Obezitatea este asociată cu funcția modificată a creierului: sensibilizare și hipofrontalitate (2012)

Comentarii: Studiul relevă atât sensibilizarea, cât și hipofronanța la persoanele obeze. Ambele sunt semne distinctive ale schimbărilor cerebrale legate de dependență.

 Legătura cu articolul

Metabolismul glucoză al nucleului caudat în miezul central (A) a fost semnificativ mai mare la persoanele obeze față de cei slabi (B).

În majoritatea țărilor occidentale, creșterea anuală a prevalenței și severitatea obezității este în prezent substanțială. Deși obezitatea are de obicei rezultate pur și simplu din cauza consumului excesiv de energie, în prezent nu este clar de ce unii oameni sunt predispuși la supraalimentare și la creșterea greutății.

Deoarece sistemul nervos central este implicat in mod intim in procesarea semnalelor de foame si controlul aportului alimentar, este posibil ca cauza cresterii in greutate si a obezitatii ar putea fi in creier.

Cercetatorii de la Universitatea din Turku si Universitatea Aalto au gasit acum noi dovezi pentru rolul creierului in obezitate. Cercetătorii au măsurat funcționarea circuite cerebrale implicate în mai multe metode de imagistică a creierului.

Rezultatele au arătat că la persoanele obeze versus slabe, metabolismul glucozei cerebrale a fost semnificativ mai mare în regiunile striatale ale creierului, care sunt implicate în procesarea recompenselor. Mai mult, sistemul de recompensare al individului obez a răspuns mai energic la imaginile alimentare, în timp ce răspunsurile din regiunile corticale frontale implicate în controlul cognitiv au fost diminuate..

Rezultatele sugerează că creierul indivizilor obezi ar putea genera în mod constant semnale care promovează alimentația chiar și atunci când organismul nu ar necesita absorbția suplimentară de energie”, Spune profesorul adjunct Lauri Nummenmaa de la Universitatea din Turku.

Rezultatele evidențiază rolul creierului în obezitate și creșterea în greutate. Rezultatele au implicații majore asupra modelelor actuale de obezitate, dar și asupra dezvoltării tratamentelor farmacologice și psihologice ale obezității ”, spune Nummenmaa.

Participantii au fost persoane obeze morbid si controale slabe, sanatoase. Creierul lor metabolismul glucozei a fost măsurată cu pozitron emisia de tomografie în condițiile în care corpul a fost saturat în ceea ce privește semnalizarea insulinei. Răspunsurile creierului la imagini ale alimentelor au fost măsurate cu imagistica prin rezonanta magnetica functionala.

Cercetarea este finanțată de Academia din Finlanda, Spitalul Universitar Turku, Universitatea din Turku, Universitatea Akademi Åbo și Universitatea Aalto.

Rezultatele au fost publicate în ianuarie 27th, 2012 în revista științifică PLoS ONE.


 STUDIUL: Dorsal Striatum și conectivitatea sa limbică mediate procesarea anormală a recompenselor anticipate în obezitate

 Lauri Nummenmaa, Jussi Hirvonen, Jarna C. Hannukainen, Heidi Immonen, Markus M. Lindroos, Paulina Salminen, Pirjo Nuutila .. PLoS ONE, 2012; 7 (2): e31089 DOI: 10.1371 / journal.pone.0031089

Abstract

Obezitatea se caracterizează printr-un dezechilibru în circuitele creierului care promovează căutarea de recompense și cele care reglementează controlul cognitiv. Aici arătăm că nucleul caudat dorsal și legăturile sale cu amigdala, insula și cortexul prefrontal contribuie la procesarea anormală a răsplății în obezitate. Am măsurat absorbția regională a glucozei creierului la subiecții cu obezitate morbidă (n = 19) și normali cu ponderi normale (n = 16) cu 2- [18F] fluoro-2- deoxiglucoză [18F] FDG) tomografie cu emisie de pozitroni (PET) în timpul hiperinsulinemiei euglicemice și cu imagistică prin rezonanță magnetică funcțională (fMRI), în timp ce recompensa alimentară anticipată a fost indusă prin prezentări repetate de imagini apetisante și de alimente proaste. În primul rând, am constatat că rata de absorbție a glucozei în nucleul caudatului dorsal a fost mai mare la cei obezi decât la cei cu greutate normală. În al doilea rând, subiecții obezi au prezentat răspunsuri hemodinamice crescute în nucleul caudat, în timp ce au văzut alimente apetisante față de alimentele blande în fMRI. Caudatul a arătat, de asemenea, conectivitate funcțională ridicată a sarcinii cu amigdala și insula în subiecții obezi față de cei cu greutate normală. În cele din urmă, subiecții obezi au avut răspunsuri mai mici la alimentele apetisante față de alimentele blande în cortexul dorsolateral și orbitofrontal, comparativ cu subiecții cu greutate normală, iar eșecul de a activa cortexul prefrontal dorsolateral a fost corelat cu metabolismul ridicat al glucozei în nucleul caudatului dorsal. Aceste constatări sugerează că sensibilitatea crescută la indiciile alimentare externe în obezitate poate implica învățarea anormală a stimulării răspunsului și motivația stimulentelor subservată de nucleul caudatului dorsal, care la rândul său poate fi cauzată de intrarea anormal de mare din amigdala și insula și de controlul inhibitorilor disfuncționali regiunile corticale frontale. Aceste schimbări funcționale în reactivitatea și interconectivitatea circuitului de recompensare ar putea fi un mecanism critic pentru a explica supraalimentarea în obezitate.

Referirea: Nummenmaa L, Hirvonen J, Hannukainen JC, Immonen H, Lindroos MM, și colab. (2012) Dorsal Striatum și conectivitatea sa limbică mediate procesarea anormală anterioară de recompensă în obezitate. PLoS ONE 7 (2): e31089. doi: 10.1371 / journal.pone.0031089

Editor: Ya-Ping Tang, Universitatea de Stat din Louisiana Centrul de Științe ale Sănătății, Statele Unite ale Americii

Primit: August 19, 2011; Acceptat: ianuarie 2, 2012; Publicat: februarie 3, 2012

Drepturi de autor: © 2012 Nummenmaa și colab. Acesta este un articol cu ​​acces deschis, distribuit în termenii Creative Commons Attribution License, care permite utilizarea, distribuirea și reproducerea nerestricționată în orice mediu, cu condiția ca autorul și sursa originale să fie creditate.

Finanțarea: Această lucrare a fost susținută de Academia Finlandei (granturi #256147 și #251125 http://www.aka.fi) la LN, de către Universitatea Aalto (AivoAALTO Grant, http://www.aalto.fi) Fundația Sigrid Juselius (www.sigridjuselius.fi/foundation) Spitalul Universitar Turku (grantul EVO http://www.tyks.fi). Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de a publica sau pregătirea manuscrisului.

Concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

În majoritatea țărilor occidentale, creșterea anuală a prevalenței și severitatea obezității este în prezent substanțială [1]. Disponibilitatea nelimitată a alimentelor gustoase este cel mai evident factor de mediu care promovează obezitatea [2]și genele care promovează consumul rapid de energie prin consumul ridicat de zahăr și grăsimi în condițiile unui deficit alimentar au devenit o răspundere în societățile moderne în care hrana cu calorii înalte este disponibilă în mod omniprezent. Pentru a combate epidemia actuală a obezității, este deci imperativ să înțelegem ce factori determină dacă consumul alimentar este urmărit sau restrâns. Consumul de alimente furnizează substanțe nutritive, dar este, de asemenea, puternic de consolidare, deoarece induce sentimente intense de plăcere și recompensă. Studii comparative au demonstrat că un circuit de recompensă interconectat cuprinzând zone subcortice (amigdală, hipotalamus, striatum) și frontocortic (motor, premotor, orbital și medial prefrontal) joacă un rol-cheie în ghidarea comportamentelor apetisante [3], [4], [5]. Studiile funcționale de imagistică la om au arătat în continuare că subcomponentele circuitului recompensat contribuie la procesarea indicațiilor externe, precum imaginile alimentelor [6], [7], [8], [9], iar disfuncțiile circuitului de recompensă au fost, de asemenea, asociate atât cu obezitatea, cât și cu dependența de droguri. [2], [10], [11], [12], [13], [14]. În studiul de față prezentăm modul în care activitatea tonică, răspunsurile regionale precum și interconectivitatea circuitului de recompensă pot fi mecanismele critice care explică supraalimentarea și obezitatea.

