Dana M. Small, Alexandra G. DiFeliceantonio
Wetenschap 25 januari 2019:
Vol. 363, nummer 6425, pp. 346-347
DOI: 10.1126 / science.aav0556
Signalen die voedingsinformatie van de darm naar de hersenen overbrengen, reguleren de voedselversterking en voedselkeuze (1-4). In het bijzonder, hoewel centrale neurale berekeningen de keuze uitvoeren, communiceert het darm-zenuwstelsel informatie over de voedingsresultaten van keuzes aan de hersenen, zodat de weergave van voedselwaarden kan worden bijgewerkt. Hier bespreken we recente bevindingen die duiden op de betrouwbaarheid van de signalen van de darmhersenen en de daaruit voortvloeiende weergave van voedselwaarde wordt aangetast door bewerkte voedingsmiddelen (3, 4). Het begrijpen van deze as zou kunnen informeren over het voedingsgedrag van bewerkte voedingsmiddelen en obesitas.
In 1947 hebben experimenten waarbij knaagdieren werden gevoerd, isocalorische diëten die in volume varieerden onthuld dat knaagdieren het volume van het geconsumeerde voedsel nauwkeurig titreren om een constante calorie-inname gedurende dagen te behouden, wat aangeeft dat "ratten eten voor calorieën" (5). Dit impliceerde dat een signaal moet worden gegenereerd om de energetische waarde van voedsel aan de hersenen te communiceren om de inname te begeleiden. Later bevestigden anderen dat deze "post-ingestive" signalen kunnen worden versterkt door aan te tonen dat dieren voorkeuren kunnen vormen voor smaken die worden geconsumeerd met calorieën in vergelijking met degenen die worden geconsumeerd zonder een vorm van leren die smaak-voedingsstof conditionering (FNC) wordt genoemd (6). Belangrijk is dat FNC zelfs optreedt in de afwezigheid van bijkomende orale sensorische stimulatie, die post-ingestive signalen isoleert als de belangrijkste versterking (7). Dieren die bijvoorbeeld niet over de neurobiologische machinerie beschikken om zoete smaak te transduceren, vormen toch voorkeuren voor water dat sucrose bevat in vergelijking met water alleen, en dit gedrag gaat gepaard met stijgingen van extracellulair dopamine in het striatum, een hersengebied dat noodzakelijk is voor motivatie en leren. Cruciaal is echter dat infusie van het antimetabolisme 2-deoxyglucose, dat het vermogen van cellen om glucose als brandstof te gebruiken, blokkeert, extracellulair dopamine en voorkeursvorming vermindert (1). Deze signalen zijn waarschijnlijk neuraal in plaats van endocrien (dwz hormonaal), omdat de toename van extracellulair dopamine snel is na intragastrische infusie van glucose (8). Bovendien verhoogt de infusie van glucose maar niet niet-metaboliseerbare glucose in de poortader extracellulair dopamine (8). Samengevat suggereert dit dat bij dieren de ongeconditioneerde stimulus die suiker (koolhydraat) versterkt, een metabolisch signaal is dat wordt geproduceerd wanneer cellen glucose gebruiken als brandstof; dit signaal wordt dan gedetecteerd door een mechanisme in de poortader en vervolgens naar de hersenen overgebracht om dopamine-signalering te reguleren (zie de figuur). De exacte aard van het metabole signaal, de sensor en hoe het wordt overgedragen aan de hersenen zijn onbekend.
