Relatie van beloning van voedselinname en verwachte voedselinname voor obesitas: een onderzoek naar functionele magnetische resonantiebeelden (2008)

Abstract

Obesitas is een chronische ziekte die wordt gecrediteerd met meer dan 111,000 sterfgevallen per jaar in de VS, die grotendeels het gevolg zijn van atherosclerotische cerebrovasculaire aandoeningen, coronaire hartziekten, colorectale kanker, hyperlipidemie, hypertensie, galblaasaandoeningen en diabetes mellitus (Flegal, Graubard, Williamson en Gail, 2005). Helaas resulteert de behandeling van de keuze voor obesitas alleen in tijdelijk gewichtsverlies (Jeffery et al., 2000) en de meeste programma's ter preventie van obesitas verminderen het risico op toekomstige gewichtstoename niet (Stice, Shaw en Marti, 2006). Deze interventies hebben mogelijk een beperkte werkzaamheid omdat ons begrip van de etiologische processen nog steeds onvolledig is. Hoewel is vastgesteld dat obesitas het resultaat is van een positieve energiebalans, is het onduidelijk waarom sommige mensen het zo moeilijk hebben om de calorie-inname met de uitgaven in balans te houden.

Een mogelijke verklaring is dat sommige individuen afwijkingen vertonen in subjectieve beloning van voedselinname of een verwachte inname die het risico op obesitas verhoogt. Sommige geleerden veronderstellen dat obese personen een grotere activering van het meso-limbische beloningssysteem ervaren als reactie op voedselinname (beloning voor consuminderen), wat het risico op overeten kan verhogen (Davis, Strachan en Berkson, 2004; Dawe & Loxton, 2004). Dit is vergelijkbaar met het versterkingsgevoeligheidsmodel van middelenmisbruik, dat stelt dat bepaalde mensen een grotere reactiviteit van beloningscircuits vertonen voor psychoactieve drugs (Dawe & Loxton, 2004). Anderen stellen daarentegen dat obese personen minder activering van het meso-limbische beloningssysteem ervaren als reactie op voedselinname, waardoor ze te veel eten om dit tekort te compenseren (Comings & Blum, 2000; Wang, Volkow en Fowler, 2002). Dit is vergelijkbaar met de scriptie over beloningsdeficiëntiesyndroom, wat suggereert dat mensen zich tot alcohol- en drugsgebruik richten om trage beloningscircuits te stimuleren (Comings & Blum, 2000). Een derde hypothese is dat een grotere verwachte beloning van voedselinname (anticiperende voedselbeloning) het risico van overeten verhoogt (Pelchat, Johnson, Chan, Valdez en Ragland, 2004; Roefs, Herman, MacLeod, Smulders, & Jansen, 2005).

Twee bewijslijnen impliceren dat het nuttig kan zijn om conceptueel een onderscheid te maken tussen consumptiegoederenbeloning en anticiperende voedselbeloning. Ten eerste suggereren dierstudies dat de beloningswaarde van voedsel verschuift van de voedselconsumptie naar de verwachte consumptie van voedsel na conditionering, waarbij signalen in verband met voedselconsumptie anticiperende voedselbeloningen beginnen te wekken. Naïeve apen die geen beloningen hadden meegemaakt in een omgeving toonden activering van mesotelencephalische dopamine neuronen alleen als reactie op de smaak van voedsel; na conditionering begon de dopaminerge activiteit echter vooraf aan de beloning te geven en uiteindelijk werd maximale activiteit uitgelokt door de geconditioneerde stimuli die de naderende beloning voorspelden in plaats van door de daadwerkelijke voedselontvangst (Schultz, Apicella en Ljungberg, 1993; Schultz en Romo, 1990). Kiyatkin en Gratton (1994) ontdekte dat de grootste dopaminerge activatie op een anticiperende manier plaatsvond toen ratten naderden en op de balk duwden die voedselbeloning opleverde en de activering zelfs afnam toen de rat het voedsel ontving en at. Inderdaad, Blackburn, Phillips, Jakubovic en Fibiger (1989) ontdekte dat dopamine-activiteit groter was in de nucleus accumbens van ratten na de presentatie van een geconditioneerde stimulus die meestal een voedselontvangst betekende dan na levering van een onverwachte maaltijd. Ten tweede, hoe hard deelnemers werken om snacks te verdienen in een operante taak (die ze later mogen consumeren) is een sterkere voorspeller van ad lib calorie-inname dan zijn aangenaamheid ratings van smaken van de snacks (Epstein, Temple et al., 2007; Epstein et al., 2004a). Deze gegevens lijken ook te impliceren dat de verwachte beloning van de voedselinname een grotere bepalende factor is voor de calorie-inname dan de beloning die wordt ervaren wanneer het voedsel daadwerkelijk wordt geconsumeerd. Gezamenlijk impliceren deze gegevens dat het nuttig kan zijn om een ​​onderscheid te maken tussen belonende voedselbeloning en anticiperende voedselbeloning bij het onderzoeken van potentiële risicofactoren voor obesitas.

