Deficyt mezolimbicznej neurotransmisji dopaminy w otyłości związanej z dietą szczurów (2009)

Komentarz: badanie ujawnia, że ​​przejadanie się „jedzeniem w kafeterii” prowadzące do otyłości prowadzi do obniżenia poziomu dopaminy i osłabienia odpowiedzi dopaminy na normalną karmę dla szczurów. Jednak szczury nadal otrzymywały nagrodę w postaci jedzenia ze stołówki. Jedno z wielu badań pokazujących zmiany w mózgu podobne do tych, które są uzależnione od narkotyków. Nadmierne spożycie nadprzyrodzonych wersji naturalnych nagród może prowadzić do uzależnienia.

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

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

Ostateczna, zredagowana wersja tego artykułu jest dostępna pod adresem Neuroscience

Zobacz inne artykuły w PMC, że cytować opublikowany artykuł.

Idź do:

Abstrakcyjny

Zwiększone spożycie kalorii w otyłości dietetycznej może być napędzane przez centralne mechanizmy regulujące zachowanie poszukujące nagrody. Mezolimbiczny układ dopaminowy, a szczególnie jądro półleżące, leży u podstaw nagrody żywnościowej i lekowej. Zbadaliśmy, czy otyłość dietetyczna szczura jest związana ze zmianami w neurotransmisji dopaminergicznej w tym regionie. Szczury Sprague-Dawley poddano diecie w bufecie, aby wywołać otyłość lub dietę laboratoryjną, aby utrzymać normalny przyrost masy ciała. Pozakomórkowe poziomy dopaminy mierzono za pomocą in vivo mikrodializa. Wywoływane elektrycznie uwalnianie dopaminy mierzono ex vivo w skrawkach koronalnych jądra półleżącego i prążkowia grzbietowego przy użyciu amperometrii włókna węglowego w czasie rzeczywistym. W ciągu 15 tygodni szczury karmione dietą stołową stały się otyłe (> 20% wzrost masy ciała) i wykazywały niższe poziomy dopaminy w zewnątrzkomórkowej półleżącej niż szczury o normalnej masie ciała (0.007 ± 0.001 vs. 0.023 ± 0.002 pmol / próbkę; P<0.05). Uwalnianie dopaminy w jądrach półleżących otyłych szczurów było stymulowane przez prowokację dietą w kafeterii, ale nie odpowiadała ona na laboratoryjną karmę. Administracja d-amfetamina (1.5 mg / kg ip) również ujawniła osłabioną odpowiedź dopaminową u otyłych szczurów. Eksperymenty mierzące elektrycznie wywołany sygnał dopaminy ex vivo w skrawkach jądra półleżącego wykazały znacznie słabszą odpowiedź u zwierząt otyłych (12 vs. 25 × 106 cząsteczki dopaminy na stymulację, P<0.05). Wyniki pokazują, że niedobory mezolimbicznej neurotransmisji dopaminy są związane z otyłością dietetyczną. Zmniejszone uwalnianie dopaminy może skłaniać otyłe zwierzęta do kompensacji poprzez spożywanie smacznego „wygodnego” pokarmu, bodźca, który uwalnia dopaminę, gdy karma laboratoryjna zawodzi.

Słowa kluczowe: jądro półleżące, prążkowie, karmienie, masa ciała, amfetamina, hiperfagia

Gwałtowny wzrost otyłości dietetycznej w społeczeństwach uprzemysłowionych wskazuje, że mogą być odpowiedzialne nie homeostatyczne ścieżki sygnałowe, które pozwalają na przewlekłe dodatnie spożycie energii. Kluczowym pytaniem jest, dlaczego zwierzęta laboratoryjne i ludzie nadal jedzą bogate w energię, smaczne jedzenie w stopniu, w jakim stają się otyli. Z ewolucyjnego punktu widzenia należy oczekiwać, że mózg opracował system reagowania na naturalne nagrody, takie jak żywność. Te centralne mechanizmy są zachowane u różnych gatunków, aby zapewnić przetrwanie (Kelley i Berridge, 2002) i może wchodzić w interakcje lub modulować obwody, które regulują masę ciała. Dlatego dostępność satysfakcjonującego smacznego pożywienia może prowadzić do zwiększonego spożycia kalorii i przyrostu masy ciała, które mechanizmy napędzane homeostazą, pochodzące głównie z podwzgórza, mogą nie zostać przezwyciężone. Ta możliwość może wyjaśnić, przynajmniej częściowo, epidemiczne rozmiary otyłości dietetycznej.

Wśród systemów neuronowych wyróżnia się mezolimbiczne szlaki dopaminowe, gdzie wiadomo, że działanie dopaminy, szczególnie w jądrze półleżącym, pośredniczy w mechanizmach wzmacniających. Aktywacja tego systemu obejmuje podwyższenie poziomu dopaminy i zmiany obrotu dopaminy po naturalnych zachowaniach, takich jak karmienie (Hernandez i Hoebel, 1988; Radhakishun i in., 1988). Ponadto wiadomo, że dopamina w jądrze półleżącym (i sąsiednim prążkowiu grzbietowym) zwiększa się wraz z ekspozycją na bodźce związane z żywnością i aktywność motoryczną związaną z osiąganiem pokarmu (Mogenson i Wu, 1982; Bradberry i in., 1991; Salamone i wsp., 1991). Rozsądne jest zatem oczekiwanie, że otyłość dietetyczna może być powiązana z mezolimbiczną zdolnością uwalniania dopaminy przez smaczny pokarm o wysokiej energii.

