Doniesienia naukowe 5Numer artykułu: 10041 (2015)
doi: 10.1038 / srep10041
AbstrChipsy ziemniaczane z przekąskami indukują przyjmowanie pokarmu u szczurów karmionych ad libitum, co jest związane z modulacją układu nagrody w mózgu i innych obwodów. Tutaj pokazujemy, że spożycie pokarmu u nasyconych szczurów jest wyzwalane przez optymalny stosunek tłuszczu do węglowodanów. Podobnie jak chipsy ziemniaczane, izokaloryczna mieszanka tłuszcz / węglowodany wpływa na wzorzec aktywności całego mózgu szczurów, wpływając na obwody związane np. Z nagrodą / uzależnieniem, ale liczba modulowanych obszarów i zakres modulacji był niższy w porównaniu z samą przekąską.
Wprowadzenie
Ad libitum dostępność smacznego pokarmu może prowadzić do hiperfagii hedonicznej, tj. Zwiększonego spożycia energii i, w konsekwencji, zwiększonego przyrostu masy ciała w wyniku zmiany sposobu przyjmowania pokarmu1. Aby wyzwolić spożycie pokarmu ponad sytość, muszą być zaangażowane czynniki, które unieważniają homeostatyczny bilans energetyczny i sytość poprzez różne ścieżki sygnalizacyjne nie homeostatycznego systemu nagrody2. Jak pokazano wcześniej, spożycie chipsów ziemniaczanych z przekąskami silnie moduluje aktywność w obrębie układu nagrody mózgu u szczurów karmionych ad libitum. Dodatkowo prowadzi to do znacząco różnej aktywacji regionów mózgu regulujących przyjmowanie pokarmu, sytość, sen i aktywność lokomotoryczną3. Badania behawioralne potwierdziły, że spożycie energii i związana z karmieniem aktywność lokomotoryczna były podwyższone, gdy dostępne były chipsy ziemniaczane3. Chociaż neurobiologiczna regulacja przyjmowania pokarmów jest znacznie bardziej złożona niż regulacja uzależnienia od narkotyków, niektóre uderzające nakładanie się mechanizmów neurofizjologicznych, wzorzec aktywacji mózgu i konsekwencje behawioralne zostały kontrowersyjnie omówione4,5,6,7. Obwody mózgowe są silnie aktywowane przez spożycie po restrykcjach, ale także przez spożycie bardzo smacznych potraw, w szczególności8,9,10. Ogólnie, bardzo smaczne jedzenie jest wysokokaloryczne i / lub bogate w tłuszcze i / lub węglowodany. W związku z tym wysunięto hipotezę, że gęstość energii pożywienia może być kluczowym czynnikiem wyzwalającym przyjmowanie pokarmu poza uczucie sytości, co skutkuje zwiększoną wagą i, ostatecznie, otyłością11,12.
Niedawne badanie behawioralne wykazało, że tłuszcze i węglowodany są głównymi molekularnymi determinantami smakowitości przekąsek13. Ponadto zawartość energii w chipsach ziemniaczanych jest głównie (94%) określona przez zawartość tłuszczu i węglowodanów. Dlatego można założyć, że zawartość energii jest siłą napędową hiperfagii hedonicznej w przypadku chipsów ziemniaczanych. W związku z tym przeprowadziliśmy testy preferencji behawioralnych w celu zbadania spożycia żywności o różnej zawartości tłuszczu / węglowodanów i wykonaliśmy pomiary rezonansu magnetycznego (MRI) w celu zbadania modulacji aktywności całego mózgu indukowanej u szczurów.
Wyniki i dyskusja
W celu przeprowadzenia testów preferencyjnych do każdej badanej żywności dodano sproszkowaną standardową karmę (STD) (1: 1), aby wykluczyć wpływ właściwości organoleptycznych (Rys. 1a)13. Wykazano wcześniej, że kolejność i czas trwania odcinków testowych nie wpłynęły na wynik13. Początkowo względne spożycie wzrastało wraz ze wzrostem tłuszczu, a zatem i zawartością energii w testowanej żywności o maksimum przy składzie 35% tłuszczu i 45% węglowodanów. Wyższa zawartość tłuszczu doprowadziła jednak do zmniejszenia spożycia żywności (Rys. 1a). Ponieważ tłuszcz ma wyższą gęstość energii niż węglowodany, odkrycia te wskazują, że zawartość energii nie jest jedynym wyznacznikiem przyjmowania pokarmu u szczurów pozbawionych upośledzenia. Co ciekawe, średni stosunek tłuszcz / węglowodany w najbardziej atrakcyjnych testowanych produktach żywnościowych prawie dokładnie pasował do składu chipsów ziemniaczanych (Rys. 1a). Pozostaje zbadać, czy powyższy wniosek można rozszerzyć na inne produkty spożywcze o podobnym stosunku tłuszcz / węglowodany, takie jak czekolada lub inne przekąski.
Rycina 1: (a) Aktywność badanej żywności o różnych stosunkach tłuszcz / węglowodany w celu wywołania dodatkowego spożycia pokarmu podczas krótkoterminowej prezentacji żywności testowej (minuty 10) w testach preferencji dwóch wyborów.