Onderzoek naar hersenafbeeldingen heeft regio's geïdentificeerd die lijken te coderen voor consumerende voedselbeloningen bij personen met een normaal gewicht. Consumptie van smakelijk voedsel, in verhouding tot de consumptie van onsmakelijk voedsel of smaakloos voedsel, resulteert in een grotere activering van de orbitofrontale cortex (OFC) en het frontale operculum / insula, evenals een grotere afgifte van dopamine in het dorsale striatum (O'Doherty, Deichmann, Critchley en Dolan, 2002; Klein, Jones-Gotman en Dagher, 2003; Volkow et al., 2003). Andere hersenafbeeldingsstudies hebben gebieden geïdentificeerd die anticiperende voedselbeloning lijken te coderen bij mensen met een normaal gewicht. Verwachte ontvangst van een smakelijk voedsel, versus verwachte ontvangst van onsmakelijk voedsel of een smaakloos voedsel, resulteert in een grotere activering in de OFC, amygdala, cingulate gyrus, striatum (caudate nucleus en putamen), ventrale tegmentale zone, middenhersenen, parahippocampale gyrus en fusiforme gyrus (O'Doherty et al., 2002; Pelchat et al., 2004). Deze studies suggereren dat enigszins verschillende hersengebieden betrokken zijn bij anticiperende en consumerende voedselbeloning, maar dat er enige overlap is (OFC en striatum). Tot op heden hebben slechts twee studies direct de activering vergeleken in reactie op anticiperende en consumerende voedselbeloning om regio's te isoleren die een grotere activering vertonen als reactie op de ene fase van de voedselbeloning dan de andere. Anticiperen op een aangename smaak, versus de werkelijke smaak, resulteerde in een grotere activering in de dopaminerge middenhersenen, nucleus accumbens en de posterior right amygdala (O'Doherty et al., 2002). Een andere studie vond dat het anticiperen op een aangename drank resulteerde in een grotere activering in de amygdala en mediodorsale thalamus, terwijl de ontvangst van de drank resulteerde in een grotere activering in de linker insula / operculum (Small et al, 2008). Deze twee onderzoeken suggereren dat de amygdala, midbrain, nucleus accumbens en mediodorsale thalamus beter reageren op de verwachte consumptie versus consumptie van voedsel, terwijl het frontale operculum / insula beter reageert op de consumptie versus de verwachte consumptie van voedsel. Het beschikbare bewijs lijkt dus te suggereren dat verschillende hersengebieden zijn betrokken bij het coderen van anticiperende en consumerende voedselbeloningen, hoewel meer onderzoek nodig zal zijn voordat definitieve conclusies mogelijk zijn.

Bepaalde bevindingen lijken consistent te zijn met de stelling dat obese personen een grotere voedselbeloning ervaren, hoewel het niet duidelijk is of de bevindingen een weerslag zijn van verstoringen in de consumptieve versus anticiperende voedselbeloning. Zwaarlijvige mensen denken dat vetrijke en suikerarme voedingsmiddelen prettiger zijn en melden dat eten sterker is (Rissanen et al., 2002; Saelens en Epstein, 1996; Westenhoefer & Pudel, 1993). Kinderen met een verhoogd risico op obesitas op grond van ouderlijk overgewicht beoordelen de smaak van vetrijk voedsel als aangenamer en vertonen een meer fervente voedingsstijl dan kinderen van magere ouders (Stunkard, Berkowitz, Stallings, & Schoeller, 1999; Wardle, Guthrie, Sanderson, Birch en Plomin, 2001). Zwaarlijvige kinderen zullen eerder eten zonder honger (Fisher & Birch, 2002) en werk harder voor voedsel dan magere kinderen (Temple et al., In druk). De zelfgerapporteerde hunkering naar voedsel correleerde positief met de lichaamsmassa en de objectief gemeten calorie-inname (Delahanty, Meigs, Hayden, Williamson en Nathan, 2002; Forman et al., 2007; Franken & Muris, 2005; Nederkoorn, Smulders, & Jansen, 2000). Zwaarlijvige volwassenen melden een sterkere hunkering naar voedingsmiddelen met veel vet en veel suiker (Drewnowski, Kurth, Holden-Wiltse en Saari, 1992; White, Whisenhunt, Williamson, Greenway en Netemeyer, 2002) en werk voor meer voedsel dan magere volwassenen (Epstein et al., 2007; Saelens en Epstein, 1996). Morbide obesitas ten opzichte van magere individuen vertoonde grotere ruststofwisselingsactiviteit in de orale somatosensorische cortex, een regio geassocieerd met gevoel in de mond, lippen en tong (Wang, Volkow, Felder et al., 2002), waardoor de eerste gevoeliger kan worden voor de belonende eigenschappen van voedselinname en het risico op overeten kan toenemen.

Tot op heden hebben weinige hersenafbeeldingsstudies de hersenactivatie vergeleken in reactie op de presentatie van afgebeeld voedsel of feitelijk voedsel onder zwaarlijvige vers magere individuen. Eén onderzoek toonde verhoogde activering aan in de juiste pariëtale en temporale cortex na blootstelling aan afgebeeld voedsel bij obese maar niet magere vrouwen en dat deze activatie positief gecorreleerd was met hongerclassificatie (Karhunen, Lappalainen, Vanninen, Kuikka en Uusitupa, 1997). Rothemund en geassocieerde deelnemingen (2007) vond een grotere dorsale striatumreactie op foto's van calorierijk voedsel in dikke volwassen vetzuren en die lichaamsmassa correleerde positief met de respons in insula, claustrum, cingulate, somatosensorische cortex en laterale OFC. Stoeckel en medewerkers (2008) vond grotere activering in de mediale en laterale OFC, amygdala, ventrale striatum, mediale prefrontale cortex, insula, anterior cingulate cortex, ventrale pallidum, caudate en hippocampus respons op foto's van calorierijk voedsel (versus caloriearm voedsel) voor zwaarlijvige familieleden om individuen te leunen. Activering van het OFC en cingulaat als reactie op het bekijken van afbeeldingen van smakelijk voedsel correleerde echter negatief met de BMI bij vrouwen met een normaal gewicht (Killgore & Yargelun-Todd, 2005). Del Parigi et al (2004) ontdekte dat de dorsale insula en de achterste hippocampus abnormaal reageren op de consumptie van voedsel in eerder obesitas in vergelijking met magere individuen, wat leidt tot de conclusie dat deze abnormale reacties het risico op obesitas kunnen verhogen.

