepaald en het aantal moleculen geschat door de relatie N= Q /nF, waarbij Q de lading is, n het aantal elektronen dat per molecuul is gedoneerd, en F is de constante van Faraday (96,485 C per equivalent). Schattingen waren gebaseerd op een aanname van twee elektronen gedoneerd per geoxideerd molecuul dopamine (Ciolkowski et al., 1994).

Weefsel micropunches

Cafetaria DIO of laboratoriumvoeders van rattenvee (n= 11 / groep) werden geëuthanaseerd zoals in het vorige experiment en 1 mm-diameterponsen van het dorsale striatum en nucleus accumbens werden genomen van 300 μm hersenschijfjes. De stansen werden vervolgens blootgesteld aan 40 mM KCl-oplossing voor 3 min om dopamine-afgifte te stimuleren. Extracellulaire dopaminegehalten werden vervolgens gemeten met behulp van de hierboven beschreven HPLC-methode.

Data-analyse

Twee-weg ANOVA (groep x tijd) met herhaalde metingen en Fisher post hoc analyse zoals geschikt werd gebruikt voor de analyse van de microdialysegegevens. Eenweg-ANOVA werd gebruikt voor alle andere assays. Voor de slice-experimenten werden de resultaten van vijf verschillende stimulaties op dezelfde slice gemiddeld per slice voordat de ANOVA werd uitgevoerd. Resultaten worden uitgedrukt als gemiddelde ± standaardfout van het gemiddelde (SEM).

RESULTATEN

Dieet-obese ratten hebben een sterke voorkeur voor zeer smakelijk voedsel

Cafetaria DIO-ratten hadden een sterke voorkeur voor zoete melk (74.4 ± 6.4 g; 241 ± 21 kcal) en de 32% sucrose-oplossing (31.4 ± 4.1 g; 40 ± 5 kcal) (Fig. 1A, B, F(9,127) = 116.9854, P<0.01). Bovendien aten deze dieren significant minder van het Purina-voer (5.66 ± 1.02 g) in vergelijking met de laboratoriumdieren die voer met voer (54.7 ± 2.3 g; F(1,27) = 419.681, P<0.01). Na 14 weken cafetariadieet te hebben gevolgd, wonnen ratten 53.7% van hun aanvankelijke lichaamsgewicht tot een eindgewicht van 444.9 ± 19.0 g. Na dezelfde periode bereikten ratten op laboratoriumvoer een eindgewicht van 344.0 ± 10.8 (Fig. 2A).

Fig 1 

Bepaalde voorkeuren voor cafetaria-dieetcomponenten bij obese ratten. Gemiddeld verbruik van cafetaria-dieetcomponenten in gram (A) en kcal (B) over twee 48-h-perioden tijdens week 11 van het voedingsregime vertoont een voorkeur voor zoete melk en sucrose-oplossing (gemiddelde ± SEM; ...
Fig 2 

Basale, amfetamine- en laboratoriumvoedselgeprote nucleus accumbens dopaminegehalten zijn verlaagd bij ratten met obesitas op dieet. (A) Het lichaamsgewicht van de cafetaria-DIO-ratten tijdens een 14-weekperiode was aanzienlijk meer dan het door laboratoriumvoeding gevoede laboratorium. ...

Dieet-obese ratten hebben lage basale dopamine en verminderde amfetamine-gestimuleerde dopamine-afgifte

In week 14 van de studie vertoonden DIO-rata-cafetaria lagere extracellulaire dopaminegehalten in de nucleus accumbens, vergeleken met ratten uit laboratorium-chow-gevoede muizen (0.007 ± 0.001-pmols / 25 μL-monster versus 0.023 ± 0.002-pmols / 25 μL-monster; Fig. 2B, F(1,19) = 11.205; P<0.01), zoals gemeten door in vivo microdialyse. Basislijnniveaus van de dopaminemetabolieten, DOPAC en HVA, bleken ook significant lager te zijn in de cafetaria-DIO-ratten. DOPAC-niveaus in de cafetaria DIO-ratten waren 3.13 ± 0.42 versus 8.53 ± 0.56 pmol in ratten die in het laboratorium werden gevoed met ratten (F(1,10) = 14.727, P<0.01). HVA-waarden waren respectievelijk 1.0 ± 0.28 vs. 4.28 ± 0.33 pmol (F(1,20) = 6.931, P<0.05). Na het vaststellen van een stabiele basislijn van dopamine, kregen ratten een ip-injectie van 1.5 mg / kg amfetamine. De totale afgifte van gestimuleerde dopaminegehalten was minder in DIO-ratten in de cafetaria in vergelijking met laboratoriumdieren die voer voerden (Fig. 2B, F(9,162) = 2.659, P<0.01).