Różnice w poborze energii na testowaną żywność w porównaniu z referencyjnym (17.5% tłuszczu, 32.5% węglowodanów i 50% STD) są wyświetlane jako względny udział odpowiedniej badanej żywności w całkowitym spożyciu badanej i referencyjnej żywności (średnia ± SD). Poniżej przedstawiono skład badanej żywności i porównano najbardziej atrakcyjny średni skład ze składem chipsów ziemniaczanych. (b) Pobór energii i odpowiednia aktywność lokomotoryczna związana z karmieniem podczas faz 7 dni ciągłej prezentacji żywności testowej. Oba czynniki są pokazane w ich zależności od testowanej żywności [standardowa karma (STD) lub mieszanina 35% tłuszczu i 65% węglowodanów (FCH)] w fazie treningu (TP) i fazie manganu (MnP) podczas 12 / 12 godzin cykli światło / ciemność w ciągu 7 dni. Dane przedstawiają średnią ± SD 16 zwierząt w 4 klatkach przez 7 kolejnych dni. Dodatkowo wymieniono odpowiednie dane statystyczne (** p <0.01, *** p <0.001, ns = nieistotne).
Ostatnio wykazaliśmy, że spożycie chipsów ziemniaczanych u szczurów karmionych ad libitum silnie moduluje aktywność całego mózgu, głównie wpływając na obwód nagrody i systemy związane z przyjmowaniem pokarmu, snem i aktywnością lokomotoryczną3. Dlatego w niniejszym badaniu zbadano wpływ stosunku tłuszcz / węglowodany w testowanej żywności na te modulacje. W tym celu szczury karmione ad libitum wystawiono na testowany pokarm zawierający 35% tłuszczu i 65% węglowodanów (FCH) jako model prawie izokaloryczny (565 vs. 535 kcal / 100 g) dla chipsów ziemniaczanych. Zamiast tego grupa kontrolna otrzymała sproszkowaną STD. Następnie zmiany w schemacie aktywności całego mózgu podczas fazy karmienia rejestrowano za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym wzmocnionym manganem (MEMRI)14,15 jak wcześniej opisano3. Zgodnie z projektem badania przedstawionym w Rys. 1b, po fazie treningowej (TP) oferującej testowaną żywność ad libitum nastąpiła faza pośrednia bez testowanego pokarmu (po siedem dni). Przed pomiarem MEMRI, środek kontrastowy chlorek manganu podawano za pomocą grzbietowo podskórnie wszczepionych pomp osmotycznych w celu zmapowania zintegrowanej aktywności mózgu w ciągu następnych siedmiu dni. Podczas tej fazy manganu (MnP) szczury przywróciły dostęp do znanego już testowanego pokarmu. Standardowa karma dla peletek i woda z kranu były dostępne ad libitum przez cały czas trwania badania (Rys. 1b). W tej konfiguracji testowej porównano pobór energii oraz wzorzec aktywności całego mózgu w obu grupach, co doprowadziło do znacznego zwiększenia spożycia energii w grupie FCH podczas TP i MnP w świetle, jak również w ciemnym cyklu dnia w porównaniu z kontrolą (Rys. 1b). Dodatkowo policzono aktywność lokomotoryczną pojedynczych szczurów w pobliżu dozowników żywności. W przeciwieństwie do innych testów lokomotorycznych, takich jak test otwartego pola mierzący ogólną aktywność lokomotoryczną i lęk, aktywność lokomotoryczna związana z karmieniem, która została oceniona w niniejszym badaniu, odzwierciedla raczej zachowania związane z poszukiwaniem pożywienia. Jednak związana z karmieniem aktywność lokomotoryczna była tylko nieznacznie podwyższona, gdy FCH był dostępny zamiast sproszkowanego STD podczas ciemnego cyklu TP (średnia aktywność lokomotoryczna [zliczenia] STD 205 ± 46, FCH 230 ± 41, n = 4, p = 0.0633, n = 155, p = 24 ) i MnP (średnia aktywność lokomotoryczna [liczba] STD 164 ± 17, FCH 4 ± 0.2123, n = XNUMX, p = XNUMX) (Rys. 1b). Natomiast dostęp do chipsów ziemniaczanych doprowadził do znacznie większej aktywności lokomotorycznej związanej z karmieniem w porównaniu z tą samą grupą kontrolną STD podczas ciemnego cyklu3, co było istotne zarówno w TP (średnia aktywność lokomotoryczna [zliczenia] STD 205 ± 46, chipsy ziemniaczane 290 ± 52, n = 4, p <0.001), jak i w MnP (średnia aktywność lokomotoryczna [zliczenia] STD 155 ± 24, chipsy ziemniaczane 197 ± 29, n = 4, p = 0.0011). Zatem można wywnioskować, że stosunek tłuszcz / węglowodany decyduje o smakowitości chipsów ziemniaczanych, ale na zachowanie żywieniowe wpływają również inne składniki przekąsek. Pozostaje jednak spekulacyjne, czy różnice te odnoszą się do „chcenia” i „lubienia” aspektów przyjmowania pożywienia16.