Andere bevindingen zijn meer consistent met het idee dat obese personen minder voedselbeloning kunnen ervaren. Wang et al. (2001) ontdekte dat D2-receptoren in het striatum in morbide obese personen gereduceerd zijn in verhouding tot hun lichaamsmassa, wat suggereert dat ze een afgenomen dopamine-receptorbinding in het meso-limbische systeem vertonen. Hoewel nog moet worden vastgesteld of obese personen een verminderde D2-receptordichtheid hebben ten opzichte van magere individuen, hebben obese ratten lagere basale dopaminegehalten en een verminderde D2-receptorexpressie dan magere ratten (Fetissov, Meguid, Sato en Zhang, 2002; Hamdi, Porter en Prasad, 1992; Orosco, Rouch en Nicolaidis, 1996), maar obese ratten vertonen tijdens de voeding meer fasische afgifte van dopamine dan magere ratten (Yang en Meguid (1995). Bovendien werken slanke en zwaarlijvige volwassenen met het TaqI A1-allel, dat wordt geassocieerd met verminderde D2-receptoren en zwakkere dopamine-signalering, meer om voedsel te verdienen in operante paradigma's (Epstein et al., 2004b, 2007). Deze resultaten getuigen van bewijs dat verslavend gedrag zoals alcohol, nicotine, marihuana, cocaïne en heroïne misbruik worden geassocieerd met verminderde D2-receptordichtheid en botte gevoeligheid van mesolimbische circuits om te belonen (Comings & Blum, 2000; Martinez et al., 2005). Wang, Volkow en Fowler (2002) stellen dat tekorten in D2-receptoren personen vatbaar maken voor het gebruik van psychoactieve drugs of teveel eten om een ​​traag dopamine-beloningssysteem te stimuleren. Het is echter mogelijk dat te veel eten met veel vet en veel suiker leidt tot downregulatie van D2-receptoren (Davis et al., 2004), parallel aan de neurale respons op chronisch gebruik van psychoactieve drugs (Volkow, Fowler en Wang, 2002). Inderdaad, dierstudies suggereren dat herhaalde inname van zoet en vet voedsel leidt tot downregulatie van D2-receptoren en verminderde gevoeligheid van D2 (Bello, Lucas en Hajnal, 2002; Kelley, Will, Steininger, Xhang en Haber, 2003); veranderingen die optreden als reactie op middelenmisbruik.

Kortom, er is nieuw bewijs dat obese personen algemene afwijkingen in voedselbeloning kunnen vertonen in vergelijking met magere individuen. In het bijzonder rapporteren zwaarlijvige personen ten opzichte van magere individuen meer hunkering naar voedingsmiddelen met hoog vetgehalte / suiker met een hoge suikerwaarde, vinden ze meer versterkende voeding, vertonen ze een grotere rustactivatie van de somatosensorische cortex en vertonen ze een grotere reactiviteit van de smaakcortex bij voedselinname en presentatie van voedsel of afgebeeld eten. Toch zijn er ook aanwijzingen dat obese personen een hypofunctionerend striatum vertonen, wat hen ertoe kan aanzetten te veel te eten om een ​​traag beloningsnetwerk te stimuleren of kan het een gevolg zijn van de neerwaartse regulatie van de receptor. Een van de factoren die mogelijk hebben bijgedragen aan de gemengde bevindingen is dat veel studies zelfrapportagemetingen hebben gebruikt, die misleidend kunnen zijn omdat degenen die worstelen met overeten ervan uitgaan dat voedsel voor hen meer lonend is, wat invloed heeft op hoe ze de schalen voltooien. Bovendien schatten de zelfrapportage schalen waarschijnlijk de verwachte beloning van de voedselinname of de herinnering aan de beloning van de voedselinname in plaats van de beloning ervaren tijdens de voedselconsumptie, aangezien de studies de waargenomen beloning tijdens de voedselinname niet meetten. Daarnaast zijn bevindingen van zelfrapportage en gedragsmatige maatregelen kwetsbaar voor voorkeuren voor sociale wenselijkheid. Bovendien hebben slechts weinig studies betrekking op voedselinname of blootstelling aan echt voedsel, wat de ecologische validiteit van de bevindingen kan beperken. Misschien nog belangrijker is dat eerdere studies geen paradigma's hebben gebruikt die specifiek zijn ontworpen om individuele verschillen in consumerende en anticiperende voedselbeloning te beoordelen bij het vergelijken van zwaarlijvige mensen met magere individuen. Daarom denken we dat het nuttig kan zijn om objectieve brain imaging-paradigma's te gebruiken die de activering van beloningscircuits direct meten als reactie op de voedselinname en de verwachte voedselinname. Voor zover ons bekend is, hebben studies geen gebruik gemaakt van hersenafbeeldingen om te testen of obese personen een differentiële activering van voedselbeloningscircuits vertonen tijdens voedselconsumptie of verwachte consumptie ten opzichte van slanke individuen.