Alimentele palatabile poartă o putere motivațională puternică. Simpla vizualizare a unui tort delicios sau a mirosului mâncării noastre preferate poate provoca o dorință puternică de a mânca chiar acum și expunerea la astfel de indici poate să contravină semnalelor de sațietate fiziologice și să declanșeze consumul de alimente [15]. Supraalimentarea, astfel, probabil depinde de echilibrul dintre circuitul de recompensă și rețelele care inhibă căutarea de recompense, cum ar fi cortexul prefrontal dorsolateral [16], [17], [18]. Literatura existentă din studiile imagistice la om sugerează că obezitatea este caracterizată de un dezechilibru în aceste sisteme, deoarece circuitul de recompensă este supraactivă pentru a recompensa anticiparea în obezitate și că rețelele inhibitoare pot să nu reușească să exercite controlul asupra circuitului de recompensă [2], [10], [11], [12], [13], [14], [19]. Există mari diferențe individuale în sensibilitatea circuitului de recompensare față de alimente și acest lucru poate fi un factor critic care contribuie la supraalimentare și obezitate [2]. Unitatea de răsplată a caracterului personalității este asociată pozitiv cu poftele alimentare și greutatea corporală [20], și studiile fMRI au arătat că prezice, de asemenea, răspunsurile striatului ventral la imaginile apetisante ale alimentelor la persoanele cu greutate normală [21]. În mod similar, sensibilitatea auto-raportată la indiciile alimentare externe este corelată pozitiv cu interconectivitatea circuitului de recompensă [22]. În concordanță cu aceste constatări, studiile fMRI au confirmat faptul că circuitul de recompense al persoanelor obeze este hipersensibil la simpla vizibilitate a alimentelor. Persoanele obeze prezintă răspunsuri crescute la imaginile alimentare din amigdala, nucleul caudat și cortexul cingular anterior [10], [19], și sa propus că această hiperactivitate a circuitului recompensat dopaminergic poate face indivizii obezi predispuși la supraalimentare. Studiile de PET au demonstrat în continuare comunitățile dopaminergice în mecanismele de abuz de droguri și consumul excesiv de alimente, sugerând că cel puțin în unele cazuri obezitatea ar putea fi caracterizată ca "dependență alimentară". Calele de recompensă dopaminergice din miezul miezului modulează atât consumul de alimente, cât și consumul de droguri [23] în special prin crearea de senzații de alimente și pofta de droguri [24], iar medicamentele și alimentele exercită efectele lor de întărire prin creșterea dopaminei în regiunile limbice. Pacienții cu tulburări de dependență prezintă o valoare inițială mai scăzută D2 receptor (D2R) în striatum și eliberarea dopaminei blunt după administrarea medicamentului de abuz. Similar cu medicamentele de abuz, consumul de alimente este asociat cu eliberarea de dopamină în striatul dorsal la subiecții sănătoși, iar cantitatea de dopamină eliberată este corelată pozitiv cu evaluările plăcutității alimentelor [12]. Similar pacienților cu tulburări de dependență, subiecții obezi prezintă un nivel scazut de bază la nivelul striatal D2R, care este direcțional proporțională cu IMC [11].

Deși sensibilitatea modificată a circuitului de recompensă poate fi un factor critic care explică obezitatea, rămâne eluziv modul în care exact circuitul de recompensare contribuie la funcțiile de recompensare anticipată legate de alimentație la persoanele obeze. În primul rând, demonstrațiile anterioare ale răspunsurilor circuitului de recompensă crescute la alimentele cu subiecți cu greutate normală și obezi [10], [19] nu au abordat diferențele în activitatea tonică de bază a circuitului de recompensă din creier. Reducerea semnificativă a metabolismului glucozei în cortexul prefrontal prezice scăderea dopaminei D striatale2 densitatea receptorilor - un semn distinctiv al circuitului de recompensă neregulat - la subiecții obezi [17]. Cu toate acestea, dacă activitatea tonică a rețelelor neuronale care procesează recompensa anticipată prezice răspunsuri funcționale la indiciile alimentare externe este necunoscută. În al doilea rând, doar o mână de studii au luat o abordare la nivel de sistem pentru a testa dacă obezitatea ar altera conectivitatea funcțională a circuitului de recompensă. În timp ce un studiu recent privind imagistica la oameni sănătoși a demonstrat că conectivitatea în cadrul circuitului recompensat uman depinde de sensibilitatea individuală față de indiciile alimentare externe [22], altul care implică indivizi obezi și cu greutate normală a sugerat că obezitatea este asociată în mod specific cu conectivitate funcțională deficitară de la amigdala la cortexul orbitofrontal (OFC) și conectivitate sporită de la OFC la striatum ventral [25]. Cu toate acestea, mecanismele neuronale exacte care stau la baza acestor schimbări funcționale rămân necunoscute.

În acest studiu am aplicat imagistica multimodală a creierului prin combinarea [18F] FDG PET cu un experiment fMRI care implică o recompensă anticipată indusă de prezentarea de imagini apetisante și de alimente proaste. Rețineți că, deși nu s-au dat niciodată recompense participanților, folosim termenul "recompensă anticipativă" din motive de concisitate, deoarece vizionarea obiectivelor extrem de satisfăcătoare, cum ar fi alimentele, induce în mod fiabil răspunsuri anticipative de recompensă în striatum ventral, livrat [21]. S-a stabilit că utilizarea glucozei este strâns asociată cu frecvența de vârf [26], prin urmare, ratele metabolismului glucozei pot fi folosite pentru a măsura activarea tonică a creierului în timpul odihnei. Prin utilizarea clemei hiperinsulinemice primate [27] în timpul scanării PET, am reușit să comparăm metabolismul glucozei cerebrale al persoanelor obeze și cu greutate normală într-o situație în care corpul este într-o stare sățioasă în ceea ce privește semnalizarea insulinei. Experimentul fMRI ne-a permis să comparăm dacă indivizii obezi și cei cu greutate normală diferă atât în ​​ceea ce privește răspunsurile regionale ale creierului, cât și conectivitatea eficientă a circuitului de recompensă în timpul vizualizării alimentelor apetisante vs. În cele din urmă, combinarea datelor PET și fMRI ne-a permis să folosim ratele metabolice regionale ale glucozei (GMR) derivate în scanarea PET pentru a prezice răspunsurile creierului la alimentele apetisante din experimentul fMRI.

Materiale și metode

Participanții

Comitetul Etic al Sectorului Spitalului din Finlanda de Sud-Vest a aprobat protocolul de studiu și toți participanții au semnat formulare de consimțământ informate, aprobate de comitetele etice. Studiul a fost realizat în conformitate cu Declarația de la Helsinki. Tabelul 1 prezintă un rezumat al participanților. Grupul obezi a constat din nouăsprezece subiecți morbid obezătoare intacte neurologic (MIndicele de masă corporală (IMC) = 43.87, SDIndicele de masă corporală (IMC) = 6.60). Cinci dintre aceștia au utilizat medicamente antidiabetice orale și au fost excluse din studii PET. Șasezeci de subiecți voluntari cu greutate normală intactă din punct de vedere neurologic au servit ca martori (MIndicele de masă corporală (IMC) = 24.10, SDIndicele de masă corporală (IMC) = 2.07) și au fost corelate cu pacienții cu privire la vârsta, înălțimea și indicii hipertensiunii arteriale (adică presiunea arterială). Tulburările alimentare, tulburările mintale severe și abuzul de substanțe au fost criterii de excludere pentru toți participanții. Un subiect cu greutate normală a fost exclus din analizele de date fMRI datorită mișcării excesive a capului.

Tabelul 1. Caracteristicile participanților.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t001

Măsurători comportamentale

Înainte de experiment, participanții și-au evaluat sentimentul de foame folosind o scală vizuală analogică. După experimentul fMRI, participanții au evaluat valența (plăcere față de neplăcere) a stimulilor experimentali pe un computer folosind manechinul de autoevaluare [28] cu o scară variind de la 1 (neplăcut) la 9 (plăcut).

Achiziționarea și analizele PET

Studiile au fost efectuate după orele de repaus 12. Subiecții s-au abținut de la băuturile care conțin cafeină și de la fumat 24 ore înainte de studii PET. Orice fel de activitate fizică obositoare a fost interzisă din seara precedentă. Două catetere au fost inserate în vene antecubitale, una pentru infuzie de ser fiziologic, insulină și glucoză și injectare de radiotracer [18F] FDG, iar altul în brațul încălzit opus pentru prelevarea probelor de sânge arterializat. Tehnica clemei hiperinsulinemice euglicemice a fost utilizată așa cum s-a descris mai înainte [27]. Rata infuziei de insulină a fost 1 mU · kg-1 · Min-1 (Actrapid, Novo Nordisk, Copenhaga, Danemarca). În timpul hiperinsulinemiei, euglicemia a fost menținută prin infuzarea de glucoză 20% intravenos. Rata infuziei de glucoză a fost ajustată în funcție de concentrațiile de glucoză din plasmă măsurate la fiecare 5-10 min de sânge arterializat. La punctul de timp 100 + -10 minute de clemă hiperinsulinemică euglicemică,18F] FDG (189 ± 9 MBq) a fost injectat intravenos pe 40 secundă și a început scanarea dinamică a creierului pentru 40 min (cadre; 4; 30 s, 3; 60; 7; 300 s); În timpul scanării, au fost extrase probe de sânge arterial pentru analiza radioactivității. Un scaner PET de tip GE Advance (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI, SUA) cu o rezoluție de 4.25 mm a fost utilizat pentru studii PET după cum s-a descris anterior [29], [30]. [18F] FDG s-a sintetizat așa cum s-a descris anterior [31]. Plasma radioactivității a fost măsurată cu un contor gamma automat (Wizard 1480 3 ", Wallac, Turku, Finlanda).

