Relacja nagrody z przyjmowania pokarmu i przewidywanego przyjmowania pokarmu do otyłości: badanie czynnościowego rezonansu magnetycznego (2008)

Abstrakcyjny

Otyłość jest przewlekłą chorobą, której przypisuje się ponad 100 zgonów rocznie w USA, które w dużej mierze wynikają z miażdżycy naczyń mózgowych, choroby niedokrwiennej serca, raka jelita grubego, hiperlipidemii, nadciśnienia, choroby pęcherzyka żółciowego i cukrzycy (Flegal, Graubard, Williamson i Gail, 2005). Niestety leczenie z wyboru w przypadku otyłości powoduje jedynie przejściową utratę masy ciała (Jeffery i in., 2000) i większość programów zapobiegania otyłości nie zmniejsza ryzyka przyszłego przyrostu masy ciała (Stice, Shaw i Marti, 2006). Te interwencje mogą mieć ograniczoną skuteczność, ponieważ nasze rozumienie procesów etiologicznych jest wciąż niepełne. Chociaż ustalono, że otyłość jest wynikiem dodatniego bilansu energetycznego, nie jest jasne, dlaczego niektórym osobom tak trudno jest zrównoważyć spożycie kalorii z wydatkami.

Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że u niektórych osób występują nieprawidłowości w subiektywnej nagrodzie z pożywienia lub spodziewanego spożycia, które zwiększają ryzyko otyłości. Niektórzy uczeni wysuwają hipotezę, że osoby otyłe doświadczają większej aktywacji układu nagrody mezo-limbicznej w odpowiedzi na spożycie pokarmu (nagroda konsumpcyjna), co może zwiększać ryzyko przejadania się (Davis, Strachan i Berkson, 2004; Dawe i Loxton, 2004). Jest to podobne do modelu nadwrażliwości wzmacniającej nadużywanie substancji, który zakłada, że ​​niektóre osoby wykazują większą reaktywność obwodów nagradzania na leki psychoaktywne (Dawe i Loxton, 2004). Natomiast inni wysuwają hipotezę, że osoby otyłe doświadczają mniejszej aktywacji układu nagrody mezo-limbicznej w odpowiedzi na przyjmowanie pokarmu, co prowadzi do przejadania się w celu zrekompensowania tego niedoboru (Comings & Blum, 2000; Wang, Volkow i Fowler, 2002). Jest to podobne do tezy o syndromie niedoboru nagrody, która sugeruje, że ludzie zwracają się do spożywania alkoholu i narkotyków w celu stymulowania powolnego obwodów nagrody (Comings & Blum, 2000). Trzecią hipotezą jest to, że większa przewidywana nagroda z pożywienia (przewidywalna nagroda za żywność) zwiększa ryzyko przejadania się (Pelchat, Johnson, Chan, Valdez i Ragland, 2004; Roefs, Herman, MacLeod, Smulders i Jansen, 2005).

Dwie linie dowodów sugerują, że użyteczne może być koncepcyjne rozróżnienie między konsumpcyjną nagrodą żywieniową a przewidywalną nagrodą żywieniową. Po pierwsze, badania na zwierzętach sugerują, że wartość nagrody za jedzenie zmienia się z konsumpcji żywności na przewidywane spożycie żywności po kondycjonowaniu, przy czym wskazówki związane ze spożywaniem żywności zaczynają wywoływać przewidywalną nagrodę za żywność. Naiwne małpy, które nie doświadczyły nagród w otoczeniu, wykazały aktywację mezotelencefalowych neuronów dopaminowych tylko w odpowiedzi na smak jedzenia; jednak po uwarunkowaniu aktywność dopaminergiczna zaczęła wyprzedzać dostarczanie nagrody i ostatecznie maksymalna aktywność została wywołana przez warunkowane bodźce, które przewidywały zbliżającą się nagrodę, a nie przez faktyczny odbiór pokarmu (Schultz, Apicella i Ljungberg, 1993; Schultz i Romo, 1990). Kiyatkin and Gratton (1994) odkrył, że największa aktywacja dopaminergiczna nastąpiła w sposób przewidujący, gdy szczury zbliżyły się i nacisnęły pasek, który wytwarzał nagrodę za jedzenie, a aktywacja faktycznie zmniejszała się, gdy szczur przyjmował i zjadał pokarm. W rzeczy samej, Blackburn, Phillips, Jakubovic i Fibiger (1989) stwierdzono, że aktywność dopaminy była większa w jądrze półleżącym szczurów po prezentacji warunkowego bodźca, który zwykle sygnalizował przyjmowanie pokarmu, niż po dostarczeniu nieoczekiwanego posiłku. Po drugie, jak ciężcy uczestnicy pracują, aby zarobić przekąski w operanckim zadaniu (które później mogą spożywać), jest silniejszym predyktorem ad lib spożycie kalorii niż oceny przyjemności smaków przekąsek (Epstein, Temple i in., 2007; Epstein i in., 2004a). Dane te również wydają się sugerować, że oczekiwana nagroda za spożycie żywności jest silniejszym wyznacznikiem spożycia kalorii niż nagroda uzyskana podczas rzeczywistego spożycia żywności. Łącznie dane te sugerują, że przydatne może być rozróżnienie między konsumpcyjną nagrodą żywieniową a przewidywalną nagrodą żywieniową podczas badania potencjalnych czynników ryzyka otyłości.

