Dana M. Small, Alexandra G. DiFeliceantonio
nauka 25 Jan 2019:
Vol. 363, Issue 6425, str. 346-347
DOI: 10.1126 / science.aav0556
Sygnały przekazujące informacje o wartościach odżywczych z jelit do mózgu regulują wzmacnianie żywności i wybór żywności (1-4). W szczególności, mimo że centralne obliczenia neuronalne dokonują wyboru, układ nerwowy jelita przekazuje do mózgu informacje o wynikach żywieniowych wyborów, aby można było zaktualizować reprezentację wartości pokarmowych. Tutaj omawiamy najnowsze odkrycia, które sugerują, że przetworzona żywność pogarsza wierność sygnalizacji jelitowo-mózgowej i wynikająca z tego reprezentacja wartości żywności (3, 4). Zrozumienie tej osi może informować o zachowaniu żywieniowym obejmującym przetworzoną żywność i otyłość.
W 1947 eksperymenty, w których karmiono gryzonie, były dietami izokalorycznymi, które różniły się objętością, i wykazały, że gryzonie dokładnie miareczkują objętość spożywanego pokarmu, aby utrzymać stałe spożycie kalorii w ciągu dni, co wskazuje, że „szczury jedzą na kalorie” (5). Oznaczało to, że musi zostać wygenerowany sygnał, aby przekazać mózgowi wartość energetyczną żywności, aby kierować spożyciem. Później inni potwierdzili, że te sygnały „po spożyciu” mogą się wzmacniać, pokazując, że zwierzęta są w stanie kształtować preferencje dla smaków spożywanych z kaloriami w porównaniu z tymi spożywanymi bez nich - forma uczenia się zwana kondycjonowaniem smakowo-odżywczym (FNC) (6). Co ważne, FNC występuje nawet przy braku jednoczesnej doustnej stymulacji sensorycznej, która izoluje sygnały po spożyciu jako kluczowe wzmocnienie (7). Na przykład zwierzęta, które nie mają mechanizmu neurobiologicznego do transdukcji słodkiego smaku, mimo to tworzą preferencje dla wody zawierającej sacharozę w porównaniu z samą wodą, a temu zachowaniu towarzyszy wzrost pozakomórkowej dopaminy w prążkowiu, regionie mózgu, który jest niezbędny do motywacji i uczenia się. Krytycznie jednak wlew środka antymetabolicznego 2-deoksyglukozy, który blokuje zdolność komórek do wykorzystania glukozy jako paliwa, osłabia pozakomórkową dopaminę i tworzenie preferencji (1). Sygnały te są raczej neuronalne niż hormonalne (to znaczy hormonalne), ponieważ wzrost pozakomórkowej dopaminy jest szybki po dożołądkowym wlewie glukozy (8). Ponadto, wlew glukozy, ale nie niezmetabolizowalnej glukozy w żyle wrotnej zwiększa dopaminę pozakomórkową (8). Podsumowując, sugeruje to, że u zwierząt bezwarunkowy bodziec napędzający wzmocnienie cukru (węglowodanów) jest sygnałem metabolicznym wytwarzanym, gdy komórki zużywają glukozę na paliwo; sygnał ten jest następnie wykrywany przez mechanizm w żyle wrotnej, a następnie przekazywany do mózgu w celu regulacji sygnalizacji dopaminy (patrz rysunek). Dokładna natura sygnału metabolicznego, jego czujnika i sposobu przekazywania go do mózgu jest nieznana.
Istnieją dowody, że podobny mechanizm działa u ludzi. Badania neuroobrazowe wykazały, że sygnały pokarmowe, które przewidują kalorie, aktywują prążkowie u ludzi i że wielkość tych reakcji jest regulowana przez sygnały metaboliczne (9). W szczególności wzrost glukozy w osoczu krwi po spożyciu napoju zawierającego węglowodany pozwala przewidzieć wielkość warunkowej odpowiedzi prążkowia na widok i smak napoju. Ponieważ glukoza musi być obecna jako paliwo, sugeruje to, że u ludzi, podobnie jak u zwierząt, wzmocnienie węglowodanów zależy od sygnału metabolicznego związanego z obecnością glukozy. Ponadto obserwacje u ludzi sugerują, że reprezentacja mózgowa sygnałów metabolicznych jest niezależna od świadomej percepcji, takiej jak podobieństwo do żywności. Te same reakcje prążkowia w stosunku do przewidywanego kalorii wskaźnika smaku, które były tak ściśle powiązane ze zmianami stężenia glukozy w osoczu, nie były związane z ocenianym upodobaniem napojów przez uczestników. Jest to zgodne z dodatkowymi badaniami neuroobrazowymi, które pokazują, że rzeczywista gęstość energii, a nie szacowana gęstość energii lub upodobanie do zdjęć żywności, przewiduje chęć płacenia za żywność i odpowiedzi obwodów nagrody prążkowia (3, 10). Obserwacje te sugerują, że neuronowa reprezentacja tych wzmacniających sygnałów żywieniowych jest niezależna od świadomego postrzegania żywności. Intrygującą możliwością jest to, że sygnały metaboliczne są ważnymi generatorami zachęty (w jaki sposób sygnały stają się znaczące motywacyjnie) i że różne ścieżki zainicjowane przez te sygnały mapują na obwody nerwowe, które nie chcą jeść, a które lubią żywność (11).
