Dana M. Small, Alexandra G. DiFeliceantonio
Ştiinţă 25 Jan 2019:
Voi. 363, Ediția 6425, p. 346-347
DOI: 10.1126 / science.aav0556
Semnalele care transmit informații nutriționale de la intestin la creier reglementează întărirea alimentelor și alegerea alimentelor (1-4). În mod specific, deși computațiile centrale neuronale execută o alegere, sistemul nervos intestinal comunică informațiilor despre rezultatele nutriționale ale alegerilor către creier astfel încât reprezentarea valorilor alimentare să poată fi actualizată. Aici, discutăm constatările recente care sugerează fidelitatea semnalului intestinal și reprezentarea rezultată a valorii alimentelor este compromisă de alimentele procesate (3, 4). Înțelegerea acestei axe ar putea informa despre comportamentul alimentării cu alimente prelucrate și despre obezitate.
În 1947, experimentele în care rozătorii au fost hrăniți cu diete isocalorice care au variat în volum au arătat că rozătoarele titrează exact volumul alimentelor consumate pentru a menține aportul caloric constant în zile, indicând faptul că "șobolanii mănâncă calorii" (5). Acest lucru a implicat faptul că un semnal trebuie să fie generat pentru a comunica valoarea energetică a alimentelor către creier pentru a ghida aportul. Ulterior, alții au confirmat faptul că aceste semnale post-ingerate pot fi întărite, arătând că animalele pot să-și formeze preferințele pentru arome consumate cu calorii în comparație cu cele consumate fără o formă de învățare numită condiționarea aromelor (FNC) (6). Foarte important, FNC apare chiar și în absența stimulării senzoriale orale concomitente, care izolează semnalele post-ingestive ca armament cheie (7). De exemplu, animalele care nu dispun de mecanismele neurobiologice care să transmită gustul dulce formează totuși preferințe pentru apa care conține zaharoză în comparație cu apa singură și acest comportament este însoțit de creșterea dopaminei extracelulare în striatum, o regiune a creierului care este necesară pentru motivație și învățare. Cu toate acestea, în mod critic, perfuzarea agentului antimetabolic 2-deoxiglucoză, care blochează capacitatea celulelor de a utiliza glucoza ca și combustibil, atenuează formarea dopaminei extracelulare și formarea preferințelor (1). Aceste semnale sunt probabil mai degrabă neuronale decât endocrine (adică hormonale), deoarece creșterea dopaminei extracelulare este rapidă după perfuzia intragastrică de glucoză (8). În plus, perfuzarea glucozei, dar nu a glucozei nemetabolizabile la vena portală crește dopamina extracelulară (8). În mod colectiv, acest lucru sugerează că, la animale, stimulul necondiționat care conduce la întărirea zahărului (carbohidraților) este un semnal metabolic produs atunci când celulele utilizează glucoza pentru combustibil; acest semnal este apoi detectat de un mecanism din vena portalului și apoi transmis la nivelul creierului pentru a regla semnalarea dopaminei (a se vedea figura). Natura exactă a semnalului metabolic, senzorul său și modul în care acesta este transmis creierului sunt necunoscute.
Există dovezi că un mecanism similar funcționează la om. Studiile neuroimagistice au stabilit că indicațiile alimentare, care sunt predictive ale caloriilor, activează striatumul la om și că amploarea acestor răspunsuri este reglementată de semnalele metabolice (9). În mod specific, creșterile în plasma de glucoză din sânge după consumarea unei băuturi care conține carbohidrați prezic amploarea răspunsului striatal condiționat la vederea și gustul băuturii. Deoarece glucoza trebuie să fie prezentă ca un combustibil, acest lucru sugerează că la oameni, ca și la animale, armarea carbohidraților depinde de un semnal metabolic asociat cu prezența glucozei. În plus, observațiile la oameni sugerează că reprezentarea cerebrală a semnalelor metabolice este independentă de percepțiile conștiente, cum ar fi preferințele alimentare. Aceleasi raspunsuri striate la indicele de arome de predictie calorica care au fost atat de strâns legate de schimbarile in plasma de glucoza nu au fost legate de preferat evaluat de bauturi de catre participanti. Acest lucru este în concordanță cu studiile neuroimagistice suplimentare care constată că densitatea reală a energiei, și nu densitatea energetică estimată sau preferința evaluată a imaginilor alimentare, prezice disponibilitatea de a plăti pentru alimente și răspunsurile circuitului striat reward (3, 10). Aceste observații sugerează că reprezentarea neuronală a acestor semnale nutriționale de întărire este independentă de percepțiile conștiente despre alimente. O posibilitate intrigantă este aceea că semnalele metabolice sunt generatoare importante de stimulare (felul în care indiciile devin semnificative în mod motivațional) și că căile distincte inițiate de aceste semnale se referă la circuite neuronale,11).
