Podwyższone spożycie energii jest skorelowane z nadreaktywnością w obszarach mózgu uwagi, smaku i nagrody, jednocześnie przewidując smaczne przyjmowanie żywności (2013)

Tło: Osoby otyłe w porównaniu z osobami szczupłymi wykazują większą wrażliwość na regiony uwagi, smaku i nagrody na sygnały pokarmowe, ale zmniejszyły reakcję regionu nagrody podczas przyjmowania pokarmu. Jednakże, według naszej wiedzy, badania nie testowały, czy obiektywnie zmierzone spożycie kalorii jest pozytywnie powiązane z odpowiedzialnością neuronalną niezależną od nadmiaru tkanki tłuszczowej.

Cel: Przetestowaliśmy hipotezę, że obiektywnie zmierzone spożycie energii, które odpowiada podstawowym potrzebom i procentowi tkanki tłuszczowej, koreluje dodatnio z odpowiedzią neuronalną na przewidywane smaczne przyjmowanie pokarmu, ale negatywnie z odpowiedzią na przyjmowanie pokarmu przez młodzież zdrową.

Design: Uczestnicy (n = 155; średnia ± SD wiek: 15.9 ± 1.1 y) ukończyła funkcjonalne badania obrazowania rezonansu magnetycznego, przewidując i otrzymując smaczny pokarm w porównaniu z rozwiązaniem bez smaku, podwójnie oznaczona ocena poboru energii przez wodę i ocena spoczynkowego tempa metabolizmu i składu ciała.

wyniki: Spożycie energii korelowało dodatnio z aktywacją w bocznych wizualnych i przednich zakrętach obręczy (przetwarzanie wzrokowe i uwaga), czołową operacją (pierwotna kora smakowa) podczas przewidywania smacznego jedzenia i większą aktywacją prążkowia, gdy przewidywano smaczny pokarm w analizie bardziej wrażliwego regionu zainteresowania . Pobór energii nie był istotnie związany z odpowiedzią neuronalną podczas spożywania smacznego pokarmu.

Wnioski: Wyniki wskazują, że obiektywnie zmierzone spożycie energii odpowiadające za podstawowe potrzeby i tkankę tłuszczową koreluje dodatnio z aktywnością w regionach uwagi, smaku i nagradzania podczas przewidywania smacznego jedzenia. Chociaż nadreaktywność tych regionów może zwiększać ryzyko przejadania się, nie jest jasne, czy jest to początkowy czynnik podatności, czy też wynik wcześniejszego przejadania się.

WPROWADZENIE

Badania neuroobrazowe dostarczyły znaczącego wglądu w różnice w reakcji nerwowej na bodźce pokarmowe jako funkcję statusu wagi. W szczególności osoby otyłe w porównaniu z osobami szczupłymi wykazały większą wrażliwość w regionach związanych z nagrodami (prążkowie, bladość, ciało migdałowate i kora oczodołowo-czołowa) oraz obszary uwagi (kory wzrokowe i przednie obręczy) na apetyczne obrazy żywności (1-5), przewidywane smaczne spożycie żywności (6, 7), a zapachy żywności (8). Otyli w porównaniu z szczupłymi ludźmi wykazali również większą aktywację w pierwotnej korze smakowej (przednia wyspia i czołowa operculum) oraz w ustnych obszarach somatosensorycznych (zakrętu pośrodkowego i osłonie ciemieniowej) podczas ekspozycji na apetyczne zdjęcia żywności (2, 5) i przewidywane smaczne spożycie żywności (6, 7). Dane te są zgodne z modelem nadwyżki nagród, który zakłada, że ​​osoby, które doświadczają więcej nagród z przyjmowania pożywienia, są narażone na ryzyko przejadania się (9). W zestawieniu z otyłością w porównaniu z osobami szczupłymi wykazano mniejszą aktywność w regionach związanych z nagrodami podczas spożywania smacznych pokarmów (7, 10, 11), co jest zgodne z teorią deficytu nagrody, która zapewnia, że ​​jednostki mogą przejadać się, aby zrekompensować deficyt nagrody (12). Dane sugerują, że wyniki różnią się w zależności od tego, czy badana jest reakcja na sygnały pokarmowe w stosunku do spożycia żywności, co sugeruje, że ważne jest zbadanie reakcji na oba zjawiska.