Lipidy są kolejnym ważnym źródłem energii, które jest metabolizowane inaczej niż węglowodany. W związku z tym droga, przez którą wartość energetyczna tłuszczu jest przekazywana do mózgu, jest różna. Blokowanie utleniania tłuszczu zwiększa apetyt na tłuszcz, a blokowanie utleniania glukozy zwiększa apetyt cukru. Jednak wagotomia (operacja rozerwania nerwu błędnego) u myszy zakłóca tylko zwiększony apetyt na tłuszcz, pozostawiając apetyt glukozy niezmieniony (12). Konsekwentnie, podobnie jak glukoza, bezpośrednia infuzja lipidów do jelita powoduje natychmiastowy wzrost pozakomórkowej dopaminy w prążkowiu. Dzieje się tak jednak poprzez mechanizm specyficzny dla receptora aktywowanego przez proliferatory peroksysomów α (PPARα) (2). PPARα ulega ekspresji w enterocytach dwunastnicy i jelita czczego w jelicie cienkim i sygnalizuje nerwowi błędnemu jak dotąd nieznane mechanizmy. Podobnie jak uwalnianie dopaminy z prążkowia przez glukozę, wzrost dopaminy jest szybki, co jest zgodne z sygnalizacją neuronalną, a nie hormonalną. Ponadto aktywacja tych neuronów czuciowych nerwu błędnego w górnym odcinku jelita, które przemieszczają się do prawego zwoju węzłowego, tylnej części mózgu, istoty czarnej i prążkowia grzbietowego, jest wystarczająca do wspierania uczenia się nagrody (preferencji miejsca) i uwalniania dopaminy z prążkowia u myszy (13). Nie wiadomo, czy ta droga istnieje u ludzi i czy badane są takie metaboliczne szlaki neuronalnych aferentnych (MNA) dla innych lipidów i składników odżywczych.
Odkrycie, że bezwarunkowy bodziec wspierający wzmacnianie żywności jest sygnałem MNA - co najmniej czasami niezależnym od przyjemności sensorycznej - jest zaskakujące. Jednak głębsza refleksja ujawnia elegancję tego rozwiązania. Wszystkie organizmy muszą zaopatrywać się w energię, aby przeżyć, a większości brakuje funkcji mózgu wyższego rzędu, które wspierają świadomość. Zatem mechanizm prawdopodobnie odzwierciedla konserwatywny system zaprojektowany w celu przekazywania właściwości odżywczych żywności do obwodów centralnych w mózgu, które regulują karmienie niezależnie od świadomości, tak że żywność jest tak samo wzmacniająca, jak jest użytecznym źródłem energii. Odpowiednio, wysokiej jakości transfer informacji żywieniowych z jelit do mózgu ma kluczowe znaczenie dla dokładnego oszacowania wartości.
Chociaż jasne jest, że nowoczesne środowisko żywnościowe sprzyja otyłości i cukrzycy, kontrowersje budzą precyzyjne mechanizmy, dzięki którym to się dzieje. Współczesna przetworzona żywność ma tendencję do bycia gęstą energetycznie, jest zaprojektowana tak, aby była tak nieodparta jak to tylko możliwe, i zapewnia składniki odżywcze w dawkach i kombinacjach, które nie były wcześniej spotykane. Ponieważ sygnały energetyczne napędzają wzmocnienie, zwiększone dawki mogą zwiększyć wzmacniający, a tym samym „uzależniający” potencjał przetworzonej żywności. Jednak nie mogą to być jedyne czynniki przyczyniające się do zwiększenia cukrzycy i otyłości.