Monitorowanie aktywności całego mózgu przez MEMRI ujawniło istotne różnice w aktywacji obszarów mózgu przez spożycie FCH w porównaniu do STD (Rys. 2a, b, Rys. 3, pierwsza kolumna, Tabela 1). Obecne wyniki porównano z poprzednimi analizami MEMRI modulacji wzorca aktywności mózgu podczas przyjmowania chipsów ziemniaczanych vs. STD w tych samych warunkach3. Pierwsze dane są wymienione w drugiej kolumnie Ryc. 2 i 3. Chociaż FCH miał podobny stosunek tłuszcz / węglowodany i prawie identyczną gęstość energii w porównaniu do chipsów ziemniaczanych, FCH aktywował znacznie mniejszą liczbę (33) obszarów mózgu znacznie różniących się od STD niż chipsy ziemniaczane (obszary 78, Rys. 2). Efekty wykryto w grupach funkcjonalnych związanych z nagrodą i uzależnieniem (Rys. 3a), spożycie żywności (Rys. 3b), sen (Rys. 3c) oraz aktywność lokomotoryczna (Rys. 3d). Rysunek 2b pokazuje przegląd wszystkich znacząco różniących się obszarów mózgu, porównując odpowiednio wpływ FCH i chipsów ziemniaczanych z efektami STD. Dodatkowo, ułamkowa zmiana w aktywacji, tj. Wychwyt manganu odzwierciedlający aktywność neuronalną, różni się zdecydowanie w odniesieniu do zużycia FCH w porównaniu do STD w porównaniu do chipsów ziemniaczanych w porównaniu do STD (Rys. 3, trzecia kolumna). Jądro półleżące uważane jest za główną strukturę systemu nagrody17. Zużycie FCH doprowadziło do znacznego wzrostu 7.8-krotnej aktywacji w jednej z czterech podstruktur, podregionie rdzeniowym lewej półkuli. Wzrost podregionów skorupowych oraz podregionu podstawowego półkuli prawej nie był znaczący (Rys. 3a). Spożycie chipsów ziemniaczanych w podobnych warunkach doprowadziło również do największej aktywacji daleko od lewego podregionu rdzeniowego jądra półleżącego. Jednak w porównaniu z FCH poziom aktywacji w tej strukturze był nawet dwukrotnie wyższy. W przeciwieństwie do FCH, trzy inne podstruktury zostały również znacząco aktywowane w porównaniu z kontrolą (Rys. 3a). Można zatem stwierdzić, że FCH aktywuje systemy nagrody w mózgu, ale z mniejszym efektem niż chipsy ziemniaczane. Wniosek ten znajduje również odzwierciedlenie w innych strukturach systemu wynagradzania / uzależnienia, które zostały znacząco aktywowane przez spożycie chipsów ziemniaczanych i FCH, takich jak jądro zarodkowe terminala (lewa półkula)17,18, podrzędny grzbiet19lub kora prelimbiczna (prawa i lewa półkula)20. Inne struktury mózgu, w przeciwieństwie do tego, nie zostały znacząco dotknięte przez spożycie FCH, chociaż są one ważnymi składnikami obwodów nagrody i były wyraźnie modulowane przez spożycie chipsów ziemniaczanych, takich jak bladość brzuszna, brzuszny obszar nakrywkowy, lub skorupa ogoniasta (Tabela 1)3.
Rysunek 2: (a) Znacznie różnie aktywowane obszary mózgu (mieszanina 35% tłuszczu / 65% węglowodanów (FCH) w porównaniu do standardowej karmy (STD) i chipsów ziemniaczanych vs. STD)3) na podstawie analizy morfometrycznej opartej na wokselu zilustrowanej dla trzech plastrów wyświetlanych na średniej powierzchni mózgu szczura.
Średnie dane tłuszczu / węglowodanu z grupy spożywczej (FCH, lewa kolumna) porównano ze zmianami wzorca aktywności mózgu indukowanymi przez chipsy ziemniaczane w tych samych warunkach (przegląd z Hoch i in. 20133, prawa kolumna). (b) Rozkład 3D znacząco różnie aktywowanych obszarów mózgu wyświetlanych w widoku osiowym i strzałkowym (35% tłuszczu / 65% węglowodanów test żywności FCH vs. STD, lewa kolumna i chipsy ziemniaczane vs. STD, prawa kolumna, przegląd z Hoch i in. 20133). Niebieskie kule symbolizują obszary mózgu z niższymi, czerwonymi sferami regionów mózgu o większej aktywności po spożyciu odpowiednich pokarmów testowych FCH lub chipsów ziemniaczanych3, każdy w porównaniu do STD. Rozmiar kulek symbolizuje poziomy istotności (małe: p ≤ 0.05, średnie: p ≤ 0.01, duże: p ≤ 0.001, n = 16).
Rysunek 3: Regiony mózgu przypisane do grup funkcjonalnych (a) „nagroda i uzależnienie”, (b) „spożycie pokarmu”, (c) „sen” oraz (d) „aktywność lokomotoryczna” na schematycznym rzucie strzałkowym szczura mózg ze znacząco różną (p <0.05) akumulacją manganu w strukturach mózgowych szczurów karmionych ad libitum z dodatkowym dostępem do testowanej karmy o zawartości 35% tłuszczu / 65% węglowodanów (FCH, pierwsza kolumna) lub chipsów ziemniaczanych typu przekąska (przegląd z Hoch i wsp. 20133, druga kolumna).