Lipidele reprezintă o altă sursă importantă de energie care este metabolizată diferit de carbohidrații. În consecință, calea prin care valoarea energetică a grăsimii este comunicată creierului diferă. Blocarea oxidării grăsimilor mărește pofta de mâncare și blocarea oxidării glucozei crește pofta de mâncare. Cu toate acestea, vagotomia (chirurgia pentru desprinderea nervului vag) la șoareci doar tulbuște apetitul crescut pentru grăsime, lăsând apetitul glucozei neafectat (12). În mod consistent, cum ar fi glucoza, perfuzia directă a lipidelor în intestin produce o creștere imediată a dopaminei striate extracelulare. Totuși, acest lucru se întâmplă prin intermediul unui mecanism specific al receptorului a (PPARα) activat de proliferator de peroxizomi (2). PPARa este exprimat prin enterocite duodenale și jejunale în intestinul subțire și semnale către nervul vagus prin mecanisme necunoscute. Ca și eliberarea dopaminei striate prin glucoză, creșterea dopaminei este rapidă, ceea ce este în concordanță cu semnalul neural, mai degrabă decât cu cel endocrin. În plus, activarea acestor neuroni senzoriale vagale în intestinul superior care se proiectează la ganglionul drept al nodului, spatele creierului, substantia nigra și striatumul dorsal este suficientă pentru a susține învățarea recompensării (preferința locului) și pentru a elibera dopamina striatală la șoareci13). Indiferent dacă această cale există la om, este neclară și dacă sunt investigate astfel de căi metabolice neuronale aferente (MNA) pentru alte lipide și substanțe nutritive.
Descoperirea că stimulul necondiționat care susține armarea alimentelor este un semnal MNA - cel puțin uneori independent de plăcerea senzorială - este surprinzător. Cu toate acestea, reflecția profundă dezvăluie eleganța acestei soluții. Toate organismele trebuie să obțină energie pentru a supraviețui, iar cele mai multe dintre acestea nu au funcții de creier de ordin superior care să susțină conștiința. Astfel, mecanismul reflectă probabil un sistem conservat conceput pentru a transmite proprietățile nutritive ale produselor alimentare la circuitele centrale din creier care reglează hrănirea independent de conștiință, astfel încât alimentele să fie la fel de consolidate ca și o sursă utilă de energie. În consecință, un transfer de înaltă fidelitate a informațiilor nutriționale de la nivelul intestinului la creier este esențial pentru o estimare precisă a valorii.
Deși este clar că mediul modern alimentar promovează obezitatea și diabetul, controversa înconjoară mecanismele precise prin care se întâmplă acest lucru. Alimentele procesate modern tind să fie dense de energie, sunt proiectate pentru a fi cât mai irezistibile posibil și oferă substanțe nutritive în doze și combinații care nu au fost întâlnite înainte. Deoarece semnalele energetice conduc la armare, dozele crescute pot spori potențialul de întărire și prin urmare a "dependenței" al alimentelor procesate. Cu toate acestea, acestea nu pot fi singurii factori care să contribuie la creșterea diabetului zaharat și a obezității.
