Integridade estrutural entre controle executivo e regiões de recompensa do cérebro prediz percentual de gordura corporal em dieters crônicos (2016)

Neurociência Cognitiva
 

Pin-Hao Andy Chen, Robert S. Chavez & Todd F. Heatherton

Páginas 1-5 | Recebido 19 Apr 2016, Aceito 05 Sep 2016, Versão aceita do autor postado online: 23 Sep 2016, Publicado on-line: 11 Oct 2016

Sumário

A incapacidade de manter um peso corporal saudável pode refletir um desequilíbrio de longo prazo entre os sistemas de controle executivo e de recompensa do cérebro. O presente estudo examinou se a conectividade anatômica entre estes dois sistemas previa a variabilidade individual na obtenção de um peso corporal saudável, particularmente em dieters crônicos. Trinta e seis dieters crônicos do sexo feminino completaram uma tarefa de reatividade de food-cue no scanner. Duas regiões de interesse (ROIs) foram definidas a partir da tarefa de reatividade: o giro frontal inferior (IFG), que envolve o controle cognitivo e o córtex orbitofrontal (OFC), que representa o valor da recompensa. Um trato da substância branca conectando esses dois ROIs foi identificado entre os participantes usando imagens por tensor de difusão (DTI) e tractografia probabilística. Os resultados mostraram uma relação negativa entre o percentual de gordura corporal e a integridade da substância branca dentro do trato identificado. Isso sugere que a integridade estrutural reduzida entre o OFC e IFG pode estar relacionada a problemas de auto-regulação para aqueles que cronicamente dieta para controlar o peso corporal.

PALAVRAS-CHAVE: Autocontrole, imagem por tensor de difusão, conectividade, ressonância magnética funcional, diferenças individuais, obesidade

Introdução

A obesidade e as dietas aumentaram substancialmente nas últimas décadas, com muitos que faziam dieta deixando de perder peso por longos períodos de tempo e se tornando crônicos em dietas (Andreyeva, Long, Henderson, & Grode, 2010 Andreyeva, T., Long, MW, Henderson, KE, & Grode, GM (2010). Tentando perder peso: estratégias de dieta entre americanos com sobrepeso ou obesidade em 1996 e 2003. Jornal da Associação Dietética Americana, 110 (4), 535 – 542. doi: 10.1016 / j.jada.2009.12.029[CrossRef], [PubMed]) Entre esses indivíduos, alguns ganham ainda mais peso após anos de dieta (van Strien, Herman, & Verheijden, 2014 van Strien, T., Herman, CP, & Verheijden, MW (2014). Restrição alimentar e alteração da massa corporal. Um estudo de acompanhamento de 3 anos em uma amostra representativa da Holanda. Apetite, 76, 44 – 49. doi: 10.1016 / j.appet.2014.01.015[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), engajando-se assim em comportamentos que prejudicam seus objetivos. Uma revisão abrangente da obesidade sugere que não apenas a elevada sensibilidade à recompensa aos estímulos alimentares, mas as falhas na autorregulação também desempenham um papel na obesidade (Volkow, Wang, Tomasi, & Baler, 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D., & Baler, RD (2013). Obesidade e dependência: sobreposições neurobiológicas. Obesidade Opiniões, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Da mesma forma, as diferenças individuais na obtenção ou manutenção do sucesso da dieta a longo prazo podem refletir diferenças na capacidade de auto-regulação (Heatherton, 2000). 2011 Heatherton, TF (2011) Neurociência do eu e auto-regulação. Revisão Anual de Psicologia, 62 (1), 363 – 390. doi: 10.1146 / annurev.psych.121208.131616[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) De acordo com o modelo de equilíbrio, tais resultados de autorregulação refletem diferenças individuais no equilíbrio entre as regiões do cérebro envolvidas no controle executivo, por exemplo, o giro frontal inferior (IFG) e regiões que representam o valor de recompensa, por exemplo, o córtex orbitofrontal (OFC) (Heatherton E Wagner, 2011 Heatherton, TF e Wagner, DD (2011). Neurociência cognitiva do fracasso da autorregulação. Tendências em Ciências Cognitivas, 15 (3), 132 – 139. doi: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) Um equilíbrio entre recompensa e controle depende da comunicação entre o IFG e o OFC (Wagner, Altman, Boswell, Kelley e Heatherton, 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2013). O esgotamento autorregulatório aumenta as respostas neurais às recompensas e prejudica o controle de cima para baixo. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), que se reflete na conectividade entre eles. Diferenças individuais na integridade estrutural dessas vias anatômicas podem predizer o resultado a longo prazo da dieta crônica, como o percentual de gordura corporal.

