Wetenschappelijke rapporten 5, Artikelnummer: 10041 (2015)
doi: 10.1038 / srep10041
AbstrDe snackvoeding-aardappelchips induceert voedselopname bij ad libitum gevoede ratten, wat wordt geassocieerd met modulatie van het beloningssysteem van de hersenen en andere circuits. Hier laten we zien dat de voedselinname bij verzadigde ratten wordt veroorzaakt door een optimale vet/koolhydraatverhouding. Net als aardappelchips beïnvloedde een isocalorisch vet/koolhydraatmengsel het hele hersenactiviteitspatroon van ratten, en beïnvloedde circuits die bijvoorbeeld verband houden met beloning/verslaving, maar het aantal gemoduleerde gebieden en de mate van modulatie was lager in vergelijking met het tussendoortje zelf.
Introductie
Ad libitum beschikbaarheid van smakelijk voedsel kan leiden tot hedonische hyperfagie, dwz verhoogde energie-inname en bijgevolg verhoogde lichaamsgewichtstoename als gevolg van een verandering in het gedragspatroon van voedselinname1. Om voedselinname verder te stimuleren dan verzadiging, moeten er factoren bij betrokken zijn die de homeostatische energiebalans en verzadiging overrulen via verschillende signaalroutes van een niet-homeostatisch beloningssysteem2. Zoals eerder aangetoond, moduleert de inname van de snackvoeding-aardappelchips sterk de activiteit binnen het hersenbeloningssysteem bij ad libitum gevoede ratten. Bovendien leidt het tot aanzienlijk verschillende activering van hersengebieden die de voedselinname, verzadiging, slaap en bewegingsactiviteit reguleren3. Gedragsstudies bevestigden dat de energie-inname en voedingsgerelateerde bewegingsactiviteit verhoogd waren wanneer chips beschikbaar waren3. Hoewel de neurobiologische regulatie van voedselinname veel complexer is dan de regulatie van drugsverslaving, zijn enkele opvallende overlappingen van neurofysiologische mechanismen, hersenactiveringspatronen en gedragsconsequenties controversieel besproken4,5,6,7. Het betrokken hersencircuit wordt sterk geactiveerd door voedselinname na restrictie, maar vooral ook door de inname van zeer smakelijke voedingsmiddelen8,9,10. Over het algemeen is zeer smakelijk voedsel hoogcalorisch en/of rijk aan vetten en/of koolhydraten. Er is dus verondersteld dat de energiedichtheid van het voedsel de cruciale factor kan zijn die voedselinname veroorzaakt die verder gaat dan verzadiging, wat resulteert in een verhoogd gewicht en uiteindelijk in obesitas.11,12.
Een recent gedragsonderzoek heeft aangetoond dat vetten en koolhydraten de belangrijkste moleculaire bepalende factoren zijn voor de smakelijkheid van tussendoortjes13. Verder wordt het energiegehalte van chips vooral (94%) bepaald door het vet- en koolhydraatgehalte. Daarom zou kunnen worden aangenomen dat de energie-inhoud de drijvende kracht is achter hedonische hyperfagie in het geval van chips. Daarom hebben we gedragsvoorkeurstests uitgevoerd om de inname van voedingsmiddelen met verschillende vet-/koolhydraatgehalten te onderzoeken en hebben we magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -metingen uitgevoerd om de modulatie van volledige hersenactiviteit bij ratten te onderzoeken.
Resultaten en discussie
Voor voorkeurstests werd poedervormig standaardvoer (STD) aan elk testvoer toegevoegd (1:1) om de invloed van organoleptische eigenschappen uit te sluiten (Fig. 1a)13. Eerder was al aangetoond dat de volgorde en duur van de testafleveringen geen invloed hadden op de uitkomst13. Aanvankelijk nam de relatieve inname toe met toenemend vet- en daarmee energiegehalte van de testvoedingen met een maximum bij een samenstelling van 35% vet en 45% koolhydraten. Hogere vetgehalten leidden echter tot een verminderde voedselinname (Fig. 1a). Omdat vet een hogere energiedichtheid heeft dan koolhydraten, geven deze bevindingen aan dat de energie-inhoud niet de enige bepalende factor is voor de voedselinname bij niet-achtergestelde ratten. Opmerkelijk genoeg kwam de gemiddelde vet/koolhydraat-verhouding van de meest aantrekkelijke testvoedingsmiddelen bijna exact overeen met de samenstelling van chips (Fig. 1a). Het moet nog worden onderzocht of bovenstaande conclusie kan worden uitgebreid naar andere voedingsproducten met een vergelijkbare vet/koolhydraatverhouding, zoals chocolade of andere snacks.
Figuur 1: (a) Activiteit van testvoedingsmiddelen met verschillende vet/koolhydraatverhoudingen om extra voedselinname te induceren tijdens kortetermijntestvoedselpresentatie (10 minuten) in tweekeuze-voorkeurstests.
