Магнитно-резонансная томография с улучшенным марганцем для картирования целых показателей активности головного мозга, связанная с потреблением закусочной пищи у крыс, которым кормят libitum (2013)

PLoS One. 2013; 8 (2): e55354. doi: 10.1371 / journal.pone.0055354. Epub 2013 Feb 7.

Hoch T, Kreitz S, Gaffling S, Pischetsrieder M, Гесс А.

Источник

Кафедра химии и фармации, Продовольствие Химия, Центр Эмиля Фишера, Университет Эрланген-Нюрнберг, Эрланген, Германия.

Абстрактные

Не гомеостатическая гиперфагия, которая является основным фактором, связанным с ожирением, связанным с ожирением, связанный при этом молекулярный состав диеты влияет, например, на содержание энергии. Таким образом, конкретные питание такие предметы, как закуска питание может вызвать питание потребление независимо от состояния сытости. Прояснить механизмы, как закуска питание может индуцировать не гомеостатические питание потребление, он был протестирован, если марганец повышенной магнитный резонанс визуализации (MEMRI) подходит для отображение домен все мозг деятельность связанных со стандартными и закуска питание потребление при нормальной поведенческой ситуации. Применение раствора MnCl (2) осмотическими насосами гарантировало, что питание потребление лечение не оказывало существенного влияния. После нормализации z-оценки и неаффинной трехмерной регистрации крысе мозг атлас, значительно отличающиеся значения серого 80 предопределены мозг структуры были записаны в ad неограниченном офсетные крыс после потребление картофельных чипсов по сравнению со стандартной чау на уровне группы. Десять из этих областей ранее были связаны с питание потребление, в частности гиперфагия (например, дорсомедиальный гипоталамус или переднее паравентрикулярное таламическое ядро) или система насыщения (например, дуговидное ядро ​​гипоталамуса или уединенный тракт); Области 27 были связаны с вознаграждением / зависимостью, включая сердцевину и оболочку ядра accumbens, вентральный паллидум и вентральный стриатум (хвостатый и putamen). Одиннадцать районов связанный для сна отображается значительно уменьшенный Mn (2 +) - накопление и шесть областей, связанных с локомотором деятельность показали значительное увеличение накопления Mn (2 +) после потребление картофельных чипсов. Последние изменения были связанный с наблюдаемым значительно более высоким локомотором деятельность, Осмотическая насосная MEMRI оказалась многообещающей методикой для функциональных отображение of все мозг деятельность паттеранами связанный на питание потребление при нормальном поведении.

Введение

Гиперфагия, связанная с кариесом, оказывает значительное влияние на развитие ожирения и связанных с ожирением осложнений в промышленных обществах [1], В то время как гомеостатическая гиперфагия вызвана нарушением гомеостатической системы, которая регулирует голод и сытость, гедоническая гиперфагия довольно независима от сытости [1], Механизмы, однако, не подтверждают физиологическую регуляцию голода и приема пищи. При определенных условиях прием пищи может активировать систему вознаграждения мозга таким образом, чтобы перекомпенсировать гомеостатический контроль аппетита [2], В результате гедонической гиперфагии влияют несколько факторов, таких как эмоциональное состояние потребителя, состояние психического здоровья или лишение сна [1], Кроме того, молекулярный состав пищи и плотность энергии, по-видимому, являются важными факторами в индукции гедонической гиперфагии. Хорошо документировано, что «вкусная пища» может индуцировать гиперфагию у людей и животных [3], [4], Например, эпизоды употребления алкоголя у людей часто включают продукты, богатые жирами или сахарами, или оба [5].

Потребление пищи в состоянии голода сильно вызывает сложную систему вознаграждения в головном мозге, включая прилежащие ядра и вентральный паллидум в брюшном полосатом теле, вентральную тегментальную область в среднем мозге, префронтальную кору, гиппокамп и миндалину [6], Эти схемы активации, скорее всего, связаны с высвобождением допамина, например, в ядре accumbens или дорсальном полосатом [7], [8], [9], процессы, которые также активируются при наркомании [10], Однако в условиях гомеостаза сигналы насыщения вызывают мозговые структуры, такие как хвостовой мозг, гипоталамус, в частности дугообразное ядро, или ядро ​​тянущего солитария, которые ограничивают потребление пищи, например, уменьшая его ценность вознаграждения [6], [11], Было отмечено, что некоторые виды пищи, такие как диета с высоким содержанием жиров или столовой, стимулируют увеличение потребления пищи и / или энергии, приводящее в конечном итоге к ожирению. Например, крысы, которым кормили libitum, которые имели ограниченный доступ к диете в кафетериях, разработали поведение, напоминающее выпивку, в течение периода доступа [10], Таким образом, можно предположить, что некоторые пищевые компоненты могут нарушать регуляцию сытости, приводящую к проглатыванию пищи, независимо от голода.