De huidige studie trachtte de aard van individuele verschillen in neurale reactie op voedsel meer volledig te karakteriseren met behulp van objectieve hersenafbeeldingsmethodologie, in de hoop dat een beter begrip van neurologische substraten die het risico op obesitas verhogen, etiologische modellen en het ontwerp van effectievere preventieve modellen zal bevorderen. en behandelingsinterventies. We hebben vorige bevindingen uitgebreid door activatie te onderzoeken in reactie op de ontvangst van chocolademilkshake versus smakeloze oplossing (beloning voor consumerende producten) en in antwoord op signalen die op handen zijnde levering van chocolademilkshake versus smakeloze oplossing (anticiperende voedselbeloning) bij obese en magere individuen signaleren. We veronderstelden dat obesitas met betrekking tot magere individuen een grotere activering zou vertonen in de smaakcortex en de somatosensorische cortex, en minder activering in het striatum, als reactie op het anticiperen op en consumeren van milkshake. We stelden ook de hypothese dat de body mass van deelnemers in deze hersenregio's lineaire relaties zou vertonen met activering. We hebben adolescenten bestudeerd omdat we het risico wilden verminderen dat een lange geschiedenis van obesitas zou kunnen leiden tot een verlaging van de receptor als gevolg van een chronisch rijk dieet. We hebben vrouwtjes bestudeerd omdat het primaire doel van deze studie was om te testen of voedselbeloningsabnormaliteiten correleren met boulimische pathologie, wat zeldzaam is bij mannen.

Methode

Maatregelen

Body Mass

De body mass index (BMI = kg / m²) werd gebruikt om adipositas weer te geven (Dietz en Robinson, 1998). Na verwijdering van schoenen en jassen werd de hoogte gemeten tot op de dichtstbijzijnde millimeter met behulp van een stadiometer en het gewicht werd beoordeeld op de dichtstbijzijnde 0.1 kg met behulp van een digitale schaal. Twee maten van lengte en gewicht werden verkregen en gemiddeld. De BMI correleert met directe metingen van totaal lichaamsvet zoals röntgenstraal-absorptiometrie met dubbele energie (r = .80 naar .90) en met gezondheidsmaatregelen zoals bloeddruk, nadelige lipoproteïne-profielen, atherosclerotische laesies, seruminsulinespiegels en diabetes mellitus in adolescente monsters (Dietz en Robinson, 1998). Per conventie (Barlow & Dietz, 1998), obesitas werd gedefinieerd met behulp van de 95^th percentielen van BMI voor leeftijd en geslacht, op basis van historische, nationaal representatieve gegevens, omdat deze definitie nauw overeenkomt met het BMI-snijpunt dat geassocieerd is met een verhoogd risico op gewichtgerelateerde gezondheidsproblemen (Cole, Bellizzi, Flegal en Dietz, 2000). Adolescenten met BMI-scores onder de 50^th percentiel met behulp van deze historische normen werden gedefinieerd als slank. Van de 33-deelnemers die bruikbare fMRI-gegevens verstrekten, werden 7 geclassificeerd als zwaarlijvig, 11 werden geclassificeerd als slank en de resterende 15-deelnemers vielen tussen deze twee uitersten.

fMRI-paradigma

Deelnemers werd gevraagd om hun reguliere maaltijden te nuttigen, maar af te zien van eten of drinken (inclusief cafeïnehoudende dranken) voor 4-6 uur onmiddellijk voorafgaand aan hun beeldvormingsessie voor normalisatiedoeleinden. We hebben deze periode van ontbering gekozen om de hongerstaat te vangen die de meeste mensen ervaren als ze hun volgende maaltijd benaderen, wat een tijd is waarin individuele verschillen in voedselbeloning logisch van invloed zijn op de calorie-inname. De meeste deelnemers hebben het paradigma tussen 16: 00 en 18: 00 voltooid, maar een subset voltooide scans tussen 11: 00 en 13: 00. Vóór de beeldsessie werden de deelnemers vertrouwd gemaakt met het fMRI-paradigma door te oefenen op een afzonderlijke computer.