Verschillen in energie-inname per testvoer ten opzichte van de referentie (17.5% vet, 32.5% koolhydraten en 50% SOA) worden weergegeven als relatieve bijdrage van het betreffende testvoer aan de totale inname van test- en referentievoer (gemiddelde ± SD). Hieronder wordt de samenstelling van testvoeding weergegeven en wordt de meest aantrekkelijke gemiddelde samenstelling vergeleken met de samenstelling van chips. (b) Energie-inname en respectievelijke voedingsgerelateerde locomotorische activiteit tijdens fasen van 7 dagen continue presentatie van testvoedsel. Beide factoren komen tot uiting in hun afhankelijkheid van de testvoeding [standaard voer (STD) of een mengsel van 35% vet en 65% koolhydraten (FCH)] in de trainingsfase (TP) en de mangaanfase (MnP) tijdens de 12/ 12 uur licht/donker cycli gedurende 7 dagen. Gegevens tonen het gemiddelde ± SD van 16 dieren in 4 kooien op 7 opeenvolgende dagen. Bovendien worden overeenkomstige statistische gegevens weergegeven (**p < 0.01, ***p < 0.001, ns = niet significant).
Afbeelding op volledige grootte
We hebben onlangs aangetoond dat de consumptie van chips in ad libitum gevoede ratten de hele hersenactiviteit sterk moduleert, voornamelijk van invloed op het beloningscircuit en systemen die verband houden met voedselinname, slaap en bewegingsactiviteit3. Daarom onderzocht de huidige studie de impact van de vet/koolhydraatverhouding van het testvoedsel op deze modulaties. Voor dit doel werden ad libitum gevoede ratten blootgesteld aan een testvoer dat 35% vet en 65% koolhydraten (FCH) bevatte als een bijna isocalorisch (565 vs. 535 kcal/100 g) model voor chips. Een controlegroep kreeg in plaats daarvan SOA in poedervorm. Daarna werden veranderingen in het hele hersenactiviteitspatroon tijdens de voedingsfase geregistreerd door mangaan-versterkte magnetische resonantie beeldvorming (MEMRI)14,15 zoals eerder beschreven3. Volgens het studieontwerp getoond in Fig. 1b, werd een trainingsfase (TP) waarbij de testvoedingen ad libitum werden aangeboden gevolgd door een tussenfase zonder testvoeding (elk zeven dagen). Voorafgaand aan de MEMRI-meting werd het contrastmiddel mangaanchloride toegediend door dorsaal subcutaan geïmplanteerde osmotische pompen om de geïntegreerde hersenactiviteit gedurende de volgende zeven dagen in kaart te brengen. Tijdens deze mangaanfase (MnP) hadden de ratten weer toegang tot hun reeds bekende testvoer. Gedurende de hele studie waren standaardvoer in pellets en kraanwater ad libitum beschikbaar (Fig. 1b). Deze testopstelling vergeleek zowel de energie-inname als het volledige hersenactiviteitspatroon van beide groepen en resulteerde in een significant verhoogde energie-inname in de FCH-groep tijdens TP en MnP in de lichte en donkere cyclus van de dag in vergelijking met de controlegroep (Fig. 1b). Bovendien werd de locomotorische activiteit van enkele ratten in de buurt van de voedseldispensers geteld. In tegenstelling tot andere locomotorische assays, zoals de open veldtest die algemene locomotorische activiteit en angst meet, weerspiegelt de voedingsgerelateerde locomotorische activiteit, die in de huidige studie werd beoordeeld, eerder voedselzoekend gedrag. Voedingsgerelateerde locomotorische activiteit was echter slechts licht verhoogd wanneer FCH beschikbaar was in plaats van gepoederde STD tijdens de donkere cyclus van TP (gemiddelde locomotorische activiteit [telt] STD 205 ± 46, FCH 230 ± 41, n = 4, p = 0.0633 ) en MnP (gemiddelde bewegingsactiviteit [telt] STD 155 ± 24, FCH 164 ± 17, n = 4, p = 0.2123) (Fig. 1b). Daarentegen leidde de toegang tot chips tot een veel hogere voedingsgerelateerde locomotorische activiteit in vergelijking met dezelfde SOA-controlegroep tijdens de donkere cyclus3, wat significant was in zowel TP (gemiddelde locomotorische activiteit [telt] STD 205 ± 46, chips 290 ± 52, n = 4, p < 0.001) als in MnP (gemiddelde locomotorische activiteit [telt] STD 155 ± 24, chips 197 ± 29, n = 4, p = 0.0011). Er kan dus worden geconcludeerd dat de vet/koolhydraat-verhouding bepalend is voor de smakelijkheid van chips, maar dat het eetgedrag ook wordt beïnvloed door andere componenten in snacks. Het blijft echter speculatief of deze verschillen betrekking hebben op "willen"- en "liken"-aspecten van voedselinname16.