Интересно, что было показано, что у мышей начальное ожирение, вызванное жиром и потребление калорий, компенсируется после двухнедельного периода [12], Таким образом, было высказано предположение, что хроническое потребление диеты с высоким содержанием жиров снижает полезный эффект пищи, что приводит к дезорганизации схемы питания, которая в конечном итоге приводит к избыточному весу [13].

Чтобы справиться с гедонической гиперфагией как основным фактором ожирения в индустриальных обществах и его последствиями для системы здравоохранения, важно понять церебральные процессы, вызванные определенными типами пищи, связанными с гедоническими эпизодами выпивки. Применение неинвазивных методов визуализации всего мозга, таких как функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) для анализа влияния приема пищи на активность мозга, ограничено в своем классическом, стимулированном стимуле подходом необходимой синхронизацией приема пищи и МРТ. Для мониторинга долгосрочных эффектов на активность мозга применяли МРТ с усилением марганца (MEMRI). Контрастный агент марганца накапливается в активированных структурах головного мозга и отражает интегральную меру активности нейронов [14], [15], [16], MEMRI позволяет отделить анализ активности мозга от измерения МРТ. Для этой цели MnCl2 вводится до измерения МРТ. Ионы марганца (Mn2+) имеют аналогичный ионный радиус и тот же заряд, что и ионы кальция (Ca2+). Следовательно, Mn2+ транспортируется по каналам с кальцием с напряжением в возбудимые клетки. В отличие от Са2+, однако Mn2+ накапливается в клетках пропорционально их активности и может быть впоследствии записана МРТ из-за его парамагнитного характера. Таким образом, активность мозга, связанная с событиями, имевшими место за несколько дней до измерения МРТ, может быть записана. Поэтому основным преимуществом этого метода является возможность распутать стимул (питание) и измерение МРТ. Кроме того, Mn2+ могут быть перенесены путем переноса аксонов в другие области мозга. Основным недостатком Mn2+, однако, является его цитотоксичность, которая может значительно влиять на естественное поведение и ограничивает применение в поведенческих исследованиях. Было показано, что подкожная инъекция MnCl2 в концентрациях, достаточных для МРТ-анализа, привело к постоянному снижению двигательных характеристик и приема пищи, а также к потере веса [17], В последнее время, однако, осмотические насосы были введены в исследования MEMRI. MnCl2 вводят осмотические насосы, которые медленно и непрерывно высвобождают раствор в течение периода времени до семи дней, избегая неблагоприятного воздействия на двигательную активность, но обеспечивая достаточное накопление марганца для МРТ-анализа [17].

В настоящем исследовании была проверена возможность использования аналитического анализа MEMRI с помощью осмотического насоса для сканирования всей активности мозга, связанной с поглощением пищи. Этот метод был применен для распутывания специфических структур активации мозга при приеме картофельных чипсов у крыс, которым кормили ad libitum.

Материалы и методы

1. Заявление о этике

Это исследование проводилось в строгом соответствии с рекомендациями Руководства по уходу и использованию лабораторных животных национальных институтов здоровья. Протокол был одобрен Комитетом по этике экспериментов на животных Университета Эрланген-Нюрнберг (Regierung Mittelfranken, номер разрешения: 54-2532.1-28 / 12). Все операции и МРТ проводились при анестезии изофлураном, и все усилия были направлены на минимизацию страданий.