Aby zwiększyć smakowitość, do żywności i napojów, które zawierają również odżywcze cukry i skrobie, często dodaje się nieodżywcze substancje słodzące (substancje bez zawartości kalorycznej). Na przykład napoje słodzone cukrem zawierają odżywcze cukry, glukozę i fruktozę, a także nieodżywcze słodziki, sukralozę i acesulfam K. Jogurty często zawierają odżywcze cukry i nieodżywcze substancje słodzące, takie jak ekstrakt z liści stewii. Krótka analiza etykiet żywności w sklepie spożywczym ujawni wiele przykładów żywności i napojów, które zawierają zarówno odżywcze cukry, jak i nieodżywcze substancje słodzące. Natomiast w żywności nieprzetworzonej słodkość jest proporcjonalna do zawartości cukru, a zatem zawartości kalorycznej (energetycznej) żywności. Najnowsze dane sugerują, że produkty zawierające kombinację odżywczych cukrów i nieodżywczych substancji słodzących dają zaskakujące efekty metaboliczne i wzmacniające. Na przykład spożywanie napoju kcal 115 wywoła większe efekty termogeniczne, jeśli słodkość zostanie „dopasowana” do obciążenia kalorycznego w porównaniu z tym, że jest zbyt słodka lub niewystarczająco słodka (4). Ponieważ indukowana dietą termogeneza (DIT) jest wskaźnikiem metabolizmu składników odżywczych i odpowiedzi metabolicznej napędza wzmocnienie poprzez MNA, niższy kaloryczny „dopasowany” napój może warunkować większą sympatię i odpowiedź prążkowia niż wysokokaloryczny „niedopasowany” napój (4). Co ważne, efekt ten występuje nawet wtedy, gdy wzrasta poziom glukozy w osoczu. Pokazuje to, że u ludzi, podobnie jak u zwierząt, to nie obecność składnika odżywczego w jelitach lub krwi napędza wzmocnienie, ale raczej generowanie MNA, gdy składnik odżywczy jest używany jako paliwo, które jest krytyczne. Mechanizm tego „niedopasowania” u ludzi jest nieznany i wymaga dalszych badań. W szczególności zrozumienie losu niezmetabolizowanej glukozy i określenie, czy istnieją implikacje dla cukrzycy i otyłości, jest krytycznym przyszłym kierunkiem. Jasne jest, że wartość energetyczna napojów, które zawierają odżywcze cukry i nieodżywcze substancje słodzące, nie jest dokładnie przekazywana do mózgu, przynajmniej w pewnych okolicznościach, a to może prowadzić do generowania niedokładnych sygnałów nie tylko w celu uregulowania nagrody, ale także procesy takie jak magazynowanie energii i podział składników odżywczych.
Wzmacnianie sygnałów metabolicznych do mózgu
W tym proponowanym modelu wzmacniania metabolicznych sygnałów neuronalnych aferentnych (MNA) sygnał dla tłuszczu zależy od aktywacji przez PPARα czuciowych neuronów aferentnych, które przemieszczają się do prawego zwoju węzłowego, tylnego mózgu, istoty czarnej i prążkowia grzbietowego. Sygnał dla węglowodanów jest generowany podczas utleniania glukozy i aktywuje nieznany czujnik żyły wrotnej, który wywołuje sygnał, który aktywuje neurony dopaminowe śródmózgowia wystające do prążkowia. Niezależna sieć korowa integruje sygnały MNA ze świadomością.
GRAFIKA: A. KITTERMAN /NAUKA
Drugi przykład upośledzonej wierności sygnalizacji jelitowo-mózgowej pochodzi z badania, w którym porównywano wartość wzmocnienia żywności zawierającej głównie tłuszcz, głównie węglowodany lub zarówno tłuszcz, jak i węglowodany (3). Pokarmy bogate zarówno w tłuszcze, jak i węglowodany nie są łatwo odnajdywane w żywności nieprzetworzonej, ale często są przedmiotem łaknienia żywności (na przykład czekolady i pączków). Badanie wykazało, że z wyboru równie kalorycznych i lubianych produktów żywnościowych ludzie chcieli żywności zawierającej więcej tłuszczu i węglowodanów niż te z samym tłuszczem lub węglowodanami, co znalazło odzwierciedlenie w supra-addytywnych reakcjach prążkowia (3). Może to przyczynić się do tego, że niektóre pokarmy będą pożądane lub bardziej nieodparte niż inne i dlatego będą odgrywać rolę w przejadaniu się.