Większość badań neuroobrazowania bezpośrednio porównało otyłość z osobami szczupłymi, które dostarczyły niewiele informacji na temat procesu etiologicznego, który leży u podstaw początkowego przyrostu masy ciała. Obecnie nie jest jasne, czy związane z otyłością różnice w odpowiedzi nerwowej na bodźce pokarmowe są spowodowane zmienionym funkcjonowaniem neuroendokrynnym, które wynika z nadmiernej ilości tkanki tłuszczowej (13, 14) w porównaniu ze zwykłym nadmiarem kalorii, jak sugerowano w modelach etiologicznych opartych na neurobiologii (9, 12, 15, 16).

Aby bezpośrednio zbadać wpływ typowego poboru energii (EI)⁴ w odniesieniu do odpowiedzi neuronalnej na bodźce pokarmowe, niezależnie od podstawowych potrzeb i tkanki tłuszczowej, badaliśmy, czy oszacowania EI podwójnie znakowanej wody (DLW) wiązały się z większą odpowiedzią przy przewidywaniu spożywania smacznego pokarmu i zmniejszonej reakcji podczas przyjmowania z spoczynkową szybkością metabolizmu (RMR) i procent tkanki tłuszczowej u zdrowej młodzieży kontrolowanej. Postawiliśmy hipotezę, że EI będzie związane z 1) większa odpowiedź w nagrodzie (np. prążkowiu), uważna (np. wzrokowa i przyśrodkowa kora przedczołowa), smakowe (np. przednia wyspa i czołowa operculum), oraz obszary somatosensoryczne jamy ustnej (np. zakrętu pooperacyjnego i opuszki ciemieniowej) w odpowiedzi na przewidywane smaczne spożycie żywności i 2) mniej reakcji nerwowej regionów nagrody podczas spożywania smacznego pokarmu.

PRZEDMIOTY I METODY

Próbka (n = 155; 75 nastoletnich mężczyzn i 80 nastoletnich kobiet) składało się z 10% Latynosów, 1% Azjatów, 4% Afroamerykanów, 79% białych i 6% Indian amerykańskich i rdzennych mieszkańców Alaski. Osoby, które zgłosiły napadowe objadanie się lub zachowania kompensacyjne w ciągu ostatnich 3 miesięcy, stosowanie leków psychotropowych lub nielegalnych narkotyków, uraz głowy z utratą przytomności lub zaburzenia psychiatryczne z osi I w ciągu ostatniego roku (w tym jadłowstręt psychiczny, bulimia, lub napadowego objadania się) zostały wykluczone. Rodzice i młodzież wyrazili świadomą pisemną zgodę na ten projekt. Uczestnicy przybyli do laboratorium po całonocnym poście, ukończyli skład ciała, pomiary antropometryczne, ocenę RMR i pierwszą ocenę DLW, a następnie wrócili 2 tygodnie później w celu dalszej oceny DLW. Skany fMRI przeprowadzono w ciągu 1 tygodnia od oceny DLW. Institutional Review Board Oregon Research Institute zatwierdziła wszystkie metody.

EI

DLW użyto do oszacowania EI w okresie 2-wk. DLW zapewnia bardzo dokładny pomiar spożycia, który jest odporny na uprzedzenia związane z wycofywaniem pokarmów lub dziennikami diety (17, 18). DLW wykorzystuje znaczniki izotopowe do oceny całkowitej produkcji dwutlenku węgla, która może być wykorzystana do dokładnego oszacowania zwykłych wydatków kalorycznych (19). DLW podawano natychmiast po tym, jak osobnicy testowali negatywnie na ciążę (jeśli dotyczy). Dawki były 1.6 – 2.0 g H₂¹⁸O (procent atomowy 10) / kg szacunkowa całkowita ilość wody w organizmie. Miejscowe próbki moczu zbierano bezpośrednio przed podaniem DLW i po dawkowaniu 1, 3 i 4-h. Dwa tygodnie później pobrano dodatkowe próbki moczu 2 o tej samej porze dnia, jak próbki 3 i 4-h po podaniu dawki. Żadne próbki nie były pierwszą pustką dnia. Wydatek energetyczny (EE) obliczono za pomocą równania A6 (19), współczynniki przestrzeni rozmycia (20) i zmodyfikowane równanie Weira (21) jak wcześniej opisano (22). EI na dzień obliczano na podstawie sumy EE z DLW i szacowanej zmiany zapasów energii w ciele z seryjnych pomiarów masy ciała wykonanych na początku badania (T1) i 2-wk po podaniu (T2). Liczba ta została podzielona przez liczbę dni między oceną wyjściową a 2-wk po podaniu dawki w celu obliczenia dziennego źródła substratów energetycznych z utraty wagi lub przechowywania nadmiaru EI jako przyrostu masy ciała (23). Równanie użyte dla każdego uczestnika było