Monitoring van de gehele hersenactiviteit door MEMRI onthulde significante verschillen in de activering van hersengebieden door de inname van FCH in vergelijking met SOA (Fig. 2a, b, Fig 3, eerste kolom, Tabel 1). De huidige resultaten werden vergeleken met eerdere MEMRI-analyses van de modulatie van het hersenactiviteitspatroon tijdens de inname van chips versus SOA onder precies dezelfde omstandigheden3. De eerstgenoemde gegevens staan vermeld in de tweede kolom van Fig. 2 en 3. Hoewel FCH een vergelijkbare vet/koolhydraatverhouding en bijna identieke energiedichtheid had in vergelijking met chips, activeerde FCH een veel kleiner aantal (33) hersengebieden significant anders dan SOA dan chips (78 gebieden, Fig 2). Effecten werden gedetecteerd in de functionele groepen gerelateerd aan beloning en verslaving (Fig. 3a), voedselinname (Fig. 3b), slaap (Fig. 3c), en bewegingsactiviteit (Fig. 3d). Figuur 2b toont een overzicht van alle significant verschillend geactiveerde hersengebieden waarbij de effecten van respectievelijk FCH en chips worden vergeleken met die van SOA. Bovendien verschilt de fractionele verandering in activering, dwz de opname van mangaan als gevolg van neuronale activiteit, doorslaggevend met betrekking tot de consumptie van FCH vs. STD in vergelijking met chips vs. STD (Fig 3, derde kolom). De nucleus accumbens wordt beschouwd als een hoofdstructuur van het beloningssysteem17. De consumptie van FCH leidde tot een significant 7.8-voudige verhoogde activering in een van de vier substructuren, de kernsubregio van de linkerhersenhelft. De toename in de shell-subregio's en in de core-subregio van de rechterhersenhelft was niet significant (Fig. 3a). De inname van chips onder vergelijkbare omstandigheden leidde ook verreweg tot de hoogste activatie van de linker kernsubregio van de nucleus accumbens. In vergelijking met FCH was het activeringsniveau in deze onderbouw echter zelfs twee keer zo hoog. In tegenstelling tot FCH waren de drie andere substructuren ook significant geactiveerd in vergelijking met de controle (Fig. 3a). Er kan dus worden geconcludeerd dat FCH beloningssystemen in de hersenen activeert, maar met een kleiner effect dan chips. Deze conclusie wordt ook weerspiegeld door andere structuren van het belonings-/verslavingssysteem, die aanzienlijk werden geactiveerd door de inname van chips en FCH, zoals de bedkern van stria terminalis (linkerhersenhelft).17,18, het dorsale subiculum19of de prelimbische cortex (rechter en linker hemisfeer)20. Andere hersenstructuren werden daarentegen niet significant beïnvloed door de inname van FCH, hoewel ze belangrijke componenten zijn van de beloningscircuits en duidelijk werden gemoduleerd door de inname van chips, zoals het ventrale pallidum, het ventrale tegmentale gebied of het caudate putamen (Tabel 1)3.
Afbeelding 2: (a) Aanzienlijk verschillend geactiveerde hersengebieden (mengsel van 35% vet/65% koolhydraten (FCH) vs. standaardvoer (STD) en chips vs. STD3) door een op voxel gebaseerde morfometrische analyse, geïllustreerd voor drie plakjes die worden weergegeven in het gemiddelde hersenoppervlak van ratten.
Gemiddelde gegevens van de voedselgroep vet/koolhydraat (FCH, linkerkolom) worden vergeleken met veranderingen in het hersenactiviteitspatroon veroorzaakt door chips onder dezelfde omstandigheden (beoordeeld door Hoch et al. 20133, rechterkolom). (b) 3D-verdeling van significant verschillend geactiveerde hersengebieden weergegeven in axiale en sagittale weergave (35% vet/65% koolhydraten testvoeding FCH vs. STD, linkerkolom, en chips vs. STD, rechterkolom, beoordeeld door Hoch et al. 20133). Blauwe bolletjes symboliseren hersengebieden met lagere, rode bolletjes hersengebieden met hogere activiteit na inname van het respectievelijke testvoedsel FCH of chips3, elk vergeleken met SOA. De grootte van de bollen symboliseert significantieniveaus (klein: p ≤ 0.05, medium: p ≤ 0.01, groot: p ≤ 0.001, n = 16).
Afbeelding op volledige grootte
Figuur 3: Hersengebieden toegewezen aan de functionele groepen (a) "beloning en verslaving", (b) "voedselinname", (c) "slaap" en (d) "locomotorische activiteit" op een schematisch sagittaal beeld van de rat hersenen met significant verschillende (p < 0.05) mangaanaccumulatie in hersenstructuren van ad libitum gevoede ratten met extra toegang tot 35% vet/65% koolhydraten testvoer (FCH, eerste kolom) of het snackvoedsel chips (beoordeeld door Hoch c.s.. 20133, tweede kolom).
Rode rechthoeken symboliseren hersengebieden die aanzienlijk worden geactiveerd door de snackfood-aardappelchips of FCH, beide versus gepoederde standaard chow (STD), blauwe rechthoeken respectieve hersengebieden met hogere activiteit als gevolg van de inname van gepoederde SOA versus snackvoedselaardappelchips of FCH. Driehoeken die aan de rechthoeken links en/of rechts zijn bevestigd, geven het halfrond van significante verschillen aan. Rechthoeken zonder driehoeken vertegenwoordigen centrale hersenstructuren. De derde kolom toont de fractionele verandering van respectievelijk snacks en FCH versus SOA (***p < 0.001, **p < 0.01, *p < 0.05, n = 16). Acb-kern: kerngebied van de nucleus accumbens; Acb-schaal: schaalgebied van de nucleus accumbens, boog: boogvormige hypothalamische kern, BNST: bedkern van stria terminalis, CgCx: cingulate cortex, CPu: caudate putamen (stratium), DS: dorsaal subiculum, Gi: gigantocellulaire kern, GPV: ventrale pallidum, HyDM: dorsomediale hypothalamus, HyL: laterale hypothalamus, IlCx: infralimbische cortex, InsCx: insulaire cortex, IP: interpeduncular nucleus, LPBN: laterale parabrachiale nucleus, LPGi: laterale paragigantocellulaire nucleus, LRt: laterale reticulaire nucleus, MCx1: primaire motorische cortex , MCx2: secundaire motorische cortex, OrbCx: orbitale cortex, PCRt: parvicellulaire reticulaire nucleus, PnO: pontine reticulaire nucleus oraal, PrlCx: prelimbische cortex, PTA: pretectaal gebied, PVN: paraventriculaire thalamische nucleus anterior, Raphe: raphe nucleus, Septum: septum , Sol: solitair kanaal, Teg: tegmentale kernen, thMD: mediodorsale thalamus, VS: ventrale subiculum, VTA: ventrale tegmentale gebied, ZI: zona incerta.