W tym badaniu zbadaliśmy, czy przewlekła ekspozycja (tygodnie 15) szczurów na wysokoenergetyczną, smaczną dietę stołową powoduje zmiany w jądrze półleżącym dopaminy. Ta bardzo smaczna dieta skutecznie wywołuje otyłość dietetyczną u szczurów i jest najbardziej istotna dla rozwoju otyłości u ludzi (Sclafani i Springer, 1976). Co więcej, dieta bufetowa pozwoliła nam rozróżnić preferencje wysokotłuszczowe i wysokowęglowodanowe oraz to, czy takie preferencje wpłynęły na uwalnianie dopaminy mezolimbicznej. Stwierdziliśmy, że szczury Sprague-Dawley przyjmowały większość dziennego spożycia kalorii ze źródeł o wysokiej zawartości węglowodanów i rozwijały otyłość indukowaną dietą (DIO). Ponadto wykazali obniżone podstawowe uwalnianie dopaminy w jądrze półleżącym i osłabioną odpowiedź dopaminową na standardowy posiłek chow lub układowe podawanie d-amfetamina.

EKSPERYMENTALNE PROCEDURY

Zwierzęta

Samice szczurów albinosów Sprague-Dawley (Taconic, Hudson, NY, USA) dopasowano do masy ciała 300 g każda w wieku 3 miesięcy. Wybrano samice zwierząt, ponieważ, w przeciwieństwie do samców szczurów, masa ciała samic karmionych karmą laboratoryjną jest stosunkowo stabilna w czasie. Zwierzęta trzymano pojedynczo w tym samym pomieszczeniu, w cyklu 12-h do tyłu / światła (światła włączone: 6 pm, światła wyłączone: 6 am). W tych warunkach nie zaobserwowaliśmy wpływu fazy cyklu rujowego na mezolimbiczne uwalnianie dopaminy (Geiger i in., 2008). Wszystkie zwierzęta wykorzystano zgodnie z opublikowanymi wytycznymi Amerykańskiego Narodowego Instytutu Zdrowia (NIH) oraz Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) z Tufts University i Tufts Medical Center. Dołożono wszelkich starań, aby ograniczyć liczbę zwierząt wykorzystywanych w celu zminimalizowania wykorzystania zwierząt i cierpienia.

Skład diety w kafeterii

Zwierzęta podzielono na grupę bufetową DIO (opisaną również jako dietetyczna grupa otyłych poniżej) i grupę karmioną laboratoryjnie (normalna grupa wagowa). Wszystkie grupy były karmione ad libitum. Dieta w stołówce zawierała wysokotłuszczowe składniki, takie jak Crisco (33% skrócenie warzyw, 67% Purina w proszku), salami, ser cheddar i masło orzechowe; oraz składniki wysokowęglowodanowe, takie jak słodzone mleko skondensowane (marka Magnolia zmieszana z wodą, 1: 1), ciasteczka czekoladowe, mleczna czekolada, banany, pianki i roztwór 32% sacharozy. Ta wysoce smaczna dieta okazała się bardzo skuteczna w wywoływaniu otyłości dietetycznej u szczurów i naśladowała rozwój ludzkiej otyłości (Sclafani i Springer, 1976). Każdy ze składników był dostępny przez cały czas i zmieniany cztery razy w tygodniu. Podano również grupę DIO w stołówce, oprócz smacznego jedzenia ad libitum dostęp do karmy laboratoryjnej Purina. Aby zidentyfikować preferencje dietetyczne, spożycie każdego ze składników diety stołowej było mierzone w dwóch okresach 48-h podczas jedenastego tygodnia diety. Masę ciała rejestrowano raz w tygodniu.

Chirurgia stereotaktyczna

Operację stereotaksji przeprowadzono w tygodniu 7 badania (n= Szczury 24 w kawiarni DIO, n= Szczury laboratoryjne 32). Zwierzęta znieczulono za pomocą ketaminy (60 mg / kg ip) i ksylazyny (10 mg / kg ip) do implantacji dwustronnych kaniul prowadzących mikrodializę ze stali nierdzewnej 10 mm, 21 wycelowanych w tylne jądro półleżące w regionie skorupy. Współrzędne stereotaktyczne to 10 mm przedni do międzyusznego zerowego, 1.2 mm boczny do zatoki środkowej i 4 mm brzuszny do poziomej powierzchni czaszki. Włókno dializacyjne sondy rozszerzyło kolejną brzuszną 4 mm, aby dotrzeć do miejsca docelowego (Paxinos i Watson, 2007). Po operacji wszystkie zwierzęta wracały do ​​swoich klatek i kontynuowały dietę.