7800 kcal / kg jest oszacowaniem gęstości energii tkanki tłuszczowej (24). Zmiana wagi (waga w T2 - waga w T1) została również wykorzystana w analizach regresji do oceny równoczesnej ważności EI z podstawowymi potrzebami jako proxy dla kontrolowanego bilansu energetycznego.

WYNIKI

Szacunki DLW EI spowodowały średnie spożycie 2566 kcal / d (Tabela 1). EI był istotnie związany z opisywanymi głodami pokarmowymi (pół-częściowy r = 0.19, P = 0.025) i lubienie żywności (pół-częściowe r = 0.33, P = 0.001), ale nie głód (częściowo) r = -0.12, P = 0.14). Analizy regresji ujawniły dodatnią zależność między EI a zmianą masy ciała w okresie XWUMX-wk DLW (pół-częściowy r = 0.85, P <0.001), co sugeruje, że EI uwzględniająca podstawowe potrzeby i procent tkanki tłuszczowej może służyć jako wskaźnik bilansu energetycznego. W porównaniu z dorastającymi kobietami, dorastający mężczyźni mieli istotnie wyższą EI (P <0.001, XNUMX), RMR (P <0.001) i niższy procent tkanki tłuszczowej (P <0.001) (Tabela 1). Nie zaobserwowano żadnych innych istotnych różnic między dorastającymi samcami i dorastającymi samicami (P= 0.09 – 0.44).

  

TABELA 1

Charakterystyka przedmiotu i środki behawioralne (n = 155)¹

Reakcja EI i BOLD

Dla oczekiwanego kontrastu koktajlu mlecznego> spodziewanego roztworu bez smaku, EI korelowało dodatnio z aktywacją w górnej bocznej korze wzrokowej zlokalizowanej w płacie ciemieniowym i przedniej korze zakrętu obręczy (obszary związane z przetwarzaniem wzrokowym i uwagą) (Tabela 2, Rysunek 1), czołowa operculum (obszar pierwotnej kory smakowej) i tylna kora obręczy (uważana za kodującą istotność bodźców). Znaczącą aktywację obserwowano również w przypadku precuneus i cuneus (które były związane z uwagą / obrazowaniem), tylnego środkowego zakrętu skroniowego (który był związany z pamięcią semantyczną) oraz innych obszarów bocznego odcinka ciemieniowego (np. Zakrętu supramarginalnego) (Tabela 2). EI nie było istotnie związane z odpowiedzią BOLD podczas przyjmowania koktajlu mlecznego.

  

TABELA 2

Reakcja BOLD podczas przewidywanego spożywania smacznego pokarmu jako funkcja poboru energii (n = 155)¹

  

RYSUNEK 1.

Reakcja zależna od poziomu tlenu we krwi podczas przewidywanego spożycia smacznego pokarmu (> przewidywane spożycie bez smaku) jako funkcja spożycia energii (kcal / d) z spoczynkowym tempem metabolizmu i procentem tkanki tłuszczowej kontrolowanym w ...