Czerwone prostokąty symbolizują regiony mózgu znacznie aktywowane przez chipsy ziemniaczane w przekąskach lub FCH, oba w porównaniu ze standardową karmą w proszku (STD), niebieskie prostokąty odpowiadające regionom mózgu o wyższej aktywności z powodu spożycia sproszkowanych STD w porównaniu z chipsami ziemniaczanymi w przekąskach lub FCH. Trójkąty dołączone do prostokątów po lewej i / lub po prawej stronie wskazują półkulę znaczących różnic. Prostokąty bez trójkątów reprezentują centralne struktury mózgu. Trzecia kolumna przedstawia ułamkową zmianę odpowiednio przekąsek i FCH względem STD (*** p <0.001, ** p <0.01, * p <0.05, n = 16). Rdzeń Acb: rdzeń jądra półleżącego; Powłoka Acb: obszar skorupy jądra półleżącego, Łuk: łukowate jądro podwzgórza, BNST: jądro łożyska stria końcowego, CgCx: kora zakrętu obręczy, CPu: skorupa ogoniasta (warstwa), DS: grzbietowe podłoże, Gi: jądro olbrzymiokomórkowe, GPV: brzuszne pallidum, HyDM: podwzgórze grzbietowo-przyśrodkowe, HyL: podwzgórze boczne, IlCx: kora podbrzuszna, InsCx: kora wyspowa, IP: jądro międzykręgowe, LPBN: jądro przyramiennej bocznej, LPGi: jądro przyskrzyżowo-komórkowe boczne, LRt: kora siatkowa boczna x1 , MCx2: wtórna kora ruchowa, OrbCx: kora oczodołowa, PCRt: przykomórkowe jądro siatkowate, PnO: jądro siatkowate mostu jamy ustnej, PrlCx: kora przedlimbiczna, PTA: okolica przedtarczowa, PVN: jądro przykomorowe wzgórze przednie, Raphe: jądro szwu szwu, przegroda , Sol: przewód pojedynczy, Teg: jądra nakrywkowe, thMD: środkowo-grzbietowe wzgórze, VS: brzuszne podiculum, VTA: brzuszny obszar nakrywki, ZI: strefa incerta.
Tabela 1: Z-Wyniki znacząco różnie aktywowanych obszarów mózgu porównujących szczury z dostępem albo tylko do standardowej karmy, albo do mieszaniny tłuszczu i węglowodanów i odpowiednich wartości p statystyk t, n = 16.
Podobne wnioski można wyciągnąć z analizy obwodów mózgu związanych z przyjmowaniem pokarmu. Na przykład podwzgórze grzbietowo-przyśrodkowe, przegroda, a także jądro wzgórzowo-komorowe, które zostały aktywowane podczas przyjmowania FCH i chipsów ziemniaczanych, można powiązać z kontrolą przyjmowania pokarmu21,22. Ale znowu FCH nie udało się modulować innych struktur obwodów sytości, które zostały dezaktywowane przez czipsy ziemniaczane, takie jak łukowate jądro podwzgórza lub pojedynczy pas. Ponadto intensywność aktywacji była niższa w przypadku FCH niż w przypadku chipsów ziemniaczanych, co znalazło odzwierciedlenie, na przykład, w 2.3-krotnie istotnie wyższej aktywacji przedsionkowego jądra wzgórza przednio-komorowego (Rys. 3b). Dane te sugerują, że FCH moduluje struktury mózgu związane z przyjmowaniem pokarmu inaczej niż STD, co może być odzwierciedlone przez wyższe spożycie energii przez FCH (Rys. 1b).
Spożycie FCH doprowadziło również do silnej dezaktywacji struktur mózgu związanych ze snem. Niektóre obszary mózgu zostały wyłączone tylko przez FCH, takie jak strefa incerta (Rys. 3c), podczas gdy inne obszary zostały zdezaktywowane tylko przez chipsy ziemniaczane, takie jak jądra nakrywkowe. Chociaż osiem struktur związanych ze snem było modulowanych przez FCH i jedenaście przez chipsy ziemniaczane, efekt obu testowanych pokarmów wydaje się być w podobnym zakresie. Ponieważ nie oczekiwano tego wyniku, czas trwania snu nie był mierzony w niniejszym badaniu, więc nie jest jasne, czy indukowana przez FCH modulacja obwodów snu koreluje z modulacją zachowania snu.
Obszary mózgu odpowiedzialne za aktywność lokomotoryczną i ogólnie ruch nie były istotnie pod wpływem spożycia FCH w porównaniu do STD (Rys. 3d, pierwsza kolumna). Jest to zbieżne z obserwacjami behawioralnymi, że FCH indukował tylko nieznacznie, ale nie istotnie wyższą aktywność lokomotoryczną związaną z żywnością w porównaniu do STD (Rys. 1b). W przeciwieństwie do tego wykazano, że aktywacji struktur układu ruchowego w mózgach szczurów mających dostęp do chipsów ziemniaczanych towarzyszyła podwyższona aktywność lokomotoryczna związana z karmieniem3.
Nie jest do końca jasne, czy obserwowany wzorzec aktywacji jest związany z hiperfagią hedoniczną. W przeciwieństwie do homeostatycznego przyjmowania pokarmu, który jest kontrolowany przez poziom energii organizmu, w hedonicznej konsumpcji żywności pośredniczy nagroda generowana przez niektóre pokarmy23. Ponieważ spożycie żywności hedonicznej nie jest silnie powiązane z potrzebami energetycznymi, często prowadzi do hiperfagii. Opracowano modele opisujące neuronalne korelaty hiperfagii hedonicznej. Berthoud, na przykład, sugeruje, że homeostatyczne przyjmowanie pokarmu jest powiązane z obwodami wrażliwymi na leptynę, które obejmują głównie jądro łukowate i jądro pojedynczego przewodu pokarmowego, ale obejmują także wiele innych obszarów, w tym miejsca podwzgórza, takie jak jądro przykomorowe lub jądro półleżące23,24. Ta homeostatyczna regulacja przyjmowania pokarmu może jednak zostać unieważniona przez sygnały nagradzające, takie jak składniki lubienia i pragnienia25. Podobanie się do pożywienia było związane z sygnalizacją opioidową mu w jądrze półleżącym, bladej brzusznej, jądrze przylegającym i jądrze pojedynczego przewodu24, podczas gdy brak pożywienia był związany z układem dopaminowym w brzusznym obszarze nakrywkowym, jądrem półleżącym, korą przedczołową, ciałem migdałowatym i podwzgórzem. Kenny dodatkowo podkreślił wkład kory wyspowej, która ma przechowywać informacje o hedonicznych właściwościach żywności i może być również związana z pragnieniem10. W przeciwieństwie do wzorca aktywacji mózgu związanego z przyjmowaniem chipsów ziemniaczanych, na spożycie FCH wpłynęło tylko kilka z tych obszarów związanych z hiperfagią hedoniczną. Dlatego też wymagane są rozszerzone eksperymenty behawioralne w celu zbadania, czy preferencji FCH rzeczywiście towarzyszy hiperfagia.