Mikrodializa i wysokosprawna chromatografia cieczowa z procedurą wykrywania elektrochemicznego (HPLC-EC)

Mikrodializę przeprowadzono podczas 14 badania w celu umożliwienia odpowiedniego powrotu do zdrowia po zabiegu. Dla każdej sesji mikrodializy zwierzęta umieszczano pojedynczo w klatkach do mikrodializy i sondy umieszczano w kaniulach do mikrodializy 12-15 h przed pobraniem pierwszej próbki. Miejsce implantacji (lewe i prawe) zostało zrównoważone. Sondy do mikrodializy były typu koncentrycznego, wykonane lokalnie i wykazały 10% odzysk neurochemicznych w in vitro testy opisane wcześniej (Hernandez i wsp., 1986). Sondy perfundowano roztworem Ringera (142 mM NaCl, 3.9 mM KCl, 1.2 mM CaCl2, 1.0 mM MgCl2, 1.4 mM Na2HPO4, 0.3 mM NaN2PO4) z szybkością 1 ° µl / min. Dializat zebrano do fiolek 40 µl zawierających 5 µl środka konserwującego (0.1 M HCl i 100 ° µM EDTA) w celu spowolnienia utleniania monoamin. Pobieranie próbek rozpoczęło się w środku ciemnego cyklu, a cała żywność została usunięta 3 h przed pobraniem próbek dla wszystkich zwierząt. Próbki zbierano w odstępach 30-min przez co najmniej 2 h linii podstawowej, po czym następowało systemowe wstrzyknięcie d-amfetamina (1.5 mg / kg ip; Sigma, St. Louis, MO, USA). Z każdej próbki, 25 µl dializatu wstrzyknięto do amperometrycznego systemu Antec HPLC-EC (GBC, Inc., Boston, MA, USA) za pomocą kolumny 10 cm Rainin i buforu fazy ruchomej fosforanowej, który oddziela i wykrywa dopaminę, i metabolity dopaminy kwas dihydroksyfenylooctowy (DOPAC) i kwas homowanilinowy (HVA). Powstałe piki były następnie mierzone i rejestrowane. Umieszczenie sondy do mikrodializy w miejscu docelowym zweryfikowano pod koniec eksperymentu przez badanie histologiczne przewodu sondy po utrwaleniu mózgu paraformaldehydem.

Dla zwierząt z 30-min wyzwaniem laboratoryjnym lub bufetowym z dietą zamiast d-amfetamina, wszystkie grupy zostały pozbawione żywności dla 12 h przed eksperymentem mikrodializy, aby zapewnić odpowiednią motywację do jedzenia.

Elektrofizjologia plastra

Mózgi szczura szybko umieszczono w lodowato zimnym natlenionym sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym (aCSF) na wibratomie Leica VT1000S (Leica Microsystems, Wetzlar, Niemcy) i pocięto na plastry koronalne 300 µm. Kąpiel w plasterkach zawierała aCSF (124 mM NaCl, 2.0 mM KCl, 1.25 mM KH2PO4, 2.0 mM MgSO44, 25 mM NaHCO3, 1.0 mM CaCl2, 11 mM glukoza, pH = 7.3). Po 1 h w plasterkach aCSF przeniesiono do komory rejestrującej z perfuzją utlenionego aCSF ustawionego na 1 ml / min w 37 ° C. Elektrody z włókna węglowego o średnicy 5, ze świeżo pociętą powierzchnią, umieszczono w jądrze półleżącym lub prążkowiu grzbietowym ~ 50 µm w plasterku, z elektrodą odniesienia (drut Ag / AgCl) wprowadzoną do kąpieli aCSF i zestawu napięcia do + 700 mV (Axopatch 200 B, Axon Instruments Inc., Union City, CA, USA). Dwubiegunowy, skręcony drut, elektroda stymulująca (średnica drutu 0.005 w: MS 303 / 3, Plastics One, Inc., Roanoke, VA, USA) została umieszczona w 100 – 200 µm elektrody z włókna węglowego. Stały jednofazowy bodziec prądowy 2 ms przy + 500 µA został dostarczony przez izolator bodźca Isoflex (AMPI, Inc., Jerozolima, Izrael) wyzwalany przez stymulator o stałym prądzie (Model S88; Grass Technologies, West Warwick, RI, USA) . Odpowiedź elektrody amperometrycznej (zmiana linii podstawowej) monitorowano i oznaczano ilościowo za pomocą oprogramowania Superscope (GW Instruments, Inc., Somerville, MA, USA). Elektrody kalibrowano przed i po użyciu woltamogramami odejmowanymi w tle (pięć fal przykładano i uśredniano, 300 V / s, -400 do + 1000 mV, w nośniku rejestrującym i pożywce z dopaminą 10 µM). Piki amperometryczne zostały zidentyfikowane jako zdarzenia większe niż 3.5 × szum RMS linii bazowej. Szerokość zdarzenia była czasem trwania pomiędzy (a) punktem przecięcia linii bazowej maksymalnego nachylenia od linii bazowej do pierwszego punktu, który przekroczył wartość graniczną i (b) pierwszym punktem danych następującym po maksymalnej amplitudzie, która zarejestrowała wartość ≤0 pA. Maksymalna amplituda (imax) wydarzenia było największą wartością w ramach wydarzenia. Aby określić całkowitą liczbę cząsteczek (N) zwolniony, określono całkowity ładunek zdarzenia między punktami przecięcia linii bazowej i liczbę cząsteczek oszacowanych przez relację N= P /nF, gdzie Q jest ładunkiem, n liczba elektronów oddanych na cząsteczkę, a F jest stałą Faradaya (96,485 C na równoważnik). Szacunki oparto na założeniu, że dwa elektrony oddane na utlenioną cząsteczkę dopaminy (Ciolkowski i in., 1994).

Mikropompy tkankowe

Kafeteria DIO lub laboratoryjne karmione karmą szczury (n= 11 / grupa) poddano eutanazji, jak w poprzednim eksperymencie i pobrano stemple 1 mm prążkowia grzbietowego i jądra półleżącego z wycinków mózgu 300 µm. Stemple eksponowano następnie na roztwór 40 mM KCl dla 3 min w celu stymulacji uwalniania dopaminy. Pozakomórkowe poziomy dopaminy mierzono następnie za pomocą metody HPLC opisanej powyżej.