2. Экспериментальный дизайн и поведенческий анализ

Самцы крыс Wistar (начальный вес 257 ± 21 g, сохраненный в темном / световом цикле 12 / 12 h, приобретенный у реки Чарльз, Сульцфельд, Германия) были случайным образом разделены на две группы (четыре клетки на группу, четыре животных на клетку). Каждая группа получала одну из различных продуктов, дополняющих их стандартные гранулы для чаутов (Altromin 1326, Altromin, Lage, Германия). Группа закусочных продуктов (n = 16, начальная масса тела 258 ± 28 g) получила картофельные чипсы (коммерческие неприправленные соленые картофельные чипсы без добавленных вкусовых смесей или усилителей вкуса, в частности, без глутамата натрия, раздавленного кухонным комбайном) и стандартной группы чаутов (начальный вес тела 256 ± 21 g) получили порошковую стандартную чау (Altromin 1321, n = 16), соответственно. Стандартные чашечные гранулы были предложены ad libitum на протяжении всего курса исследования, тестовая пища (измельченная картофельная чипса или порошкообразная стандартная чау, соответственно), была предложена ad libitum во время фазы обучения и марганцевой фазы дополнительно к стандартным таблеткам чау-чау (см. Рисунок 1 для экспериментального проектирования). Для обучения тестовые продукты были представлены в двух аптеках для продуктов, содержащих идентичные тестовые продукты с правой и левой стороны клетки в течение семи дней (тренировочная фаза), а затем семь промежуточных дней (промежуточная фаза) без тестовых продуктов. Затем осмотические насосы, заполненные хлоридом марганца (MnCl2, см. ниже). За период инъекции капель (семь дней стандартная группа чаунов: 163 ± 5 h, группа закусок 166 ± 4 h) и накопление MnCl2 в мозге крысы (марганцевая фаза) животные имели доступ к тестовой пище, знакомой с этапа обучения. Поскольку стандартные шарики для чау и водопроводная вода были доступны ad libitum на всех этапах исследования, животные не были голодать в любое время во время исследования. Активные структуры головного мозга проверяли MEMRI после этого периода MnCl2 администрация. Во время различных фаз количество проглоченной пищи измерялось дифференциальным взвешиванием раздатчиков пищи два раза в день. Потребление энергии определяли путем умножения значений калорийности тестируемых продуктов на поглощенные количества. Потребление пищи положительно коррелировало с исходной массой тела крыс. Однако корреляция была одинаковой для обоих типов тестовой пищи, и распределение исходной массы тела не сильно различалось между обеими группами.

миниатюрами

Рисунок 1. Дизайн исследования.

Обзор структуры исследования для мониторинга влияния состава пищи на все модели активности мозга с помощью магнитно-резонансной томографии с улучшенным марганцем.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.g001

Кроме того, локомоторная активность, связанная с тестируемыми продуктами, была количественно оценена путем оценки изображений, записанных веб-камерами над клетками (одна фотография за десять секунд) с помощью определенных «подсчетов». Один «счет» был определен как «одна крыса показывает локомоторную активность вблизи раздатчиков пищевых продуктов на одной фотографии». Т-тест учащегося был использован для оценки значительных различий в локомоторной активности крыс в разных группах в течение 24 ч в день с одночасовыми бункерами в течение семи дней в виде среднего количества четырех клеток (животных 16) на группу.

3. Подготовка и имплантация осмотических насосов

Мини-осмотические насосы (Alzet®, модель 2001, Durect Corporation, Купертино, Калифорния, США) использовали для применения контрастного вещества (200 мкл раствора 1 M MnCl2, для молекулярной биологии, BioReagent, Sigma Aldrich, Schnelldorf, Germany) в соответствии с [17], Для использования в МРТ замедлитель потока из нержавеющей стали был заменен микробиологической трубкой PEEK ™ (Scientific Commodities, Lake Havasu City, AZ, USA). Заполненные осмотические насосы инкубировали в изотоническом солевом растворе для 12 h, предшествующего имплантации. В течение семи дней инъекции капель, MnCl2 был высвобожден с расходом 1 мкл h-1.

Во второй половине первого дня фазы марганца (см. Рисунок 1), имплантировали осмотические насосы. Для этой цели животных анестезировали в течение максимального времени 15 минут с изофлураном (первоначально 5% и 1.5% обслуживания, Baxter Deutschland, Unterschleißheim, Germany) в медицинском воздухе, а заполненные насосы были имплантированы в дорзальную подкожную ткань. Затем небольшой разрез закрывали тканевым клеем (Histoacryl®, B. Braun Petzold, Melsungen, Germany).