Rata de absorbție a glucozei cerebrale a fost măsurată pentru fiecare voxel separat de scanările PET dinamice așa cum s-a descris anterior [29], [30], cu excepția faptului că a fost utilizată o constanta constanta de 0.8 [32]. Normalizarea și analizele statistice ale imaginilor parametrice ale metabolismului glucozei au fost efectuate cu software-ul SPM 5 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Imaginile parametrice au fost normalizate într-un model intern de metabolism al glucozei în spațiul MNI utilizând transformări liniare și neliniare și netezite cu un sâmbure Gaussian de FWHM de 10 mm. Contrastele t simple pentru imaginile parametrice normalizate au fost utilizate pentru a analiza diferențele de grup în metabolismul glucozei. Pragul statistic a fost stabilit la p <.001, necorectat, cu o dimensiune minimă a clusterului de 100 voxeli adiacenți. Pentru corecții de volum mic (SVC) în datele PET, regiunile de interes a priori definite anatomic în cadrul sistemului de recompensă (nucleul caudat, amigdala, talamusul, insula și cortexul orbitofrontal) au fost definite folosind pickatlasul WFU [33] și AAL [34] atlas.

Proiectare experimentală pentru fMRI

Sunt prezentate pe scurt stimuletele și designul Figura 1. Stimulii au fost digitizarea fotografiilor full-color ale alimentelor apetisante (de exemplu, ciocolata, pizza, friptura), alimentele blande (de exemplu, linte, varza, biscuiti) si masini potrivite cu caracteristicile vizuale la nivel inferior, cum ar fi luminozitatea medie, contrastul RMS si energie. Un eșantion independent de voluntari sănătoși 29 a evaluat valența (neplăcută și plăcută) a stimulilor cu SAM. Analiza ratingurilor de valență (Mapetisant = 6.64, Mblând = 3.93, Mmasini = 4.41) a stabilit că alimentele apetisante au fost apreciate ca fiind mai plăcute decât alimentele blande, t (28) = 10.97, p <001 și autoturisme, t (28) = 7.52, p <001, dar nu au existat diferențe în plăcerea mâncărurilor blande și a mașinilor, t (28) = 1.19.

Figura 1. Proiectare experimentală pentru fMRI și exemple de stimuli utilizați.

Participanții au vizionat alternarea epocii 15.75 de apetisant alimente, mașini și alimente delicioase. Fiecare epocă a constat din șase stimuli experimentali pseudorandomi amestecați cu trei evenimente nul.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g001

În timp ce au fost scanate subiecții vizualizați alternând 15.75-două epoci care conțin șase stimuli dintr-o categorie (alimente apetisante, alimente proaste sau mașini) intermixate cu trei evenimente nul. Pentru a studia prelucrarea implicită a imaginilor alimentare, am folosit scurte durate de afișare a stimulilor și o sarcină comportamentală care nu avea nicio legătură cu valoarea hedonică a stimulilor: O singură încercare a cuprins o prezentare 1000 ms a unei imagini de stimuli, urmată de un contrast scăzut central cruce (750 ms). Evenimentele nulă au inclus o prezentare 1750 ms a unei cruci de contrast scăzut. Stimulatoarele pentru hrană și mașină au fost deplasate ușor spre stânga sau spre dreapta ecranului, iar participanții au fost instruiți să apese butonul din stânga sau din dreapta în funcție de partea în care a fost prezentat stimulul. În studiile nula nu a fost cerut nici un răspuns. Ordinea stimulilor în timpul fiecărei epoci a fost pseudo-randomizată în ceea ce privește tipul de încercare (stimul sau nul), astfel încât nu mai mult de trei studii consecutive au fost de același tip. Această eficiență a designului îmbunătățită cu pseudo-randomizare, păstrând în același timp imprevizibilitatea stimulilor stimulului la participanții naivi [35]. Câmpul vizual al stimulilor a fost randomizat și complet contrabalansat. În total au existat un număr total de studii alimentare 72 (în epoca 12), studiile 72 (în epoca 12) și studiile 144 (în epoca 24). Pentru a maximiza puterea designului și pentru a preveni efectele de transmitere a alimentelor apetisante, ordinea epocilor de stimuli a fost fixată astfel încât epoca stimulilor auto a fost întotdeauna prezentată între epocile de stimulente și de stimulente. Epoca inițială a sarcinii a fost contrabalansată între participanți. Durata totală a sarcinii a fost de 14 minute. Participanții au practicat sarcina în afara scanerului înainte de a începe experimentul fMRI.

Achiziția și analiza fMRI

Sesiunile de scanare au avut loc în jurul dimineții sau la prânz (9 am-2 pm). Participanții au fost instruiți să se abțină să mănânce și să bea doar apă timp de cel puțin trei ore înainte de scanare. Analiza MR a fost efectuată cu ajutorul scanerului Philips Gyroscan Intera 1.5 T CV Nova Dual la centrul comercial Turku. Imagini anatomice de înaltă rezoluție (1 mm3 ) au fost achiziționate utilizând o secvență ponderată T1 (TR 25 ms, TE 4.6 ms, unghi de înclinare 30 °, timp de scanare 376 s). Datele funcționale întregi ale creierului au fost obținute cu secvențe de imagistică ecologică (EPI), sensibile la contrastul semnalului dependent de nivelul de oxigen din sânge (TR = 3000 ms, TE = 50 ms, 90 ° unghi de înclinare, 192 mm FOV, matrice 64 × 64, lățime de bandă 62.5 kHz, grosime 4.0 mm, decalaj 0.5 mm între felii, felii 30 intercalate achiziționate în ordine crescătoare). Au fost achiziționate un număr total de volume funcționale 270, iar primele volume 5 au fost eliminate pentru a permite efecte de echilibrare. Datele au fost preprocesate și analizate utilizând software-ul SPM5 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Imaginile EPI s-au interpolat în timp pentru a corecta diferențele de timp de felie și s-au reglat la prima scanare prin transformări rigide ale corpului pentru a corecta mișcările capului. EPI și imaginile structurale au fost coregranate și normalizate în șablonul standard T1 din spațiul MNI (Montreal Neurological Institute (MNI) - Consorțiul Internațional pentru Cartografierea Brainului) folosind transformări liniare și neliniare și netezite cu un kernel Gaussian de FWHM 8-mm.

Analiza efectelor regionale

Un model de efecte aleatorii asupra întregului creier a fost implementat folosind un proces în două etape (primul și al doilea nivel). Această analiză a efectelor aleatorii a evaluat efectele pe baza varianței între subiecți și a permis astfel inferențe despre populația din care au fost trase participanții. Pentru fiecare participant, am folosit un GLM pentru a evalua efectele regionale ale parametrilor sarcinii asupra indicilor BOLD de activare. Modelul a inclus trei condiții experimentale (alimente apetisante, alimente blande și mașini) și efecte fără interes (parametri de realiniere) pentru a explica variația legată de mișcare. Deriva de semnal de joasă frecvență a fost îndepărtată folosind un filtru de trecere înaltă (cutoff 128 sec) și s-a aplicat modelarea AR (1) a autocorelațiilor temporale. Imaginile de contrast individuale au fost generate folosind contrastul apetisant - alimente blande, precum și pentru efectul principal al alimentelor (adică mâncărurile apetisante și blande împotriva altor efecte de interes). A doua analiză de nivel a folosit aceste imagini de contrast într-un nou GLM și a generat imagini statistice, adică hărți SPM-t. Cu modele echilibrate la primul nivel (adică evenimente similare pentru fiecare subiect, în număr similar), această analiză de al doilea nivel aproximează îndeaproape un design cu efecte mixte adevărate, atât în ​​interiorul, cât și între varianța subiectului. Analiza inițială a relevat că niciunul dintre contrastele de nivel secundar între grupuri nu a fost semnificativ atunci când s-a aplicat corecția strictă a ratei de descoperire falsă (FDR) la p <.05. În consecință, pragul statistic a fost stabilit la p <.005, necorectat, cu o dimensiune minimă a clusterului de 20 voxeli adiacenți pentru comparațiile între grupuri.