W badaniach obrazowania mózgu zidentyfikowano regiony, które wydają się kodować konsumpcyjną nagrodę żywnościową u osób o normalnej wadze. Spożycie smacznych potraw w stosunku do spożywania niesmacznych potraw lub potraw bez smaku powoduje większą aktywację kory oczodołowo-czołowej (OFC) i opuszki czołowej / wysepki, a także większe uwalnianie dopaminy w prążkowiu grzbietowym (O'Doherty, Deichmann, Critchley i Dolan, 2002; Small, Jones-Gotman i Dagher, 2003; Volkow i wsp., 2003). Inne badania obrazowania mózgu zidentyfikowały regiony, które wydają się kodować oczekiwaną nagrodę pokarmową u ludzi o normalnej wadze. Przewidywany odbiór smacznego jedzenia, w przeciwieństwie do przewidywanego otrzymania niesmacznego pokarmu lub bezsmakowego jedzenia, powoduje większą aktywację w OFC, ciele migdałowatym, zakręcie zakrętu obręczy, prążkowiu (jądrze ogoniastym i skorupie), brzusznym obszarze nakrywkowym, śródmózgowiu, zakręcie przyhipokampowym i wrzecionowatym zakręt (O'Doherty i wsp., 2002; Pelchat i in., 2004). Badania te sugerują, że nieco odmienne regiony mózgu biorą udział w oczekiwanej i uzupełniającej nagrodzie pokarmowej, ale istnieje pewne nakładanie się (OFC i prążkowie). Do tej pory tylko dwa badania bezpośrednio porównywały aktywację w odpowiedzi na oczekiwaną i uzupełniającą nagrodę żywnościową w celu wyizolowania regionów, które wykazują większą aktywację w odpowiedzi na jedną fazę nagrody żywnościowej w porównaniu z drugą. Przewidywanie przyjemnego smaku, w przeciwieństwie do rzeczywistego smaku, spowodowało większą aktywację dopaminergicznego śródmózgowia, jądra półleżącego i tylnego prawego ciała migdałowatego (O'Doherty i wsp., 2002). Inne badanie wykazało, że przewidywanie przyjemnego napoju spowodowało większą aktywację ciała migdałowatego i wzgórza śródocznego, podczas gdy otrzymanie napoju spowodowało większą aktywację w lewej wyspie / operculum (Small et al, 2008). Te dwa badania sugerują, że ciało migdałowate, śródmózgowie, jądro półleżące i wzgórze śródoczowe są bardziej wrażliwe na przewidywane spożycie niż spożycie pokarmu, podczas gdy czołowa operacja / wyspa jest bardziej wrażliwa na konsumpcję niż przewidywane spożycie żywności. Tak więc dostępne dowody wydają się sugerować, że odrębne regiony mózgu są zaangażowane w kodowanie nagród żywieniowych poprzedzających i uzupełniających, chociaż konieczne będą dalsze badania, zanim możliwe będą jednoznaczne wnioski.

Pewne odkrycia wydają się być zgodne z tezą, że osoby otyłe doświadczają większej nagrody żywnościowej, chociaż nie jest jasne, czy wyniki odzwierciedlają zaburzenia w konsumującej w porównaniu do przewidywanej nagrody żywnościowej. Otyli w stosunku do szczupłych osobników przypominają, że pokarmy o wysokiej zawartości tłuszczu i cukru są przyjemniejsze w smakowaniu i donoszą, że jedzenie jest bardziej wzmacniające (Rissanen i in., 2002; Saelens & Epstein, 1996; Westenhoefer & Pudel, 1993). Dzieci zagrożone otyłością ze względu na wskaźnik otyłości rodzicielskiej smakują wysokotłuszczowej żywności jako bardziej przyjemne i wykazują bardziej chciwy styl karmienia niż dzieci szczupłych rodziców (Stunkard, Berkowitz, Stallings i Schoeller, 1999; Wardle, Guthrie, Sanderson, Birch i Plomin, 2001). Otyłe dzieci częściej jedzą bez głodu (Fisher & Birch, 2002) i ciężej pracować nad jedzeniem niż chude dzieci (Temple i in., W druku). Zgłaszane przez siebie zachcianki żywieniowe korelowały dodatnio z masą ciała i obiektywnie mierzonym spożyciem kalorii (Delahanty, Meigs, Hayden, Williamson i Nathan, 2002; Forman i in., 2007; Franken & Muris, 2005; Nederkoorn, Smulders i Jansen, 2000). Otyli dorośli informują o silniejszym pragnieniu wysokotłuszczowych, wysokosłodzonych pokarmów (Drewnowski, Kurth, Holden-Wiltse i Saari, 1992; White, Whisenhunt, Williamson, Greenway i Netemeyer, 2002) i pracuj na więcej jedzenia niż szczupli dorośli (Epstein i in., 2007; Saelens & Epstein, 1996). Chorobliwie otyłe w stosunku do szczupłych osobników wykazywało większą spoczynkową aktywność metaboliczną w jamie ustnej somatosensorycznej, regionie związanym z czuciem w ustach, wargach i języku (Wang, Volkow, Felder i in., 2002), co może sprawić, że ten pierwszy będzie bardziej wrażliwy na satysfakcjonujące właściwości przyjmowania pokarmu i zwiększy ryzyko przejadania się.

Do tej pory niewiele badań obrazowania mózgu porównywało aktywację mózgu w odpowiedzi na prezentację na zdjęciu żywności lub rzeczywistego pożywienia wśród otyłych szczupłych osobników wersetu. Jedno z badań wykazało zwiększoną aktywację w prawej korze ciemieniowej i skroniowej po ekspozycji na obrazowane jedzenie u otyłych, ale nie szczupłych kobiet i że ta aktywacja korelowała dodatnio z ocenami głodu (Karhunen, Lappalainen, Vanninen, Kuikka i Uusitupa, 1997). Rothemund i współpracownicy (2007) stwierdzili większą odpowiedź prążkowia grzbietowego na zdjęcia wysokokalorycznych pokarmów u otyłych dorosłych szczupłych i że masa ciała korelowała dodatnio z odpowiedzią w wyspie, klaustrum, obręczy, korze somatosensorycznej i bocznym OFC. Stoeckel i współpracownicy (2008) stwierdzono większą aktywację w przyśrodkowej i bocznej części OFC, ciele migdałowatym, prążkowiu brzusznym, przyśrodkowej korze przedczołowej, wyspie, korze przedniej zakrętu obręczy, brzusznej części bladej, ogoniastym i hipokampie odpowiedź na obrazy wysokokalorycznej żywności (w porównaniu z niskokaloryczną żywnością) dla otyłych krewnych odchudzać jednostki. Jednak aktywacja OFC i zakrętu obręczy w odpowiedzi na oglądanie zdjęć smacznych pokarmów korelowała ujemnie z BMI u kobiet o normalnej wadze (Killgore i Yargelun-Todd, 2005). Del Parigi i in. (2004) stwierdzili, że grzbietowa wyspa i tylny hipokamp pozostają nienormalnie wrażliwe na spożycie pokarmu u wcześniej otyłych w porównaniu z osobami szczupłymi, co prowadzi do wniosku, że te nieprawidłowe odpowiedzi mogą zwiększać ryzyko otyłości.