Het milkshake-paradigma was bedoeld om consumerende en anticiperende voedselbeloningen te onderzoeken. Stimuli werden gepresenteerd in afzonderlijke scanbewerkingen van 4. De stimuli bestonden uit 3 zwarte vormen (ruit, vierkant, cirkel) die de aflevering van 0.5 ml chocolademilkshake aangaven (4-bolletjes Haagen-Daz vanille-ijs, 1.5-kopjes 2% melk en 2 eetlepels Hershey's chocolade siroop), een smakeloze oplossing of geen oplossing. Hoewel de koppeling van signalen met stimuli en de duur van de stimuluspresentatie willekeurig werd bepaald tussen de deelnemers, hebben we de volgorde van presentatie over de deelnemers niet willekeurig verdeeld. De smaakloze oplossing, die was ontworpen om de natuurlijke smaak van speeksel na te bootsen, bestond uit 25 mM KCl en 2.5 mM NaHCO₃ (O'Doherty et al., 2001). We gebruikten kunstmatig speeksel omdat water een smaak heeft die de smaakcortex activeert (Zald & Pardo, 2000). Bij 50% van de proeven met chocolade en smaakloze oplossingen werd de smaak niet geleverd zoals verwacht om het onderzoek van de neurale respons op anticipatie van een smaak mogelijk te maken die niet werd verward met de daadwerkelijke ontvangst van de smaak (ongepaarde proeven) (Figuur 1). Er waren zes evenementen van belang in het paradigma: (1) chocolade milkshake cue gevolgd door milkshake smaak (gepaarde milkshake cue), (2) ontvangst van milkshake smaak (milkshake levering), (3) chocolade milkshake cue gevolgd door geen milkshake smaak ( ongepaarde milkshake-keu), (4) smaakloze oplossingsrichtlijn gevolgd door smakeloze oplossing (gepaarde smaakloze keu), (5) ontvangst van smakeloze oplossing (smakeloze levering) en (6) smaakloze oplossing-keu gevolgd door geen smakeloze oplossing (ongepaarde smaakloze keu) . De afbeeldingen werden gepresenteerd voor 5-12 seconden (M = 7) met MATLAB vanuit Windows. Taste delivery heeft 4 tot 11 seconden plaatsgevonden (M = 7) na het begin van de cue. Als gevolg daarvan duurde elke gebeurtenis tussen 4-12 seconden. Elke run bestond uit 16-evenementen. Er werden smaken geleverd met behulp van twee programmeerbare spuitpompen (Braintree Scientific BS-8000) die werden beheerd door MATLAB om een ​​consistent volume, snelheid en timing van smaakafgifte te garanderen. Injecties van zestig ml gevuld met de chocolademilkshake en de smaakloze oplossing werden via Tygon-slangen via een golfgeleider verbonden met een spruitstuk dat aan de vogelkooikoppelspoel in de MRI-scanner was bevestigd. Het spruitstuk paste in de mond van de deelnemers en bracht de smaak naar een consistent segment van de tong. Deze procedure is in het verleden met succes gebruikt om vloeistoffen in de scanner te leveren en is elders in detail beschreven (bijv. Veldhuizen, Bender, Constable, & Small, 2007). De smaakkeuzelijst bleef 8.5 seconden lang op het scherm nadat de smaak was afgeleverd en de deelnemers kregen de instructie om te slikken als de vorm verdwenen was. De volgende keu verscheen 1 tot 5 seconden nadat de vorige keu was afgegaan. Beelden werden gepresenteerd met een digitaal projector / scherm met omgekeerd scherm op een scherm aan de achterzijde van de MRI-scannerboring en waren zichtbaar via een spiegel die op de kopspoel was gemonteerd.

 

Figuur 1

Voorbeeld van timing en volgorde van presentatie van foto's en drankjes tijdens de run.

Vijf bewijslijnen uit een lopend fMRI-onderzoek dat dit paradigma met adolescente meisjes gebruikte (N = 46) suggereren dat het een geldige maatstaf is voor individuele verschillen in anticiperende en consumerende voedselbeloning. Ten eerste beoordeelden de deelnemers de milkshake als aanzienlijk (t = 9.79, df = 45, r =. 68, p <.0001) aangenamer dan de smaakloze oplossing op een visuele analoge schaal, wat bevestigt dat de milkshake meer lonend was voor de deelnemers dan de smaakloze oplossing. Ten tweede correleerden aangenaamheidsbeoordelingen van de milkshake met activering in de voorste insula (r = .70) in reactie op milkshake-signalen en met activering in de parahippocampale gyrus in reactie op milkshake-ontvangst (r = .72). Ten derde, activering in regio's die anticiperende en consumerende voedselbeloning vertegenwoordigen (LaBar et al., 2001; O'Doherty et al., 2002; Small et al., 2001) in reactie op anticipatie en ontvangst van milkshake in dit fMRI-paradigma gecorreleerd (r = .84 naar .91) met zelfgerapporteerde voorkeuren en hunkeren naar een variëteit aan voedingsmiddelen, zoals beoordeeld met een aangepaste versie van de inventarisatie van de voedselhonger (White et al., 2002).¹ Ten vierde correleert activering in reactie op anticiperende en consummerende voedselbeloning in dit fMRI-paradigma (r = .82 naar .95) met hoe hard deelnemers werken voor voedsel en voor hoeveel voedsel ze werken in een operante gedragstaak die individuele verschillen in voedselversterking beoordeelt (Saelens en Epstein, 1996). Ten vijfde, deelnemers die relatief meer activering vertonen als reactie op anticiperende en consumerende voedselbeloning in dit fMRI-paradigma, toonden significant (p <.05) meer gewichtstoename gedurende een follow-up van 1 jaar dan deelnemers die minder activering in dit paradigma vertonen (r = .54 naar .65). Gezamenlijk geven deze bevindingen bewijs voor de geldigheid van dit beloningsmodel voor fMRI-voedsel.

Resultaten

Test of obese deelnemers verschillen vertoonden in anticiperende voedselbeloning ten opzichte van magere deelnemers (milkshake cue versus smakeloze cue)

We hebben analyses uitgevoerd die de hersenreacties vergeleken bij obese adolescente meisjes (N = 7, M BMI = 33, SD = 4.25) om pubermeisjes te leunen (N = 11, M BMI = 19.6, SD = 1.08) met behulp van een groep-ANOVA-model. Een totaal van 13-activeringclusters bevonden zich binnen de insula, de regio van Roland, en de temporale, frontale en pariëtale operculaire regio's; zwaarlijvige deelnemers vertoonden een grotere activering op deze gebieden in vergelijking met magere deelnemers (Figuur 2A-B en Tabel 1). Van deze 13-activeringclusters viel 9 links en 4 in de rechter hemisfeer. Zwaardere deelnemers vertoonden ook een grotere activering in de linker anterior cingulate cortex (ventraal Brodmann-gebied (BA) 24) dan magere deelnemers. Tabel 1 rapporteert coördinaten, voxel-grootte, niet gecorrigeerd p-waarden en effectgroottes (η²). Verschillende p-waarden waren significant bij p <.05 hele hersenen gecorrigeerd op clusterniveau. De effectgroottes van deze analyses varieerden van klein (η² = .01) tot groot (η² = .17), met een gemiddeld effect van .05, dat een gemiddelde effectgrootte per vertegenwoordigt Cohen's criteria (1988).²

 

Figuur 2

A.Saggitale sectie met grotere activering in de linker anterieure insula (-36, 6, 6, Z = 3.92, P ongecorrigeerd <.001) als reactie op anticiperende voedselbeloning bij zwaarlijvige vergeleken met magere proefpersonen met B. de staafdiagrammen van parameter schattingen van ...