A fim de isolar regiões do cérebro conhecidas por estarem envolvidas no processamento do valor apetitivo dos alimentos, usamos uma tarefa de reatividade alimentar para localizar as regiões de interesse (ROIs) de IFG e OFC usando imagens de ressonância magnética funcional (fMRI) . Avaliações desta pesquisa indicam que pessoas que fazem dieta crônica tendem a mostrar atividade exagerada para dicas de alimentos apetitivos em regiões de recompensa e regiões envolvidas no controle executivo após serem expostos a condições associadas à falha na dieta no mundo real, como consumir alimentos com alto teor calórico ou ser esgotados em seu controle cognitivo (Kelley, Wagner, & Heatherton, 2015 Kelley, WM, Wagner, DD e Heatherton, TF (2015). Em busca de um sistema de autorregulação humana. Revisão Anual da Neurociência, 38(1), 389–411. doi:10.1146/annurev-neuro-071013-014243[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Volkow et al. 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D., & Baler, RD (2013). Obesidade e dependência: sobreposições neurobiológicas. Obesidade Opiniões, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Assim, usamos uma tarefa de reatividade de sugestão de alimento para localizar a extensão das regiões IFG e OFC envolvidas no processamento de alimentos, e então usamos essas duas regiões como máscaras de sementes para tractografia probabilística em uma análise de imagem por tensor de difusão (DTI). calcular a integridade da substância branca entre essas duas regiões. O objetivo deste estudo foi usar uma abordagem multimodal para isolar tratos da substância branca entre regiões funcionalmente definidas do IFG e OFC. Esta abordagem oferece uma maneira direcionada para examinar se a integridade estrutural deste trato prevê a variabilidade crônica do percentual de gordura corporal dos dieters. Nós hipotetizamos que dieters crônicos que tinham o maior percentual de gordura corporal mostrariam menor integridade estrutural no trato ligando o IFG e OFC.

Métodos

Quarenta mulheres destras em dieta crônica que pontuaram acima de 15 na Escala de Restrição, uma medida da dieta crônica (Heatherton, Herman, Polivy, King, & McGree, 1988 Heatherton, TF, Herman, CP, Polivy, J., King, GA, & McGree, ST (1988). A (des) medição da restrição: Uma análise de questões conceituais e psicométricas. Jornal de Psicologia Anormal, 97(1), 19–28. doi:10.1037/0021-843X.97.1.19[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), foram recrutados neste estudo a partir de uma grande amostra de estudantes universitários. Os participantes foram selecionados para não ter histórico de anormalidades metabólicas, psicológicas ou neurológicas. Quatro participantes foram excluídos devido a movimentos excessivos da cabeça (mais de 3 mms na direção x, y ou z) durante a varredura, resultando em um tamanho de amostra de 36 dieters crônicos. Os que faziam dieta foram pesados ​​em uma balança Tanita (modelo TBF-300A Arlington Heights), que comprovadamente mede o percentual de gordura corporal de forma confiável. Entre essas pessoas que fazem dieta crônica, o percentual médio de gordura corporal foi de 29.6% (DP = 5.5%; intervalo = 16.6-38.2%) e o índice de massa corporal (IMC) médio foi 23.9 (DP = 3.1%, intervalo = 17.2-33.7, Tabela 1) .

Tabela 1. Características demográficas e de dieta da população.