Inne wyniki są bardziej zgodne z poglądem, że osoby otyłe mogą doświadczać mniejszej nagrody żywnościowej. Wang i in. (2001) stwierdzili, że receptory D2 są zredukowane w prążkowiu u chorobliwie otyłych osobników proporcjonalnie do ich masy ciała, co sugeruje, że wykazują one zmniejszone wiązanie receptora dopaminowego w układzie mezo-limbicznym. Chociaż nie ustalono jeszcze, czy osoby otyłe wykazują zmniejszoną gęstość receptora D2 w stosunku do osób szczupłych, otyłe szczury mają niższy podstawowy poziom dopaminy i zmniejszoną ekspresję receptora D2 niż szczupłe szczury (Fetissov, Meguid, Sato i Zhang, 2002; Hamdi, Porter i Prasad, 1992; Orosco, Rouch i Nicolaidis, 1996), ale otyłe szczury wykazują bardziej fazowe uwalnianie dopaminy podczas karmienia niż szczupłe szczury (Yang i Meguid (1995). Ponadto szczupli i otyli dorośli z allelem TaqI A1, który jest związany ze zmniejszonymi receptorami D2 i słabszymi sygnałami dopaminy, pracują więcej, aby zarobić na jedzenie w paradygmatach operantowych (Epstein i in., 2004b, 2007). Wyniki te potwierdzają, że uzależniające zachowania, takie jak nadużywanie alkoholu, nikotyny, marihuany, kokainy i heroiny, są związane ze zmniejszoną gęstością receptora D2 i zmniejszoną wrażliwością obwodów mezolimbicznych na nagrodę (Comings & Blum, 2000; Martinez i wsp., 2005). Wang, Volkow i Fowler (2002) twierdzą, że niedobory receptorów D2 mogą predysponować osoby do stosowania leków psychoaktywnych lub przejadać się, aby zwiększyć powolny system dopaminy. Jednak możliwe jest, że przejadanie się wysokotłuszczowym i wysokosłodzonym pokarmem prowadzi do zmniejszenia liczby receptorów D2 (Davis i wsp., 2004), równoległa odpowiedź neuronalna na przewlekłe stosowanie leków psychoaktywnych (Volkow, Fowler i Wang, 2002). Rzeczywiście, badania na zwierzętach sugerują, że powtarzające się przyjmowanie pokarmów słodkich i tłustych powoduje zmniejszenie receptorów D2 i zmniejszenie czułości D2 (Bello, Lucas i Hajnal, 2002; Kelley, Will, Steininger, Xhang i Haber, 2003); zmiany zachodzące w odpowiedzi na nadużywanie substancji.

Podsumowując, pojawiają się dowody, że osoby otyłe mogą wykazywać ogólne nieprawidłowości w nagradzaniu pokarmem w stosunku do osób szczupłych. W szczególności osoby otyłe w stosunku do osób szczupłych zgłaszają większe pragnienie pokarmów wysokotłuszczowych / wysokosłodzonych, uznają jedzenie za bardziej wzmacniające, wykazują większą aktywację spoczynkową kory somatosensorycznej i wykazują większą reaktywność kory smakowej na przyjmowanie pokarmu i prezentację żywności lub na zdjęciu jedzenie. Istnieją jednak również dowody na to, że osoby otyłe wykazują niedoczynność prążkowia, co może skłonić je do przejadania się w celu zwiększenia powolnej sieci nagród lub może być wynikiem regulacji w dół receptora. Jednym z czynników, który mógł przyczynić się do mieszanych ustaleń, jest to, że wiele badań wykorzystywało miary samoopisowe, co może być mylące, ponieważ ci, którzy walczą z przejadaniem się, mogą zakładać, że jedzenie jest dla nich bardziej satysfakcjonujące, co wpływa na to, w jaki sposób uzupełnią skalę. Co więcej, skala samooceny prawdopodobnie przewiduje oczekiwaną nagrodę z przyjmowania pokarmu lub pamięć nagrody z przyjmowania pokarmu, a nie nagrodę doświadczaną podczas konsumpcji żywności, ponieważ badania nie mierzyły postrzeganej nagrody podczas przyjmowania pokarmu. Ponadto ustalenia z raportów własnych i środków behawioralnych są podatne na uprzedzenia dotyczące pożądalności społecznej. Ponadto niewiele badań dotyczyło spożycia żywności lub ekspozycji na prawdziwą żywność, co może ograniczyć ekologiczną trafność wyników. Być może najważniejsze, poprzednie badania nie wykorzystywały paradygmatów specjalnie zaprojektowanych do oceny indywidualnych różnic w konsumpcyjnej i przewidywalnej nagrodzie żywnościowej podczas porównywania osób otyłych z chudymi. Dlatego uważamy, że użyteczne może być zastosowanie paradygmatów obrazowania obiektywnego mózgu, które bezpośrednio mierzą aktywację obwodów nagrody w odpowiedzi na przyjmowanie pokarmu i przewidywane spożycie żywności. Według naszej wiedzy, badania nie wykorzystały obrazowania mózgu do sprawdzenia, czy osoby otyłe wykazują zróżnicowaną aktywację obwodów nagradzających żywność podczas konsumpcji żywności lub przewidywanej konsumpcji w stosunku do osób szczupłych.