 

Tabel 1

Regio's tonen verhoogde activering tijdens Anticipatory Food Reward en Consummatory Food Reward bij obese adolescente meiden (N = 7) in vergelijking met Lean Adolescent Girls (N =

Test of de deelnemers BMI lineaire relaties vertoonden met anticiperende voedselbeloningen

Individuele SPM-contrastenkaarten werden in regressiemodellen ingevoerd met BMI-scores als een covariabele om te testen of BMI lineair gerelateerd is aan activering in reactie op anticiperende voedselbeloning. Deze analyses waren gevoeliger omdat ze alle deelnemers betrokken waren, in plaats van alleen zwaarlijvige en magere deelnemers. We vonden een positieve correlatie van BMI met activaties in de ventrale laterale en dorsale laterale prefrontale cortex en temporale operculum in reactie op anticiperende voedselbeloning (Figuur 3A en Tabel 2). Geen van de effecten was echter significant p <.05 hele hersenen gecorrigeerd op clusterniveau. De effectgroottes uit deze analyses waren allemaal groot per Cohen's (1988) criteria (bereik r = .48 naar .68), met een gemiddelde r = .56.

 

Figuur 3

A.Axiale sectie met grotere activering in het linker temporale operculum (TOp; −54, −3, 3, Z = 3.41, P ongecorrigeerd <.001) en in de rechter ventrolaterale prefrontale cortex (VLPFC; 45, 45, 0, Z = 3.57, P ongecorrigeerd <.001) in ...

 

Tabel 2

Regio's reageren tijdens Anticipatory Food Reward en Consummatory Food Reward als een functie van de Body Mass Index (N = 33)

Discussie

Deze studie testte de hypothese dat obese adolescente meisjes differentiële activering zouden vertonen in beloningscircuits als reactie op voedselconsumptie en verwachte consumptie ten opzichte van slanke adolescente meisjes en dat activering lineair gerelateerd zou zijn aan de BMI van deelnemers. Hersenreacties werden onderzocht tijdens de ontvangst van chocolademilkshake versus smakeloze oplossing (beloning voor consumptie van consumptiegoederen) en als reactie op signalen die de aanstaande levering van chocolademilkshake versus smakeloze oplossing signaleren (anticiperende voedselbeloning). Gebaseerd op bevindingen uit eerdere onderzoeken (bijv. Wang, Volkow, Felder et al., 2002), verwachtten we abnormaliteiten in de consumerende en anticiperende voedselbeloning bij obese deelnemers ten opzichte van hun magere tegenhangers.

Zoals gehypothetiseerd, waren de responsen op de consumerende en anticiperende voedselbeloning in de voorspelde regio's anders bij de zwaarlijvige adolescente meisjes in vergelijking met hun magere tegenhangers. Zwaarlijvige deelnemers vertoonden een grotere activering in de primaire smaakcortex (anterieure insula / frontale operculum) en in de somatosensorische cortex (het Roland-operculum, temporale operculum, pariëtale operculum en posterieure insula) en anterieure cingulaat in reactie op onze maat voor anticiperende voedselbeloning vergeleken met om deelnemers te leunen. Deze effectgrootten waren klein tot groot in omvang, met een gemiddelde effectgrootte die gemiddeld was. Van de insula is aangetoond dat deze een rol speelt bij de anticiperende voedselbeloning (Gottfried, O'Doherty en Dolan, 2003; Small et al., 2005; Yamamoto, 2006) en hunkering naar voedsel (Pelchat et al., 2004). Bovendien toonden Balleine en Dickenson (2001) aan dat dieren met resectie van de insula er niet in slaagden te leren dat gedrag dat op voedsel reageert, is gedevalueerd, wat ook een rol van de insula in anticiperende voedselbeloning suggereert. Het ventrale anterior cingulate-gebied blijkt betrokken te zijn bij de codering van energie-inhoud en smakelijkheid van voedingsmiddelen (Araujo & Rolls, 2004). Dientengevolge kunnen onze bevindingen suggereren dat de zwaarlijvige individuen verhoogde anticipatie op de smakelijkheid van de milkshake ervaren vergeleken met magere individuen. Het zal belangrijk zijn voor toekomstige studies om de mogelijkheid uit te sluiten dat conditionering die optreedt als gevolg van het te veel eten van vetrijke en suikerrijke voedingsmiddelen niet bijdraagt ​​aan de verhoogde anticiperende voedselbeloning van obese deelnemers.