Analiza danych

Do analizy danych mikrodializy wykorzystano dwukierunkową analizę ANOVA (grupa x czas) z powtarzanymi pomiarami i analizę post hoc Fishera. Jednokierunkowa ANOVA była stosowana do wszystkich innych testów. W przypadku eksperymentów z wycinkami wyniki pięciu różnych stymulacji na tym samym plasterku uśredniono na wycinek przed uruchomieniem ANOVA. Wyniki wyrażono jako średnią ± błąd standardowy średniej (SEM).

WYNIKI

Otyłe dietetyczne szczury preferują bardzo smaczne jedzenie

Szczury DIO w kafeterie wykazywały silną preferencję dla słodkiego mleka (74.4 ± 6.4 g; 241 ± 21 kcal) i roztworu 32% sacharozy (31.4 ± 4.1 g; 40 ± 5 kcal) (Rys. 1A, B, F(9,127) = 116.9854, P<0.01). Ponadto, zwierzęta te zjadały znacznie mniej karmy Purina (5.66 ± 1.02 g) w porównaniu ze zwierzętami karmionymi karmą laboratoryjną (54.7 ± 2.3 g; F(1,27) = 419.681, P<0.01). Po 14 tygodniach na diecie kafeteryjnej szczury przybrały 53.7% swojej początkowej masy ciała do masy końcowej 444.9 ± 19.0 g. Po tym samym okresie szczury karmione karmą laboratoryjną osiągnęły ostateczną wagę 344.0 ± 10.8 (Rys. 2A).

Rys. 1 

Preferencje składników diety w stołówkach u otyłych szczurów. Średnie zużycie składników diety w stołówkach w gramach (A) i kcal (B) w dwóch okresach 48-h w ciągu tygodnia 11 w schemacie dietetycznym wykazuje preferencję dla słodkiego mleka i roztworu sacharozy (średnia ± SEM; ...
Rys. 2 

Podstawowy, amfetaminowy i laboratoryjny pokarm z jądra półleżącego, półleżący poziom dopaminy zmniejsza się u otyłych szczurów z dietą. (A) Masa ciała szczurów DIO w stołówce w okresie 14 była znacznie większa niż w przypadku karmy laboratoryjnej ...

Otyłe dietetyczne szczury mają niską podstawową dopaminę i zmniejszone uwalnianie dopaminy stymulowane amfetaminą

W tygodniu 14 badania, szczury DIO w stołówce wykazywały niższe pozakomórkowe poziomy dopaminy w jądrze półleżącym, w porównaniu do szczurów karmionych karmą laboratoryjną (próbka 0.007 ± 0.001 pmols / 25 µL względem próbki 0.023 ± 0.002 pmols / 25 µL; Rys. 2B, F(1,19) = 11.205; P<0.01), mierzone wg in vivo mikrodializa. Stwierdzono również, że poziomy wyjściowe metabolitów dopaminy, DOPAC i HVA, były znacznie niższe u szczurów DIO w stołówkach. Poziomami DOPAC u szczurów DIO w stołówkach były 3.13 ± 0.42 vs. 8.53 ± 0.56 pmol u szczurów karmionych karmą laboratoryjną (F(1,10) = 14.727, P<0.01). Poziomy HVA wynosiły odpowiednio 1.0 ± 0.28 vs. 4.28 ± 0.33 pmol (F(1,20) = 6.931, P<0.05). Po ustaleniu stałego poziomu podstawowego dopaminy, szczurom podano dootrzewnowo zastrzyk amfetaminy w dawce 1.5 mg / kg. Całkowite uwalnianie stymulowanych poziomów dopaminy było mniejsze u szczurów DIO z kawiarni w porównaniu ze zwierzętami karmionymi karmą laboratoryjną (Rys. 2B, F(9,162) = 2.659, P<0.01).

Otyłe dietetyczne szczury uwalniają dopaminę w jądrze półleżącym, kiedy jedzą bardzo smaczne jedzenie, a nie zwykłą karmę laboratoryjną

Rys. 2D pokazuje, że poziomy pozakomórkowej dopaminy w szczurach DIO w stołówce nie wzrosły wykrywalnie w odpowiedzi na posiłek karmy laboratoryjnej. Zwierzęta jadły średnio 1.3 ± 0.4 g karmy przez 30 min. Jednak gdy podzbiór tych zwierząt (n= 8) następnie karmiono dietą bufetową dla 30 min, dopamina zwiększała 19.3% z 0.027 ± 0.003 do 0.033 ± 0.004 pmols / 25 µL próbki (F(11,187) = 8.757, P<0.05). Poziomy DOPAC również wzrosły o 17.13% ± 6.14%. W przeciwieństwie do tego, poziom dopaminy u zwierząt karmionych laboratoryjnym karmieniem paszowym wzrósł o 51.10% ± 17.31% (F(7,119) = 3.902, P<0.05) 1 godzinę po posiłku z pokarmem (zwierzęta jadły średnio 5.7 ± 0.8 g, znacznie więcej niż zwierzęta DIO; F(1,33) = 26.459, P<0.01). Jednak nie spodziewamy się, że niższe spożycie pokarmu przez zwierzęta DIO jest bezpośrednią przyczyną braku uwalniania dopaminy u tych zwierząt, ponieważ zgłoszono, że spożycie pokarmu tak niskie, jak 0.6 g, stymuluje uwalnianie dopaminy w jądrach półleżących szczurów (Martel i Fantino, 1996). Co więcej, inne badania wykazały, że różnice w ilości uwalnianej dopaminy niekoniecznie są bezpośrednio skorelowane z ilością występującego pokarmu, ale mogą również wpływać na inne bodźce, takie jak poziom sytości zwierzęcia, smakowitość i nowatorskie efekty prezentowanej żywności (Hoebel i wsp., 2007). Dieta bufetowa nie była podawana jako wyzwanie dla zwierząt karmionych karmą laboratoryjną, ponieważ oczekiwano, że wywoła ona efekty nowości, które wprowadzą w błąd jakiekolwiek porównania ze zwierzętami DIO w stołówce.