Niniejsze badanie miało na celu pełniejsze scharakteryzowanie charakteru indywidualnych różnic w odpowiedzi neuronalnej na żywność przy użyciu metodologii obiektywnego obrazowania mózgu, z nadzieją, że lepsze zrozumienie substratów neurologicznych, które zwiększają ryzyko otyłości, przyspieszy modele etiologiczne i opracowanie skuteczniejszych metod zapobiegawczych i interwencje terapeutyczne. Rozszerzyliśmy wcześniejsze odkrycia, badając aktywację w odpowiedzi na otrzymany mleczny koktajl czekoladowy w porównaniu z rozwiązaniem bez smaku (konsumująca nagroda za żywność) oraz w odpowiedzi na sygnały sygnalizujące zbliżającą się dostawę czekoladowego koktajlu mlecznego w porównaniu z rozwiązaniem bez smaku (oczekiwana nagroda za żywność) wśród osób otyłych i szczupłych. Postawiliśmy hipotezę, że otyłość w stosunku do szczupłych osobników wykazuje większą aktywację w korze smakowej i korze somatosensorycznej oraz mniejszą aktywację w prążkowiu, w odpowiedzi na oczekiwanie i spożycie koktajlu mlecznego. Postawiliśmy także hipotezę, że masa ciała uczestników wykazywałaby liniowe zależności od aktywacji w tych obszarach mózgu. Badaliśmy młodzież, ponieważ chcieliśmy zmniejszyć ryzyko, że długa historia otyłości może doprowadzić do obniżenia receptorów wtórnie do chronicznie bogatej diety. Badaliśmy kobiety, ponieważ głównym celem tego badania było sprawdzenie, czy nieprawidłowości w nagradzaniu pokarmem korelują z patologią bulimiczną, która jest rzadka u mężczyzn.

Metoda wykonania

Środki

Masa ciała

Wskaźnik masy ciała (BMI = kg / m²) został użyty do odzwierciedlenia otłuszczenia (Dietz i Robinson, 1998). Po usunięciu butów i płaszczy mierzono wysokość z dokładnością do milimetra przy użyciu stadiometru, a masę oceniano do najbliższego 0.1 kg przy użyciu skali cyfrowej. Uzyskano i uśredniono dwie miary wysokości i wagi. BMI koreluje z bezpośrednimi pomiarami całkowitej tkanki tłuszczowej, takimi jak absorpcjometria rentgenowska o podwójnej energii (r = .80 do .90) oraz ze środkami zdrowotnymi, w tym ciśnieniem krwi, niekorzystnymi profilami lipoprotein, zmianami miażdżycowymi, poziomem insuliny w surowicy i cukrzycą w próbkach młodzieży (Dietz i Robinson, 1998). Na konwencję (Barlow i Dietz, 1998), otyłość została zdefiniowana przy użyciu 95^th percentyle BMI dla wieku i płci, w oparciu o historyczne dane reprezentatywne dla kraju, ponieważ ta definicja ściśle odpowiada punktowi odcięcia BMI, który jest związany ze zwiększonym ryzykiem problemów zdrowotnych związanych z wagą (Cole, Bellizzi, Flegal i Dietz, 2000). Młodzież z wynikami BMI poniżej 50^th percentyl z zastosowaniem tych norm historycznych zdefiniowano jako chudy. Wśród uczestników 33, którzy dostarczyli użyteczne dane fMRI, 7 sklasyfikowano jako otyłych, 11 sklasyfikowano jako szczupłe, a pozostali uczestnicy 15 wpadli między te dwie skrajności.

paradygmat fMRI

Uczestnicy zostali poproszeni o spożywanie regularnych posiłków, ale o powstrzymanie się od jedzenia lub picia (w tym napojów zawierających kofeinę) dla godzin 4 – 6 bezpośrednio poprzedzających sesję obrazowania dla celów standaryzacji. Wybraliśmy ten okres deprywacji, aby uchwycić stan głodu, który odczuwa większość osób, gdy zbliżają się do następnego posiłku, co jest czasem, w którym indywidualne różnice w nagrodach za żywność logicznie wpływają na spożycie kalorii. Większość uczestników zakończyła paradygmat między 16: 00 i 18: 00, ale podzbiór ukończył skanowanie między 11: 00 i 13: 00. Przed sesją obrazowania uczestnicy zapoznali się z paradygmatem fMRI poprzez praktykę na oddzielnym komputerze.