4. Измерение МРТ

После семи дней марганцевой фазы регистрировали МРТ. Животных анестезировали изофлураном (первоначально 5% в медицинском воздухе) 163 ± 5 h (стандартная группа чаутов) и 166 ± 4 h (группа закусочных) после имплантации осмотических насосов. Анестезия длилась не более 50 минут для каждого животного. После индукции анестезии животных помещали на колыбель внутри магнитно-резонансного томографа (Bruker BioSpec 47 / 40, 200 mT / m, квадратурная поверхностная мозговая катушка). Температура тела животных поддерживалась постоянной при 37 ° C теплой водой, циркулирующей в колыбели. Фиксация головы крысы и непрерывная изофлурановая анестезия обеспечивались «маской для носа» непосредственно под поверхностной катушкой. Во время измерения контролировали жизненно важные функции животных при помощи датчика дыхания, закрепленного под грудью крысы. Для поддержания постоянной частоты дыхания около 60 мин.-1, концентрация изофлюрана была отрегулирована в диапазоне между 1% и 2%.

Измерение проводилось с использованием модифицированной управляемой равновесной последовательности преобразования Фурье (MDEFT): время повторения 4 s, время эха 5.2 мс, время инверсии 1000 ms, с четырьмя сегментами и матрица получения 256 × 128 × 32, матрица восстановления после нуля заполнение 256 × 256 × 64 с разрешением 109 × 109 × 440 мкм, поле зрения 27.90 × 27.90 × 28.16 мм и два средних значения, приводящее к измерению времени 17 min, повторяемого дважды.

Обработка данных 5.

5.1 Регистрация и предварительная обработка изображений.

Чтобы исследовать различия в анатомии / функции мозга, все наборы данных пришлось перенести в общую систему координат. Цель состояла в том, чтобы сопоставить анатомию, не устраняя соответствующих различий. Это было достигнуто с использованием непараметрической нежесткой схемы регистрации, в которой вычислялось поле деформации для шаблонного объема Т, указывающее вектор трансляции для каждого воксела таким образом, чтобы подобие объема деформированной матрицы к эталонному объему R была максимальной.

Метод регистрации оптимизировал энергетический функционал, состоящий из термина данных, измеряющего подобие двух наборов данных при текущем преобразовании (здесь взаимная информация) и член регуляризации, ограничивающий разрешенную деформацию. В нашем случае гладкость деформации обеспечивалась регуляризацией кривизны поля деформации, введенной в [18], Регистрация осуществлялась с использованием пользовательской реализации используемых нежестких компонентов регистрации [19].

Во-первых, все наборы данных, принадлежащие одной группе, были нежестко зарегистрированы на случайно выбранном эталонном объеме этой группы, и были рассчитаны средний объем группы и объем дисперсии. Затем все групповые средние объемы впоследствии нежестко регистрировались в одном из томов, и соответствующее поле деформации применялось к объему дисперсии по группам. Наконец, был рассчитан общий средний объем и объем дисперсии. Морфометрическим анализом на вокселе (VBM) можно было определить значительную (t-статистику) различные активированные области головного мозга между двумя пищевыми группами. Использование voxelwise статистики на зарегистрированных наборах данных также позволило отменить основные контрасты ткани в изображениях, которые были одинаковыми в обеих группах.

Обработка значений серого 5.2 для структурного анализа.

Анализ серого значения на основе этих предварительно зарегистрированных наборов данных был выполнен в Magnan (BioCom GbR, Uttenreuth, Germany). Регистрация на основе поверхности скорректировала каждый набор данных серого значения MEMRI на цифровой атлас мозга крысы, полученный из [20], Затем, чтобы компенсировать незначительные индивидуальные различия в форме, слайды атласа были отрегулированы тонким срезом срезом для каждого набора данных, ориентированного на контуры мозга и желудочковой системы. Цифровой атлас состоял из 166, предварительно выбранных различных структур мозга. Вентральная тегментальная область (VTA) является одной из наименьших структур, оцененных, но имеет большое влияние на полученные результаты. Он имеет объем 0.7914 мм3 на полушарие, т. е. на вокселях 152. В каждом пространственном измерении VTA отбирали более чем 4 вокселей. Поэтому можно было бы избежать частичных объемных эффектов, которые могли бы вызвать серьезные проблемы в нашем анализе. Средние значения серого этих регионов были определены на отдельных наборах данных. Для нормализации серых значений каждого индивидуума, z-баллы вычислялись путем деления разницы между серой величиной каждой отдельной структуры мозга и средней серой величиной всех атласных структур стандартным отклонением серого значения всех атласных структур. Т-тест-студент использовался для оценки значительных различий в структуре мозга между двумя различными группами. Метод комбинированного анализа позволил получить значительные различные области (VBM), а также активность вверх и вниз в соответствующих областях атласа (на основе региона).