Dieet-obesitas-ratten geven dopamine af in de nucleus accumbens bij het eten van zeer smakelijk voedsel, niet gewoon laboratoriumvoer

Fig. 2D laat zien dat de niveaus van extracellulair dopamine in DIO-cafetaria niet detecteerbaar zijn toegenomen in reactie op een maaltijd van laboratoriumvoer. Dieren aten gemiddeld 1.3 ± 0.4 g van chow over 30 min. Wanneer een subset van deze dieren (n= 8) werd vervolgens het cafetariadieet gevoerd voor 30 min, dopamine verhoogde 19.3% van 0.027 ± 0.003 tot 0.033 ± 0.004 pmols / 25 μL monster (F(11,187) = 8.757, P<0.05). DOPAC-niveaus stegen ook met 17.13% ± 6.14%. Daarentegen namen de dopaminegehalten in de laboratoriumdieren met voer toe met 51.10% ± 17.31% (F(7,119) = 3.902, P<0.05) 1 uur na de chow-maaltijd (dieren aten gemiddeld 5.7 ± 0.8 g, significant meer dan de DIO-dieren; F(1,33) = 26.459, P<0.01). We verwachten echter niet dat de lagere voedselopname door de DIO-dieren de directe oorzaak is van het gebrek aan dopamine-afgifte bij deze dieren, aangezien is gemeld dat voedselinname van slechts 0.6 g dopamine-afgifte in de nucleus accumbens van ratten stimuleert (Martel en Fantino, 1996). Bovendien hebben andere studies aangetoond dat verschillen in de hoeveelheid afgegeven dopamine niet noodzakelijkerwijs direct gecorreleerd zijn aan de hoeveelheid voedsel die aanwezig is, maar ook kunnen worden beïnvloed door andere stimuli zoals verzadigingsniveau van het dier, eetbaarheid en nieuwheidseffecten van het gepresenteerde voedsel (Hoebel et al., 2007). Een cafetariadieet werd niet als een uitdaging gegeven aan proefdieren die borstvoeding gaven, omdat verwacht werd dat het nieuwheidseffecten zou opwekken die elke vergelijking met de cafetaria DIO-dieren zouden verstoren.

Elektrisch gestimuleerde dopamine-afgifte wordt verzwakt in acute coronale hersenplakjes van obese ratten met een dieet

Fig. 3A toont representatieve amperometrische sporen van nucleus accumbens schaalschijven van normale vs. obese obesitas-ratten (n= 30-stimulaties in zeven plakjes versus 24-stimulaties in respectievelijk vijf plakjes). Cafetaria DIO-ratten hadden een lagere elektrisch opgewekte dopamine-afgifte dan laboratorium-ratten met chow-voeding (12 × 106± x 4 106 versus 25 × 106± x 6 106 moleculen; Fig. 3B, F(1,52) = 2.1428, P<0.05). Dit verschil in opgewekte dopamine-afgifte weerspiegelt zowel een afname van de gebeurtenisamplitude (5.16 ± 1.10 pA in cafetaria DIO-ratten versus 7.06 ± 0.80 pA in laboratoriumratten die voer met voer); Fig. 3C, F(1,52) = 2.4472, P<0.05) en breedte (2.45 ± 0.73 s in DIO-ratten in de cafetaria versus 4.43 ± 0.70 s in laboratoriumratten met voer, Fig. 3D, F(1,52) = 3.851, P<0.05).

Fig 3 

Evolutie van dopamine uit de nucleus accumbens in hersenschijfjes (A) Representatieve sporen van acute coronale nucleus accumbens plakjes van chow-fed dieren (boven; n= 30-stimulaties in zeven plakjes) en cafetaria DIO-dieren (onderaan; n= 24-stimulaties ...

Fig 4 laat zien dat dezelfde trends aanwezig waren in dorsale striatale plakjes van de met obesitas gepaard gaande ratten. Representatieve sporen van het door het laboratorium gevoede voer (n= 31-stimulaties in zeven plakjes) en cafetaria DIO (n= 15-stimulaties in vier plakjes) groepen worden getoond in Fig. 4A. De elektrisch opgewekte dopamine-afgifte uit het striatum was 0.8 × 106± x 0.1 106 in cafetaria DIO-ratten versus 44 × 106± x 11 106 moleculen (Fig. 4B, F(1,45) = 6.0546, P<0.01) bij dieren die voer in het laboratorium. Dit weerspiegelt wederom een ​​afname in zowel de amplitude van de gebeurtenis (2.77 ± 0.42 vs. 9.20 ± 1.88 pA; F(1,45) = 7.8468, P<0.01) en breedte (0.22 ± 0.03 vs. 5.90 ± 0.98 s; F(1,45) = 17.2823, P<= 0.01) in de cafetaria DIO-groep (Fig. 4C, 4D).