Po określeniu średnich oszacowań zmiennych przy użyciu wcześniej opisanego podejścia regionu zainteresowania, aktywność prążkowia w odpowiedzi na przewidywanie koktajlu mlecznego (> przewidywanie rozwiązania bez smaku) wykazała niewielki, dodatni związek z EI (półczęściowy r = 0.18, P = 0.038). Jednak analizy regresji wykazały, że średnia aktywność prążkowia podczas przyjmowania koktajli mlecznych (> spożycie bez smaku) nie była istotnie związana z EI (półczęściowa r = 0.04, P =

DYSKUSJA

Odkrycie, że EI odpowiada za podstawowe potrzeby i tkankę tłuszczową, było pozytywnie związane z uwagą, smakiem i nagrodą, gdy badani oczekiwali spożycia pokarmu, co odzwierciedlało wyniki obserwowane podczas porównywania reakcji nerwowych osób otyłych i szczupłych na to zdarzenie (6, 7). Według naszej wiedzy, obecne badanie dostarczyło nowych dowodów, że zwiększona EI, a nie nadmiar tkanki tłuszczowej, może prowadzić do nadpobudliwości. W szczególności obserwowaliśmy podwyższoną aktywność podczas przewidywania w regionach związanych z przetwarzaniem wizualnym i uwagą [boczna kora wzrokowa, przedwczesna i zakręt przedni (36)], procesy smakowe [frontalne operculum (37)] oraz region, który ma kodować istotność bodźców [tylny zakręt (38)]. Niewielki, ale pozytywny związek zaobserwowano również między aktywnością w regionie nagrody lub zachęty (prążkowie) a EI w czasie oczekiwania.

Na poparcie obecnych wyników wzrost masy tłuszczu w okresie 6-mo był związany ze wzrostem reakcji na smaczne obrazy żywności w obszarach przetwarzania wizualnego / uwagi i smaku w stosunku do linii bazowej (39). Ponadto dane behawioralne wskazują, że osoby losowo przydzielone do spożywania pokarmów o dużej gęstości energii w okresach 2-3-wk wykazywały zwiększoną gotowość do pracy (tj. Motywację do tych produktów) (40, 41). Wyniki te wskazywały, że nadmiar EI może przyczyniać się do nadpobudliwości regionów uwagi, smaku i nagradzania w celu wskazania przyszłego spożycia żywności. Ta interpretacja jest zgodna z teorią motywacji i uwrażliwiania (16), która zakłada, że ​​nagroda z spożycia i przewidywanego spożycia działa razem z rozwojem wzmacniającej wartości żywności, ale po powtarzających się parach nagród żywności i wskazówek, które przewidują tę nagrodę, przewidywana nagroda wzrasta. Obecne wyniki są również zgodne z dynamicznym modelem podatności na otyłość (31, 42), co sugeruje, że wzmożona reakcja w regionach uwagi, smaku i nagrody na sygnały żywnościowe może zwiększyć podatność na te sygnały, co sprzyja dodatkowemu spożyciu w sposób wyprzedzający. Ze względu na przekrojowy charakter obecnych wyników, możliwe jest również, że osoby z wrodzoną nadpobudliwością tych obszarów mózgu, gdy spodziewają się pokarmu, są bardziej skłonne do przejadania się. Taka interpretacja jest zgodna z teoriami otyłości, które przesadzają z nagrodami (9). Dlatego konieczne jest, aby w przyszłych badaniach sprawdzić, czy podwyższona reakcja obserwowana w obecnym badaniu przewiduje przyszły przyrost masy ciała w długim okresie obserwacji.

Zaobserwowaliśmy również aktywność związaną z EI w tylnym środkowym zakręcie skroniowym, która jest zazwyczaj związana z pamięcią semantyczną (43, 44). Jednak otyłość w porównaniu z osobami szczupłymi wykazywała większą reakcję w tym regionie, gdy pokazano zdjęcia apetycznych potraw (3) zgodnie z aktualnymi ustaleniami. Region ten został również aktywowany w paradygmatach, które oceniały reakcję na sygnały, które mają wywoływać głód w zwykłych użytkownikach substancji. Na przykład u obecnych palaczy apetyt wywołany paleniem był związany z aktywnością zakrętu środkowego skroniowego (45), a podobne wyniki zaobserwowano u obecnych użytkowników kokainy (46). W związku z tym zaobserwowaliśmy niewielki, ale istotny związek z zgłaszanym głodem żywnościowym i EI. Obecne wyniki sugerują, że ogólna wskazówka milkshake może wywoływać wspomnienia o sensorycznych właściwościach zbliżającego się spożywania wysokotłuszczowego, wysokosłodzonego pokarmu i może wywołać większą aktywność mózgu związaną z głodem lub pożądaniem u osób z podwyższonym spożyciem.