Te nowe odkrycia wskazują na dwa oddzielne systemy napędzające wybór żywności. Jeden system bezpośrednio odzwierciedla wartość odżywczą żywności i opiera się na sygnałach metabolicznych docierających do mózgu (MNA). Ten system wykrywania składników odżywczych wydaje się odgrywać kluczową rolę w regulacji dopaminy w prążkowiu, określając wartość pokarmu i kierując wyborem żywności. W drugim systemie świadome postrzeganie, takie jak smak i przekonania o zawartości kalorii, kosztach i zdrowiu żywności, są również ważnymi wyznacznikami wyboru żywności (14, 15). Wydaje się, że obliczenia neuronalne związane ze świadomymi uczestnikami wartości różnią się od tych związanych z sygnałami wzmacniającymi wartości odżywcze MNA i zależą od obwodów w korze przedczołowej i korze wyspowej (9). Ważnym tematem badań jest określenie, w jaki sposób te dwa systemy współdziałają ze sobą, regulując zachowania pokarmowe i metabolizm składników odżywczych.
Istnieją dowody, że zawartość odżywcza przetworzonej żywności nie jest dokładnie przekazywana do mózgu. Rodzi to możliwość, że sposób przygotowywania i przetwarzania żywności, poza ich gęstością energetyczną lub smakowitością, wpływa na fizjologię w nieprzewidziany sposób, który może sprzyjać przejadaniu się i zaburzeniom metabolicznym. Kluczowe znaczenie ma lepsze zrozumienie, w jaki sposób właściwości przetworzonej żywności wchodzą w interakcję ze ścieżką jelitowo-mózgową, a także określenie, czy takie efekty wpływają na sygnalizację sytości, uzależniające właściwości żywności, zdrowie metaboliczne i otyłość. Ponadto, chociaż koncentrujemy się na tłuszczach i węglowodanach, prawdopodobnie istnieje wiele ścieżek sygnałowych do przekazywania szeregu informacji odżywczych do mózgu w celu ukierunkowania wyboru żywności - a przetworzone produkty spożywcze mogą mieć podobny wpływ na te szlaki.
http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse
To jest artykuł rozpowszechniany zgodnie z warunkami Licencja domyślna czasopism naukowych.
Odniesienia i uwagi
- ↵
- LA Tellez i in
., J. Physiol. 591, 5727 (2013).
- ↵
- LA Tellez i in
., Science 341, 800 (2013).
Streszczenie / BEZPŁATNY pełny tekstGoogle Scholar
- ↵
- AG DiFeliceantonio i in
., Cell Metab. 28, 33 (2018).
- ↵
- MG Veldhuizen i in
., Curr. Biol. 27, 2476 (2017).
- ↵
- EF Adolph
, Am. J. Physiol. 151, 110 (1947).
- ↵
- GL Holman
, J. Comp. Physiol. Psychol. 69, 432 (1969).
CrossRefPubMedSieć naukiGoogle Scholar
- ↵
- X. Ren i in
., J. Neurosci. 30, 8012 (2010).
Streszczenie / BEZPŁATNY pełny tekstGoogle Scholar
- ↵
- L. Zhang i in
., Z przodu. Integracja. Nuerosci. 12, 57 (2018).
- ↵
- IE de Araujo i in
., Curr. Biol. 23, 878 (2013).
- ↵
- DW Tang i in
., Psychol. Sci. 25, 2168 (2014).
- ↵
- KC Berridge
, Neurosci. Biobehav. Rev. 20, 1 (1996).
CrossRefPubMedSieć naukiGoogle Scholar
- ↵
- S. Ritter,
- JS Taylor
, Jestem. J. Physiol. 258, R1395 (1990).
- ↵
- W. Han i in
., Cell 175, 665 (2018).
- ↵
- TA Hare et al
., Science 324, 646 (2009).
Streszczenie / BEZPŁATNY pełny tekstGoogle Scholar
- ↵
- H. Plassmann i in
., J. Neurosci. 30, 10799 (2010).
Streszczenie / BEZPŁATNY pełny tekstGoogle Scholar
Podziękowanie: Dziękujemy I. de Araujo, A. Dagher, S. La Fleur, S. Luquet, M. Schatzker i M. Tittgemeyer za pomoc w kształtowaniu naszej perspektywy. Uznajemy B. Milnera za jej pionierską pracę nad ukrytym uczeniem się.
;