Elektrycznie stymulowane uwalnianie dopaminy jest osłabione w ostrych koronalnych częściach mózgu od otyłych dietetycznych szczurów

Rys. 3A pokazuje reprezentatywne ślady amperometryczne z jądra półleżącego wycinki skorupy zdrowych otyłych szczurów (n= Stymulacja 30 w siedmiu plasterkach vs. stymulacja 24 odpowiednio w pięciu plasterkach). Szczury DIO w kafeterii miały niższe uwalnianie dopaminy elektrycznie wywołane niż szczury karmione karmą laboratoryjną (12 × 106± 4 × 106 vs. 25 × 106± 6 × 106 Cząsteczki; Rys. 3B, F(1,52) = 2.1428, P<0.05). Ta różnica w wywołanym uwalnianiu dopaminy odzwierciedla zarówno spadek amplitudy zdarzenia (5.16 ± 1.10 pA u szczurów DIO z kafeterii w porównaniu z 7.06 ± 0.80 pA u szczurów karmionych karmą laboratoryjną karmą paszową; Rys. 3C, F(1,52) = 2.4472, P<0.05) i szerokość (2.45 ± 0.73 s u szczurów DIO z kafeterii w porównaniu z 4.43 ± 0.70 s u szczurów karmionych paszą laboratoryjną, Rys. 3D, F(1,52) = 3.851, P<0.05).

Rys. 3 

Wywołane uwalnianie dopaminy z jądra półleżącego w skrawkach mózgu (A) Reprezentatywne ślady z ostrego jądra koronalnego półleżące plasterki zwierząt karmionych karmą (górna; n= Stymulacje 30 w siedmiu plasterkach) i zwierzęta DIO w stołówce (na dole; n= Stymulacje 24 ...

Rys. 4 pokazuje, że te same tendencje występowały w grzbietowych warstwach prążkowia otyłych dietetycznie szczurów. Reprezentatywne ślady po karmieniu laboratoryjnym (n= Stymulacja 31 w siedmiu plasterkach) i stołówka DIO (n= Stymulacje 15 w czterech plasterkach) grupy są pokazane w Rys. 4A. Elektrycznie wywołanym uwalnianiem dopaminy z prążkowia był 0.8 × 106± 0.1 × 106 u szczurów stołówki DIO vs. 44 × 106± 11 × 106 Cząsteczki (Rys. 4B, F(1,45) = 6.0546, P<0.01) u zwierząt karmionych paszą laboratoryjną. Ponownie odzwierciedla to zmniejszenie amplitudy obu zdarzeń (2.77 ± 0.42 w porównaniu z 9.20 ± 1.88 pA; F(1,45) = 7.8468, P<0.01) i szerokość (0.22 ± 0.03 vs. 5.90 ± 0.98 s; F(1,45) = 17.2823, P<= 0.01) w grupie stołówki DIO (Rys. 4C, 4D).

Rys. 4 

Wywołało uwalnianie dopaminy z prążkowia grzbietowego w wycinkach mózgu. (A) Reprezentatywne ślady po ostrych koronalnych prążkowanych plasterkach prążkowanego grzbietu zwierząt karmionych karmą (u góry; n= Stymulacje 31 w siedmiu plasterkach) i zwierzęta DIO w stołówce (na dole; n= Stymulacja 15 w ...

Stymulowane potasem uwalnianie dopaminy w mikropunczach tkankowych jest zmniejszone w jądrze półleżącym i prążkowiu otyłych dietetycznie szczurów

Pozakomórkowe poziomy dopaminy po stymulacji KCl zmierzono za pomocą HPLC-EC i pokazano w Rys. 5. Pozakomórkowe poziomy dopaminy to 0.16 ± 0.08 pmol / próbka w mikropunktach półleżących u otyłych zwierząt (n= Mikropompy 10) w porównaniu do 0.65 ± 0.23 pmol / próbka w mikropunktach ze zwierząt kontrolnych (n= Mikropompy 11; Rys. 5A; F(1,19) = 4.1911, P<0.01). Pozakomórkowe poziomy dopaminy wynosiły 5.9 ± 1.7 pmol / próbkę w mikropunktach prążkowia od otyłych (n= Mikroskopy 8) szczury i 11.3 ± 1.9 pmol / próbka w tym samym miejscu z kontroli (n= 11 mikropunkty) szczury (Rys. 5B; F(1,17) = 7.5064, P<0.01).

Rys. 5 

Pozakomórkowe poziomy dopaminy z mikropunktów tkankowych stymulowanych potasem. Ilość dopaminy uwolnionej z (A) jądra półleżącego (n= Mikropunkty 11 z każdej grupy) i (B) prążkowie grzbietowe (n= Mikropompy 8 od otyłych i n= Mikropompy 11 z kontrolek) ...