Er zijn aanwijzingen dat een vergelijkbaar mechanisme bij de mens werkzaam is. Neuroimaging-onderzoeken hebben aangetoond dat voedselklanken, die een voorspellende waarde hebben voor calorieën, het striatum bij mensen activeren en dat de omvang van deze responsen wordt gereguleerd door metabole signalen (9). In het bijzonder voorspellen verhogingen van bloedplasmaglucose na consumptie van een koolhydraatbevattende drank de mate van geconditioneerde striatale reactie op het zicht en de smaak van de drank. Omdat glucose aanwezig moet zijn om als brandstof te worden gebruikt, suggereert dit dat bij mensen, zoals bij dieren, koolhydraatversterking afhangt van een metabool signaal dat geassocieerd is met de aanwezigheid van glucose. Bovendien suggereren waarnemingen bij mensen dat de representatie van de hersenen van de metabolische signalen onafhankelijk is van bewuste waarnemingen, zoals voedsel. Dezelfde striatale reacties op de calorie-voorspellende smaakkeu die zo nauw gekoppeld waren aan veranderingen in plasmaglucose waren niet gerelateerd aan de beoordeling van de drankjes door de deelnemers. Dit is consistent met aanvullende neuroimaging-onderzoeken die aantonen dat de werkelijke energiedichtheid, en niet de geschatte energiedichtheid of nominale smaak van voedselfoto's, de bereidheid om te betalen voor voedsel en striatale beloningscircuitreacties voorspelt (3, 10). Deze waarnemingen suggereren dat neurale representatie van deze versterkende voedingssignalen onafhankelijk is van bewuste waarnemingen over voedsel. Een intrigerende mogelijkheid is dat de metabole signalen belangrijke generatoren zijn van incentive salience (hoe cues motivationeel betekenisvol worden) en dat de verschillende paden die door deze signalen worden geïnitieerd, in kaart brengen op voedselonterende versus voedselvriendelijke neurale circuits (11).
Lipiden zijn een andere belangrijke energiebron die anders wordt gemetaboliseerd dan koolhydraten. Dienovereenkomstig verschilt de weg waardoor de energetische waarde van vet wordt doorgegeven aan de hersenen. Het blokkeren van oxidatie van vet verhoogt de vetlust en het blokkeren van glucose-oxidatie verhoogt de eetlust van de suiker. Echter, vagotomie (chirurgie om de nervus vagus te doorbreken) bij muizen verstoort alleen de toegenomen eetlust voor vet, waardoor de eetlust van glucose onaangetast blijft (12). Consequent produceert glucose, directe infusie van lipiden in het darmkanaal, een onmiddellijke toename van extracellulair striatale dopamine. Dit gebeurt echter via een peroxisoom proliferator-geactiveerd receptor α (PPARα) -specifiek mechanisme (2). PPARα wordt uitgedrukt door duodenale en jejunale enterocyten in de dunne darm en signalen naar de nervus vagus via nog onbekende mechanismen. Evenals striatale afgifte van dopamine door glucose is de stijging van dopamine snel, wat consistent is met neurale in plaats van endocriene signalering. Bovendien is de activering van deze vagale sensorische neuronen in de bovenste darm die naar het rechter nodose ganglion, de achterhersenen, substantia nigra en dorsale striatum projecteren voldoende om beloning te ondersteunen (plaatsvoorkeur) en om striatale dopamine in muizen vrij te geven (13). Of deze route bij mensen bestaat, is onduidelijk en of dergelijke metabole neurale afferente (MNA-) routes voor andere lipiden en voedingsstoffen bestaan, wordt onderzocht.
De ontdekking dat de ongeconditioneerde stimulus ter ondersteuning van voedselversterking een MNA-signaal is - dat op zijn minst soms onafhankelijk is van zintuiglijk genot - is verrassend. Echter, diepere reflectie onthult de elegantie van deze oplossing. Alle organismen moeten energie verkrijgen om te overleven, en de meeste missen hogere orde hersenfuncties die het bewustzijn ondersteunen. Het mechanisme weerspiegelt dus waarschijnlijk een geconserveerd systeem dat is ontworpen om de voedende eigenschappen van voedsel door te geven aan centrale circuits in de hersenen die het voeden onafhankelijk van het bewustzijn reguleren, zodat voedsel net zo versterkend is als een nuttige energiebron. Dienovereenkomstig is een high-fidelity overdracht van voedingsinformatie van de darm naar de hersenen van cruciaal belang voor een nauwkeurige schatting van de waarde.
Hoewel het duidelijk is dat de moderne voedingsomgeving obesitas en diabetes bevordert, omringt de controverse de precieze mechanismen waarmee dit gebeurt. Modern verwerkt voedsel is meestal energierijk, is zo onweerstaanbaar mogelijk en biedt voedingsstoffen aan in doseringen en combinaties die niet eerder zijn aangetroffen. Omdat energetische signalen de versterking versterken, kunnen verhoogde doses het versterkende en dus "verslavende" potentieel van verwerkt voedsel vergroten. Dit zijn echter mogelijk niet de enige factoren die bijdragen aan verhoogde diabetes en obesitas.