Fig 4 

Evolutie van dopamine uit het dorsale striatum in hersenplakjes. (A) Representatieve sporen van acute coronale dorsale striatumschijfjes van chow-fed dieren (boven; n= 31-stimulaties in zeven plakjes) en cafetaria DIO-dieren (onderaan; n= 15-stimulaties in ...

Potassium-gestimuleerde dopamineafgifte in weefsel micropunching is verminderd in de nucleus accumbens en striatum van obese obese ratten

Extracellulaire dopaminegehalten na KCl-stimulatie werden gemeten met HPLC-EC en zijn weergegeven in Fig 5. Extracellulaire dopaminespiegels waren 0.16 ± 0.08 pmol / monster in de accumbens micropunches van zwaarlijvige dieren (n= 10 micropunches) vergeleken met 0.65 ± 0.23 pmol / monster in de micropunches van de controledieren (n= 11 micropunches; Fig. 5A; F(1,19) = 4.1911, P<0.01). Extracellulaire dopamine-niveaus waren 5.9 ± 1.7 pmol / monster in de striatale micropunches van zwaarlijvige (n= 8 micropunches) ratten en 11.3 ± 1.9 pmol / monster in dezelfde site van controle (n= 11 micropunches) ratten (Fig. 5B; F(1,17) = 7.5064, P<0.01).

Fig 5 

Extracellulaire dopaminegehalten door microkweek met door kalium gestimuleerde weefsel. Hoeveelheid dopamine afgegeven door (A) nucleus accumbens (n= 11 micropunches van elke groep) en (B) dorsale striatum (n= 8 micropunches van zwaarlijvig en n= 11 micropunches van bedieningselementen) ...

DISCUSSIE

In deze studie kregen ratten te zwaar door het eten van een cafetariadieet met een voorkeur voor koolhydraatrijk voedsel. In hun overgewichtstoestand hadden ze een lagere basale extracellulaire dopamine en ook chow-gestimuleerde of door amfetamine gestimuleerde dopamine in de nucleus accumbens. In onderzoeken waarbij drugs worden misbruikt, zullen dieren werken om het dopaminegehalte in de nucleus accumbens boven een bepaald niveau te houden (Wise et al., 1995a,b; Ranaldi et al., 1999). In de huidige studie is de misbruikte "substantie" smakelijk voedsel, dus de lage extracellulaire dopamine in de accumbens leidt tot een verhoogde consumptie van smakelijk voedsel.

Zwaarlijvige ratten vertoonden ook verzwakte niveaus van elektrisch gestimuleerd dopamine in hersenschijfjes en kaliumgestimuleerde gestimuleerde dopamine in micro-uitjes van weefsels van de nucleus accumbens en dorsale striatum. Een centraal presynaptisch tekort bij dopamine-exocytose is daarom evident bij obesitas bij de voeding, aangezien depressie van opgewekte dopamine-afgifte aanwezig is in vivo, in acute striatale en ophopende hersenplakjes en in micro-lanceringen van weefsel van obese dieren met dieet. We hebben een vergelijkbaar effect gezien in een genetisch model van aanleg voor obesitas. In dit model zijn mRNA en eiwitexpressie van regulatoren van dopamine-synthese en exocytose waaronder tyrosine hydroxylase en de neuronale vesiculaire monoaminetransporter (VMAT2) verminderd in ventrale tegmentale gebieden (VTA) dopamine-neuronen van dieren die gevoelig zijn voor obesitas (Geiger et al., 2008). Een andere mogelijke plaats van pre-synaptische verandering is de plasmamembraan dopamine heropname transporter, DAT. De slice-elektrofysiologiestudies stellen ons in staat onderscheid te maken tussen verschillen in dopamine-afgifte versus heropnamekinetiek. Het verschil in piekbreedte suggereert in principe dat dieren met obesitas van dieren niet alleen minder geëvokeerde afgifte maar ook veranderingen in heropname kunnen hebben als gevolg van verschillen in actieve DAT-transporterplaatsen op het plasmamembraan. In Zucker vet (fa / fa) ratten, verhoogde mRNA-waarden van de DAT-transporter zijn gemeld in de VTA (Figlewicz et al., 1998). De mogelijkheid van verhoogde dopamineklaring is compatibel met het afgenomen opgewekte dopaminesignaal in DIO-ratten in het onderhavige onderzoek.