Wcześniej informowaliśmy, że częste spożywanie lodów, ale nie całkowite spożycie kalorii, było związane ze zmniejszoną odpowiedzią na spożycie mlecznego koktajlu na bazie lodów w zależnych od dopaminy regionach mózgu związanych z nagrodą w tej próbce (47). Obecne badanie wykorzystało obiektywną miarę EI i nie wykazało żadnych zależności. Teoretycznie, po wielokrotnym przyjmowaniu określonego rodzaju smacznego pokarmu, uczenie się dopaminy przekazujące nagrody zmienia się z występującego po spożyciu tego pokarmu na występujące w odpowiedzi na sygnały, które przewidują potencjalną dostępność pożywienia, co jest procesem udokumentowanym w eksperymentach na zwierzętach (48). Obecne techniki obrazowania i koszty ograniczają zdolność do oceny odpowiedzi nerwowej na wiele pokarmów. Poprzednie użycie częstotliwości żywności pozwoliło na określoną analizę spożycia określonych produktów spożywczych, z naciskiem na żywność podawaną w skanerze. Chociaż miara DLW zastosowana w tym badaniu dostarczyła obiektywnej i dokładniejszej miary EI, nie oszacowała gęstości energii ani zawartości makroskładników odżywczych w spożywanej żywności. Do tej pory w literaturze istnieje luka dotycząca interakcji między neuronalnymi skutkami zwyczajowego spożywania pokarmów a zawartością makroskładników odżywczych, chociaż odnotowano ostre różnice w reakcji nerwowej na żywność zróżnicowaną pod względem zawartości makroskładników odżywczych (49).

Przy interpretacji wyników należy wziąć pod uwagę ograniczenia tego badania. Jak zauważono, projekt przekrojowy był kluczowym ograniczeniem, ponieważ nie mogliśmy określić, czy wzorzec odpowiedzi neuronalnej zwiększa ryzyko przyszłego przejadania się, czy jest konsekwencją nadmiernej konsumpcji. Bieżąca próba jest śledzona w ujęciu długofalowym, a skojarzenia ze zmianą wagi zapewnią wgląd w to pytanie; jednak eksperyment manipulujący spożyciem jest niezbędny do uzyskania mocnych wniosków przyczynowych, których nie można kierować potencjalnymi zakłóceniami. Obecna miara EI może służyć jako przybliżenie bilansu energetycznego ocenianego okresu 2 tygodni, ale nie może jednocześnie uwzględniać EI i wydatków ani nie może być uważana za bezpośrednią miarę przejadania się u wszystkich uczestników. Na przykład, w porównaniu z dorastającymi kobietami, dorastający mężczyźni wykazywali wyższe EI i RMR, ale podobne BMI i niższą zawartość tłuszczu w ciele, co sugeruje, że dorastający mężczyźni zużywają więcej energii. Przyszłe badania powinny uwzględniać obiektywne miary aktywności, takie jak akcelerometry, aby lepiej wychwytywać EE, jeśli DLW jest używane do oszacowania EI. Pomimo tego ograniczenia, EI dostarczyło obiektywnej miary spożycia, które wystąpiło w naturalnym otoczeniu uczestnika w okresie 2 tygodni, które było odporne na błędy autoprezentacji.

Podsumowując, nadpobudliwość podczas przewidywanego przyjmowania pokarmu i narażenia na apetyczne sygnały pokarmowe odnotowano u osób otyłych w porównaniu z osobami szczupłymi (1-8). Obecne badanie rozszerza te odkrycia, dostarczając nowych dowodów, zgodnie z naszą wiedzą, że obiektywna miara zwyczajowego spożycia jest związana z odpowiedzią hipernururalną podczas przewidywania smacznego przyjmowania pokarmu niezależnie od podstawowego zapotrzebowania na energię i ilości tkanki tłuszczowej. Ze względu na przekrojowy charakter badania czasowe pierwszeństwo wyników jest niejasne. Osiągnięcie lepszego zrozumienia wrodzonych, indywidualnych czynników różnicujących, które przyczyniają się do przejadania się, dostarczyłoby dodatkowych informacji na temat rozwoju i utrzymania otyłości, a także dostarczyłoby kluczowych informacji w rozwoju programów zapobiegania otyłości.

Podziękowanie

Przypisy

LITERATURA