Результаты и обсуждение

1. Влияние диеты с закуски (картофельные чипсы) на потребление калорий и локомоторную активность

В настоящем исследовании были изучены специфические модели активности мозга, связанные с потреблением закусок (картофельных чипсов) по сравнению со стандартной чау. Активность мозга, связанная с потреблением конкретного тестового питания, регистрировалась MEMRI, что позволило интегрировать активность мозга в течение семи дней приема пищи (Рисунок 1).

Кроме того, регистрировали потребление пищи и локомоторную активность, зависящую от тестируемого продукта. Во время тренировочной фазы крысы, которых кормили стандартным чау-чау, проявляли непрерывно более низкую активность, чем крысы, которых кормили картофельными чипсами, особенно в темный период цикла темноты / света 12 / 12 h. Потребление картофельных чипов вызвало более высокую активность со значительными различиями в 10 из временных точек 24 на этапе обучения (Рисунок 2A).

миниатюрами

Рисунок 2. Локомоторная активность, связанная с кормлением, при доступе к закускам (картофельные чипсы) или стандартной чау.

Кормовая локомоторная активность крыс при доступе к закускам (картофельные чипсы) или стандартная чау в учебной фазе (А) и марганцевой фазе во время MnCl2 приложение (B). Данные представлены как среднее значение для 16 животных в течение 7 дней на группу. *** p <0.001, ** p <0.01, p * <0.05.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.g002

2. Применение Osmotic Pump-assisted MEMRI для анализа связанных с диетами цепей активности всего мозга

Для анализа активных образцов головного мозга применялся осмотический насос MEMRI. В то время как однократная доза MnCl2 привело к максимальному накоплению 24 h после инъекции, накопление марганца в мозге через осмотические насосы достигло плато через три дня [17], Полученная кумулятивная концентрация Mn2+ было достаточным для функционального отображения, приводящего к аналогичному соотношению сигнал / шум, полученному однократной инъекцией MnCl2, но двигательная активность не была затронута в этих условиях [17], Различия в общем случае Mn2+ распределения из-за различной проницаемости структур мозга к Mn2+ должны быть одинаковыми в обеих группах. Различия Z-Score между группами были использованы для оценки тестовой активности мозга, связанной с пищевыми продуктами, вместо абсолютных значений z-оценки. Следовательно, области мозга, которые были активны в течение семидневного периода фазы марганца, могли регистрироваться с помощью одного измерения МРТ (Рисунок 1), В нашем случае осмотический насос, помогший MEMRI, предоставил всестороннее представление о всей активности головного мозга, вызванной пищевыми продуктами.

В настоящем исследовании была зарегистрирована несколько сниженная общая двигательная активность во время фазы марганца по сравнению с фазой обучения (Рисунок 2B), Это может быть связано с имплантацией и связанным стрессом, с цитотоксичностью марганца или с эффектами привыкания к тестовому продукту. Тем не менее, крысы, питающиеся картофельными чипсами, демонстрировали явно более высокую активность по сравнению с контролем со значительно повышенной активностью в четыре момента времени. Такое поведение было похоже на этап обучения. В противном случае количество проглоченной пищи существенно не изменялось во время фазы марганца по сравнению с фазой обучения как для света 12 h, так и для темного цикла 12 h. Было обнаружено несколько повышенное потребление закусок во время темного цикла 12 h по сравнению со стандартным чау-чаем как в обучении, так и в марганцевой фазе (Рисунок 3A), Это привело к более высокому потреблению энергии через картофельные чипсы по сравнению со стандартной чау. Разница была незначительной в течение 12 h светового периода, но очень значительна в течение темного периода 12 h как во время тренировочной фазы, так и фазы марганца (Рисунок 3B), Таким образом, было сделано заключение, что MnCl2 введение осмотическими насосами является подходящим методом для картирования структур активности в головном мозге, специфичных для различных пищевых продуктов.

миниатюрами

Рисунок 3. Еда и потребление энергии с помощью закуски (картофельные чипсы) и стандартной чау.