We moeten opmerken dat het dopamine-vrijmakende vermogen van amfetamine niet verzwakt was bij de obese dieren (in termen van procentuele verandering ten opzichte van de uitgangswaarde) en dit kan samenzweren met de lagere absolute waarden voor dopamine om de motivatie van zwaarlijvige dieren te stimuleren om dopamine-afgevende stimuli te verkrijgen. Amfetamine is een zwakke base die dopamine van de vesicles naar het cytosol verplaatst en leidt tot toename van extracellulaire dopamine via reverse transport (Sulzer en Rayport, 1990). In gevallen van ernstige tekorten in dopamine vesiculaire pools, zoals bijvoorbeeld in het geval van de vesiculaire transporter VMAT2 deficiënte muizen, stimuleert injectie van amfetamine tijdelijk nieuwe dopaminesynthese in het cytosol (Fon et al., 1997). Een door amfetamine geïnduceerde voorbijgaande toename van cytosolisch dopamine kan de tijdelijke toename in procentuele verandering van accumbens dopamine in de zwaarlijvige dieren verklaren ten opzichte van die waargenomen bij dieren met een normaal gewicht en kan bijdragen aan de gevoeligheid van de obese dieren voor dopamine afgevende stimuli samen met de lagere absolute extracellulaire cellen. dopamine niveaus in de accumbens.

Wat zijn de mechanismen die waarschijnlijk het presynaptische dopaminedeficiëntie bij obese dieren mediëren en hun voedingsvoorkeuren beïnvloeden? Het verband tussen voedselvoorkeur en nucleus accumbens dopamine wordt duidelijk aangetoond in de afgestompte respons van de obese dieren met dieetvoeding om te chow, maar niet voor een smakelijk dieet. Onze bevindingen complementeren recent werk dat aantoont dat een dopamine D1-type receptor (D1) receptoragonist de voorkeur van ratten voor zeer smakelijk voedsel verhoogde (Cooper en Al-Naser, 2006). Daarnaast wordt nucleus accumbens dopamine geactiveerd bij ratten die getraind zijn om te binge op sucrose (Avena et al., 2008), wat de betrokkenheid van centrale dopamine bij de voorkeur voor smakelijk voedsel rijk aan koolhydraten verder ondersteunt. We hebben het centrale dopamine-tekort aangetoond dat in de huidige studie werd gerapporteerd in aanvullende modellen van obesitas, waaronder de ob / ob leptine-deficiënte muis en de ingeteelde obesitas-gevoelige rat (Fulton et al., 2006; Geiger et al., 2008). Dus een mogelijk signaal dat smakelijke voedselconsumptie koppelt en acclamens dopamine-afgifte kan leptine zijn. Bij mensen met een aangeboren leptinedeficiëntie, vermindert de vervanging van leptine hun hyperfagie en verandert de activering van hun ventrale striatum met betrekking tot de visualisatie van smakelijk voedsel (Farooqi et al., 2007). Bij ratten is ook aangetoond dat leptine de zelftoediening van sucrose vermindert (Figlewicz et al., 2006, 2007). Andere orexigene inputs zoals ghrelin en orexin zijn ook aangetoond betrokken te zijn bij de activatie van het dopaminesysteem van de middenhersenen (Rada et al., 1998; Helm et al., 2003; Abizaid et al., 2006; Narita et al., 2006). Het zou interessant zijn om verder te onderzoeken of het omschakelen van obese dieren naar een normale laboratoriumvoeding op chronische basis hun voorkeur voor smakelijke voeding en de daarmee samenhangende accumbens dopamine respons zou behouden onafhankelijk van de verwachte veranderingen in leptine, ghreline of orexine en andere signalen gerelateerd aan eetlustregulatie.

CONCLUSIE

Concluderend tonen de bevindingen in dit onderzoek aan dat het mesolimbische dopaminesysteem een ​​cruciale rol speelt in de voorkeur voor energierijke diëten, hyperfagie en de resulterende obesitas bij het eten. De nucleus accumbens en dorsale striatum dopaminerge neurotransmissie zijn depressief bij obese ratten met een dieet. De dieren kunnen de dopaminegehalten tijdelijk herstellen door zeer smakelijk, energierijk voedsel te eten. Deze resultaten suggereren dat selectieve targeting van presynaptische regulatoren van het mesolimbische dopaminesysteem een ​​veelbelovende aanpak is voor de behandeling van obesitas bij obesitas.