Do tej pory nie jest jasne, które składniki molekularne chipsów ziemniaczanych są odpowiedzialne za silniejsze efekty modulacji tego testowanego pokarmu. Ponieważ użyto solonego, ale niesezonowego produktu bez dodatku wzmacniacza smaku, oprócz głównych składników tłuszcz i węglowodany obecne były sole, aromaty i niewielkie ilości białek. Ponadto należy wziąć pod uwagę zmiany molekularne występujące podczas przetwarzania. Wykazano wcześniej, że smak soli indukował ekspresję Fos w jądrze półleżącym szczurów pozbawionych soli. Natomiast spożycie soli u niewyczerpanych zwierząt nie doprowadziło do aktywacji tej struktury systemu nagrody26. Ponadto doniesiono, że spożycie soli w stałym pożywieniu powodowało raczej awersyjny efekt u szczurów27. Dlatego nie wydaje się prawdopodobne, aby sól była głównym modulatorem systemu nagradzania mózgu w obecnych eksperymentach. Wcześniej wprowadzony test preferencji z dwoma wyborami może teraz posłużyć do dalszego zbadania wpływu innych składników chipsów ziemniaczanych na spożycie żywności.
Na podstawie naszych danych behawioralnych dochodzimy do wniosku, że stosunek tłuszczu i węglowodanów, ale nie bezwzględna gęstość energii, jest głównym wyznacznikiem smaku i spożycia przekąsek podczas krótkoterminowych testów preferencji dwóch wyborów u szczurów. Ponadto, przyjmowanie mieszaniny FCH, która jest prawie izokaloryczna dla chipsów ziemniaczanych, indukowało maksymalne spożycie energii u szczurów karmionych ad libitum, czemu towarzyszyła znacząco różna aktywacja struktur mózgu związana z nagrodą, przyjmowaniem pokarmu i snem. Spożycie chipsów ziemniaczanych w tych samych warunkach doprowadziło do znacznie większej liczby różnie aktywowanych struktur mózgowych w tych obwodach, a także do wyraźnie wyższej frakcyjnej zmiany w porównaniu do STD. Zatem z podejścia obrazowania można wywnioskować, że sama gęstość energii jest jedynie umiarkowanym wyznacznikiem nagradzających właściwości przekąsek. Chociaż stosunek tłuszczów i węglowodanów do chipsów ziemniaczanych wydaje się być bardzo atrakcyjny, można postawić hipotezę, że w tej przekąsce istnieją inne determinanty molekularne, które modulują aktywność obwodów mózgu, w szczególności układu nagrody, nawet silniejszego i prowadzą do zwiększonego pożywienia szukanie zachowania.
Metody
Oświadczenie etyczne
Badanie to zostało przeprowadzone w ścisłej zgodności z zaleceniami Przewodnika dla opieki nad zwierzętami laboratoryjnymi Narodowego Instytutu Zdrowia. Protokół został zatwierdzony przez Komitet ds. Etyki Eksperymentów Zwierzęcych Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (Regierung Mittelfranken, Numer zezwolenia: 54-2532.1-28 / 12).
Test preferencji
Testy preferencji przeprowadzono zgodnie z wcześniejszym opisem trzy razy dziennie podczas cyklu światła dla minut 10, każdy z powtórzeniami 20 – 36 w sumie na testowaną żywność w stosunku do odniesienia13. Ten harmonogram testów zapewnia wystarczającą liczbę punktów danych do oceny preferencji żywności. Testy przeprowadzono z samcami szczurów Wistar 8 (klatki 2 ze zwierzętami 4 każdy, 571 ± 41 g, zakupione od Charles River, Sulzfeld, Niemcy) i reprodukowano z samcami szczurów Sprague Dawley 10 (klatki 2 ze zwierzętami 5, każda masa początkowa 543 ± 71 g, zakupiony od Charles River, Sulzfeld, Niemcy), który został przeszkolony do testu. Tak więc liczba zwierząt, które wykonały każdy test, to 18 i liczba klatek 4 (cztery biologiczne replikaty). Każde doświadczenie powtarzano razy 5 – 6 z każdą grupą zwierząt. Wszystkie szczury trzymano w cyklu 12 / 12 h ciemny / jasny. Szczury miały dostęp do standardowych granulek karmy (Altromin 1324, Lage, Niemcy, 4 g / 100 g tłuszcz (F), 52.5 g / 100 g węglowodanów (CH), 19 g / 100 g białka (P)) oprócz testuj pokarmy i wodę z kranu ad libitum przez cały czas trwania badania. Badane pokarmy o różnych proporcjach F (olej słonecznikowy, zakupiony w lokalnym supermarkecie) i CH (maltodekstryna, dekstryna 15 ze skrobi kukurydzianej, Fluka, Niemcy), zmieszane z 50% sproszkowanym STD zostały wykorzystane do porównania odpowiedniej aktywności w celu wywołania spożycia żywności . Sproszkowane STD dodano, aby zminimalizować wpływ tekstury i czucia na konsumpcję. Jako pokarm referencyjny dla wszystkich testów preferencji behawioralnych zastosowano mieszaninę 50% sproszkowanej STD, 17.5% F i 32.5% CH, która ma bardzo podobną kompozycję F / CH jako 50% chipsów ziemniaczanych w STD i została użyta jako model chipsów ziemniaczanych 50% w STD wcześniej13. Dodatkowo przetestowaliśmy żywność złożoną z 50% sproszkowanej STD z dodatkami następujących mieszanin F i CH (% F /% CH): 5 / 45, 10 / 40, 17.5 / 32.5, 25 / 25, 30 / 20, 35 / 15, 40 / 10, 45 / 5 i 50 / 0. Biorąc pod uwagę skład 50% STD, pokarm referencyjny w całości (% F /% CH) 20 / 59, pozostałe pokarmy testowe 7 / 71, 12 / 66, 20 / 59, 27 / 51, 32 / 46, 37 / 41, 42 / 36, 47 / 31 i 52 / 26. Zawartość wszystkich innych składników sproszkowanego białka STD (9%), błonnika (3%) lub minerałów (popiół, 3.5%) była stała we wszystkich testowanych pokarmach.