Afbeelding op volledige grootte
Tabel 1: Z-scores van significant verschillend geactiveerde hersengebieden die ratten vergelijken met toegang tot alleen standaardvoer of tot een mengsel van vet en koolhydraten en de respectieve p-waarden van t-statistieken, n = 16.
Vergelijkbare conclusies kunnen worden getrokken uit de analyse van hersencircuits die verband houden met voedselinname. Zo kunnen de dorsomediale hypothalamus, het septum en de paraventriculaire thalamische kern, die werden geactiveerd tijdens de inname van FCH en chips, worden gekoppeld aan de controle van de voedselinname21,22. Maar nogmaals, FCH slaagde er niet in andere structuren van de verzadigingscircuits te moduleren, die werden gedeactiveerd door chips, zoals de boogvormige hypothalamuskern of het eenzame kanaal. Bovendien was de activeringsintensiteit bij FCH lager dan bij chips, wat bijvoorbeeld tot uiting kwam in een 2.3 maal significant hogere activering van de paraventriculaire thalamische nucleus anterior (Fig. 3b). Deze gegevens suggereren dat FCH hersenstructuren gerelateerd aan voedselinname anders moduleert dan SOA, een effect dat kan worden weerspiegeld door de hogere energie-inname door FCH (Fig. 1b).
De inname van FCH leidde ook tot een sterke deactivering van hersenstructuren die verband houden met slaap. Sommige hersengebieden werden alleen gedeactiveerd door FCH, zoals de zona incerta (Fig. 3c), terwijl andere gebieden alleen werden gedeactiveerd door chips, zoals de tegmentale kernen. Hoewel acht slaapgerelateerde structuren werden gemoduleerd door FCH en elf door chips, lijkt het effect van beide testvoedingen in een vergelijkbaar bereik te liggen. Omdat dit resultaat niet werd verwacht, werd de slaapduur niet gemeten in de huidige studie, zodat het niet duidelijk is of de FCH-geïnduceerde modulatie van slaapcircuits correleert met een modulatie van slaapgedrag.
Hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor bewegingsactiviteit en beweging in het algemeen werden niet significant beïnvloed door de inname van FCH in vergelijking met SOA (Fig. 3d, eerste kolom). Dit komt overeen met de gedragswaarnemingen dat FCH slechts een licht, maar niet-significant hogere voedselgerelateerde locomotorische activiteit induceerde in vergelijking met SOA (Fig. 1b). Daarentegen werd aangetoond dat de activering van de structuren van het motorsysteem in de hersenen van ratten met toegang tot chips gepaard ging met een verhoogde voedingsgerelateerde locomotorische activiteit.3.
Het is niet helemaal duidelijk of het waargenomen activeringspatroon verband houdt met hedonische hyperfagie. In tegenstelling tot homeostatische voedselinname, die wordt gecontroleerd door het energieniveau van het organisme, wordt hedonistische voedselinname gemedieerd door de beloning die door sommige voedingsmiddelen wordt gegenereerd.23. Omdat hedonistische voedselinname niet sterk gekoppeld is aan de energiebehoefte, leidt dit vaak tot hyperfagie. Er zijn modellen ontwikkeld die de neurale correlaten van hedonische hyperfagie beschrijven. Berthoud suggereert bijvoorbeeld dat homeostatische voedselinname verband houdt met leptinegevoelige circuits die voornamelijk de arcuate nucleus en de nucleus van het solitaire kanaal omvatten, maar ook een breed scala aan andere gebieden omvatten, waaronder hypothalamische plaatsen, zoals de paraventriculaire nucleus of de nucleus accumbens23,24. Deze homeostatische regulatie van voedselinname kan echter worden overruled door beloningssignalen zoals componenten van leuk vinden en willen25. Het lekker vinden van voedsel was gerelateerd aan mu-opioïde signalering in de nucleus accumbens, ventrale pallidum, parabrachiale nucleus en de nucleus van het solitaire kanaal24, terwijl het gebrek aan voedsel gerelateerd was aan het dopaminesysteem in het ventrale tegmentale gebied, nucleus accumbens, prefrontale cortex, amygdala en hypothalamus. Kenny benadrukte bovendien de bijdrage van de insulaire cortex, die verondersteld wordt informatie over de hedonistische eigenschappen van voedsel op te slaan en mogelijk ook verband houdt met hunkering naar voedsel.10. In tegenstelling tot het hersenactivatiepatroon dat verband houdt met de inname van chips, werden slechts enkele van deze gebieden die verband houden met hedonische hyperfagie daadwerkelijk beïnvloed door de inname van FCH. Daarom zijn uitgebreide gedragsexperimenten nodig om te onderzoeken of de voorkeur van FCH daadwerkelijk gepaard gaat met hyperfagie.