Om de smakelijkheid te vergroten, worden vaak niet-voedzame zoetstoffen (stoffen zonder caloriegehalte) toegevoegd aan voedingsmiddelen en dranken die ook voedingssuikers en zetmeel bevatten. Suikerzoete dranken bevatten bijvoorbeeld de voedingssuikers glucose en fructose, evenals niet-voedende zoetstoffen sucralose en acesulfame K. Yoghurts bevatten vaak voedingssuikers en niet-voedzame zoetstoffen zoals stevia-blaadextract. Een korte inzage van voedseletiketten in een supermarkt onthult veel voorbeelden van voedingsmiddelen en dranken die zowel voedingssuikers als niet-voedingszoetstoffen bevatten. Daarentegen is zoetheid in onverwerkte voedingsmiddelen evenredig met het suikergehalte en dus het calorische (energie) gehalte van het voedsel. Recent bewijs suggereert dat producten die een combinatie van voedingssuikers en niet-voedingszoetstoffen bevatten, verrassende metabole en versterkende effecten produceren. Bijvoorbeeld, het nuttigen van een 115-kcal-drank zal grotere thermogene effecten opwekken als de zoetheid wordt "afgestemd" op de calorische belasting in vergelijking met als het te zoet of niet zoet genoeg is (4). Omdat door voeding geïnduceerde thermogenese (DIT) een marker is voor het metabolisme van voedingsstoffen en de versterking van de metabole respons door MNA, kan een caloriearme "gematchte" drank een grotere voorkeur en striatale respons krijgen dan een hoger-calorie "niet-overeenkomende" drank (4). Belangrijk is dat dit effect optreedt, zelfs als de plasmaglucose stijgt. Dit toont aan dat bij mensen, net als bij dieren, niet de aanwezigheid van de voedingsstof in de darm of het bloed de wapening stimuleert, maar eerder het genereren van een MNA wanneer de voedingsstof wordt gebruikt als een brandstof die kritiek is. Het mechanisme achter dit "mismatch" -effect bij de mens is onbekend en verdient nadere bestudering. In het bijzonder, het begrijpen van het lot van de niet-gemetaboliseerde glucose, en het bepalen of er implicaties zijn voor diabetes en obesitas, is een kritieke toekomstige richting. Wat wel duidelijk is, is dat de energetische waarde van dranken die voedingssuikers en niet-voedzame zoetstoffen bevatten, niet op de juiste manier wordt doorgegeven aan de hersenen, althans in sommige omstandigheden, en dit kan leiden tot het genereren van onnauwkeurige signalen, niet alleen voor het regelen van beloning, maar ook ook processen zoals energieopslag en verdeling van voedingsstoffen.
Versterking van metabole signalen naar de hersenen
In dit voorgestelde model voor het versterken van metabole neurale afferente (MNA) signalen, hangt het signaal voor vet af van PPARα-gemedieerde activering van vagale sensorische afferenten die naar het rechter nodose ganglion, de achterhersenen, substantia nigra en dorsale striatum projecteren. Het signaal voor koolhydraat wordt gegenereerd tijdens glucose-oxidatie en activeert een onbekende poortader-sensor, die een signaal induceert dat de dopamineneuronen van de middenhersenen activeert die naar het striatum projecteren. Een onafhankelijk corticale netwerk integreert MNA-signalen met bewuste waarde.
GRAFIEK: A. KITTERMAN /WETENSCHAP
Een tweede voorbeeld van gecompromitteerde betrouwbaarheid van darm-hersen-signalering komt uit een onderzoek waarin de versterkingswaarde van voedingsmiddelen die voornamelijk vet bevatten, voornamelijk koolhydraten, of zowel vet als koolhydraten, werd vergeleken (3). Voedingsmiddelen met een hoog vet- en koolhydraatgehalte worden niet gemakkelijk in niet-bewerkte voedingsmiddelen gevonden, maar zijn vaak het onderwerp van hunkering naar voedsel (bijvoorbeeld chocolade en donuts). De studie toonde aan dat uit een keuze van even calorieën en geliefd voedsel, mensen voedsel wilden hebben dat meer vet en koolhydraten had dan die met alleen vet of koolhydraten, en dit werd weerspiegeld in supra-additieve striatale reacties (3). Dit kan ertoe bijdragen dat sommige voedingsmiddelen hunkeren naar of onweerstaanbaarder zijn dan andere en daarom een rol spelen bij overeten.