Pobór energii zależny od odpowiedniej badanej żywności obliczono przez pomnożenie przyjętej ilości badanej żywności z jej odpowiednią zawartością energii. Względny udział jednego badanego pokarmu w sumie spożywanego badanego pokarmu i odniesienie obliczono przez podzielenie ilości odpowiedniej badanej żywności przez całkowite spożycie badanej żywności i odniesienie.
Rejestrowanie danych behawioralnych dotyczących poboru energii i aktywności lokomocyjnej związanej z karmieniem
Dane behawioralne rejestrowano jak opisano wcześniej3. W skrócie, dzienne spożycie badanego pokarmu mierzono codziennie, a spożycie energii obliczano przez pomnożenie masy spożywanego pokarmu testowego z odpowiednią zawartością energii. Związaną z karmieniem aktywność lokomotoryczną określono ilościowo za pomocą zdjęć z kamery internetowej, które wykonywano co 10 sekund z klatki. Jedna liczba została zdefiniowana jako „jeden szczur wykazuje aktywność lokomotoryczną w pobliżu jednego dozownika żywności”. Do oceny statystycznej wykonano testy t-Studenta (dwustronne), stosując średnią wartość (pobór energii lub aktywność lokomotoryczną związaną z karmieniem) podczas dni 7 (TP lub MnP) na klatkę (n = klatki 4, razem ze szczurami 16 w każda grupa).
Rejestracja wzorca aktywności całego mózgu przez MEMRI
Samce szczurów Wistar (masa początkowa 261 ± 19 g, zakupione od Charles River, Sulzfeld, Niemcy) trzymane w cyklu 12 / 12 h ciemno / światło podzielono losowo na dwie grupy. Obie grupy miały swobodny dostęp do standardowych granulek chow (Altromin 1324, Altromin, Lage, Niemcy) przez cały okres badania.
Jedna grupa (n = 16, początkowa masa ciała 256 ± 21 g) otrzymała sproszkowaną STD (Altromin 1321), a druga grupa (n = 16, początkowa masa ciała 266 ± 16 g) otrzymała mieszaninę 35% F (olej słonecznikowy, zakupiony w lokalnym supermarkecie) oraz 65% CH (maltodekstryna, dekstryna 15 ze skrobi kukurydzianej, Fluka, Taufkirchen, Niemcy) dodatkowo do standardowych granulek chow. Niniejsze badanie przeprowadzono równolegle z wcześniej opublikowanym badaniem chipsów ziemniaczanych3, tak aby można było użyć tej samej grupy kontrolnej, co pozwoli na maksymalną porównywalność zestawów danych.
MEMRI (na MRI 4.7 T Bruker z zastosowaniem zoptymalizowanej zmodyfikowanej sekwencji równowagi równowagi Fouriera (MDEFT)) zastosowano do odwzorowania aktywacji mózgu z dokładną rozdzielczością 109 × 109 × 440 μm (szczegóły patrz Hoch i in. 20133). Ponieważ czułość MEMRI jest niższa w porównaniu z testami preferencji, testowane pokarmy były prezentowane przez dłuższy czas. Nagrania wymagają stosunkowo wysokich stężeń potencjalnie toksycznego manganu jako środka kontrastowego, który dociera do mózgu zaledwie kilka godzin po aplikacji. Aby uniknąć negatywnych skutków ubocznych na podstawową fizjologię i zachowanie zwierząt dzięki wstrzyknięciu roztworu chlorku manganu w dawkach wystarczających do pomiaru MEMRI, pompy osmotyczne służą do łagodnego, ale czasochłonnego ciągłego stosowania nietoksycznych ilości manganu , które gromadziły się w aktywowanych obszarach mózgu przez cały czas fazy testowania żywności 7-day28. Projekt badania, przygotowanie pomp osmotycznych, parametry do pomiarów MRI, przetwarzanie danych, a także rejestracja poboru pokarmu i aktywności lokomotorycznej związanej z karmieniem zostały opisane wcześniej3. Pierwotne wartości szarości MRI segmentowanego mózgu na zwierzę zarejestrowano w niesztywnym procesie rejestracji3. Na podstawie tych zarejestrowanych zestawów danych przeprowadzono analizę morfometryczną opartą na wokseli i wizualizowano otrzymane parametry statystyczne. Testy t-Studenta oparte na Z-Score przeprowadzono w celu wykrycia znaczących różnic w aktywacji mózgu. Dla wizualizacji 3D rozkładu znacząco różnie aktywowanych struktur mózgu, reprezentowaliśmy każdą strukturę mózgu jako kulę w środku ciężkości. Współrzędne pochodzą z cyfrowego atlasu mózgu 3D. Promień każdej kuli został użyty do zakodowania jej poziomu istotności, a intensywność zacienienia określa różnicę aktywności w STD.