CSVTabela de exibição

A fim de localizar o IFG e os ROIs de OFC envolvidos no processamento de sugestões de alimentos, usamos um paradigma de reatividade de sinalização de alimentos como uma tarefa de localizador. Antes desta tarefa de localizador, usamos uma tarefa de controle inibitório de depleção, pois essa tarefa ajuda a obter atividade de recompensa robusta (Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2013). O esgotamento autorregulatório aumenta as respostas neurais às recompensas e prejudica o controle de cima para baixo. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) Nesta tarefa de controle inibitório esgotante, os participantes foram convidados a assistir a um vídeo de 7 minutos sobre ovelhas da montanha selvagem canadense com uma série de palavras distrator movendo-se da parte inferior para o centro da tela em 3 s (40 palavras no total). Os participantes foram orientados a evitar a leitura das palavras distratoras e se concentrar apenas em assistir ao vídeo. Imediatamente após a tarefa de esgotamento do controle inibitório, os participantes receberam a tarefa de reatividade com a deixa. Essa tarefa consistia em 90 imagens de alimentos apetitosos e outras 180 imagens envolvendo pessoas ou cenas naturais como imagens de controle. Cada imagem foi apresentada por 2000 ms e seguida pela fixação por mais 500 ms em um design relacionado a eventos. Os participantes foram instruídos a fazer um julgamento interno / externo para cada imagem pressionando botões. Essa tarefa de julgamento fez com que os participantes mantivessem o foco nessa tarefa sem estarem cientes do propósito do nosso estudo, que era localizar regiões do cérebro que respondessem aos estímulos alimentares.

Os dados de ressonância magnética da tarefa de reatividade à sugestão de alimento foram pré-processados ​​e analisados ​​com SPM8 (Departamento de Wellcome of Cognitive Neurology, Londres, Inglaterra). Os procedimentos de pré-processamento incluíram correção de movimento, realinhamento, desamarração, normalização para espaço padrão e suavização de kernel gaussiano de largura total 6-mm na metade (FWHM) (consulte os Materiais Suplementares para obter uma descrição detalhada dos parâmetros de varredura fMRI). Para cada participante, um modelo linear geral incorporando efeitos de tarefa e covariáveis ​​sem interesse foi computado e convolvido com uma função de resposta hemodinâmica canônica (HRF). Imagens de contraste de alimento versus controle foram criadas para cada participante e então submetidas a uma análise de cérebro inteiro com efeito aleatório, corrigida para comparações múltiplas com p <0.05 com simulações de Monte Carlo usando AlphaSim da AFNI (Figura 1 (a)Tabela S1). Os ROIs IFG e OFC foram definidos com base nessa análise de todo o cérebro e usados ​​como máscaras (Figura 1 (b)) em um método de semeadura de duas máscaras para a tractografia probabilística DTI. Os dados do DTI foram pré-processados ​​e analisados ​​com o Diffusion Toolbox em FSL (Behrens et al., 2003 Behrens, T., Woolrich, MW, Jenkinson, M., Johansen-Berg, H., Nunes, RG, Clare, S.,… Smith, SM (2003). Caracterização e propagação de incerteza na RM por difusão. Ressonância Magnética em Medicina, 50 (5), 1077 – 1088. doi: 10.1002 / mrm.10609[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Usamos um método de semeadura de duas máscaras para garantir que os mapas de tratografia incluíssem apenas linhas de passagem passando por ambas as máscaras de sementes. Sobre as linhas de fluxo do trato probabilístico 5000 foram enviadas de cada voxel dentro de ambas as máscaras de sementes e estes resultados foram normalizados para o espaço padrão do Montreal Neurological Institute. A fim de determinar um mapa de tractografia comum entre os indivíduos, os resultados da tratografia de cada indivíduo foram binarizados e sobrepostos com todos os outros para criar um mapa de probabilidade do trato ao nível do grupo. Para tornar o mapa de tractografia robusto, foi então limitado a uma probabilidade de intervalo 50% em todos os participantes no espaço padrão (Figura 1 (c)). Este mapa de tractografia comum foi então sobreposto nas imagens de anisotropia fracional (FA) de cada participante (uma medida geral da integridade ou coerência da substância branca) e os valores de FA foram extraídos de todos os voxels dentro deste mapa de tráfico. Para cada participante, foi calculado um valor médio de FA para representar a integridade da substância branca. Os valores de idade, IMC e FA dos participantes foram então tomados como variáveis ​​independentes na análise de regressão múltipla com a porcentagem de gordura corporal como variável dependente, examinando se as diferenças individuais na integridade da massa branca refletiam o sucesso autorregulatório de longo prazo na dieta.