Tot op heden is het niet duidelijk welke moleculaire componenten van chips verantwoordelijk zijn voor de sterkere hersenmodulatie-effecten van dit testvoedsel. Omdat er een gezouten, maar ongekruid product zonder toevoeging van smaakversterkers werd gebruikt, waren naast de hoofdbestanddelen vet en koolhydraten zout, smaakstof en kleine hoeveelheden eiwitten aanwezig. Bovendien moet rekening worden gehouden met moleculaire veranderingen die optreden tijdens de verwerking. Eerder was aangetoond dat de smaak van zout Fos-expressie induceerde in de nucleus accumbens van zoutarme ratten. De inname van zout bij niet-uitgeputte dieren leidde daarentegen niet tot activering van deze structuur van het beloningssysteem26. Bovendien is gemeld dat de inname van zout in vast voedsel eerder een aversief effect veroorzaakte bij ratten27. Daarom lijkt het niet waarschijnlijk dat zout in de huidige experimenten een belangrijke modulator was van het beloningssysteem van de hersenen. De eerder geïntroduceerde tweekeuzevoorkeurstest kan nu dienen om de invloed van andere chipscomponenten op de voedselinname verder te onderzoeken.
We concluderen uit onze gedragsgegevens dat de verhouding vet en koolhydraten, maar niet de absolute energiedichtheid, de belangrijkste bepalende factor is voor de smakelijkheid en inname van snacks tijdens kortetermijntests met twee keuzes bij ratten. Bovendien veroorzaakte de inname van het FCH-mengsel, dat bijna isocalorisch is voor chips, de maximale energie-inname bij ad libitum gevoede ratten, wat gepaard ging met significant verschillende activering van hersenstructuren gerelateerd aan beloning, voedselinname en slaap. De inname van chips onder dezelfde omstandigheden leidde tot een veel groter aantal verschillend geactiveerde hersenstructuren in deze circuits en ook tot een duidelijk hogere fractionele verandering in vergelijking met SOA. Uit de beeldvormingsbenadering kan dus worden geconcludeerd dat alleen de energiedichtheid slechts een matige bepalende factor is voor de lonende eigenschappen van snacks. Hoewel de verhouding van vet en koolhydraten van chips zeer aantrekkelijk lijkt, kan worden verondersteld dat er andere moleculaire determinanten in dit snackvoedsel bestaan, die de activiteit van hersencircuits moduleren, met name het beloningssysteem, nog sterker en leiden tot meer voedsel zoekend gedrag.
Methoden
Ethische uitspraak
Deze studie werd uitgevoerd in strikte overeenstemming met de aanbevelingen van de Gids voor de verzorging en het gebruik van laboratoriumdieren van de National Institutes of Health. Het protocol werd goedgekeurd door de commissie voor de ethiek van dierproeven van de Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (Regierung Mittelfranken, vergunningsnummer: 54-2532.1-28/12).
Voorkeurstest
Voorkeurstests werden uitgevoerd zoals eerder beschreven drie keer per dag tijdens de lichtcyclus gedurende 10 minuten elk met in totaal 20-36 herhalingen per testvoer tegen de referentie13. Dit testschema levert voldoende datapunten op voor de evaluatie van een voedselvoorkeur. De tests werden uitgevoerd met 8 mannelijke Wistar-ratten (2 kooien met elk 4 dieren, 571 ± 41 g, gekocht bij Charles River, Sulzfeld, Duitsland) en gereproduceerd met 10 mannelijke Sprague Dawley-ratten (2 kooien met elk 5 dieren, aanvankelijk gewicht 543 ± 71 g, gekocht bij Charles River, Sulzfeld, Duitsland), die was getraind voor de test. Het aantal dieren dat elke test uitvoerde was dus 18 en het aantal kooien 4 (vier biologische herhalingen). Elk experiment werd 5-6 keer herhaald met elke diergroep. Alle ratten werden gehouden in een 12/12 uur donker/licht cyclus. De ratten hadden toegang tot standaard voerpellets (Altromin 1324, Lage, Duitsland, 4 g/100 g vet (F), 52.5 g/100 g koolhydraten (CH), 19 g/100 g eiwit (P)) naast de voedsel testen en gedurende de hele studie ad libitum water tappen. Testvoedingsmiddelen met verschillende verhoudingen van F (zonnebloemolie, gekocht bij een plaatselijke supermarkt) en CH (maltodextrine, dextrine 15 van maïszetmeel, Fluka, Duitsland), gemengd met 50% STD in poedervorm, werden gebruikt om de respectieve activiteit te vergelijken om voedselinname te induceren . STD in poedervorm werd toegevoegd om textuur- en sensorische invloeden op de consumptie te minimaliseren. Als referentievoer voor alle gedragsvoorkeurentesten werd een mengsel van 50% STD in poedervorm, 17.5% F en 32.5% CH gebruikt, dat een sterk vergelijkbare F/CH-samenstelling heeft als 50% chips in STD en is gebruikt als een model voor 50% chips in STD eerder13. Daarnaast hebben we voedingsmiddelen getest die voor 50% uit STD in poedervorm bestaan met de toevoegingen van de volgende mengsels van F en CH (%F/%CH): 5/45, 10/40, 17.5/32.5, 25/25, 30/20, 35/15, 40/10, 45/5 en 50/0. Gezien de samenstelling van 50% SOA, bevat het referentievoer in totaal (%V/%CH) 20/59, de overige testvoeders 7/71, 12/66, 20/59, 27/51, 32/46, 37 /41, 42/36, 47/31 en 52/26. De inhoud van alle andere componenten van SOA-poeder zoals eiwit (9%), vezels (3%) of mineralen (as, 3.5%) was constant in alle testvoedingen.