Paradygmat milkshake został zaprojektowany w celu zbadania konsumpcyjnej i przewidywalnej nagrody żywnościowej. Bodźce były prezentowane w oddzielnych skanach 4. Bodźce składały się z czarnych kształtów 3 (diament, kwadrat, koło), które wskazywały na dostarczenie mlecznego czekoladowego koktajlu 0.5 (miarki 4 lodów waniliowych Haagen-Daz, kubków 1.5 mleka 2% i łyżek 2 czekolady Hershey syrop), rozwiązanie bez smaku lub brak rozwiązania. Chociaż parowanie bodźców z bodźcami i czas trwania prezentacji bodźca było losowo określane wśród uczestników, nie losowaliśmy kolejności prezentacji pomiędzy uczestnikami. Bezsmakowe rozwiązanie, które miało naśladować naturalny smak śliny, składało się z 25 mM KCl i 2.5 mM NaHCO₃ (O'Doherty i wsp., 2001). Użyliśmy sztucznej śliny, ponieważ woda ma smak, który aktywuje korę smakową (Zald i Pardo, 2000). W 50% prób z czekoladą i roztworami bez smaku smak nie został dostarczony zgodnie z oczekiwaniami, co pozwoliło na zbadanie reakcji nerwowej na oczekiwanie smaku, który nie był mylony z faktycznym przyjęciem smaku (próby niesparowane) (Rysunek 1). W paradygmacie było sześć interesujących wydarzeń: (1) czekoladowy koktajl mleczny, po którym nastąpił smak mlecznego koktajlu (sparowany koktajl mleczny), (2) odbiór mlecznego smaku (dostawa mlecznego koktajlu), (3) czekoladowy koktajl mleczny, po którym nie ma smaku mlecznego ( niesparowana wskazówka milkshake), (4) wskazówka bez smaku, po której następuje rozwiązanie bez smaku (sparowana bezsmakowa wskazówka), (5) odbiór rozwiązania bez smaku (dostarczanie bez smaku) i (6) wskazówka bez smaku, po której nie ma rozwiązania bez smaku (niesparowana wskazówka bez smaku) . Obrazy zostały przedstawione dla sekund 5 – 12 (M = 7) przy użyciu MATLAB uruchomionego z Windows. Dostarczono smak 4 do 11 sekund (M = 7) po rozpoczęciu cue. W rezultacie każde zdarzenie trwało między 4 – 12 sekundami. Każdy bieg składał się ze zdarzeń 16. Smaki były dostarczane za pomocą dwóch programowalnych pomp strzykawkowych (Braintree Scientific BS-8000) kontrolowanych przez MATLAB w celu zapewnienia stałej objętości, szybkości i czasu dostarczania smaku. Sześćdziesiąt ml strzykawek wypełnionych czekoladowym koktajlem mlecznym i bez smaku roztworu połączono przewodem Tygon przez falowód do kolektora przymocowanego do cewki głowicy klatki w skanerze MRI. Różnorodność pasowała do ust uczestników i dostarczała smaku do spójnego segmentu języka. Ta procedura została z powodzeniem zastosowana w przeszłości do dostarczania cieczy do skanera i została szczegółowo opisana w innym miejscu (np. Veldhuizen, Bender, Constable i Small, 2007). Sygnał smakowy pozostał na ekranie dla 8.5 sekund po dostarczeniu smaku, a uczestnicy zostali poinstruowani, aby połykać, gdy kształt zniknął. Następna cue pojawiła się 1 do 5 sekund po tym, jak poprzednia cue wyłączyła się. Obrazy były prezentowane za pomocą cyfrowego projektora / systemu wyświetlania z odwróconym ekranem na ekranie na tylnym końcu otworu skanera MRI i były widoczne przez lustro zamontowane na cewce głowicy.

 

Rysunek 1

Przykład czasu i kolejności prezentacji zdjęć i napojów podczas biegu.

Pięć linii dowodów z trwającego badania fMRI, w którym zastosowano ten model z dorastającymi dziewczynami (N = 46) sugerują, że jest to ważna miara indywidualnych różnic w oczekiwanej i konsumpcyjnej nagrodzie żywnościowej. Po pierwsze, uczestnicy ocenili koktajl mleczny jako znacząco (t = 9.79, df = 45, r = .68, p <.0001) przyjemniejsze niż bezsmakowe rozwiązanie według wizualnej skali analogowej, co potwierdza, że ​​koktajl mleczny był bardziej satysfakcjonujący dla uczestników niż rozwiązanie pozbawione smaku. Po drugie, oceny przyjemności koktajlu mlecznego korelowały z aktywacją w przedniej części wyspy (r = .70) w odpowiedzi na sygnały mleczne i aktywację zakrętu przyhipokampowego w odpowiedzi na odbiór koktajlu mlecznego (r = .72). Po trzecie, aktywacja w regionach reprezentujących oczekiwaną i konsumującą nagrodę żywnościową (LaBar i in., 2001; O'Doherty i wsp., 2002; Small et al., 2001) w odpowiedzi na oczekiwanie i otrzymanie koktajlu mlecznego w tym paradygmacie fMRI skorelowanym (r = .84 na .91) z samozadowoleniem i zachciankami dla różnych produktów spożywczych, zgodnie z oceną za pomocą dostosowanej wersji Inwentarza Pragnień Żywności (White i in., 2002).¹ Po czwarte, aktywacja w odpowiedzi na oczekiwaną i uzupełniającą nagrodę pokarmową w tym paradygmacie fMRI koreluje (r = .82 na .95) z tym, jak ciężko pracują uczestnicy przy jedzeniu i ile pokarmu pracują w operacyjnym zadaniu behawioralnym, które ocenia indywidualne różnice we wzmacnianiu żywności (Saelens & Epstein, 1996). Po piąte, uczestnicy, którzy wykazują stosunkowo większą aktywację w odpowiedzi na przewidywalną i uzupełniającą nagrodę pokarmową w tym paradygmacie fMRI, wykazali się znacząco (p <05) większy przyrost masy ciała w ciągu 1 roku obserwacji niż uczestnicy, którzy wykazują mniejszą aktywację w tym paradygmacie (r = .54 na .65). Łącznie, odkrycia te dostarczają dowodów na zasadność tego paradygmatu nagrody żywności fMRI.

Efekt

Test na to, czy otyli uczestnicy wykazali różnice w oczekiwanej nagrodzie żywnościowej w stosunku do uczestników szczupłych (wskazówka koktajlu mlecznego a brak smaku)

Przeprowadziliśmy analizy porównujące reakcje mózgu u otyłych nastolatków (N = 7, M BMI = 33, SD = 4.25) do chudych nastolatków (N = 11, M BMI = 19.6, SD = 1.08) przy użyciu grupowego modelu ANOVA. W sumie klastry aktywacyjne 13 znajdowały się w obrębie wyspy, regionu Rolandic i skroniowych, czołowych i ciemieniowych obszarów operacyjnych; osoby otyłe wykazały większą aktywację w tych obszarach w porównaniu z chudymi uczestnikami (Rysunek 2A – B i Tabela 1). Spośród tych klastrów aktywacyjnych 13, 9 spadł w lewo, a 4 w prawą półkulę. Otyli uczestnicy wykazywali również większą aktywację w lewej przedniej obręczy obręczy (brzuszny obszar Brodmanna (BA) 24) niż szczupli uczestnicy. Tabela 1 raportuje współrzędne, rozmiar woksela, nieskorygowane p-wartości i wielkości efektów (η²). Kilka wartości p było znaczących przy p <05 cały mózg poprawiony na poziomie klastra. Wielkości efektów z tych analiz wahały się od małych (η² = .01) na duży (η² = .17), ze średnim efektem .05, który reprezentuje średni rozmiar efektu na Kryteria Cohena (1988).²

 

Rysunek 2

A. Przekrój strzałkowy o większej aktywacji w lewej przedniej wysepce (-36, 6, 6, Z = 3.92, P nieskorygowane <001) w odpowiedzi na przewidywanie nagrody pokarmowej u osób otyłych w porównaniu z osobami szczupłymi z B. wykresami słupkowymi parametru szacunki z ...