Deze nieuwe bevindingen wijzen op twee scheidbare systemen die de voedselkeuze beïnvloeden. Eén systeem geeft rechtstreeks de voedingswaarde van voedingsmiddelen weer en is afhankelijk van metabole signalen die de hersenen bereiken (MNA's). Dit voedingsstoffen-detectiesysteem lijkt een cruciale rol te spelen bij het reguleren van striatale dopamine, het bepalen van de waarde van voedingsmiddelen en het stimuleren van voedselkeuze. In het tweede systeem zijn bewuste waarnemingen zoals smaak en opvattingen over het caloriegehalte, de kosten en de gezondheid van voedingsmiddelen ook belangrijke determinanten van voedselkeuze (14, 15). Neurale berekeningen met betrekking tot bewuste bijdragers aan de waarde lijken te verschillen van die gerelateerd aan voedingsversterkende signalen van MNA's en afhankelijk te zijn van circuits in de prefrontale cortex en de insulaire cortex (9). Het bepalen van de interactie tussen de twee systemen om het gedrag van de opname en het metabolisme van voedingsstoffen te reguleren, is een belangrijk onderzoeksonderwerp.
Er zijn aanwijzingen dat de voedingswaarde van bewerkte voedingsmiddelen niet nauwkeurig wordt doorgegeven aan de hersenen. Dit verhoogt de mogelijkheid dat voedingsmiddelen, bereid en verwerkt, buiten hun energiedichtheid of eetbaarheid, de fysiologie beïnvloeden op onverwachte manieren die overeten en metabolische dysfunctie kunnen bevorderen. Een beter begrip van hoe de eigenschappen van verwerkt voedsel een interactie aangaan met de darm-hersenen route is van cruciaal belang, evenals het bepalen of dergelijke effecten verzadigingssignalering, de verslavende eigenschappen van voedingsmiddelen, metabole gezondheid en obesitas beïnvloeden. Hoewel we ons richten op vet en koolhydraten, zijn er waarschijnlijk meerdere signaalroutes om een reeks voedingsinformatie naar de hersenen over te brengen om de voedselkeuze te sturen - en deze routes kunnen op dezelfde manier worden beïnvloed door verwerkt voedsel.
http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse
Dit is een artikel dat wordt verspreid onder de voorwaarden van de Science Journals standaardlicentie.
Referenties en notities
- ↵
- LA Tellez et al
., J. Fysiol. 591, 5727 (2013).
- ↵
- LA Tellez et al
., Wetenschap 341, 800 (2013).
Abstract / GRATIS volledige tekstGoogle Scholar
- ↵
- AG DiFeliceantonio et al
., Cel Metab. 28, 33 (2018).
- ↵
- MG Veldhuizen et al
., Curr. Biol. 27, 2476 (2017).
- ↵
- EF Adolph
Am. J. Physiol. 151, 110 (1947).
- ↵
- GL Holman
J. Comp. Physiol. Psychol. 69, 432 (1969).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Scholar
- ↵
- X. Ren et al
., J. Neurosci. 30, 8012 (2010).
Abstract / GRATIS volledige tekstGoogle Scholar
- ↵
- L. Zhang et al .;
., Voorkant. Integr. Nuerosci. 12, 57 (2018).
- ↵
- IE de Araujo et al
., Curr. Biol. 23, 878 (2013).
- ↵
- DW Tang et al
., Psychol. Wetenschap. 25, 2168 (2014).
- ↵
- KC Berridge
Neurosci. Biobehav. Rev. 20, 1 (1996).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Scholar
- ↵
- S Ritter,
- JS Taylor
Am. J. Physiol. 258, R1395 (1990).
- ↵
- W. Han e.a.
., Cel 175, 665 (2018).
- ↵
- TA Hare et al
., Wetenschap 324, 646 (2009).
Abstract / GRATIS volledige tekstGoogle Scholar
- ↵
- H. Plassmann et al .;
., J. Neurosci. 30, 10799 (2010).
Abstract / GRATIS volledige tekstGoogle Scholar
Met dank aan: We danken I. de Araujo, A. Dagher, S. La Fleur, S. Luquet, M. Schatzker en M. Tittgemeyer voor hun hulp bij het vormen van ons perspectief. We erkennen B. Milner voor haar baanbrekende werk over impliciet leren.
;