Pentru a crește gustul, îndulcitorii non-nutritivi (substanțe fără conținut calorific) sunt adesea adăugați în alimente și băuturi care conțin și zaharuri nutritive și amidonuri. De exemplu, băuturile îndulcite cu zahăr conțin zaharurile nutritive glucoză și fructoză, precum și îndulcitorii non-nutritivi sucraloză și acesulfam K. Iaurturile conțin adesea zaharuri nutritive și îndulcitori ne-nutritivi, cum ar fi extractul de frunze stevia. O scurtă examinare a etichetelor produselor alimentare la un magazin alimentar va dezvălui multe exemple de alimente și băuturi care conțin atât zaharuri nutritive, cât și îndulcitori non-nutritivi. Dimpotrivă, în alimentele neprelucrate, dulceața este proporțională cu conținutul de zahăr și, prin urmare, cu conținutul caloric (energetic) al alimentelor. Dovezi recente sugerează că produsele care conțin o combinație de zaharuri nutritive și îndulcitori non-nutritivi produc efecte metabolice surprinzătoare și de întărire. De exemplu, consumarea unei băuturi 115-kcal va determina efecte termogene mai mari dacă dulceața este "potrivită" cu încărcătura calorică, comparativ cu dacă este prea dulce sau nu este suficient de dulce (4). Deoarece termogeneza indusă de dietă (DIT) este un marker al metabolismului nutrienților și răspunsul metabolic conduce la o armare prin MNA, o băutură cu "caldura" cu conținut scăzut de calorii poate condiționa o mai mare plăcere și un răspuns striatal decât o băutură nesatisfăcută cu calorii "4). Este important faptul că acest efect apare chiar dacă crește glucoza din plasmă. Acest lucru demonstrează că la om, ca și la animale, nu este prezența nutrienților din intestin sau din sânge care conduc armarea, ci mai degrabă generarea unui MNA atunci când substanța nutritivă este folosită ca un carburant care este critic. Mecanismul din spatele acestui efect de "nepotrivire" la om este necunoscut și justifică studiul ulterior. În special, înțelegerea soartei glucozei nemetabolizate și determinarea dacă există implicații pentru diabet și obezitate este o direcție critică viitoare. Ceea ce este clar este că valoarea energetică a băuturilor care conțin zaharuri nutritive și îndulcitori non-nutritivi nu este comunicată cu exactitate creierului, cel puțin în anumite circumstanțe, ceea ce poate duce la generarea unor semnale inexacte nu numai pentru a reglementa recompensa, ci procese precum stocarea energiei și partiționarea nutrienților.
Întărirea semnalelor metabolice către creier
În acest model propus pentru întărirea semnalelor metabolice neuronale aferente (MNA), semnalul pentru grăsime depinde de activarea mediată de PPARα aferente senzoriale vagale care se proiectează la nivelul ganglionului nodos drept, al creierului spate, al substanței nigra și al striaturii dorsale. Semnalul pentru carbohidrați este generat în timpul oxidării glucozei și activează un senzor de vena portal necunoscut, care induce un semnal care activează neuronii dopaminei midbrain proiectând striatum. O rețea corticală independentă integrează semnalele MNA cu valoare conștientă.
GRAFIC: A. KITTERMAN /ŞTIINŢĂ
Un al doilea exemplu de fidelitate compromisă a semnalului intestinal provine dintr-un studiu în care a fost comparată valoarea de armare a alimentelor care conțin în principal grăsimi, în principal carbohidrați sau atât grăsimi, cât și carbohidrați (3). Alimente bogate în grăsimi și carbohidrați nu se găsesc ușor în alimentele neprelucrate, dar sunt adesea obiectul unor pofte alimentare (de exemplu, ciocolată și gogoși). Studiul a demonstrat că, dintr-o gamă de alimente la fel de caloric și plăcut, oamenii vroiau alimente care au avut grăsimi și carbohidrați mai mult decât cele cu grăsimi sau carbohidrați în monoterapie și acest lucru sa reflectat în răspunsurile striatale supra-aditive (3). Acest lucru poate contribui la faptul că unele alimente sunt cravate sau mai irezistibile decât altele și, prin urmare, joacă un rol în supraalimentarea.