 

Tabela 1

Regiony wykazujące zwiększoną aktywację podczas anticipatory Food Reward i Consumatory Food Reward u otyłych nastolatków (N = 7) w porównaniu do Lean Adolescent Girls (N = 11)

Test, czy uczestnicy BMI wykazali liniowe zależności od przewidywanej nagrody żywnościowej

Poszczególne mapy kontrastów SPM wprowadzono do modeli regresji z wynikami BMI jako współzmienną, aby sprawdzić, czy BMI jest liniowo powiązany z aktywacją w odpowiedzi na oczekiwaną nagrodę żywnościową. Analizy te były bardziej wrażliwe, ponieważ dotyczyły wszystkich uczestników, a nie tylko osób otyłych i szczupłych. Stwierdziliśmy dodatnią korelację BMI z aktywacjami w brzusznej bocznej i grzbietowej bocznej korze przedczołowej i skroniowej operculum w odpowiedzi na oczekiwaną nagrodę pokarmową (Rysunek 3A i Tabela 2). Jednak żaden z efektów nie był znaczący p <05 cały mózg poprawiony na poziomie klastra. Wszystkie rozmiary efektów z tych analiz były duże na Cohen's (1988) kryteria (zakres r = .48 na .68), ze średnią r = .56.

 

Rysunek 3

A. Przekrój osiowy o większej aktywacji w lewym wieczku skroniowym (TOp; -54, -3, 3, Z = 3.41, P nieskorygowany <001) oraz w prawej brzuszno-bocznej korze przedczołowej (VLPFC; 45, 45, 0, Z = 3.57, P nieskorygowane <001) cala ...

 

Tabela 2

Regiony reagujące podczas antycypującej nagrody żywnościowej i dodatkowej nagrody żywnościowej jako funkcja wskaźnika masy ciała (N = 33)

Dyskusja

W badaniu tym przetestowano hipotezę, że otyłe dziewczęta wykazują różną aktywację w obwodzie nagrody w odpowiedzi na spożycie żywności i przewidywaną konsumpcję w stosunku do szczupłych nastolatków, a aktywacja będzie liniowo powiązana z BMI uczestników. Odpowiedzi mózgu badano podczas otrzymywania mlecznego koktajlu czekoladowego w porównaniu z rozwiązaniem bez smaku (konsumująca nagroda za żywność) oraz w odpowiedzi na sygnały sygnalizujące zbliżające się dostarczenie czekoladowego koktajlu mlecznego w porównaniu z rozwiązaniem bez smaku (oczekiwana nagroda za żywność). Na podstawie wyników poprzednich badań (np. Wang, Volkow, Felder i in., 2002), spodziewaliśmy się anomalii w suplementacyjnej i przewidywalnej nagrodzie żywności wśród otyłych uczestników w stosunku do ich chudych odpowiedników.

Zgodnie z hipotezą, reakcje na suplementacyjną i przewidywalną nagrodę żywnościową w przewidywanych regionach były różne u otyłych nastolatków w porównaniu z ich szczupłymi odpowiednikami. Otyli uczestnicy wykazywali większą aktywację w pierwotnej korze smakowej (przednia izolacja / czołowa operculum) oraz w korze somatosensorycznej (operandum Rolandica, operacja skroniowa, operacja ciemieniowa i tylna wyspa) oraz przedni zakręt w odpowiedzi na naszą miarę przewidywanej nagrody żywnościowej w porównaniu chudego uczestnika. Te wielkości efektów były małe lub duże, ze średnim rozmiarem efektu, który był średni. Wykazano, że wyspa odgrywa rolę w przewidywanej nagrodzie żywności (Gottfried, O'Doherty i Dolan, 2003; Small et al., 2005; Yamamoto, 2006) i głód żywności (Pelchat i in., 2004). Ponadto Balleine i Dickenson (2001) wykazali, że zwierzęta z resekcją wyspy nie zdają sobie sprawy z tego, że zachowanie reagujące na jedzenie jest zdewaluowane, co sugeruje rolę wyspy w oczekiwanej nagrodzie żywnościowej. Stwierdzono, że brzuszny przedni obszar obręczy jest zaangażowany w kodowanie zawartości energii i smaku żywności (Araujo & Rolls, 2004). W rezultacie nasze odkrycia mogą sugerować, że osoby otyłe doświadczyły zwiększonego przewidywania smaku koktajlu mlecznego w porównaniu z osobami szczupłymi. Ważne będzie, aby przyszłe badania wykluczyły możliwość, że kondycjonowanie, które występuje w wyniku przejadania się wysokotłuszczową i wysokosłodzoną żywnością, nie przyczynia się do podwyższenia oczekiwanej nagrody pokarmowej wykazywanej przez otyłych uczestników.