Figura 1. (a) O paradigma de fMRI de reatividade a estímulo de alimento estimulou a ativação em regiões de OFC e IFG, consistente com achados anteriores na literatura. (b) As regiões OFC e IFG da análise de fMRI foram então usadas como máscaras de sementes para a análise de tractografia probabilística DTI. (c) A partir da análise do DTI, delineamos uma via de substância branca entre o IFG e o OFC, que foi consistente entre os indivíduos. A integridade da substância branca dentro dessa via foi então correlacionada com a gordura corporal de cada indivíduo. (d) O valor de FA extraído do trato IFG-OFC mostrou uma correlação negativa com o percentual de gordura corporal (a área sombreada representa o intervalo de confiança 95%).

Slide do PowerPointJpg original (93.00KB)Mostrar tamanho completo

Resultados

Resultados de FMRI da tarefa de reatividade de sugestão de alimento revelaram que tanto o IFG quanto o OFC mostraram maior atividade para a comida do que as imagens de controle (Figura 1 (a), Tabela S1), consistente com os resultados de estudos anteriores (Lopez, Hofmann, Wagner, Kelley, & Heatherton, 2014 Lopez, RB, Hofmann, W., Wagner, DD, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2014). Preditores neurais de ceder à tentação na vida diária. Psychological Science, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Wagner et al. 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2013). O esgotamento autorregulatório aumenta as respostas neurais às recompensas e prejudica o controle de cima para baixo. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Os grupos IFG e OFC resultantes da análise de fMRI foram usados ​​como regiões de semente para a tractografia probabilística DTI (Figura 1 (b)). A análise de tractografia probabilística DTI revelou a existência de um trato robusto da substância branca ligando o IFG esquerdo à OFC esquerda (Figura 1 (c)). Os valores médios de FA dentro deste folheto mostraram uma correlação significativamente negativa com o percentual de gordura corporal (R₃₆ = −0.379, p = 0.023), indicando que dieters com menor percentual de gordura corporal apresentaram maior integridade da substância branca (Figura 1 (d)) Depois de controlar a idade e o IMC, os valores médios de FA dentro do trato continuaram a mostrar uma correlação significativamente negativa com o percentual de gordura corporal (beta = −0.247, t(35) = -2.862, p = 0.007).

Discussão geral

Nossos resultados apóiam a hipótese de que a integridade estrutural entre o IFG, uma região chave na inibição da resposta (Aron, 2011 Aron, AR (2011). Do controle reativo ao proativo e seletivo: Desenvolvendo um modelo mais rico para interromper respostas inadequadas. Psiquiatria Biológica, 69 (12), e55 – 68. doi: 10.1016 / j.biopsych.2010.07.024[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) e o OFC, uma região que representa o valor subjetivo da recompensa dos alimentos (van der Laan, de Ridder, Viergever, & Smeets, 2011 van der Laan, LN, de Ridder, DTD, Viergever, MA, & Smeets, PAM (2011). O primeiro gosto é sempre com os olhos: uma meta-análise sobre os correlatos neurais do processamento de pistas visuais de alimentos. NeuroImage, 55 (1), 296 – 303. doi: 10.1016 / j.neuroimage.2010.11.055[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), está relacionado a diferenças individuais no percentual de gordura corporal, um índice putativo de sucesso a longo prazo na dieta. Com base no modelo de equilíbrio de autorregulação (Heatherton & Wagner, 2011 Heatherton, TF e Wagner, DD (2011). Neurociência cognitiva do fracasso da autorregulação. Tendências em Ciências Cognitivas, 15 (3), 132 – 139. doi: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), falhas na autorregulação resultam do desequilíbrio entre as regiões de controle executivo e de recompensa. Indivíduos com reduzida integridade da substância branca dentro do trato conectando essas regiões podem ter menor eficiência na comunicação entre essas regiões do que aqueles com alta integridade (Madden et al., 2012 Madden, DJ, Bennett, IJ, Burzynska, A., Potter, GG, Chen, N.-K., & Song, AW (2012). Imagens por tensor de difusão da integridade da substância branca cerebral no envelhecimento cognitivo. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Base Molecular da Doença, 1822 (3), 386 – 400. doi: 10.1016 / j.bbadis.2011.08.003[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Com uma comunicação ineficiente entre as regiões de controle executivo e de recompensa, os indivíduos com integridade reduzida podem ter dificuldade em superar tentações recompensadoras, levando a uma maior chance de se tornarem obesos do que aqueles com maior integridade estrutural.