De energie-opname afhankelijk van het betreffende testvoer werd berekend door de ingenomen hoeveelheid van het testvoer te vermenigvuldigen met de bijbehorende energie-inhoud. De relatieve bijdrage van één testvoeding aan de som van ingenomen testvoeding en referentie werd berekend door de hoeveelheid van de betreffende testvoeding te delen door de totale inname van testvoeding en referentie.
Registratie van de gedragsgegevens voor energie-opname en voedingsgerelateerde bewegingsactiviteit
Gedragsgegevens werden geregistreerd zoals eerder beschreven3. In het kort werd de inname van testvoer dagelijks gemeten en de energie-inname berekend door vermenigvuldiging van de massa van het ingenomen testvoer met de respectieve energie-inhoud. Voedingsgerelateerde bewegingsactiviteit werd gekwantificeerd via webcambeelden die elke 10 seconden van boven de kooi werden genomen. Eén telling werd gedefinieerd als "één rat vertoont locomotorische activiteit in de buurt van één voedseldispenser". Voor statistische evaluatie werden Student's t-tests (tweezijdig) uitgevoerd met behulp van de gemiddelde waarde (energie-inname of voedingsgerelateerde locomotorische activiteit) gedurende 7 dagen (TP of MnP) per kooi (n = 4 kooien, met in totaal 16 ratten in elke groep).
Registratie van het hele hersenactiviteitspatroon door MEMRI
Mannelijke Wistar-ratten (begingewicht 261 ± 19 g, gekocht bij Charles River, Sulzfeld, Duitsland) gehouden in een 12/12 uur donker/licht-cyclus werden willekeurig verdeeld in twee groepen. Beide groepen hadden ad libitum toegang tot standaard chow-pellets (Altromin 1324, Altromin, Lage, Duitsland) gedurende de hele duur van het onderzoek.
De ene groep (n = 16, aanvankelijk lichaamsgewicht 256 ± 21 g) kreeg STD in poedervorm (Altromin 1321) en de andere groep (n = 16, aanvankelijk lichaamsgewicht 266 ± 16 g) kreeg een mengsel van 35% F (zonnebloemolie, gekocht bij een plaatselijke supermarkt) en 65% CH (maltodextrine, dextrine 15 uit maïszetmeel, Fluka, Taufkirchen, Duitsland) naast de standaard voerpellets. De huidige studie liep parallel aan de eerder gepubliceerde studie over chips3, zodat dezelfde controlegroep kon worden gebruikt voor maximale vergelijkbaarheid van de datasets.
MEMRI (op een 4.7 T Bruker MRI met behulp van een geoptimaliseerde gemodificeerde aangedreven evenwichts-Fourier-transformatie (MDEFT)-sequentie) werd gebruikt om de hersenactivatie in kaart te brengen met een fijne resolutie van 109 × 109 × 440 μm (voor details zie Hoch et al. 20133). Omdat de gevoeligheid van MEMRI lager is in vergelijking met de voorkeurstesten, werden de testvoedingen langer aangeboden. Opnames vereisen relatief hoge concentraties van het potentieel toxische contrastmiddel mangaan, dat de hersenen pas enkele uren na toediening bereikt. Om negatieve bijwerkingen op de basisfysiologie en het gedrag van de dieren te voorkomen als gevolg van de injectie van de mangaanchloride-oplossing in doses die voldoende zijn voor MEMRI-meting, dienden osmotische pompen voor de zachte, maar nogal tijdrovende continue toediening van niet-toxische hoeveelheden mangaan , die zich ophoopten in de geactiveerde hersengebieden gedurende het hele tijdsverloop van de 7-daagse voedseltestfase28. Onderzoeksontwerp, voorbereiding van de osmotische pompen, parameters voor MRI-metingen, gegevensverwerking en de registratie van voedselinname en voedingsgerelateerde locomotorische activiteit zijn eerder beschreven3. De oorspronkelijke MRI-grijswaarden van de gesegmenteerde hersenen per dier werden geregistreerd door een niet-rigide registratieworkflow3. Op basis van deze geregistreerde datasets werd een voxel-gebaseerde morfometrische analyse uitgevoerd en de resulterende statistische parameters werden gevisualiseerd. Op Z-Score gebaseerde Student's t-testen werden uitgevoerd om significante verschillen in hersenactivatie te detecteren. Voor 3D-visualisatie van de verdeling van de significant verschillend geactiveerde hersenstructuren, hebben we elke hersenstructuur voorgesteld als een bol in het zwaartepunt. De coördinaten zijn afgeleid van een 3D digitale hersenatlas. De straal van elke bol werd gebruikt om het significantieniveau te coderen en de intensiteitsschaduw codeert het activiteitsverschil voor STD.