Podobnie jak postawiono hipotezę, istniały dowody na to, że otyli uczestnicy wykazywali zróżnicowaną aktywację w odpowiedzi na konsumującą nagrodę żywieniową w stosunku do szczupłych uczestników. Pierwsza z nich wykazywała zwiększoną aktywację operculum Rolandic, czołowej opuszki, tylnej wyspy i zakrętu zakrętu w odpowiedzi na konsumującą nagrodę pokarmową w porównaniu z drugą. Wielkości efektów były małe do średniej wielkości, ze średnim rozmiarem efektu, który był średni. Wyniki te zbiegają się z wynikami poprzednich badań; Del Parigi i in. (2004) stwierdzili, że procent tkanki tłuszczowej korelował ze zwiększoną aktywacją wyspy podczas wrażenia sensorycznego posiłku Wang, Volkow, Felder i in. (2002) stwierdzili większą aktywację w korze somatosensorycznej podczas spoczynku jako funkcję BMI. Biorąc pod uwagę, że wyspa i leżące nad nią operculum zostały powiązane z subiektywną nagrodą z przyjmowania pokarmuSmall et al., 2003; Yamamoto, 2006), wyniki te mogą sugerować, że osoby otyłe doświadczają większej nagrody żywieniowej w stosunku do osób szczupłych, co może odpowiadać danym behawioralnym z innych badań przedstawionych na wstępie.

Zbadaliśmy również, czy BMI jest liniowo powiązany z aktywacją w odpowiedzi na oczekiwaną i konsumującą nagrodę żywności za pomocą modeli regresji, aby zapewnić bardziej czuły test hipotetycznych relacji. Porównując wyniki uzyskane w modelach ANOVA, stwierdziliśmy, że zwiększona aktywacja w operacjach skroniowych w stosunku do przewidywanej nagrody żywnościowej w funkcji BMI. Ponadto stwierdzono większą odpowiedź w korze przedczołowej grzbietowo-bocznej w odpowiedzi na oczekiwaną nagrodę pokarmową w funkcji BMI. Porównywalne z wynikami uzyskanymi w modelach ANOVA była również zwiększona aktywacja w operulum insula / frontoparietal w odpowiedzi na konsumującą nagrodę pokarmową jako funkcję BMI. Ogólnie, wyniki modeli regresji ogólnie zbiegały się z wynikami z modeli ANOVA, chociaż te ostatnie analizy dotyczyły tylko osób otyłych i szczupłych, dostarczając dalszych wyników zgodnych z naszymi hipotezami. Relacje zidentyfikowane w modelach regresji były zazwyczaj dużymi efektami.

Co ciekawe, modele regresji sugerowały, że BMI był odwrotnie proporcjonalny do aktywacji w jądrze ogoniastym w odpowiedzi na konsumującą nagrodę pokarmową, jak hipotezowano na podstawie wcześniejszych ustaleń (Wang i wsp., 2001). To był duży rozmiar efektu. Nasze funkcjonalne odkrycie potwierdza i rozszerza wyniki zgłoszone w badaniu przeprowadzonym przez Wang i in. (2001), w którym stwierdzili, że chorobliwie otyłe wykazywały zmniejszoną dostępność receptora D2 w spoczynku w skorupie proporcjonalnie do ich BMI. Wyniki te mogą odzwierciedlać niższą dostępność receptora dopaminy. Możliwe jest, że jednostki przejadą się, aby stymulować powolny i długotrwały system nagrody na bazie dopaminy (Wang i wsp., 2001). Alternatywnie, zwiększone spożycie pokarmów wysokotłuszczowych i wysokosłodzonych może spowodować obniżenie receptora, jak zaobserwowano wśród użytkowników substancji (Davis i wsp., 2004). Jak już wspomniano, badania na zwierzętach sugerują, że powtarzające się przyjmowanie pokarmów słodkich i tłustych powoduje zmniejszenie receptorów D2 i zmniejszenie czułości D2 (Bello i in., 2002; Kelley i in., 2003). Inną możliwą interpretacją jest to, że osoby otyłe wykazują niedoczynność działania obwodów nagradzających żywność podczas odpoczynku, ale nadmiernie funkcjonują, gdy są narażone na sygnały żywnościowe lub pokarmowe. Interpretacja ta jest zgodna z dowodami, że osoby otyłe i po otyłości wykazują większą wrażliwość na grzbietową wyspę i tylny hipokamp po spożyciu pokarmu w stosunku do osób szczupłych (Del Parigi i in., 2004), że ekspozycja na sygnały pokarmowe powoduje większą aktywację w prawej korze ciemieniowej i skroniowej u osób otyłych, ale nie szczupłych (Karhunen i in., 1997; Stoeckel i in., 2008), że osoby otyłe wykazują większą aktywację prążkowia grzbietowego, wyspy, klaustrum i kory somatosensorycznej w odpowiedzi na sygnały pokarmowe niż chude osoby (Rothemund i in., 2007), że otyłe szczury mają niższy podstawowy poziom dopaminy i zmniejszoną ekspresję receptora D2 niż szczupłe szczury (Fetissov i in., 2002; Hamdi i in., 1992; Orosco i in., 1996) i że otyłe szczury wykazują bardziej fazowe uwalnianie dopaminy podczas karmienia niż szczupłe szczury (Yang i Meguid, 1995). Jednak ta interpretacja nie zgadza się z dowodami, że otyłość w stosunku do osób szczupłych wykazywała większą spoczynkową aktywność metaboliczną w doustnej korze somatosensorycznej (Wang, Volkow, Felder i in., 2002) i że aktywacja OFC i zakrętu w odpowiedzi na oglądanie zdjęć smacznych potraw koreluje negatywnie z BMI wśród kobiet o normalnej wadze (Killgore i Yurgelun-Todd, 2005). Przydatne w przyszłych badaniach będzie ustalenie, która interpretacja wyjaśnia pozornie niespójne wyniki, ponieważ znacznie zwiększyłoby to nasze zrozumienie procesów etiologicznych i podtrzymujących, które przyczyniają się do otyłości.