Embora estudos anteriores tenham usado DTI para examinar a relação entre obesidade e integridade da substância branca (Kullmann, Schweizer, Veit, Fritsche, & Preissl, 2015 Kullmann, S., Schweizer, F., Veit, R., Fritsche, A., & Preissl, H. (2015). Integridade da substância branca comprometida na obesidade. Obesidade Opiniões, 16 (4), 273 – 281. doi: 10.1111 / obr.12248[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), este estudo é inovador ao empregar uma abordagem multimodal para direcionar sistematicamente um setor específico implicado na regulação dos desejos alimentares. Um estudo recente mostrou que tanto o IFG quanto o OFC se engajam na regulação do consumo de alimentos na vida diária (Lopez et al., 2014 Lopez, RB, Hofmann, W., Wagner, DD, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2014). Preditores neurais de ceder à tentação na vida diária. Psychological Science, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Usando esse paradigma de ressonância magnética funcional, replicamos a descoberta anterior e até descobrimos que tanto o IFG como o OFC mostraram atividade robusta quando dieters crônicos foram expostos a estímulos alimentares apetitivos, sugerindo que o processamento de recompensa e controle executivo pode se engajar espontaneamente durante o período de exposição ao estímulo. (Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2013). O esgotamento autorregulatório aumenta as respostas neurais às recompensas e prejudica o controle de cima para baixo. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). A tarefa localizador de reatividade de sugestão de alimento oferece uma abordagem mais direcionada para definir regiões IFG e OFC do que o mascaramento baseado em atlas e garante que os resultados de tratografia foram baseados em regiões funcionalmente relevantes relacionadas ao processamento de food-cue na mesma amostra. Essa tarefa de localizador de fMRI pode ajudar os pesquisadores a identificar os principais tratos da substância branca relevantes para o controle do comportamento alimentar.

Ainda não está claro se as diferenças individuais na integridade da substância branca resultam de dietas repetidas. Embora um estudo anterior tenha descoberto que a prática repetida de uma tarefa pode levar ao aumento de AF em tratos de fibra específicos (Scholz, Klein, Behrens, & Johansen-Berg, 2009 Scholz, J., Klein, MC, Behrens, TEJ, & Johansen-Berg, H. (2009). O treinamento induz mudanças na arquitetura da substância branca. Nature Neuroscience, 12 (11), 1370 – 1371. doi: 10.1038 / nn.2412[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), também é possível que falhas na dieta levem à obesidade e a fatores relacionados à obesidade, como inflamação e dislipidemia, que podem causar alterações na integridade da substância branca (Shimoji et al., 2013 Shimoji, K., Abe, O., Uka, T., Yasmin, H., Kamagata, K., Asahi, K.,… Aoki, S. (2013). Alteração da substância branca na síndrome metabólica: análise tensorial de difusão. Diabetes Care, 36(3), 696–700. doi:10.2337/dc12-0666[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Futuros estudos longitudinais são necessários para determinar se a alteração na integridade da substância branca é causada pela prática repetida na dieta ou fatores relacionados à obesidade. Estudos longitudinais também são necessários para examinar a relação entre a integridade da substância branca e o percentual de gordura corporal em dieters crônicos. Embora o recrutamento exclusivo de mulheres que fazem dieta possa prevenir o efeito de confusão da diferença de gênero, estudos futuros ainda são necessários para comparar se a integridade da substância branca influencia diferencialmente os resultados da dieta entre dieters masculinos e femininos.

Em conclusão, o presente estudo fornece evidências de que a integridade da substância branca está relacionada a diferenças individuais no percentual de gordura corporal em setores que conectam regiões envolvidas na reatividade de estímulos alimentares. Esses resultados são consistentes com o modelo de equilíbrio da autorregulação e sugerem que a integridade estrutural das vias que conectam as regiões de controle executivo e de recompensa pode ter um papel crítico na obtenção de sucesso autorregulatório de longo prazo na dieta.

Nova pesquisa mostra que o sucesso da dieta pode ser programado no cérebro

25 de outubro de 2016