Evenals in de hypothese was er bewijs dat obese deelnemers een differentiële activering vertoonden als reactie op een belonende voedselbeloning ten opzichte van magere deelnemers. De eerste vertoonde verhoogde activering in het Roland-operculum, frontale operculum, posterieure insula en cingulate gyrus als reactie op de beloning van consumptiegoederen in vergelijking met de laatste. Effectgroottes waren van kleine tot middelgrote omvang, met een gemiddelde effectgrootte die gemiddeld was. Deze resultaten komen overeen met die uit eerdere onderzoeken; Del Parigi et al. (2004) vond dat percentage van lichaamsvet gecorreleerd met verhoogde activering in de insula tijdens de sensorische ervaring van een maaltijd en Wang, Volkow, Felder et al. (2002) vond grotere activering in de somatosensorische cortex tijdens rust als een functie van BMI. Aangezien de insula en het bovenliggende operculum geassocieerd zijn met subjectieve beloning van voedselinname (Small et al., 2003; Yamamoto, 2006), kunnen deze bevindingen impliceren dat obese personen een grotere voedselbeloning ervaren ten opzichte van magere individuen, wat zou kunnen overeenkomen met gedragsgegevens uit andere onderzoeken zoals uiteengezet in de inleiding.

We hebben ook getest of BMI lineair gerelateerd is aan activering in reactie op anticiperende en consumerende voedselbeloning met regressiemodellen om een ​​meer gevoelige test van de veronderstelde relaties te bieden. Vergelijkbaar met de resultaten gevonden in de ANOVA-modellen, vonden we verhoogde activering in het temporale operculum naar anticiperende voedselbeloning als een functie van BMI. Verder werden grotere responsen gevonden in de dorsolaterale prefrontale cortex als reactie op anticiperende voedselbeloning als een functie van BMI. Ook vergelijkbaar met de bevindingen van de ANOVA-modellen was de verhoogde activering in het insula / frontoparietale operculum als reactie op de beloning van consumptiegoederen als een functie van de BMI. Over het algemeen convergeren de resultaten van de regressiemodellen in het algemeen met de bevindingen van de ANOVA-modellen, hoewel de laatste alleen betrokken zwaarlijvige en magere deelnemers analyseert en verdere bevindingen biedt die consistent zijn met onze hypotheses. De relaties geïdentificeerd in de regressiemodellen waren meestal grote effecten.

Interessant is dat de regressiemodellen suggereerden dat BMI omgekeerd evenredig was aan activering in de caudate nucleus als reactie op beloning voor consumptiegoederen, zoals werd verondersteld op basis van eerdere bevindingen (Wang et al., 2001). Dit was een grote effectgrootte. Onze functionele bevinding bevestigt en verlengt de resultaten gerapporteerd in de studie uitgevoerd door Wang et al. (2001), waarin ze vonden dat morbide obesitas verminderde D2-receptorbeschikbaarheid in rust in het putamen in verhouding tot hun BMI vertoonde. Deze bevindingen kunnen een lagere beschikbaarheid van dopamine-receptoren weerspiegelen. Het is mogelijk dat mensen te veel eten om een ​​traag en langdurig op dopamine gebaseerd beloningssysteem te stimuleren (Wang et al., 2001). Als alternatief kan een verhoogde inname van voedingsmiddelen met een hoog vet- en suikergehalte leiden tot een verlaging van de receptor, zoals is waargenomen onder gebruikers van stoffen (Davis et al., 2004). Zoals opgemerkt suggereren dierstudies dat herhaalde inname van zoet en vet voedsel resulteert in downregulatie van D2-receptoren en verminderde gevoeligheid van D2 (Bello et al., 2002; Kelley et al., 2003). Een andere mogelijke interpretatie is dat zwaarlijvige individuen tijdens het rusten hypofunctioneren van voedselbeloningscircuits vertonen, maar hyperfunctioneren wanneer zij worden blootgesteld aan voedsel- of voedselaanwijzingen. Deze interpretatie komt overeen met het bewijs dat obese en post-obese personen een grotere responsiviteit vertonen in de dorsale insula en posterieure hippocampus na voedselinname in vergelijking met magere individuen (Del Parigi et al., 2004), dat blootstelling aan voedselaanwijzingen leidt tot grotere activering in de juiste pariëtale en temporale cortex bij obese maar niet magere individuen (Karhunen et al., 1997; Stoeckel et al., 2008), dat obese personen een grotere activering vertonen in dorsale striatum, insula, claustrum en somatosensorische cortex als reactie op voedselaanwijzingen dan magere individuen (Rothemund et al., 2007), dat obese ratten lagere basale dopaminegehalten hebben en verminderde D2-receptorexpressie dan magere ratten (Fetissov et al., 2002; Hamdi et al., 1992; Orosco et al., 1996) en dat obese ratten tijdens de voeding meer fasische afgifte van dopamine vertonen dan magere ratten (Yang en Meguid, 1995). Deze interpretatie komt echter niet overeen met het bewijs dat zwaarlijvige met betrekking tot magere individuen een grotere ruststofwisselingsactiviteit vertoonden in de orale somatosensorische cortex (Wang, Volkow, Felder et al., 2002) en dat activatie van de OFC en cingulate in reactie op het bekijken van foto's van smakelijke voeding negatief correleerde met BMI bij vrouwen met een normaal gewicht (Killgore en Yurgelun-Todd, 2005). Het zal nuttig zijn voor toekomstig onderzoek om te bepalen welke interpretatie de ogenschijnlijk inconsistente bevindingen verklaart, omdat dit ons begrip van etiologische en onderhoudsprocessen die bijdragen aan obesitas aanzienlijk zou bevorderen.