Podsumowując, obecne odkrycia sugerują, że różne regiony mózgu są aktywowane przez antycypacyjną lub konsumującą nagrodę pokarmową, co jest ważnym wkładem, ponieważ tylko kilka badań próbowało zidentyfikować neuronowe substraty przewidywalnej i konsumującej nagrody żywnościowej. W modelach ANOVA porównujących otyłych z chudymi uczestnikami (Tabela 1), operandum Rolandic i operularum czołowe były aktywowane zarówno przez antycypację, jak i spożycie koktajlu mlecznego, ale tętnica skroniowa, operacja ciemieniowa, przednia wyspa, tylna wyspa i przedni zakręt brzuszny były aktywowane tylko w odpowiedzi na przewidywane przyjęcie koktajlu mlecznego. W modelach regresji, które badały stosunek BMI do regionów aktywacji (Tabela 2), aktywowane regiony nie zachodziły na siebie: podczas gdy kora przedczołowa wentylacyjna, grzbietowa boczna kora przedczołowa i czaszka skroniowa były aktywowane w odpowiedzi na oczekiwane przyjęcie koktajlu mlecznego, wyspa, operacja czołowa, operacja ciemieniowa i jądro ogoniaste zostały aktywowane w odpowiedzi na odbiór koktajlu mlecznego. Odkrycia te są w dużej mierze zbieżne z wynikami poprzednich badań, które badały obszary mózgu specyficzne dla suplementacyjnej i przewidywalnej nagrody żywnościowej (O'Doherty i wsp., 2002; Pelchat i in., 2004; Small et al., 2003; Small et al., 2008; Volkow i wsp., 2003).

Badanie to jest nowe, ponieważ jest jednym z pierwszych, które testuje relacje między BMI a odpowiedzią neuronalną na oczekiwaną i uzupełniającą nagrodę pokarmową, wykorzystując paradygmat obejmujący dostarczanie żywności do skanera. Jednak badanie to miało kilka ograniczeń, które należy odnotować. Po pierwsze, mieliśmy umiarkowaną wielkość próby do testowania między efektami grupowymi, chociaż była ona większa niż większość wcześniej opublikowanych badań fMRI nagród żywności opublikowanych do tej pory. Po drugie, użyliśmy tylko jednego smacznego smaku. Być może inne smaki są bardziej satysfakcjonujące dla uczestników i spowodowałyby większą reakcję nagrody w mózgu. Po trzecie, ponieważ odbiór koktajlu mlecznego był zawsze poprzedzony cue (tj. Nigdy nie dostarczany bez pamięci), uczestnicy zawsze wiedzieli o smaku przed dostarczeniem. Wcześniejsze badania (np. Berns, McClure, Pagoni i Montague, 2001) stwierdzili zróżnicowaną reakcję na smak i smak jako funkcję tego, czy są oczekiwane czy nieoczekiwane. Dlatego badacze powinni rozważyć uwzględnienie miary odpowiedzi na otrzymanie niespodziewanej nagrody żywnościowej w przyszłych badaniach. Po czwarte, sygnały użyte w paradygmacie koktajlu mlecznego były kształtami geometrycznymi, które mogą nie mieć wystarczającego znaczenia dla uczestników i dlatego mogły wywołać stłumione wrażenia antycypacyjne i aktywację mózgu. Po piąte, zebraliśmy ograniczone dane behawioralne, aby zweryfikować paradygmat fMRI z uczestnikami naszego badania. Niemniej jednak dane dotyczące ważności z trwających badań z wykorzystaniem tego paradygmatu sugerują, że jest to prawidłowa miara indywidualnych różnic w nagrodzie żywnościowej.

Podsumowując, nasze wyniki sugerują zróżnicowaną odpowiedź neuronalną w trakcie przewidywalnej i uzupełniającej nagrody pokarmowej jako funkcji statusu otyłości i BMI, chociaż ważne będzie powtórzenie tych relacji w niezależnych próbkach. Ponieważ w wielu regionach wykazano większą reakcję, która, jak wykazano, koduje nagrodę pokarmową u otyłych uczestników, wzorzec reakcji jest zgodny z badaniami behawioralnymi sugerującymi, że osoby otyłe przewidują większą nagrodę z przyjmowania pokarmu i doświadczają większej przyjemności zmysłowej podczas jedzenia. Jednakże odkryliśmy również, że uczestnicy z wyższym BMI wykazywali mniejszą aktywację prążkowia w odpowiedzi na spożycie pokarmu w porównaniu z osobami o niższym BMI, co jest zgodne z propozycją, że osoby otyłe mogą doświadczać mniejszego fazowego uwalniania dopaminy podczas spożywania pokarmu w porównaniu z chude osoby. Jest biologicznie możliwe, że osoby mogą spodziewać się większej nagrody z przyjmowania pokarmu i doświadczają większej przyjemności somatosensorycznej podczas jedzenia, a jednocześnie doświadczają mniejszego fazowego uwalniania dopaminy, gdy jedzenie jest spożywane, ponieważ każde z nich wymaga oddzielnego układu nerwowego. Jednakże możliwe jest również, że niektóre z tych nieprawidłowości poprzedzają otyłość, podczas gdy inne są konsekwencją przejadania się. Na przykład dwa pierwsze efekty mogą zwiększać ryzyko hiperfagii, co skutkuje dodatnim bilansem energetycznym, a ten drugi efekt może być produktem regulacji w dół receptora wtórnej do spożywania diety o wysokiej zawartości tłuszczu i cukru. Alternatywnie, niedoczynność obwodów nagrody za pośrednictwem dopaminy może spowodować przejadanie się jednostek, aby zrekompensować ten niedobór nagrody, który poprzez kondycjonowanie powoduje większą przewidywalną nagrodę pokarmową i zwiększony rozwój kory somatosensotycznej. Dla przyszłych badań istotne będzie zbadanie, które z tych nieprawidłowości poprzedzają wystąpienie otyłości i które są produktem przewlekłego przejadania się. Mamy nadzieję, że systematyczne badania nieprawidłowości, które wystąpiły przed rozpoczęciem otyłości, mogą pozwolić na opracowanie skuteczniejszych metod zapobiegania i leczenia.

Podziękowanie

Przypisy

Referencje