Extra informatie
Hoe dit artikel citeren: Hoech, T. et al. De vet/koolhydraatverhouding maar niet de energiedichtheid bepaalt de inname van tussendoortjes en activeert hersenbeloningsgebieden. Sci. Rep. 5, 10041; doi: 10.1038 / srep10041 (2015).
Referenties
- 1.
La Fleur, SE, Luijendijk, MCM, van der Zwaal, EM, Brans, MAD & Adan, RAH De snackende rat als model van obesitas bij de mens: effecten van een vrije keuze vetrijk suikerrijk dieet op maaltijdpatronen. Int. J. Obes. 38, 643â € "649 (2014).
· 2.
Berthoud, H.-R. Homeostatische en niet-homeostatische routes die betrokken zijn bij de controle van de voedselinname en de energiebalans. Obesitas. 14 S8, 197S-200S (2006).
· 3.
Hoch, T., Kreitz, S., Gaffling, S., Pischetsrieder, M. & Hess, A. Mangaan-versterkte magnetische resonantie beeldvorming voor het in kaart brengen van patronen van hersenactiviteit geassocieerd met de inname van snacks bij ad libitum gevoede ratten. PLoS ONE. 8, e55354; 10.1371/journal.pone.0055354 (2013).
· 4.
Volkow, ND & Wijs, RA Hoe kan drugsverslaving ons helpen obesitas te begrijpen? Nat. Neurosci. 8, 555â € "560 (2005).
· 5.
Berthoud, H.-R. Metabole en hedonistische drijfveren in de neurale controle van eetlust: wie is de baas? Curr. Opin. Neurobiol. 21, 888â € "896 (2011).
· 6.
Gearhardt, AN, Grilo, CM, DiLeone, RJ, Brownell, KD & Potenza, MN Kan voedsel verslavend zijn? Gevolgen voor de volksgezondheid en het beleid. Addiction. 106, 1208â € "1212 (2011).
· 7.
Hebebrand, J. et al. "Verslaving eten", in plaats van "voedselverslaving", legt beter vast op verslavend eetgedrag. Neurosci. Biobehav. Rev. 47, 295â € "306 (2014).
· 8.
Epstein, DH & Shaham, Y. Cheesecake-etende ratten en de kwestie van voedselverslaving. Nat. Neurosci. 13, 529â € "531 (2010).
· 9.
DiLeone, RJ, Taylor, JR & Picciotto, MR De drive om te eten: vergelijkingen en onderscheid tussen mechanismen van voedselbeloning en drugsverslaving. Nat. Neurosci. 15, 1330â € "1335 (2012).
· 10.
Kenny, PJ Gemeenschappelijke cellulaire en moleculaire mechanismen bij obesitas en drugsverslaving. Nat. Rev Neurosci. 12, 638â € "651 (2011).
· 11.
Rolls, BJ & Bell, EA Inname van vet en koolhydraten: rol van energiedichtheid. EUR. J. Clin. Nutr. 53 (Suppl. 1), S166-173 (1999).
· 12.
Shafat, A., Murray, B. & Rumsey, D. Energiedichtheid in cafetaria-dieet veroorzaakte hyperfagie bij de rat. Eetlust. 52, 34â € "38 (2009).
· 13.
Hoch, T., Pischetsrieder, M. & Hess, A. De inname van snackvoedsel bij ad libitum gevoede ratten wordt veroorzaakt door de combinatie van vet en koolhydraten. Voorkant. Psychol. 5, 250; 10.3389/fpsyg.2014.00250 (2014).
· 14.
Lin, YJ & Koretsky, AP Mangaanion verbetert T1-gewogen MRI tijdens hersenactivatie: een benadering voor directe beeldvorming van de hersenfunctie. Magn. Reson. Med. 38, 378â € "388 (1997).
· 15.
Koretsky, AP & Silva, AC Mangaan-verbeterde magnetische resonantiebeeldvorming (MEMRI). NMR Biomed. 17, 527â € "531 (2004).
· 16.
Berridge, KC Genoegen van de hersenen. Brain Cogn. 52, 106â € "128 (2003).
· 17.
Haber, SN & Knutson, B. Het beloningscircuit: het verbinden van primatenanatomie en menselijke beeldvorming. Neuropsychopharmacology 35, 4â € "26 (2010).
· 18.
Epping-Jordanië, MP, Markou, A. & Koob, GF De dopamine D-1-receptorantagonist SCH 23390, geïnjecteerd in de dorsolaterale bedkern van de stria-terminalis, verminderde cocaïneversterking bij de rat. Brain Res. 784, 105â € "115 (1998).
· 19.
Martin-Fardon, R., Ciccocioppo, R., Aujla, H. & Weiss, F. Het dorsale subiculum bemiddelt bij het verkrijgen van geconditioneerd herstel van het zoeken naar cocaïne. Neuropsychopharmacology. 33, 1827â € "1834 (2008).
· 20.
Limpens, JHW, Damsteegt, R., Broekhoven, MH, Voorn, P. & Vanderschuren, LJMJ Farmacologische inactivatie van de prelimbische cortex emuleert het dwangmatige zoeken naar beloningen bij ratten. Brain Res.; 10.1016/j.brainres.2014.10.045 (2014).
21.