Interacțiunea interactivă intelectuală (PPI) în modelul linear general (GLM)

Conectivitatea fiziologică dintre două regiuni ale creierului poate varia în funcție de contextul psihologic [36] cunoscută ca o interacțiune psihofiziologică (IPP). IPP pot fi identificate prin modele lineare generale sensibile la modularea contextuală a covarianței legate de sarcini. Spre deosebire de modelarea dinamică casuală sau modelarea ecuației structurale a conectivității la rețea, PPI nu necesită un model anatomic specificat. Mai degrabă, unul pornește de la o regiune "sursă" și identifică orice alte "voxeli" / clustere "țintă" în creier cu care această sursă are conectivitate dependentă de context. Regiunile țintă nu trebuie să se coreleze doar cu sarcina sau contextul, ci cu interacțiunile dintre acești factori. IPP-urile semnificative nu indică în sine direcția sau neurochimia influențelor cauzale între regiunile sursă și țintă și nici dacă conectivitatea este mediată de conexiunile mono- sau poli-sinaptice și nici modificările neuroplasticității structurale de la epocă la epocă. Cu toate acestea, ele indică interacțiunile dintre sistemele regionale, iar rezultatele PPI sunt în acord cu alte metode de conectivitate, cum ar fi modelarea dinamică cauzală [37].

Corectul nucleu caudat a fost folosit ca regiune sursă pentru analizele de conectivitate pentru contrastul minuscul alimentelor apetisante. Valoarea maximă globală (2, 8, 4) pentru această regiune în contrastul obișnuit față de greutatea normală în analizele de date PET (a se vedea mai jos) a fost utilizată pentru a obține o estimare independentă statistic pentru centrul regiunii sursă; acest lucru păstrează efectiv împotriva "scufundării duble" în selecția regiunii sursă [38], și a permis integrarea teoretic plauzibilă a datelor PET și fMRI. Un ROI sferic cu o rază 10 mm a fost generat în această locație. Seria de timp pentru fiecare participant a fost calculată utilizând primul eigenvariat din toate serii de timp voxel din ROI. Această serie de timp BOLD a fost deconvoltată pentru a estima o "serie de timp neuronală" pentru această regiune folosind parametrii PPI-deconvoluție defaults în SPM5 [39]. Termenul de interacțiune psiho-psihologică (regresor PPI) a fost calculat ca produs element-element al seriilor de timp neuronale ale ROI și un vector care codifică efectul principal al sarcinii (de exemplu, 1 pentru alimentele apetisante, -1 pentru alimentele proaste). Acest produs a fost apoi re-convolved de către funcția canonică de răspuns hemodinamic (hrf). Modelul a inclus, de asemenea, principalele efecte ale sarcinii convolved de hrf, "seria temporală neuronală" pentru fiecare "sursă" și regresorii mișcării ca efecte de interes. Modele de PPI cu tematică [36] au fost executate, iar imaginile de contrast au fost generate pentru PPI-urile pozitive și negative. Această analiză a întregului creier identifică regiuni care au o schimbare mai mare sau mai mică a conectivității cu regiunea sursă în funcție de context (adică, apetisante față de alimentele slabe). Imaginile de contrast au fost apoi introduse în analizele GLM de nivel 2 pentru contrastele de interes și testele SPM generate folosind teoria câmpului aleator Gaussian pentru a face deducții statistice.

REZULTATE

Măsurători comportamentale

Evaluările de valență de stimulare au fost analizate cu ajutorul unui 3 (stimul: alimente apreciabile față de alimente proaste față de mașini) × 2 (grup: obezi vs greutate normală) amestecat cu ANOVA. Acest lucru a arătat că evaluările de valență diferă semnificativ în cadrul categoriilor de stimuli, F (2,60) = 6.01, p = .004, ηp2 = 17, dar au fost similare în grupurile obeze și cu greutate normală (F = 1.46). Comparații multiple cu corecțiile Bonferronni au arătat că participanții au evaluat alimentele apetisante ca fiind mai plăcute decât alimentele blande, t (31) = 4.67, p <001 sau mașini, t (31) = 2.76, p = 01, dar nu au evaluat blandele alimente la fel de plăcute decât mașinile, t (31) = .41. Evaluările foamei au fost, de asemenea, egale între pacienți și grupurile de control (p> 05).

Creierul metabolismului glucozei

Subiecții obezi au prezentat un metabolism de glucoză semnificativ mai mare în nucleul drept caudat decât cei cu greutate normală (X = 4, Y = 8, Z = 4, T = 3.97, p = .03, SVC).Figura 2), dar nu în nici o altă regiune a priori de interes (amigdala, talamus, insula sau cortex orbitofrontal).

Figura 2. Scanările PET cu 2- [18F] FDG în timpul hiperinsulinemiei euglicemice arată că rata metabolică a glucozei (GMR, μmol / 100 g * min) în nucleul drept caudat (X = 4, Y = 8, Z = 4) a fost semnificativ mai mare la subiecții obezi decât la cei cu greutate normală (p<.05, SVC).

Panoul A prezintă harta parametrică statistică a efectului între grupuri, panoul B prezintă valorile GMR subiectului în nucleul caudat.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g002

Efecte regionale în fMRI

Pe toate subiectele, apetisante contrastante față de alimentele proaste au dus la activarea robustă a circuitului de recompensă. Focarele de activare au fost observate în cortexul prefrontal medial, girosca cingulată anterioară, striatum ventral drept, insulă posterioară bilaterală și gyrus cingulat posterior și precuneus (Figura 3, Tabelul 2). Cu toate acestea, analiza între grupuri a arătat că codarea pentru recompensa anticipată a fost condiționată de obezitate. Răspunsurile la toate alimentele (apetisante și blande) au fost mai mari la obezitate decât la subiecții cu greutate normală din amigdala stângă, hipocampul, cortexul cingular posterior și girusul fusiform, precum și cortexul somatosenzorial drept. Cu toate acestea, răspunsurile au fost mai scăzute la pacienții obișnuiți decât la subiecții cu greutate normală din gyrusul frontal superior superior stâng. Tabelul 3 prezintă un rezumat al acestor focare de activare.

Figura 3. Regiunile creierului prezintă un răspuns crescut la alimentele apetisante față de alimentele blande pentru toți subiecții.

Alimentele apetisante au crescut activitatea în cortexul cingulat anterior (ACC) și posterior (PCC), cortexul prefrontal medial (mPFC), nucleul caudat drept (CAUD) și insula bilaterală (INS). Datele sunt reprezentate grafic la p <.005, necorectate pentru inspecție vizuală.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g003

Tabelul 2. Regiunile cerebrale care prezintă un răspuns crescut la mâncărurile apetisante față de cele blande la toți subiecții, p <.05 (FDR corectat).

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t002

Tabelul 3. Diferențele dintre grupuri (obezi vs. greutate normală și greutate normală vs. obezitate) în răspunsurile cerebrale la toate imaginile cu alimente (apetisante și blande), p <.005 (nec.).

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t003

Apoi, am întrebat dacă subiecții obezi ar prezenta răspunsuri funcționale mai mari, în special pentru apetisarea, mai degrabă decât pentru alimentele blande. În acest scop, am aplicat o analiză de interacțiune între grup (greutate obeză, normală) și tip alimentar (apetisant, slab). În concordanță cu prezicerea faptului că obezitatea ar fi asociată cu hiperactivitate în circuitul de recompensă, răspunsul la alimentele apetisante față de alimentele blande în nucleul drept caudat a fost mai mare la persoanele obeze decât la persoanele cu greutate normalăFigura 4a, Tabelul 4). În contrast, subiecții obezi au avut răspunsuri funcționale mai mici la alimentele apetisante față de alimentele slabe decât subiecții cu greutate normală din insula stângă, cortexul lateral lateral, lobulul parietal superior, cortexul orbitofrontal drept și girusul temporal superior (Figura 4b, Tabelul 4). Astfel, subiecții obezi păreau să aibă un dezechilibru în răspunsurile funcționale regionale la recompensa alimentară anticipată: răspunsuri mai mari în nucleul caudat și răspunsuri mai mici în mai multe regiuni corticale frontale

Figura 4. Raspunsuri BOLD diferentiale la alimentele apetisante si slabe la subiectii cu greutate normala si obezi in nucleul caudat si insula anterioara.

Răspunsurile cerebrale la mâncărurile apetisante față de cele blande au fost mai mari în capul nucleului caudat drept (CAUD) al pacienților obezi, în timp ce răspunsurile la alimentele apetisante față de cele blande au fost mai mari în insula anterioară dreaptă (INS) a persoanelor cu greutate normală . Datele sunt reprezentate grafic la p <.005, necorectate pentru inspecție vizuală.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g004

Tabelul 4. Diferențe între grupuri (obezi vs. greutate normală și greutate normală vs. obezi) în răspunsurile cerebrale la mâncărurile apetisante față de cele blande, p <.005 (nec.).

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t004

În cele din urmă, pentru a examina dacă hiperactivitatea tonică a nucleului caudat observată în [18F] scanarea PET FDG ar prevedea o recompensă anormală anticipativă pe fMRI, am extras mai întâi valorile GMR subiect-core în nucleul caudat din imaginile parametrice GMR. Apoi, am folosit aceste valori ca un regresor într-un model de nivelul doi, comparând răspunsurile BOLD cu alimentele apetisante față de alimentele slabe în fMRI. Această analiză a arătat că metabolizarea crescută a glucozei în nucleul caudat a prezis răspunsuri mai mici la apetisant față de alimentele slabe, în special în cortexul frontal lateral drept (Figura 5). Această constatare este în concordanță cu controlul inhibitor insuficient al sistemelor de recompensă subcortică prin cortexul frontal.

Figura 5. Rata metabolică ridicată a glucozei (GMR, μmol / 100 g * min) în nucleul caudat în timpul scanării PET 2- [18F] FDG a fost asociată negativ cu răspunsurile la alimentele apetisante față de alimentele blande în cortexul frontal lateral drept (LFC) în experimentul fMRI.

Panoul A arată regiunea în care sa observat diferența, panoul B prezintă un scatterplot al răspunsurilor GMR și BOLD.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g005

Interacțiuni psihofiziologice

După ce am găsit dovezi pentru un rol central al nucleului caudat în medierea recompensei anticipative anormale la obezitate, am întrebat dacă această regiune a creierului are conectivitate funcțională anormală legată de sarcini la alte regiuni cheie ale creierului, cum ar fi cele ale sistemului limbic. Adică, am întrebat ce regiuni ale creierului ar fi centrale în modularea activității anticipate legate de recompensă în nucleul caudat în timp ce vizionăm mâncăruri apetisante versus blande. Am folosit interacțiuni psihofiziologice pentru a determina conectivitatea funcțională a nucleului caudat, folosind voxelul cu cea mai mare diferență în metabolismul glucozei din datele PET ca centru al regiunii semințelor. Am constatat că subiecții obezi au prezentat o conectivitate semnificativ mai puternică între nucleul caudat drept și amigdala basolaterală dreaptă (X = 33, Y = −5, Z = −16, T = 3.92, p <005, nec.), Cortexul somatosenzorial primar (X = 39, Y = −13, Z = 32, T = 3.63, p <.005, unc.) Și insulă posterioară (X = 30, Y = 14, Z = 18, T = 3.47, p <.005, unc .) decât subiecții cu greutate normală (Figura 6).

Figura 6. Conectivitate eficientă.

Atunci când vizualizați mâncăruri apetisante față de blande, conectivitatea eficientă dintre nucleul caudat drept și amigdala dreaptă (AMY), insula (INS) și cortexul somatosenzorial (SSC) a fost mai mare la obezii decât la subiecții cu greutate normală. Datele sunt reprezentate grafic la p <.005, necorectate pentru inspecție vizuală.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g006

Discuție

Acest studiu relevă căile specifice în care obezitatea modifică răspunsul, precum și conexiunile funcționale ale circuitului de recompensă din creier. Mai exact, rezultatele subliniază un rol central pentru nucleul caudat dorsal, o regiune care promovează învățarea obișnuită și motivația stimulativă, în integrarea diverselor intrări neuronale în procesul de recompensare anticipată a alimentelor. În timpul hiperinsulinemiei obținute cu clemă euglicemică hiperinsulinemică, nucleul caudat dorsal a avut un metabolism bazal mai ridicat al glucozei bazale la subiecții obezi decât la subiecții cu greutate normală. Experimentul fMRI a arătat că, deși subiecții obezi și cu greutate normală au dat auto-rapoarte similare plăcerii stimulilor alimentari, stimulii au provocat modele diferențiale de activare a creierului și modificări ale conectivității între cele două grupuri. Atunci când alimentele apetisante și blande au fost contrastate între ele, nucleul caudat a prezentat un răspuns mai mare la subiecții obezi. În schimb, subiecții obezi nu au reușit să activeze regiuni inhibitoare corticale, cum ar fi cortexul dorsolateral și orbitofrontal, ca răspuns la mâncarea apetisantă; acest fenomen a fost, de asemenea, corelat semnificativ cu un metabolism bazal mai ridicat al glucozei bazale în nucleul caudat dorsal. În cele din urmă, aceeași regiune a nucleului caudat dorsal care a arătat metabolismul ridicat al glucozei la participanții obezi față de greutatea normală a arătat, de asemenea, o conectivitate crescută cu amigdala și insula posterioară la subiecții obezi în timp ce priveau alimente apetisante față de blande. Foarte important, aceste efecte au fost observate în condiții în care participanții nu au acordat în mod deliberat atenție conținutului imaginilor de stimul. În consecință, rezultatele sugerează că prelucrarea implicită a recompenselor indicilor vizuali pentru alimentație este modulată de obezitate, ceea ce poate explica de ce persoanele obeze au probleme cu limitarea consumului alimentar după ce văd alimente bogate în calorii. Cu toate acestea, trebuie să menționăm că este posibil ca participanții să fi fost implicați într-o oarecare măsură în procesarea explicită a recompenselor, chiar dacă sarcina comportamentală a fost independentă de valoarea recompensei pozelor alimentare. În consecință, studiile viitoare trebuie să stabilească dacă indivizii obezi și cu greutate normală ar putea diferi în ceea ce privește procesarea recompenselor implicită față de cea explicită.

 Diferențele regionale în nucleul caudat

Dorsalul nucleu caudat a fost implicat în învățarea, motivația și condiționarea stimulilor obișnuiți, iar studiile imagistice la om sugerează că contribuie la o varietate de funcții legate de semnalizarea și dependența de recompense. Pacienții cu dependență de droguri prezintă o valoare inițială inferioară D2 receptor (D2R) în striatum și eliberarea dopaminei blunt după administrarea medicamentului de abuz [40]. Consumul de alimente este, de asemenea, asociat cu eliberarea de dopamină în striatul dorsal la subiecții sănătoși, iar cantitatea de dopamină eliberată este corelată pozitiv cu evaluarea plăcerii alimentelor [12]. În experimentele cu fMRI, activarea nucleului caudat a fost asociată cu dorința de a se auto-raporta pentru alimente specifice [8], iar subiecții obezi au descoperit că prezintă răspunsuri striate ridicate la imaginile alimentare [10]. Subiecții obezi au redus, de asemenea, nivelul striatal D de bază2R și s-a propus că acest lucru ar putea reflecta reducerea reglării care compensează creșterea frecvenței dopaminei tranzitorii datorită supraestimării perpetuu a circuitului de recompensă prin consumul de droguri sau consumul de alimente [11].

Prin utilizarea clemei hiperinsulinemice am simulat o situație în care organismul se află într-o stare saturată în ceea ce privește semnalizarea insulinei. Deși această abordare nu simulează complet sațietatea fiziologică din cauza lipsei de stimulare orosensorială și a eliberării hormonilor din intestin, s-a arătat că glucoza intravenoasă controlată cu placebo crește markerii hormonali de satietate [41] și activitatea dopaminergică în circuitul de recompensare la bărbați [42]. Am constatat că striatumul dorsal al subiecților obezi rămâne hiperactiv în comparație cu subiecții cu greutate normală în timpul clemei hiperinsulinemice. Deoarece strângerea menține niveluri stabile de glucoză în sânge, metabolismul crescut al glucozei la subiecții obezi în timpul clemei sugerează că nucleul caudat al subiecților obezi poate contribui la poftă de mâncare chiar și atunci când concentrația glucozei din sânge nu poate scădea. Mai mult, datorită implicării sale în învățarea implicită și formarea obișnuită, caudatul poate contribui la procesarea semnalelor de sațietate implicite (periferice) și explicite (vizuale, orosensorii). Aceste semnale ar putea duce ulterior la supraalimentare, chiar dacă organismul nu ar necesita un consum suplimentar de energie.

Sa stabilit că la subiecții obezi, D2Disponibilitatea R în striatum este asociată negativ cu metabolismul glucozei frontale [43]. Datele noastre combinate PET-fMRI au paralel cu aceste rezultate. Când metabolismul glucozei în nucleul caudat a fost utilizat ca regresor pentru modelarea răspunsurilor funcționale la alimentele apetisante față de alimentele slabe în fMRI, am găsit o asociere negativă semnificativă cu metabolismul glucozei în nucleul caudat și în răspunsurile BOLD prefrontalFigura 5). În consecință, eșecul de a angaja mecanismele prefrontale care contribuie la controlul inhibitor și atribuirea de saliență ar putea promova supraalimentarea prin scăderea pragului pentru semnalizarea recompensă indusă de alimente în nucleul caudat. Cu toate acestea, trebuie remarcat și faptul că unele studii anterioare [19] au raportat răspunsuri frontale ridicate la imaginile alimentare la persoanele obeze față de persoanele cu greutate normală. Este posibil ca aceste discrepanțe în cadrul studiilor să reflecte angajamentul dependent de sarcină al cortexului frontal: în timp ce studiul nostru implica prelucrarea implicită a indicațiilor alimentare prezentate pe scurt, Rothemund și colegii au prezentat o prezentare stimulantă relativ lungă cu o sarcină de memorie. Este posibil ca persoanele obeze să nu reușească să activeze circuitele de control cognitiv, în special atunci când nu prelucrează în mod explicit produsele alimentare pe care le vizualizează. În consecință, acest lucru sugerează că chiar și imaginile "nevăzute" sau nesupravegheate în diverse reclame ar putea declanșa urgente puternice pentru a mânca la persoanele obeze.

Conectivitate eficientă a Caudate Nucleus și Amygdala

Amigdala este implicată în stadii incipiente de procesare a premiilor [44], și arată răspunsuri consecvente la prezentările vizuale ale alimentelor [6], [22]. Diferențe individuale atât în ​​ceea ce privește răsplata [21] și greutatea corporală [10] sunt cunoscute pentru a influența răspunsurile amigdale la prezentările vizuale ale alimentelor. În studiul de față am constatat, de asemenea, că răspunsurile amigdale la alimente au fost ridicate la subiecții obezi. Mai mult, când au fost inspectate modele de conectivitate eficace (IPP) ale nucleului caudat, am constatat că conectivitatea nucleului caudat și amigdala ipsilaterală a fost crescută la subiecții obezi. În general, aceste date sunt în concordanță cu constatările anterioare ale subiecților cu greutate normală, care arată că o conectivitate eficientă între amigdală și strat este influențată de diferențele individuale în dorința de a mânca la vederea alimentelor ("sensibilitate alimentară externă" [22]. Cu toate acestea, în timp ce studiile anterioare au constatat că în special striatumul ventral este implicat în anticiparea recompensei [21] și că cuplarea dintre striatum ventral (nucleul accumbens) și amigdala este influențată de sensibilitatea externă la alimentație [22], am constatat că obezitatea a influențat legătura dintre amigdala și părțile mai dorsale ale nucleului caudat. Dovezile cu privire la rolul striatumului dorsal în procesarea recompensării sunt destul de amestecate, unele studii leagă-l de prelucrare anticipativă [45] și alții la consumator [46] recompense. Cu toate acestea, rolul striatumului dorsal în asocierea rezultatelor acțiunii-rezultat pentru recompense potențiale este mult mai bine stabilit [47], [48]. În consecință, propunem ca expunerile repetate la alimentele gustoase în obezitate să ducă la asociații și preferințe puternice în ceea ce privește stimularea alimentelor și recompensele și implicit implicate în evaluarea rezultatelor privind recompensele potențiale la persoanele obeze, astfel modulând interconectivitatea dintre amigdala și striatumul dorsal la vedere alimente.

Interpretarea unui IPP semnificativ este că există o implicare diferențiată a conexiunilor anatomice ca o funcție a contextului psihologic. Deși PPI nu poate fi folosit pentru a arăta dacă există sau nu astfel de conexiuni, este probabil ca PPI-urile pe care le-am observat să reflecte schimbările în angajarea conexiunilor anatomice directe între regiunile de sămânță și țintă, deoarece astfel de conexiuni anatomice directe între striatum și amigdală sunt suportate prin urmărirea studiilor la alte primate [49], [50]. Cu toate acestea, PPI nu pot fi folosite pentru a deduce directivitatea conectivității observate, prin urmare, nu putem spune dacă i) metabolismul crescut al glucozei în nucleul caudat crește conectivitatea dintre nucleul caudat și amigdala sau ii) creșterea cantității de inputuri din amigdala crescând metabolismul glucozei în nucleul caudat.

Amygdala neuronii facilitează o recompensă care caută prin proiecțiile lor la striatum [44]. Stimularea receptorilor m-opioizi în striatum declanșează supraalimentarea, dar acest lucru poate fi blocat prin inactivarea amigdalei [51], [52]. În consecință, conectivitatea ridicată a amigdo-striatal poate duce la creșterea tonică a activității nucleului caudat, care ar putea fi mecanismul critic care explică supraalimentarea în obezitate. Luate impreuna, amigdala ar putea fi implicata in recompensa alimentara anticipata atribuindu-si valenta emotionala apetisantelor indiciilor alimentare si influentand obiceiurile de alimentatie invatate si compulsive prin conectivitate sporita cu nucleul caudatului dorsal.

Conectivitate eficientă a Caudate Nucleus și Insula

Analizele PPI au arătat că interconectivitatea dintre striatul dorsal și insula posterioară a fost crescută în subiecții obezi față de cei cu greutate normală, în timp ce răspunsurile regionale la alimentele apetisante față de alimentele slabe din insula anterioară au fost mai mici la subiecții obezi. Insula anterioară integrează semnalele autonome și viscerale în funcții motivaționale și emoționale, în timp ce insula posterioară se crede că stă la baza integrării somatosenzoriale, vestibulare și motorii, precum și monitorizarea stărilor corporale [53]. Lucrările recente arată, de asemenea, că semnalarea somatosenzorală în insulă poate contribui în mod semnificativ la dependență, în special cu nevoia de a consuma drogul de abuz (a se vedea revizuirea din ref. [53]). Studiile anterioare privind PET și fMRI au legat insula de prelucrarea plăcerii indiciilor alimentare externe [8], [9], [46], dar semnalele periferice, cum ar fi leptina, influențează de asemenea răspunsul insular la vederea alimentelor. La adulții cu deficit de leptină, răspunsurile insulare la alimentele apetisante sunt mai mari în timpul deficienței de leptină decât în ​​timpul înlocuirii leptinei [54]. Mai mult, la subiecții obezi cu deficiență de leptină, înlocuirea leptinei atenuează răspunsurile insulare la vizualizarea alimentelor apetisante [55]. Pe măsură ce insula procesează atît indiciile interne (adică hormonale), cît și externe (vizuale) legate de alimente [56], perturbările în această integrare a indiciilor interne și externe pot face subiecții obezi mai predispuși la supraîncălzirea la vederea alimentelor datorită conectivității ridicate de la insula și striatum dorsal. Deoarece insula posterioară este implicată în monitorizarea stărilor corporale, conectivitatea îmbunătățită dintre insula posterioară și nucleul caudatului dorsal ar putea implica faptul că reprezentările rechemate ale stărilor somatice postprandială de către insulă ar putea întări potențial comportamentele de hrănire prin învățarea stimulentelor subservată de nucleul caudatului dorsal [18]. În concordanță cu această noțiune, nucleul caudat a arătat, de asemenea, o conectivitate mai mare a sarcinii cu cortexul somatosenzorial în obezitate, confirmând că simpla indicație vizuală a alimentelor poate declanșa senzații somatice asociate cu alimentația. Aceste senzații pot promova în continuare hrănirea chiar și în absența semnalelor fiziologice ale foamei [15]. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că unele studii anterioare au constatat răspunsuri insulare anterioare ridicate la recompensele așteptate și consumatoare de alimente în rândul persoanelor obeze, mai degrabă decât în ​​cele slabe [10], [57]. Deși nu avem o explicație clară a acestor constatări discrepante, este posibil ca acestea să reflecte diferențe în populațiile obeze obezi implicate în studii, cum ar fi consumul de istorie și obiceiuri, precum și factori genetici și hormonali.

Limitări și direcții viitoare

O limitare evidentă a studiului prezent a fost că, în ciuda unei dimensiuni mari a eșantionului (n = 35), comparațiile între grupuri pentru datele fMRI nu au fost semnificative atunci când au fost corectate pentru comparații multiple. Deși diferențele dintre grupuri au fost observate în regiunile previzionate, trebuie să se acorde o atenție sporită la interpretarea constatărilor. Mai mult, trebuie subliniat faptul că nu am reușit să definim pe deplin mecanismul psihologic exact care are ca rezultat răspunsurile crescute ale creierului la imaginile alimentare la persoanele obeze. Deși am obținut evaluări privind plăcerea ("plăcerea") percepută a alimentelor, acestea au fost similare pentru persoanele obeze și greutate normală. În consecință, este foarte puțin probabil ca preferințele crescute ale alimentelor apetisante în obezitate să contribuie la diferențele dintre răspunsurile cerebrale. Cu toate acestea, s-ar putea specula că dorința de alimentație, mai degrabă decât de preferință, ar putea fi factorul cheie care modulează răspunsurile cerebrale la imaginile alimentare în obezitate. În susținerea acestei ipoteze, sa arătat că, deși alimentele obeze și cele cu greutate normală "asemănătoare" indivizilor, în mod similar, poftele provocate de stres sunt mult mai mari la persoanele obeze [58]. În viitoarele studii funcționale de imagistică, ar fi imperativ să se delimiteze răspunsurile "dorinței" și "plăcerile" la alimentele persoanelor obeze față de persoanele cu greutate normală. Mai mult, dat fiind faptul că răspunsurile de poftă sunt mediate de legătura dopaminergică a circuitului de recompensă, [24], ar fi imperativ să se efectueze studii combinate de neurotransmițător-PET-fMRI în care s-ar putea testa dacă, de exemplu, disponibilitatea dopaminei striatale la persoanele obeze față de cele slabe prezice răspunsurile circuitului de recompensă la stimularea externă cu alimente.

Concluzie

Afirmăm că obezitatea este asociată cu metabolismul crescut al glucozei din nucleul caudat, precum și de răspunsurile regionale modificate și de conectivitatea modificată a circuitului de recompensă atunci când se văd apetisante față de alimentele slabe. Aceste date paralele cu constatările privind funcționarea modificată a creierului în tulburările de dependență și susțin ideea că obezitatea poate împărți un substrat neuronal comun cu dependențe [2], [59]. În mod specific, sensibilitatea sporită la indiciile alimentare externe în obezitate poate implica învățarea anormală a răspunsului la stimulente și motivația stimulentelor subservată de nucleul caudatului dorsal, care la rândul său poate fi cauzată de intrarea anormal de mare din insula amigdală și posterioară și controlul inhibitor disfuncțional pe partea frontală regiunile corticale. Aceste modificări funcționale în reactivitatea și interconectivitatea circuitului de recompensă și a sistemelor de control cognitiv ar putea fi un mecanism critic care explică supraalimentarea în obezitatey.

recunoasteri

Studiul a fost realizat în cadrul Centrului de excelență finlandeză în imagistica moleculară în domeniul cercetării cardiovasculare și metabolice, susținut de Academia Finlandei, Universitatea din Turku, Spitalul Universitar din Turku și Universitatea Academică din Åbo. Mulțumim radiografilor Centrului PET Turku pentru ajutorul acordat pentru achiziția de date, precum și participanților noștri pentru a face acest studiu posibil.

Contribuțiile autorului

 

Concepute și proiectate experimentele: LN JH PN. Efectuarea experimentelor: LN JH JCH HI MML PS. Analiza datelor: LN JH JCH HI. Scrierea hârtiei: LN JH PN.

Referinte

OMS (2000) Obezitatea: prevenirea și gestionarea epidemiei globale. Raportul unei consultări a OMS. World Health Organ Rep. Ser 894: i-xii, 1-253. Găsiți acest articol online

Volkow ND, Wise RA (2005) Cum poate dependenta de droguri sa ne ajute sa intelegem obezitatea? Natura Neuroștiințe 8: 555-560. Găsiți acest articol online

Berridge KC (1996) Recompensa alimentară: substraturile creierului de a vrea și de a plăcea. Neuroștiințe și recenzii biobehaviorale 20: 1-25. Găsiți acest articol online

Ikemoto S, Panksepp J (1999) Rolul nucleului accumbens dopamină în comportamentul motivat: o interpretare unificatoare, cu referire specială la căutarea de recompense. Cercetările creierului 31: 6-41. Găsiți acest articol online

Kelley AE (2004) Controlul striatal ventral al motivației apetisante: Rolul comportamentului ingerator și învățarea bazată pe recompense. Neuroștiințe și recenzii biobehaviorale 27: 765-776. Găsiți acest articol online

Killgore WDS, Young AD, Femia LA, Bogorodzki P, Rogowska J, și colab. (2003) Activarea corticală și limbică în timpul vizualizării alimentelor cu conținut ridicat de calorii și scăzut. NeuroImage 19: 1381-1394. Găsiți acest articol online

LaBar KS, Gitelman DR, Parrish TB, Kim YH, Nobre AC, și colab. (2001) Foamea modulează selectiv activarea corticolimbică la stimulii alimentari la om. Neuroștiințe comportamentale 115: 493-500. Găsiți acest articol online

Pelchat ML, Johnson A, Chan R, Valdez J, Ragland JD (2004) Imagini ale dorinței: activarea alimentelor în timpul fMRI. NeuroImage 23: 1486-1493. Găsiți acest articol online

Wang GJ, Volkow ND, Telang F, Jayne M, Ma J și colab. (2004) Expunerea la stimuli alimentari apetisanți activează în mod semnificativ creierul uman. Neuroimage 21: 1790-1797. Găsiți acest articol online

Stoeckel LE, Weller RE, Cook EW Iii, Twieg DB, Knowlton RC, și colab. (2008) Activitate pe scară largă a sistemelor de recompensare la femeile obeze ca răspuns la fotografiile cu alimente bogate în calorii. NeuroImage 41: 636-647. Găsiți acest articol online

Wang GJ, Volkow ND, Logan J, Pappas NR, Wong CT, și colab. (2001) Dopamina creierului și obezitatea. Lancet 357: 354-357. Găsiți acest articol online

Mic DM, Jones-Gotman M, Dagher A. (2003) Eliberarea dopaminei induse de hrănire în striatul dorsal se corelează cu evaluările plăcute ale meselor la voluntari sănătoși. NeuroImage 19: 1709-1715. Găsiți acest articol online

Kelley AE, Berridge KC (2002) Neuroștiința recompenselor naturale: Relevanța față de drogurile dependente. Jurnalul de Neuroștiințe 22: 3306-3311. Găsiți acest articol online

Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Telang F (2008) Circuite neuronale suprapuse în dependență și obezitate: evidențierea patologiei sistemelor. Tranzacții filosofice ale Societății Regale B-Științe biologice 363: 3191-3200. Găsiți acest articol online

Cornell CE, Rodin J, Weingarten H (1989) Mâncarea indusă de stimulent atunci când este saturată. Physiol Behav 45: Găsiți acest articol online

Koob GF, Volkow ND (2010) Neurocircuitarea dependenței. Neuropsihopharmacologie 35: 217-238. Găsiți acest articol online

Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK, și colab. (2008) Receptorii D2 ai dopaminei slabi sunt asociați cu metabolismul prefrontal la subiecții obezi: Factori posibili care contribuie. NeuroImage 42: 1537-1543. Găsiți acest articol online

Verdejo-Garcia A, Bechara A (2009) O teorie a dependenței markerului somatic. Neurofarmacologie 56: 48-62. Găsiți acest articol online

Rothemund Y, Preuschhof C, Bohner G, Bauknecht HC, Klingebiel R, și colab. (2007) Activarea diferențială a striaturii dorsale prin stimuli vizibili de calorii vizuale cu calorii la persoanele obeze. NeuroImage 37: 410-421. Găsiți acest articol online

Franken IHA, Muris P (2005) Diferențele individuale privind sensibilitatea la recompensă sunt legate de dorința de alimentație și de greutatea relativă a corpului la femei sănătoase. Apetitul 45: 198-201. Găsiți acest articol online

Beaver JB, Lawrence AD, van Ditzhuijzen J, Davis MH, Woods A, și colab. (2006) Diferențele individuale în unitatea de recompensare prezic răspunsurile neuronale la imaginile alimentelor. Jurnalul de Neuroștiințe 26: 5160-5166. Găsiți acest articol online

Passamonti L, Rowe JB, Schwarzbauer C, Ewbank MP, von Hagen E, și colab. (2009) Personalitatea prezice răspunsul creierului la vizualizarea alimentelor apetisante: baza neuronală a unui factor de risc pentru supraalimentare. J Neurosci 29: 43-51. Găsiți acest articol online

Dagher A (2009) Neurobiologia apetitului: foamea ca dependență. Jurnalul Internațional de Obezitate 33: S30-S33. Găsiți acest articol online

Berridge KC, Ho CY, Richard JM, DiFeliceantonio AG (2010) Creierul tentat mănâncă: circuite de plăcere și dorință în obezitate și tulburări de alimentație. Cercetarea creierului 1350: 43-64. Găsiți acest articol online

Stoeckel LE, Kim J, Weller RE, Cox JE, Cook EW Iii, și colab. (2009) Conectivitate eficientă a unei rețele de recompense la femeile obeze. Brain Research Bulletin 79: 388-395. Găsiți acest articol online

Sokoloff L (1999) Energetica activării funcționale în țesuturile neuronale. Cercetări neurochimice 24: 321-329. Găsiți acest articol online

DeFronzo RA, Tobin JD, Andres R (1979) Tehnica clemelor de glucoză: o metodă pentru cuantificarea secreției de insulină și a rezistenței. AmJPhysiol 237: E214-E223. Găsiți acest articol online

Bradley MM, Lang PJ (1994) Măsurarea emoției - Manechinul de autoevaluare și diferențialul semantic. Journal of Behavior Therapy and Experimental Psychiatry 25: 49-59. Găsiți acest articol online

Kaisti KK, Langsjo JW, Aalto S, Oikonen V, Sipila H, și colab. (2003) Efectele sevofluranului, propofolului și oxidului de azot adjuvant asupra fluxului sanguin cerebral regional, consumului de oxigen și volumului sanguin la om. Anesteziologie 99: 603-613. Găsiți acest articol online

Kaisti KK, Metsahonkala L, Teras M, Oikonen V, Aalto S, și colab. (2002) Efectele nivelelor chirurgicale ale anesteziei propofolului și sevofluranului asupra fluxului sanguin cerebral la subiecții sănătoși studiați cu tomografie cu emisie de pozitroni. Anesteziologie 96: 1358-1370. Găsiți acest articol online

Hamacher K, Coenen HH, Stocklin G (1986) Sinteza stereospecifică eficientă a 2- [F-18] -Fluoro-2-deoxi-D-glucoză adăugată fără transport, utilizând substituția nucleofilă suportată de amino-polieter. Jurnalul de Medicină Nucleară 27: 235-238. Găsiți acest articol online

Graham MM, Muzi M, Spence AM, O'Sullivan F, Lewellen TK și colab. (2002) FDG a constatat o constantă în creierul uman normal. Jurnalul de Medicină Nucleară 43: 1157-1166. Găsiți acest articol online

Maldjian JA, Laurienti PJ, Kraft RA, Burdette JH (2003) O metodă automată de interogare a seturilor de date fMRI pentru interogarea neuroanatomică și cytoarchitectonică bazată pe atlas. Neuroimage 19: 1233-1239. Găsiți acest articol online

Tzourio-Mazoyer N, Landeau B, Papathanassiou D, Crivello F, Etard O, și colab. (2002) Etichetarea automată anatomică a activărilor în SPM utilizând o parcellare macroscopică anatomică a creierului cu un singur subiect MRI MRI. Neuroimage 15: 273-289. Găsiți acest articol online

Amaro E, Barker GJ (2006) Proiectarea studiului în RMN: Principii de bază. Creierul și cunoașterea 60: 220-232. Găsiți acest articol online

Friston KJ, Buechel C, Fink GR, Morris J, Rolls E, și colab. (1997) Interacțiuni psihofiziologice și modulaționale în neuroimaging. NeuroImage 6: 218-229. Găsiți acest articol online

Passamonti L, Rowe JB, Ewbank M, Hampshire A, Keane J, și colab. (2008) Conectivitatea din cingula ventrală frontală la amigdala este modulată de motivația apetitătoare ca răspuns la semnalele faciale de agresiune. NeuroImage 43: 562-570. Găsiți acest articol online

Kriegeskorte N, Simmons WK, Bellgowan PSF, Baker CI (2009) Analiza circulară în sistemele de neuroștiințe: pericolele dublei scufundări. Natura Neuroștiințe 12: 535-540. Găsiți acest articol online

Gitelman DR, Penny WD, Ashburner J, Friston KJ (2003) Modelarea interacțiunilor regionale și psihofiziologice în fMRI: importanța deconvoluției hemodinamice. NeuroImage 19: 200-207. Găsiți acest articol online

Volkow ND, Fowler JS, Wang GJ, Swanson JM (2004) Dopamina in consumul de droguri si dependenta: rezultate din studiile imagistice si implicatiile tratamentului. Molecular Psihiatrie 9: 557-569. Găsiți acest articol online

Haltia LT, Savontaus E, Vahlberg T, Rinne JO, Kaasinen V (2010) Modificări hormonale acute după provocarea intravenoasă a glucozei la subiecții umani slabi și obezi. Jurnal scandinav de investigații clinice și de laborator 70: 275-280. Găsiți acest articol online

Haltia LT, Rinne JO, Merisaari H, Maguire RP, Savontaus E, și colab. (2007) Efectele glucozelor intravenoase asupra funcției dopaminergice în creierul uman in vivo. Synapse 61: 748-756. Găsiți acest articol online

Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK, și colab. (2008) Receptorii D2 ai dopaminei slabi sunt asociați cu metabolismul prefrontal la subiecții obezi: Factori posibili care contribuie. NeuroImage 42: 1537-1543. Găsiți acest articol online

Ambroggi F, Ishikawa A, Fields HL, Nicola SM (2008) Neuronii bazilateral amigdali facilitează comportamentul de căutare a recompenselor prin neuronii nucleului accumbens excitant. Neuron 59: 648-661. Găsiți acest articol online

Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Logan J, Jayne M, și colab. (2002) Motivația alimentară "nonedonică" la oameni implică dopamina în striatum dorsal și metilfenidatul amplifică acest efect. Synapse 44: 175-180. Găsiți acest articol online

Mic DM, Zatorre RJ, Dagher A, Evans AC, Jones-Gotman M (2001) Modificări ale activității creierului legate de consumul de ciocolată - De la plăcere la aversiune. Creierul 124: 1720-1733. Găsiți acest articol online

O'Doherty J, Dayan P, Schultz J, Deichmann R, Friston K și colab. (2004) Role disociabile de striatum ventral și dorsal în condiționarea instrumentală. Știință 304: 452-454. Găsiți acest articol online

Balleine BW, Delgado MR, Hikosaka O (2007) Rolul striatumului dorsal în răsplată și luarea deciziilor. Jurnalul de Neuroștiințe 27: 8161-8165. Găsiți acest articol online

Russchen FT, Bakst I, Amaral DG, Preț JL (1985) Proiecțiile amigdalostriatale în maimuță - un studiu de urmărire anterogradă. Brain Research 329: 241-257. Găsiți acest articol online

Friedman DP, Aggleton JP, Saunders RC (2002) Compararea proiecțiilor hipocampale, amigdale și perirhinale cu nucleul accumbens: Studiu combinat anterograd și retrograd de urmărire în creierul macacilor. Jurnalul de Neurologie Comparativă 450: 345-365. Găsiți acest articol online

Will MJ, Franzblau EB, Kelley AE (2004) Amigdala este critică pentru consumul de grăsime mediată de opiacee. Neuroreport 15: 1857-1860. Găsiți acest articol online

Baldo BA, Alsene KM, Negron A, Kelley AE (2005) Hiperfagia indusă de inhibarea mediată de receptorul GABAA a cochiliei nucleului accumbens: dependența de ieșirea neuronală intactă din regiunea amigdală centrală. Neuroștiințe comportamentale 119: 1195-1206. Găsiți acest articol online

Naqvi NH, Bechara A (2009) Insula ascunsă a dependenței: insula. Tendințe în neuroștiințe 32: 56-67. Găsiți acest articol online

Baicy K, Londra ED, Monterosso J, Wong ML, Delibasi T, și colab. (2007) Înlocuirea leptinei modifică răspunsul creierului la indiciile alimentare la adulții cu deficit de leptină genetică. Procesele Academiei Naționale de Științe 104: 18276-18279. Găsiți acest articol online

Rosenbaum M, Sy M, Pavlovich K, Leibel RL, Hirsch J (2008) Leptina inversează modificările induse de pierderea în greutate în răspunsurile activității regionale neuronale la stimulii alimentari vizuale. Jurnalul de Investigații Clinice 118: 2583-2591. Găsiți acest articol online

Cornier MA, Salzberg AK, Endly DC, Bessesen DH, Rojas DC, și colab. (2009) Efectele supraproducției asupra răspunsului neuronal la tulburările de alimentație vizuală la subiecții subțiri și cu risc redus. PLoS ONE 4: e6310. Găsiți acest articol online

Stice E, Spoor S, Bohon C, Veldhuizen MG, Mic DM (2008) Relatia dintre recompensa din consumul de alimente si consumul anticipat de alimente pentru obezitate: un studiu functional de imagistica prin rezonanta magnetica. Oficial al psihologiei anormale 117: 924-935. Găsiți acest articol online

Lemmens SG, Rutters F, Born JM, Westerterp-Plantenga MS (în presă) Stresul mărește „dorința” de hrană și aportul de energie la subiecții supraponderali viscerali în absența foamei. Fiziologie și comportament în presă, dovadă corectată.

Nathan PJ, Bullmore ET (2009) De la hedonica gustului la unitatea motivațională: receptorii mu-opioizi centrali și comportamentul hrănit. Jurnalul Internațional de Neuropsihopharmacologie 12: 995-1008. Găsiți acest articol online