Dankwoord

Dit werk werd ondersteund door DK065872 (ENP), F31 DA023760 (BMG, ENP), een Smith Family Foundation Award of Excellence in Biomedical Research (ENP) en P30 NS047243 (Tufts Center for Neuroscience Research).

Afkortingen

  • aCSF
  • kunstmatige hersenvocht
  • DAT
  • dopamine plasmamembraan transporter
  • GOD
  • dieet-geïnduceerde obesitas
  • DOPAC
  • dihydroxyfenylazijnzuur
  • HPLC-EC
  • hoge prestatie vloeistofchromatografie met elektrochemische detectie
  • HVA
  • homovanillinezuur
  • VMAT2
  • neuronale vesiculaire monoamine transporter
  • VTA
  • ventrale tegmental gebied

REFERENTIES

  1. Abizaid A, Liu ZW, Andrews ZB, Shanabrough M, Borok E, Elsworth JD, Roth RH, Sleeman MW, Picciotto MR, Tschop MH, Gao XB, Horvath TL. Ghreline moduleert de activiteit en synaptische inputorganisatie van dopamineneuronen van de middenhersenen en bevordert de eetlust. J Clin Invest. 2006, 116: 3229-3239. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  2. Avena NM, Rada P, Hoebel BG. Bewijs voor suikerverslaving: gedrags- en neurochemische effecten van intermitterende, overmatige suikerinname. Neurosci Biobehav Rev. 2008; 32: 20-39. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  3. Bradberry CW, Gruen RJ, Berridge CW, Roth RH. Individuele verschillen in gedragsmaten: correlaties met nucleus accumbens dopamine gemeten door microdialyse. Pharmacol Biochem Behav. 1991, 39: 877-882. [PubMed]
  4. Ciolkowski EL, Maness KM, Cahill PS, Wightman RM, Evans DH, Fosset B, Amatore C. Disproportionering tijdens elektro-oxidatie van catecholaminen bij koolstofvezel micro-elektroden. Anal Chem. 1994, 66: 3611-3617.
  5. Cooper SJ, Al-Naser HA. Dopaminerge controle van voedselkeuze: contrasterende effecten van SKF 38,393 en quinpirol op voedselvriendelijkheid in de rat. Neurofarmacologie. 2006, 50: 953-963. [PubMed]
  6. Farooqi IS, Bullmore E, Keogh J, Gillard J, O'Rahilly S, Fletcher PC. Leptine reguleert striatale regio's en menselijk eetgedrag. Wetenschap. 2007, 317: 1355. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  7. Figlewicz DP, Bennett JL, Naleid AM, Davis C, Grimm JW. Intraventriculaire insuline en leptine verminderen de zelftoediening van sucrose bij ratten. Physiol Behav. 2006, 89: 611-616. [PubMed]
  8. Figlewicz DP, MacDonald Naleid A, Sipols AJ. Modulatie van voedselbeloning door adipositasignalen. Physiol Behav. 2007, 91: 473-478. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  9. Figlewicz DP, Patterson TA, Johnson LB, Zavosh A, Israel PA, Szot P. Dopamine transporter mRNA is verhoogd in het CZS van Zucker-vette (fa / fa) ratten. Brain Res Bull. 1998, 46: 199-202. [PubMed]
  10. Fon EA, Pothos NL, Sun BC, Killeen N, Sulzer D, Edwards RH. Het vesiculaire transport reguleert de opslag en afgifte van monoaminen, maar is niet essentieel voor de werking van amfetamine. Neuron. 1997, 19: 1271-1283. [PubMed]
  11. Fulton S, Pissios P, Manchon RP, Stiles L, Frank L, Pothos NL, Maratos-Flier E, Flier JS. Leptin regulatie van de mesoaccumbens dopamine pathway. Neuron. 2006, 51: 811-822. [PubMed]
  12. Geiger BM, Behr GG, Frank LE, Caldera-Siu AD, Beinfeld MC, Kokkotou EG, Pothos EN. Bewijs voor defecte mesolimbische dopamine-exocytose bij obesitas-gevoelige ratten. FASEB J. 2008; 22: 2740-2746. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  13. Helm KA, Rada P, Hoebel BG. Cholecystokinine in combinatie met serotonine in de hypothalamus beperkt accumbens dopamine-afgifte en verhoogt acetylcholine: een mogelijk verzadigingsmechanisme. Brain Res. 2003, 963: 290-297. [PubMed]