Bellinger, LL & Bernardis, LL De dorsomediale nucleus van de hypothalamus en zijn rol bij innamegedrag en regulering van het lichaamsgewicht: lessen die zijn getrokken uit onderzoeken naar laesies. Physiol. Behav. 76, 431â € "442 (2002).
· 22.
Stratford, TR & Wirtshafter, D. Injecties van muscimol in de paraventriculaire thalamische kern, maar niet mediodorsale thalamische kernen, induceren voeding bij ratten. Brain Res. 1490, 128â € "133 (2013).
· 23.
Harrold, JA, Dovey, TM, Blundell, JE & Halford, JCG CZS regulatie van eetlust. Neurofarmacologie 63, 3â € "17 (2012).
· 24.
Berthoud, H.-R. Neurale controle van eetlust: overspraak tussen homeostatische en niet-homeostatische systemen. Eetlust. 43, 315â € "317 (2004).
· 25.
Berridge, KC Voedselbeloning: hersensubstraten van willen en leuk vinden. Neurosci. Biobehav. Rev. 20, 1â € "25 (1996).
· 26.
Voorhies, AC & Bernstein, IL Inductie en expressie van zouthonger: effecten op Fos-expressie in nucleus accumbens. Behav. Brain Res. 172, 90â € "96 (2006).
· 27.
Beauchamp, GK & Bertino, M. Ratten (Rattus norvegicus) houden niet van gezouten vast voedsel. J. Comp. Psychol. 99, 240â € "247 (1985).
· 28.
Eschenko, O. et al. In kaart brengen van functionele hersenactiviteit bij vrij gedragende ratten tijdens vrijwillig hardlopen met behulp van mangaan-versterkte MRI: implicatie voor longitudinale studies. NeuroImage 49, 2544â € "2555 (2010).
· 29.
Denbleyker, M., Nicklous, DM, Wagner, PJ, Ward, HG & Simansky, KJ Activering van mu-opioïde receptoren in de laterale parabrachiale kern verhoogt de c-Fos-expressie in voorhersenengebieden geassocieerd met calorieregulatie, beloning en cognitie. Neurowetenschap leerprogramma 162, 224â € "233 (2009).
· 30.
Hernandez, L. & Hoebel, BG Voedselbeloning en cocaïne verhogen extracellulair dopamine in de nucleus accumbens zoals gemeten door microdialyse. Life Sci. 42, 1705â € "1712 (1988).
· 31.
Zahm, DS et al. Fos na eenmalige en herhaalde zelftoediening van cocaïne en zoutoplossing bij de rat: nadruk op de basale voorhersenen en herijking van expressie. Neuropsychopharmacology 35, 445â € "463 (2010).
· 32.
Oliveira, LA, Gentil, CG & Covian, MR De rol van het septumgebied bij het voedingsgedrag veroorzaakt door elektrische stimulatie van de laterale hypothalamus van de rat. Braz. J Med. Biol. Res. 23, 49â € "58 (1990).
· 33.
Achtervolging, MH Bevestiging van de consensus dat glycinerge postsynaptische remming verantwoordelijk is voor de atonie van de REM-slaap. Slaap. 31, 1487â € "1491 (2008).
· 34.
Sirieix, C., Gervasoni, D., Luppi, P.-H. & Leger, L. Rol van de laterale paragigantocellulaire kern in het netwerk van paradoxale (REM) slaap: een elektrofysiologische en anatomische studie bij de rat. PLoS ONE. 7, e28724; 10.1371/journal.pone.0028724 (2012).
· 35.
Trepel, M. Neuroanatomie. Struktur und Functie 3e druk. Urban & Fischer, München, 2003).
36.
Miller, AM, Miller, RB, Obermeyer, WH, Behan, M. & Benca, RM Het pretectum bemiddelt bij snelle slaapregulatie van oogbewegingen door licht. Behav. Neurosci. 113, 755â € "765 (1999).
· 37.
Leger, L. et al. Dopaminerge neuronen die Fos tot expressie brengen tijdens het waken en paradoxale slaap bij de rat. J. Chem. Neuroanat. 39, 262â € "271 (2010).
37.
o
Danksagung
De studie maakt deel uit van het Neurotrition Project, dat wordt ondersteund door het FAU Emerging Fields Initiative. Verder danken we Christine Meissner voor het proeflezen van het manuscript.
Auteurs informatie
AFFILIATIE
1. Eenheid Levensmiddelenchemie, Afdeling Chemie en Farmacie, Emil Fischer Center, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Duitsland
o Tobias Hoch
o & Monika Pischetsrieder
2. Instituut voor Experimentele en Klinische Farmacologie en Toxicologie, Emil Fischer Center, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Duitsland
o Silke Kreitz
o & Andreas Hess
3. Patroonherkenningslab, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Duitsland
o Simone Gaffling
4. School of Advanced Optical Technologies (SAOT), Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Duitsland
o Simone Gaffling
Bijdragen
Bedacht en ontwierp de experimenten: THMPAH Voerde de experimenten uit: THAH Analyseerde de gegevens: THSKSGAH Interpreteerde de gegevens THMPAH Bijgedragen reagentia/materialen/analysetools: AHMP Schreef de paper: THMPAH
Tegenstrijdige belangen
De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen.
Corresponderende auteur
Correspondentie aan Monika Pischetsrieder.
;