Dodatkowe informacje
Jak przytoczyć ten artykuł: Hoch, T. i in. Stosunek tłuszcz / węglowodany, ale nie gęstość energii, określa spożycie przekąsek i aktywuje obszary nagradzania mózgu. Sci. Rozpustnik. 5, 10041; doi: 10.1038 / srep10041 (2015).
Referencje
- 1.
La Fleur, SE, Luijendijk, MCM, van der Zwaal, EM, Brans, MAD & Adan, RAH Szczur przekąskowy jako model ludzkiej otyłości: wpływ wysokotłuszczowej diety o wysokiej zawartości cukru na wybór posiłków. Int. J. Obes. 38, 643 – 649 (2014).
· 2.
Berthoud, H.-R. Ścieżki homeostatyczne i niehomeostatyczne zaangażowane w kontrolę przyjmowania pokarmu i bilansu energetycznego. Otyłość. 14 S8, 197S – 200S (2006).
· 3.
Hoch, T., Kreitz, S., Gaffling, S., Pischetsrieder, M. & Hess, A. Obrazowanie rezonansu magnetycznego z użyciem manganu do mapowania wzorców aktywności całego mózgu związanych z przyjmowaniem przekąsek u szczurów karmionych ad libitum. PLoS ONE. 8, e55354; 10.1371 / journal.pone.0055354 (2013).
· 4.
Volkow, ND & Wise, RA Jak uzależnienie od narkotyków może pomóc nam zrozumieć otyłość? Nat. Neurosci. 8, 555 – 560 (2005).
· 5.
Berthoud, H.-R. Napędy metaboliczne i hedoniczne w neuronalnej kontroli apetytu: kto jest szefem? Curr. Opin. Neurobiol. 21, 888 – 896 (2011).
· 6.
Gearhardt, AN, Grilo, CM, DiLeone, RJ, Brownell, KD & Potenza, MN Czy jedzenie może uzależniać? Wpływ na zdrowie publiczne i politykę. Nałóg. 106, 1208 – 1212 (2011).
· 7.
Hebebrand, J. i in. "Jedzenie nałogu", a nie "uzależnienie od jedzenia", lepiej oddaje uzależnienie od jedzenia. Neurosci. Biobehav. Obrót silnika. 47, 295 – 306 (2014).
· 8.
Epstein, DH i Shaham, Y. Szczury jedzące serniki i kwestia uzależnienia od żywności. Nat. Neurosci. 13, 529 – 531 (2010).
· 9.
DiLeone, RJ, Taylor, JR & Picciotto, MR Pęd do jedzenia: porównania i rozróżnienia między mechanizmami nagrody żywnościowej i uzależnienia od narkotyków. Nat. Neurosci. 15, 1330 – 1335 (2012).
· 10.
Kenny, PJ Typowe mechanizmy komórkowe i molekularne w otyłości i narkomanii. Nat. Wielebny Neurosci. 12, 638 – 651 (2011).
· 11.
Rolls, BJ & Bell, EA Spożycie tłuszczu i węglowodanów: rola gęstości energii. Eur. J. Clin. Nutr. 53 (Suppl 1), S166 – 173 (1999).
· 12.
Shafat, A., Murray, B. i Rumsey, D. Gęstość energii w hiperfagii wywołanej dietą w stołówce u szczura. Apetyt. 52, 34 – 38 (2009).
· 13.
Hoch, T., Pischetsrieder, M. & Hess, A. Spożycie przekąsek u szczurów karmionych ad libitum jest wywoływane przez połączenie tłuszczu i węglowodanów. Z przodu. Psychol. 5, 250; 10.3389 / fpsyg.2014.00250 (2014).
· 14.
Lin, YJ & Koretsky, AP Jon manganu wzmacnia MRI ważony T1 podczas aktywacji mózgu: podejście do bezpośredniego obrazowania funkcji mózgu. Magn. Rezon. Med. 38, 378 – 388 (1997).
· 15.
Koretsky, AP i Silva, AC Obrazowanie rezonansu magnetycznego wzmocnionego manganem (MEMRI). NMR Biomed. 17, 527 – 531 (2004).
· 16.
Berridge, KC Przyjemności mózgu. Brain Cogn. 52, 106 – 128 (2003).
· 17.
Haber, SN i Knutson, B. Układ nagrody: łączenie anatomii naczelnych z obrazowaniem człowieka. Neuropsychopharmacology 35, 4 – 26 (2010).
· 18.
Epping-Jordan, poseł, Markou, A. & Koob, GF Antagonista receptora dopaminowego D-1 SCH 23390 wstrzykiwany do jądra grzbietowo-bocznego łoża terminalnego terminala powoduje zmniejszone wzmocnienie kokainy u szczura. Brain Res. 784, 105 – 115 (1998).
· 19.
Martin-Fardon, R., Ciccocioppo, R., Aujla, H. & Weiss, F. Podpunkt grzbietowy pośredniczy w nabyciu warunkowego przywrócenia poszukiwania kokainy. Neuropsychopharmacology. 33, 1827 – 1834 (2008).
· 20.
Limpens, JHW, Damsteegt, R., Broekhoven, MH, Voorn, P. & Vanderschuren, LJMJ Inaktywacja farmakologiczna kory prelimbicznej emuluje kompulsywne poszukiwanie nagrody u szczurów. Brain Res.; 10.1016 / j.brainres.2014.10.045 (2014).