  14. Hernandez L, Hoebel BG. Voedende en hypothalamische stimulatie verhogen de dopamine-omzet in de accumbens. Physiol Behav. 1988, 44: 599-606. [PubMed]
  15. Hernandez L, Stanley BG, Hoebel BG. Een kleine verwijderbare microdialysesonde. Life Sci. 1986, 39: 2629-2637. [PubMed]
  16. Hoebel BG, Avena NM, Rada P. Accumbens dopamine-acetylcholine balans bij benadering en vermijding. Curr Opin Pharmacol. 2007, 7: 617-627. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  17. Kelley AE, Berridge KC. De neurowetenschap van natuurlijke beloningen: relevantie voor verslavende drugs. J Neurosci. 2002, 22: 3306-3311. [PubMed]
  18. Martel P, Fantino M. Invloed van de hoeveelheid voedsel ingenomen op mesolimbische dopaminerge systeemactiviteit: een microdialyseonderzoek. Pharmacol Biochem Behav. 1996, 55: 297-302. [PubMed]
  19. Mogenson GJ, Wu M. Neurofarmacologisch en elektrofysiologisch bewijs dat impliceert dat het mesolimbische dopaminesysteem in voedingsreacties wordt opgewekt door elektrische stimulatie van de mediale voorhersenenbundel. Brain Res. 1982, 253: 243-251. [PubMed]
  20. Narita M, Nagumo Y, Hashimoto S, Narita M, Khotib J, Miyatake M, Sakurai T, Yanagisawa M, Nakamachi T, Shioda S, Suzuki T. Directe betrokkenheid van orexinergische systemen bij de activatie van de mesolimbische dopamineroute en gerelateerd gedrag dat wordt geïnduceerd door morfine. J Neurosci. 2006, 26: 398-405. [PubMed]
  21. Paxinos G, Watson C. De hersenen van de rat in stereotaxische coördinaten. Amsterdam: Academic Press; 2007.
  22. Rada P, Mark GP, Hoebel BG. Galanine in de hypothalamus verhoogt dopamine en verlaagt acetylcholine-afgifte in de nucleus accumbens: een mogelijk mechanisme voor hypothalamische initiatie van voedingsgedrag. Brain Res. 1998, 798: 1-6. [PubMed]
  23. Radhakishun FS, van-Ree JM, Westerink BH. Gepland eten verhoogt de dopamine-afgifte in de nucleus accumbens van voedselarme ratten, zoals vastgesteld met online hersendialyse. Neurosci Lett. 1988, 85: 351-356. [PubMed]
  24. Ranaldi R, Pocock D, Zereik R, Wise RA. Dopamine-fluctuaties in de nucleus accumbens tijdens onderhoud, extinctie en herstel van intraveneuze D-amfetamine zelftoediening. J Neurosci. 1999, 19: 4102-4109. [PubMed]
  25. Salamone JD, Steinpreis RE, McCullough LD, Smith P, Grebel D, Mahan K. Haloperidol en nucleus accumbens dopamine-uitputting onderdrukt het persen van de hendel voor voedsel, maar verhoogt de vrije voedselconsumptie in een nieuwe voedingskeuzeprocedure. Psychopharmacology. 1991, 104: 515-521. [PubMed]
  26. Sclafani A, Springer D. Dieet-obesitas bij volwassen ratten: overeenkomsten met hypothalamische en menselijke obesitas-syndromen. Physiol Behav. 1976, 17: 461-471. [PubMed]
  27. Sulzer D, Rayport S. Amphetamine en andere psychostimulantia verminderen pH-gradiënten in dopaminerge neuronen en chromaffinekorreltjes van de middenhersenen: een werkingsmechanisme. Neuron. 1990, 5: 797-808. [PubMed]
  28. Wise RA, Leone P, Rivest R, Leeb K. Verhogingen van nucleus accumbens dopamine en DOPAC niveaus tijdens intraveneuze heroïne zelftoediening. Synapse. 1995a; 21: 140-148. [PubMed]
  29. Wise RA, Newton P, Leeb K, Burnette B, Pocock D, Justice JB., Jr Fluctuations in nucleus accumbens dopamine concentration during intravenous cocaine self-administration in ratten. Psychopharmacology (Berl) 1995b; 120: 10-20. [PubMed]