Gezamenlijk suggereren de huidige bevindingen dat verschillende hersenregio's worden geactiveerd door anticiperende versus consumerende voedselbeloning, wat een belangrijke bijdrage is omdat slechts een paar studies hebben geprobeerd de neurale substraten van anticiperende en consumerende voedselbeloning te identificeren. In de ANOVA-modellen die obese met magere deelnemers vergelijken (Tabel 1), werd het Rolandic-operculum en het frontale operculum geactiveerd door zowel anticipatie als consumptie van milkshake, maar het tijdelijke operculum, pariëtaal operculum, anterieure insula, posterieure insula en ventraal anterieure cingulate werden alleen geactiveerd als reactie op verwachte ontvangst van milkshake. In de regressiemodellen die de relatie van BMI tot activeringsgebieden (Tabel 2), was er geen overlap in geactiveerde regio's: terwijl de ventrolaterale prefrontale cortex, dorsale laterale prefrontale cortex en temporale operculum werden geactiveerd als reactie op verwachte ontvangst van milkshake, werden de insula, frontoparietale operculum, pariëtale operculum en caudate nucleus geactiveerd als reactie op ontvangst van milkshake. Deze bevindingen komen grotendeels overeen met die van eerdere onderzoeken die hersengebieden hebben onderzocht die specifiek zijn voor consumerende en anticiperende voedselbeloningen (O'Doherty et al., 2002; Pelchat et al., 2004; Small et al., 2003; Small et al., 2008; Volkow et al., 2003).

Deze studie is nieuw omdat het een van de eersten is om relaties tussen BMI en neurale respons op anticiperende en consumerende voedselbeloning te testen met behulp van een paradigma waarbij voedsel in de scanner wordt geleverd. Deze studie had echter verschillende beperkingen die moeten worden opgemerkt. Ten eerste hadden we een gematigde steekproefomvang om te testen tussen groepseffecten, hoewel deze groter was dan de meeste eerder gepubliceerde fMRI-studies van tot nu toe gepubliceerde voedselbeloningen. Ten tweede hebben we slechts één smakelijke smaak gebruikt. Misschien zijn andere smaken meer lonend voor deelnemers en zou dit geresulteerd hebben in een grotere respons op belonen in de hersenen. Ten derde, omdat de ontvangst van de milkshake altijd werd voorafgegaan door de keu (dat wil zeggen, nooit afgeleverd zonder de keu), wisten de deelnemers altijd van de smaak voordat deze werd afgeleverd. Eerdere studies (bijv. Berns, McClure, Pagoni en Montague, 2001) hebben een differentiële respons op smaak en smaak gevonden als een functie van of ze verwacht of onverwacht zijn. Daarom zouden onderzoekers moeten overwegen om een ​​responsmaatregel op te nemen bij de ontvangst van onverwachte voedselbeloningen in toekomstige onderzoeken. Ten vierde waren de signalen die gebruikt werden voor het milkshake-paradigma geometrische vormen, die mogelijk niet genoeg beloning betekenden voor de deelnemers en daarom mogelijk afgestompt anticiperende sensaties en hersenactivatie produceerden. Ten vijfde hebben we beperkte gedragsgegevens verzameld om het fMRI-paradigma te valideren met deelnemers aan ons onderzoek. Niettemin suggereren geldigheidsgegevens van lopende onderzoeken met dit paradigma dat het een geldige maatstaf is voor individuele verschillen in voedselbeloning.

Concluderend suggereren onze resultaten een differentiële neurale respons tijdens anticiperende en consumerende voedselbeloning als een functie van obesitasstatus en BMI, hoewel het belangrijk zal zijn om deze relaties in onafhankelijke monsters te repliceren. Omdat er in veel regio's een grotere respons was, waarvan is aangetoond dat ze voedselbeloning coderen bij obese deelnemers, is het patroon van respons consistent met gedragsstudies die suggereren dat obese mensen meer beloning van voedselinname verwachten en meer zintuiglijk plezier ervaren tijdens het eten. We ontdekten echter ook dat deelnemers met een hogere BMI minder activatie vertoonden in het striatum als reactie op voedselconsumptie dan die met een lagere BMI, wat consistent is met het voorstel dat obese personen minder fasische dopamine-afgifte kunnen ervaren wanneer ze voedsel consumeren in vergelijking met magere individuen. Het is biologisch mogelijk dat individuen meer beloning van voedselinname verwachten en meer somatosensorisch plezier ervaren tijdens het eten, maar toch minder fasische afgifte van dopamine ervaren wanneer voedsel wordt geconsumeerd, omdat elk afzonderlijk neuraal circuit met zich meebrengt. Het is echter ook mogelijk dat sommige van deze afwijkingen ouder zijn dan obesitas, terwijl andere het gevolg zijn van te veel eten. De eerste twee effecten kunnen bijvoorbeeld het risico op hyperfagie verhogen, wat resulteert in een positieve energiebalans, en het laatste effect kan een product zijn van de downregulatie van de receptor secundair aan de consumptie van een vetarm en suikerarm dieet. Als alternatief kan het hypofunctioneren van door dopamine gemedieerde beloningscircuits ertoe leiden dat mensen te veel eten om dit beloningsdeficit te compenseren, dat door conditionering meer anticiperende voedselbeloning en verhoogde ontwikkeling van de somatosensotry-cortex produceert. Het is van vitaal belang voor prospectieve studies om te onderzoeken welke van deze afwijkingen voorafgaat aan het ontstaan ​​van obesitas en die een product zijn van chronische overeten. Het is onze hoop dat een systematische studie van de afwijkingen die zich voordeden bij het begin van zwaarlijvigheid het ontwerp van effectievere preventie- en behandelingsinterventies mogelijk maakt.

Dankwoord

voetnoten

Referenties