DYSKUSJA

W tym badaniu szczury miały nadwagę po zjedzeniu diety w stołówce, preferując pokarmy wysokowęglowodanowe. W stanie nadwagi posiadali dolną podstawną pozakomórkową dopaminę, a także dopaminę stymulowaną karmą lub stymulowaną amfetaminą w jądrze półleżącym. W badaniach z użyciem narkotyków zwierzęta będą pracować nad utrzymaniem poziomu dopaminy w jądrze półleżącym powyżej pewnego poziomu (Wise i in., 1995a,b; Ranaldi i wsp., 1999). W niniejszym badaniu nadużywana „substancja” jest smacznym pożywieniem, więc niska dopamina zewnątrzkomórkowa w półleżących prowadzi do zwiększonego spożycia smacznego pożywienia.

Otyłe szczury wykazywały również osłabiony poziom elektrycznie stymulowanej dopaminy w skrawkach mózgu i stymulowanej potasem stymulowanej dopaminy w mikropunktach tkankowych z jądra półleżącego i prążkowia grzbietowego. Centralny presynaptyczny deficyt egzocytozy dopaminy jest zatem oczywisty w otyłości dietetycznej, ponieważ depresja wywołanego uwalniania dopaminy jest obecna in vivo, w ostrych skrawkach mózgu prążkowia i półleżącego oraz w mikropunktach tkankowych od otyłych zwierząt dietetycznych. Podobny efekt zaobserwowaliśmy w genetycznym modelu predyspozycji do otyłości. W tym modelu ekspresja mRNA i białka regulatorów syntezy dopaminy i egzocytozy, w tym hydroksylazy tyrozynowej i neuronalnego transportera monoaminowego pęcherzyków (VMAT2) jest zmniejszona w neuronach dopaminowych brzusznej strefy nakrywkowej (VTA) zwierząt podatnych na otyłość (Geiger i in., 2008). Innym potencjalnym miejscem zmian przed synaptycznych jest transporter zwrotny dopaminy błony komórkowej, DAT. Badania elektrofizjologii krwinek pozwalają nam rozróżnić różnice w kinetyce uwalniania dopaminy w porównaniu z kinetyką wychwytu zwrotnego. Różnica w szerokości ostrza sugeruje zasadniczo, że zwierzęta otyłe w diecie mogą mieć nie tylko mniejsze uwalnianie wywołane, ale także zmiany wychwytu zwrotnego z powodu różnic w aktywnych miejscach transportera DAT na błonie plazmatycznej. W Tłuszczu Zuckera (fa / fa) szczury, zwiększone poziomy mRNA transportera DAT odnotowano w VTA (Figlewicz i in., 1998). Możliwość zwiększenia klirensu dopaminy jest zgodna ze zmniejszonym wywołanym sygnałem dopaminy u szczurów DIO w niniejszym badaniu.

Powinniśmy zauważyć, że zdolność uwalniania dopaminy przez amfetaminę nie była osłabiona u otyłych zwierząt (pod względem procentowej zmiany w stosunku do wartości wyjściowej) i może to „spiskować” wraz z niższymi poziomami absolutnymi dopaminy, aby napędzać motywację otyłych zwierząt w celu uzyskania bodźców uwalniających dopaminę. Amfetamina jest słabą zasadą, która wypiera dopaminę z pęcherzyków do cytozolu i prowadzi do wzrostu pozakomórkowej dopaminy poprzez odwrotny transport (Sulzer i Rayport, 1990). W przypadkach poważnych niedoborów w pęcherzykach dopaminowych dopaminy, jak na przykład w przypadku myszy z niedoborem pęcherzyków VMAT2, wstrzyknięcie amfetaminy przejściowo stymuluje nową syntezę dopaminy w cytozolu (Fon i in., 1997). Wywołany przez amfetaminę przejściowy wzrost cytozolowej dopaminy może tłumaczyć przejściowy wzrost procentowej zmiany dopaminy u zwierząt otyłych w stosunku do obserwowanej u zwierząt o normalnej wadze i może przyczyniać się do podatności zwierząt otyłych na bodźce uwalniające dopaminę wraz z niższą bezwzględną zewnątrzkomórkową poziom dopaminy w półleżących.

Jakie byłyby mechanizmy, które mogłyby pośredniczyć w presynaptycznym niedoborze dopaminy u otyłych zwierząt i napędzać ich preferencje żywieniowe? Związek między preferencjami żywieniowymi a jądrem półleżącym dopaminy jest wyraźnie pokazany w tępej odpowiedzi otyłych zwierząt dietetycznych na karmę, ale nie na smaczną dietę. Nasze odkrycia uzupełniają ostatnie prace pokazujące, że agonista receptora receptora dopaminowego D1 (D1) zwiększył preferencje szczurów do bardzo smacznego jedzenia (Cooper i Al-Naser, 2006). Ponadto, jądro półleżące dopamina jest aktywowane u szczurów wyszkolonych do upijania się na sacharozie (Avena i wsp., 2008), dalsze wspieranie zaangażowania centralnej dopaminy w preferowanie smacznego jedzenia bogatego w węglowodany. Wykazaliśmy centralny niedobór dopaminy odnotowany w niniejszym badaniu w dodatkowych modelach otyłości, w tym w otyłości ob / ob mysz z niedoborem leptyny i wsobny szczur podatny na otyłość (Fulton i in., 2006; Geiger i in., 2008). Tak więc jednym z możliwych sygnałów wiążących się ze smacznym spożywaniem pokarmu i uwalnianiem dopaminy z półleżących składników może być leptyna. U ludzi z wrodzonym niedoborem leptyny, wymiana leptyny zmniejsza ich hiperfagię i zmienia aktywację ich prążkowia brzusznego w odniesieniu do wizualizacji smacznego jedzenia (Farooqi i in., 2007). U szczurów wykazano również, że leptyna zmniejszy samopodawanie sacharozy (Figlewicz i in., 2006, 2007). Wykazano również, że inne wkłady oreksigeniczne, takie jak grelina i oreksyna, są zaangażowane w aktywację układu dopaminowego śródmózgowia (Rada i in., 1998; Helm i in., 2003; Abizaid i in., 2006; Narita i in., 2006). Interesujące byłoby dalsze zbadanie, czy zmiana dietetycznych otyłych zwierząt na normalną karmę laboratoryjną w sposób przewlekły utrzymałaby ich preferencję dla smacznego pożywienia i związanej z tym odleżynowej odpowiedzi dopaminy na nią niezależnie od oczekiwanych zmian leptyny, greliny lub oreksyny i innych sygnałów związane z regulacją apetytu.

WNIOSEK

Podsumowując, wyniki tego badania pokazują, że mezolimbiczny układ dopaminowy odgrywa kluczową rolę w preferowaniu diet o wysokiej energii, hiperfagii i wynikającej z niej otyłości dietetycznej. Jądro półleżące i neurotransmisja dopaminergiczna prążkowia grzbietowego są obniżone u otyłych szczurów dietetycznych. Zwierzęta mogą tymczasowo przywrócić poziom dopaminy, jedząc bardzo smaczny, wysokoenergetyczny pokarm. Wyniki te sugerują, że selektywne kierowanie presynaptycznych regulatorów mezolimbicznego układu dopaminowego stanowi obiecujące podejście do leczenia otyłości dietetycznej.

Podziękowanie

Praca ta była wspierana przez DK065872 (ENP), F31 DA023760 (BMG, ENP), Nagrodę Doskonałości Badań Biomedycznych (ENP) Smith Family Foundation i P30 NS047243 (Tufts Center for Neuroscience Research).

Skróty

  • aCSF
  • sztuczny płyn mózgowo-rdzeniowy
  • DAT
  • transporter błony plazmatycznej dopaminy
  • DIO
  • otyłość wywołana dietą
  • DOPAC
  • kwas dihydroksyfenylooctowy
  • HPLC-EC
  • wysokosprawna chromatografia cieczowa z detekcją elektrochemiczną
  • HVA
  • kwas homowanilinowy
  • VMAT2
  • neuronalny pęcherzykowy transporter monoamin
  • VTA
  • brzuszny obszar nakrywki

LITERATURA

  1. Abizaid A, Liu ZW, Andrews ZB, Shanabrough M, Borok E, Elsworth JD, Roth RH, Sleeman MW, Picciotto MR, Tschop MH, Gao XB, Horvath TL. Grelina moduluje aktywność i synaptyczną organizację wprowadzania neuronów dopaminowych śródmózgowia, jednocześnie promując apetyt. J Clin Invest. 2006; 116: 3229 – 3239. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
  2. Avena NM, Rada P, Hoebel BG. Dowody na uzależnienie od cukru: behawioralne i neurochemiczne skutki przerywanego, nadmiernego spożycia cukru. Neurosci Biobehav Rev. 2008; 32: 20-39. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
  3. Bradberry CW, Gruen RJ, Berridge CW, Roth RH. Indywidualne różnice w miarach behawioralnych: korelacje z jądrem półleżącym dopaminą mierzonej mikrodializą. Pharmacol Biochem Behav. 1991; 39: 877 – 882. [PubMed]
  4. Cielkowski EL, Maness KM, Cahill PS, Wightman RM, Evans DH, Fosset B, Amatore C. Dysproporcjonowanie podczas elektroutleniania katecholamin na mikroelektrodach z włókna węglowego. Anal Chem. 1994; 66: 3611 – 3617.
  5. Cooper SJ, Al-Naser HA. Dopaminergiczna kontrola wyboru pokarmu: kontrastujące działanie SKF 38,393 i chinpirolu na preferencje pokarmowe o wysokim smaku u szczura. Neuropharmakologia. 2006; 50: 953 – 963. [PubMed]
  6. Farooqi IS, Bullmore E, Keogh J, Gillard J, O'Rahilly S, Fletcher PC. Leptyna reguluje regiony prążkowia i zachowania żywieniowe człowieka. Nauka. 2007; 317: 1355. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
  7. Figlewicz DP, Bennett JL, Naleid AM, Davis C, Grimm JW. Insulina wewnątrzkomorowa i leptyna zmniejszają samopodawanie sacharozy u szczurów. Physiol Behav. 2006; 89: 611 – 616. [PubMed]
  8. Figlewicz DP, MacDonald Naleid A, Sipols AJ. Modulacja nagrody żywnościowej za pomocą sygnałów otyłości. Physiol Behav. 2007; 91: 473 – 478. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
  9. Figlewicz DP, Patterson TA, Johnson LB, Zavosh A, Israel PA, Szot P. Transporter mRNA dopaminy jest zwiększony w OUN szczurów tłuszczowych Zucker (fa / fa). Brain Res Bull. 1998; 46: 199 – 202. [PubMed]
  10. Fon EA, Pothos EN, Sun BC, Killeen N, Sulzer D, Edwards RH. Transport pęcherzyków reguluje przechowywanie i uwalnianie monoamin, ale nie jest niezbędny do działania amfetaminy. Neuron. 1997; 19: 1271 – 1283. [PubMed]
  11. Fulton S, Pissios P, Manchon RP, Stiles L, Frank L, Pothos EN, Maratos-Flier E, Flier JS. Regulacja leptyny szlaku dopaminowego mesoaccumbens. Neuron. 2006; 51: 811 – 822. [PubMed]
  12. Geiger BM, Behr GG, Frank LE, Caldera-Siu AD, Beinfeld MC, Kokkotou EG, Pothos EN. Dowody na wadliwą mezolimbiczną egzocytozę dopaminy u szczurów podatnych na otyłość. FASEB J. 2008; 22: 2740 – 2746. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
  13. Helm KA, Rada P, Hoebel BG. Cholecystokinina w połączeniu z serotoniną w podwzgórzu ogranicza wydzielanie dopaminy podczas zwiększania ilości acetylocholiny: możliwy mechanizm nasycenia. Brain Res. 2003; 963: 290 – 297. [PubMed]
  14. Hernandez L, Hoebel BG. Karmienie i stymulacja podwzgórza zwiększają obrót dopaminy w półleżących. Physiol Behav. 1988; 44: 599 – 606. [PubMed]
  15. Hernandez L, Stanley BG, Hoebel BG. Mała wyjmowana sonda mikrodializacyjna. Życie Sci. 1986; 39: 2629 – 2637. [PubMed]
  16. Hoebel BG, Avena NM, Rada P. Accumbens równowaga dopaminy-acetylocholiny w podejściu i unikaniu. Curr Opin Pharmacol. 2007; 7: 617 – 627. [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
  17. Kelley AE, Berridge KC. Neuronauka naturalnych nagród: znaczenie dla uzależniających leków. J Neurosci. 2002; 22: 3306-3311. [PubMed]
  18. Martel P, Fantino M. Wpływ ilości spożywanego pokarmu na aktywność mezolimbicznego układu dopaminergicznego: badanie mikrodializy. Pharmacol Biochem Behav. 1996; 55: 297 – 302. [PubMed]
  19. Mogenson GJ, Wu M. Neuropharmakologiczne i elektrofizjologiczne dowody wskazujące na mezolimbiczny układ dopaminowy w odpowiedziach pokarmowych wywołanych przez elektryczną stymulację wiązki przyśrodkowej przodomózgowia. Brain Res. 1982; 253: 243 – 251. [PubMed]
  20. Narita M, Nagumo Y, Hashimoto S, Narita M, Khotib J, Miyatake M, Sakurai T, Yanagisawa M, Nakamachi T, Shioda S, Suzuki T. Bezpośrednie zaangażowanie systemów oreksynergicznych w aktywację mezolimbicznego szlaku dopaminowego i związane z tym zachowania przez morfinę. J Neurosci. 2006; 26: 398 – 405. [PubMed]
  21. Paxinos G, Watson C. Mózg szczura o współrzędnych stereotaktycznych. Amsterdam: Academic Press; 2007.
  22. Rada P, Mark GP, Hoebel BG. Galanina w podwzgórzu podnosi dopaminę i obniża uwalnianie acetylocholiny w jądrze półleżącym: możliwy mechanizm inicjowania zachowania żywieniowego w podwzgórzu. Brain Res. 1998; 798: 1 – 6. [PubMed]
  23. Radhakishun FS, van-Ree JM, Westerink BH. Planowane odżywianie zwiększa uwalnianie dopaminy w jądrze półleżącym szczurów pozbawionych pokarmu, co oceniono za pomocą dializy mózgowej na linii. Neurosci Lett. 1988; 85: 351 – 356. [PubMed]
  24. Ranaldi R, Pocock D, Zereik R., Wise RA. Fluktuacje dopaminy w jądrze półleżącym podczas podtrzymywania, wymierania i przywracania dożylnego samodzielnego podawania D-amfetaminy. J Neurosci. 1999; 19: 4102-4109. [PubMed]
  25. Salamone JD, Steinpreis RE, McCullough LD, Smith P, Grebel D, Mahan K. Haloperidol i jądro półleżące zubożają dopaminę, tłumiąc naciskanie dźwigni w celu uzyskania pożywienia, ale zwiększają spożycie darmowej żywności w nowej procedurze wyboru żywności. Psychofarmakologia. 1991; 104: 515 – 521. [PubMed]
  26. Sclafani A, Springer D. Otyłość dietetyczna u dorosłych szczurów: podobieństwa do zespołów otyłości podwzgórzowej i ludzkiej. Physiol Behav. 1976; 17: 461 – 471. [PubMed]
  27. Sulzer D, Rayport S. Amfetamina i inne psychostymulanty zmniejszają gradienty pH w neuronach dopaminergicznych śródmózgowia i granulkach chromafiny: mechanizm działania. Neuron. 1990; 5: 797 – 808. [PubMed]
  28. Wise RA, Leone P, Rivest R, Leeb K. Podwyższenie poziomu jądra półleżącego dopaminy i DOPAC podczas dożylnego podawania heroiny. Synapsa. 1995a; 21: 140 – 148. [PubMed]
  29. Wise RA, Newton P, Leeb K, Burnette B, Pocock D, Justice JB., Jr Fluktuacje w jądrze nabierają koncentracji dopaminy podczas dożylnego podawania kokainy u szczurów. Psychopharmacology (Berl) 1995b; 120: 10 – 20. [PubMed]