Aceste constatări emergente indică două sisteme separabile care determină alegerea alimentelor. Un sistem reflectă în mod direct valoarea nutrițională a alimentelor și se bazează pe semnalele metabolice care ajung în creier (AMN). Acest sistem de detectare a nutrienților pare să joace un rol esențial în reglarea dopaminei striate, determinând valoarea alimentelor și determinând alegerea alimentelor. În cel de-al doilea sistem, percepțiile conștiente, cum ar fi aroma și convingerile legate de conținutul caloric, costul și sănătatea alimentelor, sunt de asemenea factori determinanți importanți în alegerea alimentelor14, 15). Calculul neuronal asociat cu contribuția conștientă la valoare pare să fie diferit de cel legat de semnalele de armare nutritivă ale MNA și de a fi dependent de circuitele din cortexul prefrontal și cortexul insular (9). Determinarea modului în care cele două sisteme interacționează pentru a reglementa comportamentul ingerator și metabolismul nutrienților este un subiect important al cercetării.
Dovezile arată că conținutul nutrițional al alimentelor procesate nu este transmis corect creierului. Acest lucru ridică posibilitatea ca modul în care produsele alimentare sunt preparate și prelucrate, dincolo de densitatea lor energetică sau gustul, afectează fiziologia în moduri neașteptate, care ar putea să promoveze supraîncălzirea și disfuncția metabolică. O înțelegere mai bună a modului în care proprietățile alimentelor procesate interacționează cu calea intestinală este crucială, ca și determinarea faptului dacă astfel de efecte afectează semnalizarea de sațietate, proprietățile de dependență ale alimentelor, sănătatea metabolică și obezitatea. În plus, deși ne concentrăm pe grăsimi și carbohidrați, există probabil căi multiple de semnalizare pentru a transmite o gamă de informații nutritive creierului pentru a ghida alegerea alimentelor - și aceste căi pot fi afectate în mod similar de alimentele procesate.
http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse
Acesta este un articol distribuit în conformitate cu termenii Journals de licență implicită pentru licențe.
Referințe și note
- ↵
- LA Tellez și colab
., J. Physiol. 591, 5727 (2013).
- ↵
- LA Tellez și colab
., Știință 341, 800 (2013).
Rezumat / Text complet gratuitGoogle Academic
- ↵
- AG DiFeliceantonio și colab
., Cell Metab. 28, 33 (2018).
- ↵
- MG Veldhuizen și colab
., Curr. Biol. 27, 2476 (2017).
- ↵
- EF Adolph
Am. J. Physiol. 151, 110 (1947).
- ↵
- GL Holman
, J. Comp. Physiol. Psychol. 69, 432 (1969).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Academic
- ↵
- X. Ren și colab
., J. Neurosci. 30, 8012 (2010).
Rezumat / Text complet gratuitGoogle Academic
- ↵
- L. Zhang și colab
., Față. Integr. Nuerosci. 12, 57 (2018).
- ↵
- IE de Araujo și colab
., Curr. Biol. 23, 878 (2013).
- ↵
- DW Tang și colab
., Psihol. Sci. 25, 2168 (2014).
- ↵
- KC Berridge
, Neurosci. Biobehav. Rev. 20, 1 (1996).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Academic
- ↵
- S. Ritter,
- JS Taylor
Am. J. Physiol. 258, R1395 (1990).
- ↵
- W. Han și colab
., Celule 175, 665 (2018).
- ↵
- TA Hare și colab
., Știință 324, 646 (2009).
Rezumat / Text complet gratuitGoogle Academic
- ↵
- H. Plassmann și colab
., J. Neurosci. 30, 10799 (2010).
Rezumat / Text complet gratuitGoogle Academic
Recunoasteri: Îi mulțumim lui I. de Araujo, A. Dagher, S. La Fleur, S. Luquet, M. Schatzker și M. Tittgemeyer pentru ajutorul acordat în modelarea perspectivei noastre. Recunoaștem pe B. Milner pentru munca sa de pionierat în învățarea implicită.
;