Потребление пищи (A) и энергии (B) через закусочную пищу (SF, картофельные чипсы) и стандартную чау-чау (STD) у крыс, которым кормили ad libitum на этапе тренировки (TP) до и в марганцевой фазе (MnP) во время MnCl2 инфильтрация насоса в течение 7 дней. Потребление пищи в час определяли путем дифференциального взвешивания, потребление энергии путем умножения количества съеденной пищи на содержание энергии отдельно в течение 12-часового светового и 12-часового цикла темноты. Показано среднее значение ± стандартное отклонение для 16 животных в каждой группе. *** p <0.001, ** p <0.01, p * <0.05, нс не значимо.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.g003

После нормализации z-показателя данные изображения были проанализированы, с одной стороны, с помощью подхода VBM, что привело - чисто на основе данных - в области мозга, активированные по-разному. (Рисунок 4), С другой стороны, дополнительный анализ на основе регионов с использованием цифрового атласа позволил определить up- and downregulations каждой маркированной атласной структуры.

миниатюрами

Рисунок 4. Значительно различное накопление марганца в головном мозге по отношению к стандартным блюдам или закускам (картофельные чипсы).

В (A) наложение среза реконструированного среднего модифицированного управляемого равновесного набора данных преобразования Фурье (MDEFT) с соответствующим атласным срезом (Bregma -5.28 мм) из атласа Паксиноса показано с одной из самых маленьких проанализированных областей (VTA), отмеченной в желтом. Части (B), (C) и (D) показывают значительно различное накопление марганца в головном мозге крыс, которым кормят ad libitum, с дополнительным доступом к стандартным чау-чау (STD) или закускам (SF, картофельные чипсы), записанным MEMRI. Области головного мозга со значительно более высокой активностью из-за приема закусок в сравнении с потреблением стандартной чау окрашены в красный цвет, области мозга, которые показали значительно более высокую активность после приема стандартной чау в сравнении с потреблением закусок, отмечены синим , Данные обрабатывались методом воксельного статистического анализа. Результаты отображаются в осевом (B), горизонтальном (C) и сагитальном (D) виде.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.g004

Значительно разные значения z были обнаружены в областях мозга 80, когда сравнивали стандартную чау и закуски (картофельные чипсы) (Столы 1, 2, 3, 4), В целом, обе стратегии анализа данных привели к сопоставимым результатам. Дифференциальная активация МЕМРИ наиболее важных структур головного мозга после приема картофельных чипсов по сравнению со стандартной чау показана для отдельных структур головного мозга (Рисунок 5).

миниатюрами

Рисунок 5. Различия в активациях, связанные с закусками (картофельные чипсы) по сравнению с стандартной чау-чау в типичных структурах головного мозга.

Статистика различий в активации из-за приема закуски (картофельные чипсы) по сравнению со стандартной пищей в репрезентативных структурах мозга для моторной цепи (хвостатая скорлупа: CPu), лимбической системы (поясная кора: CgCx), системы вознаграждения (область оболочки прилежащего ядра: AcbSh, центральная область прилежащего ядра: AcbC) и ритм сна / бодрствования (тегментальные ядра: Тег), изображенные в левом столбце на основе справочного атласа. В среднем столбце показаны существенные различия анализа VBM, наложенного на соответствующие стандартные Т2-взвешенные анатомические данные МРТ и метки атласа. В правом столбце показано частичное изменение закуски на стандартную пищу v (значения серого MEMRI) *** p <0.001, ** p <0.01.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.g005

миниатюрами

Таблица 1. Накопление марганца в структурах головного мозга, связанное с потреблением пищи.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.t001

миниатюрами

Таблица 2. Накопление марганца в структурах мозга, связанных с вознаграждением и зависимостью.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.t002

миниатюрами

Таблица 3. Накопление марганца в структурах головного мозга, связанных со сном.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.t003

миниатюрами

Таблица 4. Накопление марганца в структурах головного мозга, связанное с локомоторной активностью.

DOI: 10.1371 / journal.pone.0055354.t004

Достигнутое конечное качество регистрации изображено в Рисунок 4A и Рисунок 5.

3. Влияние закусок (картофельных чипсов) на оплату вознаграждения и насыщенности

В настоящем исследовании поглощение картофельных чипсов привело к разнообразным изменениям в зависимости от структуры, которые суммированы в Столы 1, 2, 3, 4, Было обнаружено значительное увеличение активности ядра и оболочки укусов ядра (правая и левая стороны (R + L)), брюшной глобус pallidus (R + L) и дорсомедиальный гипоталамус (R) и переднее паравентрикулярное таламическое ядро. В то же время дугообразное ядро ​​(L) и солитарный ядро ​​тягового тракта (R) дезактивировались у крыс, которые принимали картофельные чипсы по сравнению с животными, которых кормили стандартным чау. Центральные механизмы, регулирующие потребление пищи и аппетит, были недавно обобщены Harrold et al. и Кенни [4], [21]: гомеостатическая регуляция потребления пищи в основном вызвана сигналами, отражающими дефицит энергии [21], Гедоническое потребление пищи, напротив, похоже, обусловлено активизацией механизмов вознаграждения, превышающих гомеостатическое снижение потребления пищи [21].

Ядро трактат solitarius отвечает за обработку периферических сигналов, которые отражают текущее потребление пищи, такое как расширение желудка или уровень глюкозы в венковой вене, приводящий к дезактивации областей мозга, таких как ядро ​​accumbens, что в конечном итоге приводит к снижению регуляции потребления энергии [4], [22], Инактивация ядрового трактата solitarius «вкусной пищей» может быть опосредована сниженной чувствительностью этой области мозга к гормонам кишечника, [4], Подобно ядровому трактату solitarius, дугообразное ядро ​​гипоталамуса активируется периферическими сигналами, отражающими состояние питания. Он связан с другими областями мозга, такими как паравентральное ядро ​​и дорсомедиальное гипоталамическое ядро, которые контролируют потребление пищи [21], [23], [24], Таким образом, можно предположить, что изменения активности ядра solusarus ядра, дугообразного ядра, дорсомедиального гипоталамуса и паравалентного таламусного ядра, которые наблюдались в этом исследовании, отражают дезактивацию центральных каналов насыщения, что в конечном итоге приводит к потребление калорий, превышающее потребность в энергии.

Кроме того, наблюдалась сильная активация присадок ядра, связанных с потреблением чипсов картофеля. Ядро accumbens является ключевой структурой системы вознаграждения, которая активируется, например, путем награждения лекарств [9], В контексте приема пищи активация ядра accumbens приводит к полезному сигналу, вызывающему гедоническое потребление пищи. Кроме того, значительно повышенная активация при потреблении картофельных чипсов была зарегистрирована в областях, ранее отнесенных к общим системам вознаграждения или зависимости, а именно предлимбической коре (R + L) [25], [26], дорзальная суббулюма (R + L) [27], ядра слоя stria terminalis (L) [28], медиодорального таламуса (R + L) [26], [29], конусообразная кору (R + L) [26], каудат / putamen (вентральный стриатум) (R + L) [26] и островной коры (R + L) [30], Медуордальный таламус и островковая кора также были связаны с обонянием или объединением обонятельного с другим сенсорным входом [31], Caudate и insula также связаны с наркотиками, а также с потреблением пищи [32], Другие структуры мозга, которые были связаны с вознаграждением и зависимостью, показали значительно меньшую активность после приема закусок по сравнению со стандартной чау-чау: [33], межпузырное ядро [34], брюшная тегментальная область (R + L) [35], [36], и брюшная суббулюма (R + L) [37].

Эти результаты показывают, что потребление картофельных чипсов связано с активацией гедонических схем вознаграждения и, параллельно, с инактивацией гомеостатических систем насыщения. Обе схемы также связаны, главным образом, с паравентрикулярным ядром таламуса, который выступает в качестве интерфейса между энергетическим балансом и вознаграждением [38], Таким образом, наблюдаемая картина активации может привести к более высокому потреблению энергии, если есть закуски, такие как картофельные чипсы.

Дальнейшие исследования теперь необходимы для выявления молекулярных компонентов картофельных чипсов, роли плотности энергии, а также периферийных и центральных механизмов, которые приводят к нарушению гомеостатического контроля поглощения энергии.

4. Влияние закусок (картофельных чипсов) на другие мозговые структуры, связанные с потреблением продуктов питания

Кроме того, после потребления закусок (картофельных чипсов) наблюдалась более сильная активация этих структур головного мозга, которые ранее были связаны с потреблением пищи, поведением аппетита и контролем за продуктами питания, такими как инфралимическая кора (R + L) [36], [39], боковой гипоталамус (R) [36], и перегородку (R + L) [40].

Ядра ядра раковых клеток и боковое парабрахиальное ядро ​​(R), которые также были связаны с потреблением пищи, показали значительно сниженную активность после потребления картофельных чипсов по сравнению со стандартной чау [41], Боковое парабрахиальное ядро ​​связано с регуляцией калорийности, пищеварительной наградой, когнитивной обработкой при кормлении [42], но также с потреблением натрия и воды [43], Таким образом, снижение активности этой структуры может быть связано с более высоким содержанием солей картофельных чипсов по сравнению со стандартной чау. Результаты показывают, что из-за его молекулярного состава, который получается, например, при более высокой плотности энергии, картофельные чипсы могут активировать структуры мозга, связанные с наградой, и контроль за потреблением пищи по-разному, чем стандартный чау. Этот эффект может в конечном итоге модулировать качество и количество пищи или, скорее, потребление энергии.

5. Влияние закусок для закусок (картофельных чипсов) на мозговые структуры, связанные с локомоторной активностью и сном

Кроме того, шесть структур мозга, связанных с движением и активностью, показали значительно более высокие значения Mn2+ накопление, когда крысы имели доступ к картофельным чипсам по сравнению со стандартной чау: первичный моторный кортик (R + L), вторичный моторный кортик (R + L), а также хвостатый putamen (R + L) [44], Значительно повышенная активность моторных зон у животных, которых кормят картофельными чипсами, хорошо согласуется с поведенческими исследованиями, которые показывают более высокую локомоторную активность в этой группе (Рисунок 2A и B), Увеличение локомоторной активности было связано прежде всего с потреблением пищи. Таким образом, было показано, например, что грелин индуцировал прием полезной пищи, а также локомоторную активность у грызунов, что, вероятно, связано с стимуляцией поведения, связанного с потреблением пищи [45], [46].

Наконец, проглатывание картофельных чипсов связано со значительной дезактивацией структур мозга, связанных со сном, а именно с боковым ретикулярным ядром (R) [47], парвицеллюлярное ретикулярное ядро ​​(R + L) [47], боковое парагигантоцеллюлярное ядро ​​(R + L) [48], гигантоцеллюлярное ядро ​​(R + L) [49], [50], пероническое ретикулярное ядро ​​оральное (R + L) [51] и тегментарные ядра (R + L) [52], Влияние состава пищи на поведение сна не полностью понято. Было показано, что долгосрочное (шестинедельное) потребление диеты с высоким содержанием жиров привело к увеличению частоты и продолжительности эпизодов сна. Этот эффект, однако, был скорее связан с развивающимся ожирением, чем с самим потреблением энергии [53], С другой стороны, несколько исследований показали, что долгосрочное применение диеты с высоким содержанием жиров вызывает увеличение потребления пищи в течение суточного периода отдыха у мышей [12], [54], Увеличение суточного приема пищи, скорее всего, связано с изменениями поведения сна и, следовательно, с модуляцией активности мозговой структуры, связанной со сном. Однако в условиях краткосрочного кормления, применяемых здесь, закусочная не вызывала ни значительного увеличения массы тела, ни сдвига циркадного питания. Поэтому мы предполагаем, что дезактивация структур мозга, связанных со сном, связана с увеличением активности локомоторной и пищевой активности, которая может подавлять сон.

Выводы

Таким образом, MEMRI и последующий анализ активированных структур головного мозга с помощью как VBM, так и подхода, основанного на интересе, показали сходную специфическую активацию, соответственно. дезактивация многочисленных структур мозга, зависящих от проглоченной пищи. Потребление закусочной пищи (картофельные чипсы) по сравнению со стандартной чау, которую кормили ad libitum, вызывало значительные различия в активационных структурах в структурах головного мозга, которые ранее были связаны с потреблением пищи, вознаграждением / зависимостью, а также активностью и движением. Увеличение структур локомоторной активности головного мозга соответствовало поведению животных: профили активности в течение нескольких дней показали, что более высокий уровень локомоторной активности животных связан с потреблением картофельных чипсов. Сниженная активность регистрировалась в структурах мозга, которые важны для регуляции ритма сна-следа, особенно для REM-сна.

Наблюдаемые изменения характеристик активности мозга, связанные с потреблением пищи, вероятно, вызваны молекулярным составом закусочной пищи, что приводит, например, к более высокой плотности энергии. Кроме того, подача калорий в закусочную пищу может вызывать модуляцию структур активности мозга. