Wpływ dietetycznego wskaźnika glikemicznego na regiony mózgu związane z nagrodą i pragnieniem u mężczyzn (2013)

Idź do:

Abstrakcyjny

Tło: Jakościowe aspekty diety wpływają na zachowania żywieniowe, ale mechanizmy fizjologiczne tych efektów niezależnych od kalorii pozostają spekulacyjne.

Cel: Zbadaliśmy wpływ indeksu glikemicznego (GI) na aktywność mózgu w późnym okresie poposiłkowym po typowym odstępie między posiłkami.

Design: Dzięki zastosowaniu randomizowanego, zaślepionego, krzyżowego projektu, 12 z nadwagą lub otyłymi mężczyznami w wieku 18 – 35 y spożywał posiłki o wysokiej i niskiej GI kontrolowane pod kątem kalorii, makroskładników i smakowitości podczas okazji 2. Podstawowym punktem końcowym był mózgowy przepływ krwi jako miara spoczynkowej aktywności mózgu, która została oceniona za pomocą funkcji rezonansu magnetycznego 4 h po testowym posiłku. Postawiliśmy hipotezę, że aktywność mózgu byłaby większa po posiłku o wysokim IG w określonych regionach zaangażowanych w zachowania żywieniowe, nagrody i pragnienia.

wyniki: Przyrostowy poziom glukozy w osoczu żylnym (obszar 2-h pod krzywą) był 2.4-krotnie większy po posiłku o wysokim niż niskim GI (P = 0.0001). Stężenie glukozy w osoczu było niższe (średnia ± SE: 4.7 ± 0.14 w porównaniu z 5.3 ± 0.16 mmol / L; P = 0.005) i zgłaszany głód był większy (P = 0.04) 4 h po posiłku o wysokim niż niskim GI. W tym czasie posiłek o wysokim GI wywołał większą aktywność mózgu skupioną w prawym jądrze półleżącym (wcześniej określonym obszarze; P = 0.0006 z dostosowaniem do wielokrotnych porównań), które rozprzestrzeniły się na inne obszary prawego prążkowia i do obszaru węchowego.

Wnioski: W porównaniu z posiłkiem izokalorycznym o niskim IG, posiłek o wysokim GI zmniejszał poziom glukozy w osoczu, zwiększał głód i selektywnie stymulował obszary mózgu związane z nagrodą i głodem w późnym okresie poposiłkowym, co jest czasem o szczególnym znaczeniu dla zachowania jedzenia w następnym posiłek. Ta próba została zarejestrowana pod adresem clinicaltrials.gov jako NCT01064778.

WPROWADZENIE

Mezolimbiczny układ dopaminergiczny mózgu, który zbiega się w jądrze półleżącym (część prążkowia), odgrywa główną rolę w nagradzaniu i pożądaniu, a ten system wydaje się pośredniczyć w hedonicznych reakcjach pokarmowych (1-3). W badaniach na gryzoniach, pozakomórkowe stężenia dopaminy i jej metabolitów w jądrze półleżącym wzrosły bardziej po spożyciu bardzo smacznego pokarmu niż standardowe granulki pasz dla gryzoni (4). Ponadto mikroiniekcje opiatów do jądra półleżącego zwiększają spożycie pokarmu i wartość nagrody żywności (5). Badania kliniczne, w których wykorzystano funkcjonalne obrazowanie mózgu, wykazały większą aktywację jądra półleżącego lub innych regionów prążkowia u osób otyłych niż szczupłych po obejrzeniu lub spożyciu smacznego, wysokokalorycznego jedzenia (6-11). Szczególnie interesująca jest dopamina D prążkowia2 dostępność receptorów była znacznie niższa u osób otyłych niż u nieotyłych dopasowanych kontroli (11), co spowodowało, że przejadanie się może kompensować niską aktywność dopaminergiczną. Jednak te przekrojowe porównania między grupami ludzi chudych i otyłych nie mogły ocenić kierunku przyczynowego.

Obserwacje fizjologiczne dotyczące indeksu glikemicznego (GI)5 zapewnić mechanizm pozwalający zrozumieć, w jaki sposób określony czynnik dietetyczny, inny niż smakowitość, może wywołać głód pokarmowy i przejadanie się. GI opisuje, w jaki sposób pokarmy zawierające węglowodany wpływają na poziom glukozy we krwi w stanie poposiłkowym (12, 13). Jak opisano wcześniej u otyłych nastolatków (13, 14), spożycie wysokiej w porównaniu z posiłkiem o niskim GI skutkowało wyższym poziomem glukozy i insuliny we krwi we wczesnym okresie poposiłkowym (0 – 2 h), po którym nastąpił niższy poziom glukozy we krwi w późnym okresie poposiłkowym (3 – 5 h ). Zmniejszenie stężenia glukozy we krwi, które często spada poniżej stężenia na czczo przez 4 h po posiłku z wysokim GI, może prowadzić do nadmiernego głodu, przejadania się i preferowania pokarmów, które szybko przywracają poziom glukozy we krwi do normalnego poziomu (tj. Wysokiego GI) (15-17), propagowanie cykli przejadania się. Rzeczywiście, w badaniu osób dorosłych szczupłych i otyłych, średni indukowany insuliną spadek stężenia glukozy we krwi z 4.9 do 3.7 mmol / L zwiększył aktywację prążkowia przez bodziec pokarmowy i pragnienie wysokokalorycznych pokarmów (18). Aby zbadać te mechanizmy, porównaliśmy wpływ testowanych posiłków o wysokim i niskim IG na kalorie, zawartość makroskładników odżywczych, źródła składników i smakowitość w późnym okresie poposiłkowym, stosując funkcjonalne obrazowanie mózgu obwodów nagrody związanych z motywacją żywności i równowagą energii.

PRZEDMIOTY I METODY

Przeprowadziliśmy randomizowane, ślepe badanie krzyżowe u zdrowych młodych mężczyzn z nadwagą i otyłością i porównaliśmy wpływ testowanych posiłków o wysokim i niskim IG na 2 d rozdzielony wkrętem 2 – 8. Podstawowym punktem końcowym był mózgowy przepływ krwi jako miara spoczynkowej aktywności mózgu, która została określona za pomocą znakowania spinów tętniczych (ASL) fMRI 4 h po posiłku testowym. Postawiliśmy hipotezę, że posiłek o wysokim IG zwiększyłby aktywność w prążkowiu, podwzgórzu, ciele migdałowatym, hipokampie, zakręcie obręczy, korze oczodołowo-czołowej i korze wyspowej, które są obszarami mózgu zaangażowanymi w zachowania żywieniowe, nagrody i uzależnienia (6-11). Wtórne punkty końcowe obejmowały glukozę w osoczu, insulinę w surowicy i zgłaszany głód w okresie poposiłkowym 5-h. Smakowność testowanych posiłków oceniano również za pomocą wizualnej skali analogowej 10-cm (VAS). Terapie statystyczne obejmowały wstępną identyfikację interesujących obszarów mózgu i korektę wielokrotnych porównań. Protokół został przeprowadzony i otrzymał przegląd etyczny od Beth Israel Deaconess Medical Center (Boston, MA). Próba została zarejestrowana w witrynie clinicaltrials.gov jako NCT01064778, a uczestnicy wyrazili świadomą zgodę na piśmie. Dane zebrano między 24 April 2010 a 25 February 2011.

Uczestnicy

Uczestników rekrutowano z ulotek i plakatów dystrybuowanych w obszarze metropolitalnym Bostonu i ofert internetowych. Kryteriami włączenia były płeć męska, wiek pomiędzy 18 i 35 y oraz BMI (w kg / m2) ≥25. Kobiety nie zostały włączone do tego wstępnego badania, aby uniknąć zamieszania, które mogło wyniknąć z cyklu miesiączkowego (19). Kryteriami wykluczenia były jakikolwiek poważny problem medyczny, stosowanie leków wpływających na apetyt lub masę ciała, palenie tytoniu lub rekreacyjne używanie narkotyków, wysoki poziom aktywności fizycznej, obecny udział w programie odchudzania lub zmiana masy ciała o> 5% w poprzednim okresie. 6 mies., Uczulenie lub nietolerancja na posiłki testowe i wszelkie przeciwwskazania do zabiegu MRI [np. Przeciwwskazane implanty metalowe, waga> 300 funtów (136 kg)]. Kwalifikowalność oceniano przez telefoniczną rozmowę kwalifikacyjną, po której nastąpiła osobista sesja oceniająca. Podczas sesji ewaluacyjnej uzyskaliśmy pomiary antropometryczne i przeprowadziliśmy doustny test tolerancji glukozy. Ponadto uczestnicy pobrali próbki posiłków testowych i przeszli sekwencję rezonansu magnetycznego, aby upewnić się, czy tolerują procedurę.

Zapisanych uczestników wpisywano kolejno na listę losowych przydziałów (przygotowaną przez Clinical Research Center w Boston Children's Hospital) w celu zamówienia posiłków testowych przy użyciu losowo permutowanych bloków po 4. Płynne posiłki testowe były dostarczane uczestnikom przez personel badawczy w papierowych kubkach. . Oba posiłki testowe miały podobny wygląd, zapach i smak. Wszyscy uczestnicy i personel badawczy zaangażowani w zbieranie danych zostali zamaskowani w sekwencji interwencji. Uczestnicy otrzymali 250 $ za wypełnienie protokołu.

Testuj posiłki

Testowane posiłki modyfikowano od Botero i in. (20) aby osiągnąć podobną słodycz i smakowitość w testach smakowych, które dotyczyły personelu badawczego. Jak pokazano w Tabela 1, oba testowane posiłki składały się z podobnych składników i miały taką samą dystrybucję makroskładników odżywczych (ProNutra Software, wersja 3.3.0.10; Viocare Technologies Inc). Przewidywane GI testowanych posiłków o wysokim i niskim GI wynosiły odpowiednio 84% i 37%, stosując glukozę jako standard odniesienia. Zawartość kalorii w testowanych posiłkach była ustalana indywidualnie, aby zapewnić każdemu uczestnikowi 25% dziennego zapotrzebowania na energię na podstawie szacunkowego spoczynkowego wydatku energetycznego (21) i współczynnik aktywności 1.2.

TABELA 1 

Skład posiłku testowego1

Procedury

Podczas sesji ewaluacyjnej mierzono wzrost i masę ciała, zbierano wyjściowe dane opisowe (w tym samoocenę etniczną i rasę) oraz uzyskiwano hormon tyreotropowy w surowicy (w celu wykrycia niedoczynności tarczycy). Uczestnicy otrzymali doustny test tolerancji glukozy 75-g (napój 10-O-75; Azer Scientific) z próbkowaniem glukozy w osoczu i insuliny w surowicy w 0, 30, 60, 90 i 120 min.

Sesje testowe rozdzielono wklejem 2 – 8. Uczestnicy zostali poinstruowani, aby unikać zmian w zwyczajowej diecie i poziomie aktywności fizycznej dla 2 d przed każdą sesją testową i utrzymywać masę ciała w 2.5% wartości wyjściowej podczas badania. Uczestnicy przybyli na obie sesje testowe między 0800 i 0930 po poście ≥12 h i powstrzymali się od alkoholu od poprzedniego wieczoru. Na początku każdej sesji oceniano stan interwałowy, potwierdzano czas trwania postu i mierzono masę ciała i ciśnienie krwi. Do seryjnego pobierania krwi umieszczono cewnik dożylny 20. Po okresie aklimatyzacji 30-min losowo określony posiłek testowy został skonsumowany w całości w ciągu 5 min. Próbki krwi i oceny głodu uzyskano przed i w każdym 30 min po rozpoczęciu posiłku testowego podczas okresu poposiłkowego 5-h. Nie byliśmy w stanie użyć metalowego urządzenia do podgrzewania rąk do arterializacji krwi żylnej w pobliżu maszyny fMRI, a stres związany z powtarzającymi się palcami na krew włośniczkową mógł zakłócić podstawowy wynik badania. Zastosowanie krwi żylnej mogło spowodować błąd w pomiarze stężenia glukozy we krwi tętniczej powyżej i poniżej stężenia na czczo, zwłaszcza w przypadku posiłku o wysokim IG, który obejmował ograniczenie badania (22). Smakowność oceniano po zakończeniu posiłku testowego, a neuroobrazowanie wykonywano po 4 h.

Pomiary

Masę zmierzono w szpitalnej sukni i lekkiej bieliźnie ze skalibrowaną wagą elektroniczną (Scaletronix). Wysokość mierzono skalibrowanym stadiometrem (Holtman Ltd). BMI obliczono dzieląc wagę w kilogramach przez kwadrat wysokości w metrach. Ciśnienie krwi uzyskano za pomocą zautomatyzowanego systemu (monitor IntelliVue; Phillips Healthcare) z uczestnikiem siedzącym cicho na 5 min. Glukozę w osoczu i hormon stymulujący tarczycę mierzono metodami zatwierdzonymi przez Clinical Laboratory Improvement Amendments (Labcorp). Surowicę przygotowano przez odwirowanie i przechowywano w -80 ° C do pomiaru insuliny w jednej partii pod koniec badania (Harvard Catalyst Central Laboratory).

Smakowność oceniano pytaniem „Jak smaczny był ten posiłek?”. Uczestnicy zostali poinstruowani, aby zrobić pionowy znak na VAS 10-cm z kotwicami słownymi, które wahały się od „wcale nie smaczne” (0 cm) do „wyjątkowo smaczne” ( 10 cm). Głód był oceniany podobnie, z pytaniem „Jak głodny jesteś teraz?” I słownymi kotwicami, które wahały się od „nie głodny w ogóle” do „skrajnie głodny” (14).

Neuroobrazowanie przeprowadzono w 4 h po posiłku testowym, gdy oczekiwano nadiru we krwi po posiłku o wysokim IG (14), używając skanera całego ciała GE 3Tesla (GE Healthcare). Mózgowy przepływ krwi określono za pomocą ASL, która jest metodą opartą na MRI, która wykorzystuje zewnętrzne pola magnetyczne do przejściowego oznaczania napływającej krwi tętniczej do stosowania jako dyfuzyjny znacznik. Uzyskano skan lokalizatora płaszczyzny 3, a następnie zestaw danych ważony T1 dla korelacji anatomicznej (zmodyfikowana transformacja Fouriera napędzana równowagą) (23), z czasem powtarzania 7.9 ms, czasem echa 3.2 ms, 32-kHz płaszczyzny akwizycji pasma, 24 × 19 pola widzenia, 1-mm rozdzielczości w płaszczyźnie i 1.6-mm. Czas przygotowania wynosił 1100 ms z powtarzanym nasyceniem na początku okresu przygotowawczego i adiabatyczny impuls odwracający 500 ms przed obrazowaniem. Po tych sekwencjach uzyskano skan ASL według wcześniej opisanych metod (24). Sekwencja wykorzystywała pseudo-ciągłe etykietowanie z tłumieniem tła w celu zminimalizowania artefaktów ruchu, wielowymiarowego stosu obrazowania spiralnego 3-wymiarowego, rozdzielczości obrazu 3.8 mm w płaszczyźnie i czterdziestu czterech wycinków 4-mm na pojedynczą objętość. Pseudo-ciągłe etykietowanie 1.5 z opóźnieniem postlabeling 1.5 przed akwizycją obrazu (25) przeprowadzono 1 cm poniżej podstawy móżdżku (uzyskano średnie 4 obrazów znaczników i kontrolnych oraz 2 nie poddanych supresji dla ilościowego określenia mózgowego przepływu krwi). Mózgowy przepływ krwi określono ilościowo za pomocą dostosowanego oprogramowania, jak wcześniej informowano (24-26).

Analizy statystyczne

Badanie zaprojektowano tak, aby zapewnić 80% mocy przy użyciu stopy błędów 5% typu I w celu wykrycia różnicy w mózgowym przepływie krwi 11.8%, przy założeniu wielkości próbki uczestników 12, resztkowego SD 11% dla pojedynczego pomiaru i intrasubject korelacja 0.6. Uzyskana próbka uczestników 11 z użytecznymi danymi zapewniła 80% mocy do wykrycia różnicy 12.4%, przy pozostałych pozostałych założeniach.

Analizy danych neuroobrazowania przeprowadzono w środowisku statystycznej analizy statystycznej mapowania parametrycznego (SPM5; Wellcome Department of Cognitive Neurology). Obrazy przepływu krwi mózgowej zostały ponownie dopasowane do pierwszego obrazu i przekształcone w standardową przestrzeń anatomiczną (Montreal Neurologic Institute / International Consortium for Brain Mapping) (27) przy użyciu zmiennych rejestracyjnych pochodzących z algorytmu normalizacji SPM5. Obrazy zostały wygładzone za pomocą 8-mm pełnej szerokości przy połowie maksymalnego jądra w celu przygotowania do analizy statystycznej.

Zbadaliśmy przestrzeń stereotaktyczną za pomocą szablonów w zestawie narzędzi Pickatlas WFU (28). Spośród całkowitej liczby nieredundowanych obszarów anatomicznych 334 w całym mózgu, z góry określone obszary zainteresowania obejmowały oddzielne regiony 25 (widzieć Dodatkowa tabela 1 w sekcji „Dane uzupełniające” w wydaniu online). Aby przetestować naszą pierwotną hipotezę, porównaliśmy różnicę średniego regionalnego przepływu krwi (posiłek o wysokim GI minus posiłek z niskim GI), stosując sparowany, 2-tailed t testy dostosowane do efektu zamówienia oraz z korektą Bonferroniego dla porównań wielokrotnych (surowe P wartość pomnożona przez 25). Aby zobrazować przestrzenny rozkład różnic w przepływach mózgowych, przeprowadziliśmy analizę woksela przez woksel, stosując algorytmy ogólnego modelu liniowego (29) i statystyczny próg P ≤ 0.002.

Przyrostowe wartości AUC dla glukozy w osoczu (0 – 2 h), insuliny w surowicy (0 – 2 h) i głodu (0 – 5 h) obliczono metodą trapezoidalną. Te obszary i wartości dla tych wyników w 4 h (wcześniej określony punkt czasowy pierwotnego zainteresowania) zostały przeanalizowane pod kątem efektu posiłku testowego za pomocą sparowanego 2, sparowanego t test z oprogramowaniem SAS (wersja 9.2; SAS Institute Inc). Korekta skutku zamówienia nie miała istotnego wpływu na te wyniki. Aby zbadać związek między zmiennymi fizjologicznymi a aktywacją mózgu, przeprowadzono ogólne liniowe analizy modelu z przepływem krwi w prawym jądrze półleżącym jako zmienną zależną oraz liczbą uczestników i odpowiednimi zmiennymi metabolicznymi jako zmiennymi niezależnymi. Dane są przedstawiane jako środki i, tam gdzie jest to wskazane, SE.

WYNIKI

Uczestnicy badania

Z badań przesiewowych osób 89 zarejestrowaliśmy mężczyzn z 13, którzy przerwali 1 przed podaniem pierwszego posiłku testowego (Rysunek 1). Pozostali uczestnicy 12 to 2 Hispanics, 3 non-Hispanic blacks oraz 7 non-Hispanic whites. Średni wiek to 29.1 y (zakres: 20 – 35 y), BMI to 32.9 (zakres: 26 – 41), stężenie glukozy w osoczu na czczo wynosiło 4.9 mmol / L (zakres: 3.6 – 6.2 mmol / L) i stężenie insuliny na czczo było 10.3 μU / ml (zakres: 0.8 – 25.5 μU / ml). Dane obrazowe dla jednego uczestnika były niekompletne z powodu błędu przechowywania danych; pozostali uczestnicy bez problemu ukończyli protokół.

RYSUNEK 1. 

Schemat przepływu uczestnika.

Subiektywne i biochemiczne reakcje na testowane posiłki

Smakowność posiłków testowych o wysokim i niskim GI nie różniła się w zależności od odpowiedzi na VAS 10-cm (5.5 ± 0.67 w porównaniu z 5.3 ± 0.65 cm, odpowiednio; P = 0.7). Zgodnie z przewidywanym oznaczeniem geograficznym (Tabela 1), przyrostowa wartość AUC dla 2-h dla glukozy była 2.4-krotnie większa po posiłku testowym o wysokim niż niskim GI (2.9 ± 0.36 w porównaniu z 1.2 ± 0.27 mmol · h / L, odpowiednio; P = 0.0001) (Rysunek 2). Narastające AUC dla 2-h dla insuliny (127.1 ± 18.1 w porównaniu z 72.8 ± 9.78 μU · h / ml; P = 0.003) i przyrostowe AUC dla 5-h dla głodu (0.45 ± 2.75 w porównaniu z -5.2 ± 3.73 cm · h; P = 0.04) były również większe odpowiednio po posiłku testowym o wysokim niż niskim IG. W 4 hw okresie poposiłkowym stężenie glukozy we krwi było niższe (4.7 ± 0.14 w porównaniu z 5.3 ± 0.16 mmol / L, P = 0.005), a zmiana głodu z linii podstawowej była większa (1.65 ± 0.79 w porównaniu z -0.01 cm ± 0.92; P = 0.04) odpowiednio po posiłku testowym o wysokim lub niskim GI.

RYSUNEK 2. 

Średnie ± SE zmiany stężenia glukozy w osoczu (A), insuliny w surowicy (B) i głodu (C) po posiłkach testowych. Różnice między posiłkami o wysokim i niskim GI były znaczące w 4 h (punkt czasowy zainteresowania) dla wszystkich wyników 3 przy użyciu sparowanego t testów. n = 12. ŻOŁNIERZ AMERYKAŃSKI, ...

Obrazowanie mózgu

Mózgowy przepływ krwi był większy 4 h po posiłku o wysokim niż niskim GI w prawym jądrze półleżącym (średnia różnica: 4.4 ± 0.56 mL · 100 g-1 · Min-1; zakres: 2.1 – 7.3 mL · 100 g-1 · Min-1; względna różnica 8.2%). Ta różnica pozostała znacząca po korekcie Bonferroniego dla wcześniej określonych anatomicznych regionów 25 (P = 0.0006) i po korekcie dla wszystkich nieredundowanych obszarów mózgu 334 (P = 0.009). Analiza oparta na obrazach wykazała pojedynczy region w prawym jądrze półleżącym w Montreal Neurologic Institute / International Consortium dla współrzędnych mapowania mózgu 8, 8, −10 (szczyt t = 9.34) i inne lokalne maksimum na współrzędnych 12, 12, 2 (t = 5.16), który rozprzestrzenił się na inne obszary prawego prążkowia (ogoniastego, skorupy i gałki bladej) i obszaru węchowego (Rysunek 3). Nie zaobserwowaliśmy różnic w prążkowiu kontralateralnym ani w innych wcześniej określonych regionach zainteresowania.

RYSUNEK 3. 

Regiony o znacząco różnym przepływie krwi mózgowej 4 h po posiłkach testowych (P ≤ 0.002). Skala kolorów reprezentuje wartość t statystyki dla porównania posiłków (n = 11) przy użyciu ogólnych analiz modeli liniowych, jak opisano w ...

Związek między zmiennymi metabolicznymi a przepływem krwi w prawym jądrze półleżącym przedstawiono w Tabela 2. Wszystkie zmienne związane z glukozą w osoczu, insuliną w surowicy i głodem były istotnie związane z przepływem krwi w prawym jądrze półleżącym, podczas gdy smak potraw nie.

TABELA 2 

Związek między zmiennymi fizjologicznymi a przepływem krwi w prawym jądrze półleżącym1

DYSKUSJA

Spożycie pokarmu jest regulowane przez hedoniczne i homeostatyczne systemy (3), które historycznie służyły do ​​utrzymywania średniego BMI w zdrowym zakresie w bardzo zróżnicowanych warunkach środowiskowych. Jednakże, wraz z epidemią otyłości, podaż żywności zmieniła się radykalnie, wraz z szybko rosnącą konsumpcją wysoko przetworzonych produktów spożywczych pochodzących głównie z towarów zbożowych. W konsekwencji ładunek glikemiczny (iloczyn produktu iloczynu GI i węglowodanów) (30) w USA dieta znacznie wzrosła w ciągu ostatniego półwiecza, a ten świecki trend może niekorzystnie wpływać na oba systemy regulujące spożycie żywności. Spadek glukozy we krwi (i innych paliw metabolicznych) (13, 14) w późnym okresie poposiłkowym po posiłku o wysokim IG nie tylko stanowiłoby silny homeostatyczny sygnał głodu (15) ale także zwiększyć hedoniczną wartość żywności poprzez aktywację prążkowia (18). Ta kombinacja zdarzeń fizjologicznych może sprzyjać zachciankom żywieniowym ze szczególnym upodobaniem do węglowodanów o wysokim IG (16, 17), tym samym propagując cykle przejadania się. Ponadto nawracająca aktywacja prążkowia może obniżyć dostępność receptora dopaminy i jeszcze bardziej zwiększyć przejadanie się (11).

Badanie to miało kilka mocnych stron. Najpierw użyliśmy ASL, która jest nowatorską techniką obrazowania, która zapewnia ilościowy pomiar mózgowego przepływu krwi. Konwencjonalna metoda (poziom fMRI zależny od natlenienia krwi) ocenia ostre zmiany w aktywności mózgu, a nie bezwzględne różnice, które zazwyczaj ograniczają obserwacje do kilku minut po zaburzeniach fizjologicznych. Dzięki ASL byliśmy w stanie zbadać trwałe efekty testowanych posiłków bez nałożonych bodźców (np. Zdjęcia wysokokalorycznych pokarmów). Po drugie, zastosowaliśmy interwencję krzyżową, a nie przekrojowe porównanie między grupami (np. Chude w porównaniu z otyłością), co zapewniło większą moc statystyczną i dowody na kierunek przyczynowy. Po trzecie, skupiliśmy się na konkretnym czynniku dietetycznym, kontrolując zawartość kalorii, kompozycję makroelementów, źródła składników i formę żywności, zamiast porównywać rażąco różne produkty (np. Sernik w porównaniu z warzywami) (6, 10, 31, 32). Po czwarte, posiłki testowe 2 zostały zaprojektowane i udokumentowane, aby miały podobny smak, co pomogło rozróżnić efekty metaboliczne od natychmiastowych odpowiedzi hedonicznych. Po piąte, zbadaliśmy późny okres poposiłkowy, który jest czasem o szczególnym znaczeniu dla zachowania żywieniowego na następnym posiłku. Wcześniejsze badania zazwyczaj ograniczały czas obserwacji do ≤1 h po spożyciu pokarmu, gdy piki wchłaniania glukozy i posiłek o wysokim IG mogą przejściowo zapewniać korzyści dla funkcjonowania mózgu (33). Po szóste, stosowaliśmy mieszane posiłki o składzie makroskładników odżywczych i glikemicznym pożywieniu w przeważających zakresach. Zatem wyniki mają znaczenie dla śniadań o wysokim IG powszechnie spożywanych w Stanach Zjednoczonych (np. Serek śmietankowy z bajglem i bez tłuszczu) (12).

Główne ograniczenia badań obejmowały niewielki rozmiar i wyłączny nacisk na mężczyzn z nadwagą i otyłych. Małe badania ograniczają możliwość generalizacji i zwiększają ryzyko fałszywie ujemnych (ale nie fałszywie dodatnich) wyników. Nasze badanie, pomimo jego wielkości, miało moc do testowania hipotezy a priori z dostosowaniem do wielokrotnych porównań. Dodatkowe badania z chudymi osobami kontrolnymi, kobietami i osobami otyłymi przed i po utracie wagi będą miały charakter informacyjny. Nie ocenialiśmy bezpośrednio reakcji hedonicznych na posiłki lub zachcianki żywieniowe, dlatego nie mogliśmy zbadać związku między tymi subiektywnymi wartościami a aktywacją mózgu. Ponadto płynna forma testowanych posiłków ograniczała możliwość uogólnienia wyników do stałych posiłków.

Kilka innych kwestii interpretacyjnych wymaga rozważenia. Nie przewidywaliśmy wpływu GI na mózg ograniczonego do prawej półkuli, chociaż boczność była wcześniej związana z zaburzeniami neurobehawioralnymi, które obejmują obwód nagrody. Rzeczywiście, badanie porównujące wrażliwość na insulinę w porównaniu z mężczyznami opornymi na insulinę wykazało zróżnicowany wpływ układowego podawania insuliny na metabolizm glukozy dla prawego, ale nie lewego, prążkowia brzusznego (34). Nie zaobserwowaliśmy również różnic w innych wcześniej określonych regionach mózgu, ponieważ nasze badanie nie było w stanie dostrzec słabszych efektów lub dlatego, że takie efekty nie wystąpiły w punkcie czasowym 4-h. Niemniej jednak, chemiczna manipulacja jądra półleżącego u szczurów spowodowała stymulację neuronów oreksygenicznych i hamowanie neuronów anoreksogennych w podwzgórzu (35), który ilustruje wpływ prążkowia na inne obszary mózgu zaangażowane w karmienie.

Poza nagrodą i pragnieniem, jądro półleżące jest szczególnie zaangażowane w nadużywanie substancji i uzależnienie (36-38), podnosząc pytanie, czy niektóre pokarmy mogą uzależniać. Istotnie, pojęcie uzależnienia od żywności cieszyło się szerokim zainteresowaniem dzięki książkom dietetycznym i anegdotycznym doniesieniom i jest coraz bardziej przedmiotem badań naukowych. Ostatnie badania, w których zastosowano konwencjonalny fMRI zależny od poziomu utlenowania krwi, wykazały selektywną nadaktywność w jądrze półleżącym i powiązanych obszarach mózgu u otyłych w porównaniu z osobami szczupłymi, gdy pokazano wyobrażenia o bardzo smacznym jedzeniu6-11) oraz u osób, które uzyskały wysoką ocenę uzależnienia od żywności (39). Można jednak argumentować, że ta reakcja na przyjemność z udziałem żywności nie różni się zasadniczo od przyjemności golfisty oglądającego zdjęcia putting greenu lub audiofila słyszącego piękną muzykę (40). W przeciwieństwie do wcześniejszych badań, nasze badanie wykorzystało testowe posiłki o podobnych smakach i metodach ASL do badania niestymulowanej aktywności mózgu po 4 h. Niemniej jednak ważność koncepcji uzależnienia od żywności pozostaje energicznie dyskutowana (41-47). W przeciwieństwie do narkotyków, żywność jest niezbędna do przeżycia, a niektóre osoby mogą zwyczajowo spożywać duże ilości produktów spożywczych o wysokim IG (i wysokokalorycznych, wysoko przetworzonych) bez widocznych negatywnych konsekwencji fizycznych lub psychologicznych. Zatem zastosowanie koncepcji uzależnienia od żywności wymaga dodatkowego badania zorientowanego mechanistycznie na interwencję i obserwację.

Podsumowując, wykazaliśmy, że spożycie posiłku w porównaniu z posiłkiem o niskim GI zwiększyło aktywność w regionach mózgu związanych z przyjmowaniem pokarmu, nagrodą i głodem w późnym okresie poposiłkowym, co zbiegało się z niższym poziomem glukozy we krwi i większym głód. Te wyniki badań neurofizjologicznych wraz z dłuższymi badaniami żywieniowymi dotyczącymi utrzymania utraty wagi (48, 49), sugerują, że zmniejszone spożycie węglowodanów o wysokim IG (szczególnie wysoko przetworzonych produktów zbożowych, ziemniaków i stężonego cukru) może złagodzić przejadanie się i ułatwić utrzymanie zdrowej wagi u osób z nadwagą i otyłością.

Podziękowanie

Dziękujemy Dorocie Pawlak, Simonowi Warfieldowi i Phillipowi Pizzo za stymulowanie dyskusji i porad; Joanna Radziejowska za pomoc przy formułowaniu i dostarczaniu posiłków testowych; i Henry Feldman za porady statystyczne. Żadna z tych osób nie otrzymała rekompensaty za swój wkład.

Obowiązki autorów były następujące: DCA, CBE, JMG, LMH, BSL, DSL i ES: podały koncepcję i projekt badania; DCA i BSL: uzyskały dane i zapewniły wiedzę statystyczną; DCA, JMG, LMH, BSL i DSL: analizowane i interpretowane dane; BSL i DSL: opracowali rękopis; DCA, CBE, JMG, LMH, RR i ES: krytycznie zrewidowano rękopis; RR: zapewniono wsparcie techniczne; DCA, BSL i DSL: uzyskano finansowanie; DCA i DSL: zapewniony nadzór; i DSL: jako główny badacz, miał pełny dostęp do wszystkich danych w badaniu i wziął odpowiedzialność za integralność danych i dokładność analizy danych. DCA otrzymało dotacje od NIH i GE Healthcare, który jest dostawcą MRI, do opracowywania technik obrazowania oraz aplikacji i opłat licencyjnych za pośrednictwem jego obecnych i byłych instytucji akademickich na wynalazki związane z technikami ASL wykorzystanymi w tym badaniu. DSL otrzymała dotacje od NIH i fundacje na badania związane z otyłością, mentoring i opiekę nad pacjentami oraz tantiemy z książki o otyłości u dzieci. BSL, LMH, ES, RR, CBE i JMG nie zgłosiły konfliktu interesów.

Przypisy

5Użyte skróty: ASL, znakowanie spinów tętniczych; GI, indeks glikemiczny; VAS, wizualna skala analogowa.

LITERATURA

1. Berridge KC. „Lubi” i „chce” nagrody żywnościowe: substraty mózgowe i role w zaburzeniach odżywiania. Physiol Behav 2009; 97: 537 – 50 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
2. Dagher A. Funkcjonalne obrazowanie apetytu w mózgu. Trendy Endocrinol Metab 2012; 23: 250 – 60 [PubMed]
3. Lutter M, Nestler EJ. Sygnały homeostatyczne i hedoniczne oddziałują w regulacji spożycia żywności. J Nutr 2009; 139: 629 – 32 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
4. Martel P, Fantino M. Aktywność układu dopaminergicznego mesolimbicznego jako funkcja nagrody pokarmowej: badanie mikrodializy. Pharmacol Biochem Behav 1996; 53: 221 – 6 [PubMed]
5. Peciña S, Berridge KC. Miejsce opioidowe w skorupie jądra półleżącego pośredniczy w jedzeniu i hedonicznym „upodobaniu” do pożywienia: mapa oparta na pióropuszach Fos mikroiniekcji. Brain Res 2000; 863: 71–86 [PubMed]
6. Bruce AS, Holsen LM, Chambers RJ, Martin LE, Brooks WM, Zarcone JR, Butler MG, Savage CR. Otyłe dzieci wykazują hiperaktywację do zdjęć żywności w sieciach mózgowych powiązanych z motywacją, nagrodą i kontrolą poznawczą. Int J Obes (Lond) 2010; 34: 1494 – 500 [PubMed]
7. Holsen LM, Savage CR, Martin LE, Bruce AS, Lepping RJ, Ko E, Brooks WM, Butler MG, Zarcone JR, Goldstein JM. Znaczenie obwodów nagród i przedczołowych w głodzie i sytości: zespół Pradera-Williego a otyłość prosta. Int J Obes (Lond) 2012; 36: 638 – 47 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
8. Rothemund Y, Preuschhof C, Bohner G, Bauknecht HC, Klingebiel R, Flor H, Klapp BF. Różnicowa aktywacja prążkowia grzbietowego przez wysokokaloryczne bodźce wzrokowe u osób otyłych. Neuroimage 2007; 37: 410 – 21 [PubMed]
9. Stice E, Spoor S, Bohon C, Veldhuizen MG, Small DM. Relacja nagrody od spożycia pokarmu i przewidywanego spożycia pokarmu do otyłości: funkcjonalne badanie obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. J Abnorm Psychol 2008; 117: 924 – 35 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
10. Stoeckel LE, Weller RE, Cook EW, 3rd, Twieg DB, Knowlton RC, Cox JE. Powszechna aktywacja systemu nagród u otyłych kobiet w odpowiedzi na zdjęcia wysokokalorycznych pokarmów. Neuroimage 2008; 41: 636 – 47 [PubMed]
11. Wang GJ, Volkow ND, Logan J, Pappas NR, Wong CT, Zhu W, Netusil N, Fowler JS. Dopamina mózgowa i otyłość. Lancet 2001; 357: 354 – 7 [PubMed]
12. Atkinson FS, Foster-Powell K, Brand-Miller JC. Międzynarodowe tabele indeksu glikemicznego i wartości obciążenia glikemicznego: 2008. Diabetes Care 2008; 31: 2281 – 3 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
13. Ludwig DS. Indeks glikemiczny: mechanizmy fizjologiczne związane z otyłością, cukrzycą i chorobami układu krążenia. JAMA 2002; 287: 2414 – 23 [PubMed]
14. Ludwig DS, Majzoub JA, Al-Zahrani A, Dallal GE, Blanco I, Roberts SB. Pokarmy o wysokim indeksie glikemicznym, przejadanie się i otyłość. Pediatrics 1999; 103: E26. [PubMed]
15. Campfield LA, Smith FJ, Rosenbaum M, Hirsch J. Ludzkie jedzenie: dowody na podstawie fizjologicznej przy użyciu zmodyfikowanego paradygmatu. Neurosci Biobehav Rev 1996; 20: 133 – 7 [PubMed]
16. Thompson DA, Campbell RG. Głód u ludzi wywołany przez 2-deoksy-D-glukozę: kontrola glikoprewii preferencji smakowych i spożycia pokarmu. Science 1977; 198: 1065 – 8 [PubMed]
17. Strachan MW, Ewing FM, Frier BM, Harper A, Deary IJ. Głód w czasie ostrej hipoglikemii u dorosłych z cukrzycą typu 1. Physiol Behav 2004; 80: 675 – 82 [PubMed]
18. Strona KA, Seo D, Belfort-DeAguiar R, Lacadie C, Dzuira J, Naik S, Amarnath S, Constable RT, Sherwin RS, Sinha R. Krążące poziomy glukozy modulują neuronową kontrolę pragnienia wysokokalorycznej żywności u ludzi. J Clin Invest 2011; 121: 4161 – 9 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
19. Frank TC, Kim GL, Krzemien A, Van Vugt DA. Wpływ fazy cyklu miesiączkowego na aktywację mózgu kortykolimbicznego za pomocą wizualnych sygnałów pokarmowych. Brain Res 2010; 1363: 81 – 92 [PubMed]
20. Botero D, Ebbeling CB, Blumberg JB, Ribaya-Mercado JD, Creager MA, Swain JF, Feldman HA, Ludwig DS. Ostry wpływ żywieniowego indeksu glikemicznego na zdolność antyoksydacyjną w badaniu żywienia kontrolowanym przez składniki odżywcze. Otyłość (Silver Spring) 2009; 17: 1664 – 70 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
21. Mifflin MD, St Jeor ST, Hill LA, Scott BJ, Daugherty SA, Koh YO. Nowe równanie predykcyjne dla spoczynkowego wydatku energii u zdrowych osób. Am J Clin Nutr 1990; 51: 241 – 7 [PubMed]
22. Brouns F, Bjorck I, Frayn KN, Gibbs AL, Lang V, Slama G, Wolever TM. Metodologia indeksu glikemicznego. Nutr Res Rev 2005; 18: 145 – 71 [PubMed]
23. Deichmann R, Schwarzbauer C, Turner R. Optymalizacja sekwencji MDEFT 3D dla anatomicznego obrazowania mózgu: implikacje techniczne w 1.5 i 3 T. Neuroimage 2004; 21: 757 – 67 [PubMed]
24. Dai W, Garcia D, de Bazelaire C, Alsop DC. Ciągła inwersja sterowana przepływem dla etykietowania wirowania tętniczego przy użyciu impulsowych częstotliwości radiowych i pól gradientowych. Magn Reson Med 2008; 60: 1488 – 97 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
25. Alsop DC, Detre JA. Zmniejszona czułość w czasie tranzytu w nieinwazyjnym obrazowaniu rezonansu magnetycznego ludzkiego przepływu krwi w mózgu. J Cereb Blood Flow Metab 1996; 16: 1236 – 49 [PubMed]
26. Järnum H, Steffensen EG, Knutsson L, Frund ET, Simonsen CW, Lundbye-Christensen S, Shankaranarayanan A, Alsop DC, Jensen FT, Larsson EM. Perfuzja MRI guzów mózgu: badanie porównawcze pseudo-ciągłego znakowania spinów tętniczych i obrazowania dynamicznego kontrastu podatności. Neuroradiologia 2010; 52: 307 – 17 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
27. Lancaster JL, Tordesillas-Gutierrez D, Martinez M, Salinas F, Evans A, Zilles K, Mazziotta JC, Fox PT. Odchylenie między współrzędnymi MNI i Talairach analizowane za pomocą szablonu mózgu ICBM-152. Hum Brain Mapp 2007; 28: 1194 – 205 [PubMed]
28. Maldjian JA, Laurienti PJ, Kraft RA, Burdette JH. Zautomatyzowana metoda badania neuroanatomicznego i cytoarchitektonicznego atlasu zbiorów danych fMRI. Neuroimage 2003; 19: 1233 – 9 [PubMed]
29. Friston KJ, Holmes A, Poline JB, Price CJ, Frith CD. Wykrywanie aktywacji w PET i fMRI: poziomy wnioskowania i moc. Neuroimage 1996; 4: 223 – 35 [PubMed]
30. Salmerón J, Ascherio A, Rimm EB, Colditz GA, Spiegelman D, Jenkins DJ, Stampfer MJ, Wing AL, Willett WC. Błonnik pokarmowy, ładunek glikemiczny i ryzyko NIDDM u mężczyzn. Diabetes Care 1997; 20: 545 – 50 [PubMed]
31. Dimitropoulos A, Tkach J, Ho A, Kennedy J. Większa aktywacja kortykolimbiczna do wysokokalorycznych sygnałów pokarmowych po jedzeniu u dorosłych otyłych i dorosłych o normalnej wadze. Appetite 2012; 58: 303 – 12 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
32. Murdaugh DL, Cox JE, Cook EW, 3rd, Weller RE. Reaktywność fMRI na wysokokaloryczne zdjęcia żywności przewiduje krótko- i długoterminowe wyniki programu odchudzania. Neuroimage 2012; 59: 2709 – 21 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
33. Strona KA, Chan O, Arora J, Belfort-Deaguiar R, Dzuira J, Roehmholdt B, Cline GW, Naik S, Sinha R, Constable RT, et al. Wpływ fruktozy w porównaniu z glukozą na regionalny przepływ krwi w mózgu w obszarach mózgu zaangażowanych w szlaki apetytu i nagrody. JAMA 2013; 309: 63 – 70 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
34. Anthony K, Reed LJ, Dunn JT, Bingham E, Hopkins D, Marsden PK, Amiel SA. Tłumienie reakcji wywołanych insuliną w sieciach mózgowych kontrolujących apetyt i nagrodę w insulinooporności: podstawa mózgowa dla upośledzonej kontroli przyjmowania pokarmu w zespole metabolicznym? Cukrzyca 2006; 55: 2986 – 92 [PubMed]
35. Zheng H, Corkern M, Stoyanova I, Patterson LM, Tian R, Berthoud HR. Peptydy, które regulują przyjmowanie pokarmu: manipulacja półleżąca wywołująca apetyt aktywuje neurony podwzgórzowe oreksyny i hamuje neurony POMC. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2003; 284: R1436 – 44 [PubMed]
36. Di Chiara G, Tanda G, Bassareo V, Pontieri F, Acquas E, Fenu S, Cadoni C, Carboni E. Uzależnienie od narkotyków jako zaburzenie uczenia się asocjacyjnego. Rola jądra półleżącego w powłoce / przedłużona dopamina w ciele migdałowatym. Ann NY Acad Sci 1999; 877: 461 – 85 [PubMed]
37. MW Feltensteina, patrz RE. Neurochirurgia uzależnienia: przegląd. Br J Pharmacol 2008; 154: 261 – 74 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
38. Kalivas PW, Volkow ND. Neuralna podstawa uzależnienia: patologia motywacji i wyboru. Am J Psychiatry 2005; 162: 1403 – 13 [PubMed]
39. Gearhardt AN, Yokum S, Orr PT, Stice E, Corbin WR, Brownell KD. Neuronowe korelaty uzależnienia od żywności. Arch Gen Psychiatry 2011; 68: 808 – 16 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
40. Salimpoor VN, van den Bosch I, Kovacevic N, McIntosh AR, Dagher A, Zatorre RJ. Interakcje między jądrem półleżącym i korą słuchową przewidują wartość nagrody muzycznej. Science 2013; 340: 216 – 9 [PubMed]
41. Benton D. Prawdopodobieństwo uzależnienia od cukru i jego rola w otyłości i zaburzeniach odżywiania. Clin Nutr 2010; 29: 288 – 303 [PubMed]
42. Blumenthal DM, Gold MS. Neurobiologia uzależnienia od żywności. Curr Opin Clin Nutr Metab Care 2010; 13: 359 – 65 [PubMed]
43. Corwin RL, Grigson PS. Przegląd sympozjum - uzależnienie od jedzenia: fakt czy fikcja? J Nutr 2009; 139: 617 – 9 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
44. Moreno C, Tandon R. Czy w DSM-5 przejadanie się i otyłość należy klasyfikować jako zaburzenie uzależniające? Curr Pharm Des 2011; 17: 1128 – 31 [PubMed]
45. Parylak SL, Koob GF, EP Zorrilla. Ciemna strona uzależnienia od żywności. Physiol Behav 2011; 104: 149 – 56 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
46. Pelchat ML. Uzależnienie od żywności u ludzi. J Nutr 2009; 139: 620 – 2 [PubMed]
47. Toornvliet AC, Pijl H, Tuinenburg JC, Elte-de Wever BM, Pieters MS, Frolich M, Onkenhout W, Meinders AE. Psychologiczne i metaboliczne reakcje głodujących chorych na węglowodany na posiłki bogate w węglowodany, tłuszcze i białka. Int J Obes Relat Metab Disord 1997; 21: 860 – 4 [PubMed]
48. Larsen TM, Dalskov SM, van Baak M, Jebb SA, Papadaki A, Pfeiffer AF, Martinez JA, Handjieva-Darlenska T, Kunesova M, Pihlsgard M, et al. Diety o wysokiej lub niskiej zawartości białka i indeksie glikemicznym do utrzymania utraty wagi. N Engl J Med 2010; 363: 2102 – 13 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]
49. Ebbeling CB, Swain JF, Feldman HA, Wong WW, Hachey DL, Garcia-Lago E, Ludwig DS. Wpływ składu diety na wydatek energetyczny podczas konserwacji odchudzającej. JAMA 2012; 307: 2627 – 34 [Artykuł bezpłatny PMC] [PubMed]