21.
Bellinger, LL & Bernardis, LL Jądro podwzgórza grzbietowo-przyśrodkowe i jego rola w zachowaniach związanych ze spożyciem i regulacją masy ciała: wnioski wyciągnięte z badań nad uszkodzeniem. Physiol. Behav. 76, 431 – 442 (2002).
· 22.
Stratford, TR i Wirtshafter, D. Iniekcje muscimolu do okołokomorowego jądra wzgórza, ale nie do jądra wzgórza śródokręgowego, wywołują karmienie u szczurów. Brain Res. 1490, 128 – 133 (2013).
· 23.
Harrold, JA, Dovey, TM, Blundell, JE & Halford, JCG Regulacja apetytu na CNS. Neuropharmacology 63, 3 – 17 (2012).
· 24.
Berthoud, H.-R. Neuralna kontrola apetytu: rozmowa między systemami homeostatycznymi i niehomeostatycznymi. Apetyt. 43, 315 – 317 (2004).
· 25.
Berridge, KC Nagroda żywnościowa: substraty mózgowe o chęci i sympatii. Neurosci. Biobehav. Obrót silnika. 20, 1 – 25 (1996).
· 26.
Voorhies, AC & Bernstein, IL Indukcja i ekspresja apetytu na sól: wpływ na ekspresję Fos w jądrze półleżącym. Behav. Brain Res. 172, 90 – 96 (2006).
· 27.
Beauchamp, GK & Bertino, M. Szczury (Rattus norvegicus) nie preferują solonego pokarmu stałego. J. Comp. Psychol. 99, 240 – 247 (1985).
· 28.
Eschenko, O. i in. Mapowanie funkcjonalnej aktywności mózgu u swobodnie zachowujących się szczurów podczas biegu dobrowolnego z zastosowaniem MRI wzmocnionego manganem: Implikacja dla badań podłużnych. Neuroimage 49, 2544 – 2555 (2010).
· 29.
Denbleyker, M., Nicklous, DM, Wagner, PJ, Ward, HG & Simansky, KJ Aktywacja receptorów opioidowych mu w bocznym jądrze przylegającym zwiększa ekspresję c-Fos w obszarach przodomózgowia związanych z regulacją kalorii, nagrodą i poznaniem. Neuroscience 162, 224 – 233 (2009).
· 30.
Hernandez, L. i Hoebel, BG Nagroda pokarmowa i kokaina zwiększają pozakomórkową dopaminę w jądrze półleżącym, jak zmierzono metodą mikrodializy. Life Sci. 42, 1705 – 1712 (1988).
· 31.
Zahm, DS i in. Fos po pojedynczym i wielokrotnym samopodawaniu kokainy i soli fizjologicznej u szczurów: nacisk na przodomózgowie podstawne i rekalibracja ekspresji. Neuropsychopharmacology 35, 445 – 463 (2010).
· 32.
Oliveira, LA, Gentil, CG & Covian, MR Rola obszaru przegrody w zachowaniu żywieniowym wywołana przez stymulację elektryczną bocznego podwzgórza szczura. Braz. J. Med. Biol. Res. 23, 49 – 58 (1990).
· 33.
Chase, MH Potwierdzenie konsensusu, że hamowanie postsynaptyczne glikinergiczne jest odpowiedzialne za atonię snu REM. sen. 31, 1487 – 1491 (2008).
· 34.
Sirieix, C., Gervasoni, D., Luppi, P.-H. & Léger, L. Rola bocznego jądra okołokomórkowego w sieci snu paradoksalnego (REM): badanie elektrofizjologiczne i anatomiczne u szczura. PLoS ONE. 7, e28724; 10.1371 / journal.pone.0028724 (2012).
· 35.
Trepel, M. Neuroanatomie. Struktur und Funktion 3rd ed. Urban & Fischer, München, 2003).
36.
Miller, AM, Miller, RB, Obermeyer, WH, Behan, M. & Benca, RM Pretectum pośredniczy w szybkim regulowaniu snu przez ruch oka. Behav. Neurosci. 113, 755 – 765 (1999).
· 37.
Léger, L. i in. Neurony dopaminergiczne wyrażające Fos podczas czuwania i paradoksalnego snu u szczura. J. Chem. Neuroanat. 39, 262 – 271 (2010).
37.
o
Podziękowania
Badanie jest częścią projektu Neurotrition, który jest wspierany przez inicjatywę FAU Emerging Fields Initiative. Ponadto dziękujemy Christine Meissner za korektę manuskryptu.
Autor informacji
przynależność
1. Zakład Chemii Żywności, Wydział Chemii i Farmacji, Emil Fischer Center, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Niemcy
o Tobias Hoch
o & Monika Pischetsrieder
2. Instytut Farmakologii Doświadczalnej i Klinicznej i Toksykologii, Emil Fischer Center, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Niemcy
o Silke Kreitz
o & Andreas Hess
3. Laboratorium rozpoznawania wzorów, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Niemcy
o Simone Gaffling
4. Szkoła Zaawansowanych Technologii Optycznych (SAOT), Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Niemcy
o Simone Gaffling
Wpłaty na siódmą tradycję
Pomyślano i zaprojektowano eksperymenty: THMPAH Przeprowadzono eksperymenty: THAH Analizowano dane: THSKSGAH Interpretowano dane THMPAH Dostarczono odczynniki / materiały / narzędzia analityczne: AHMP napisał artykuł: THMPAH
Konkurencyjnymi interesami
Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych.
Odpowiedni autor
Korespondencja do Monika Pischetsrieder.
;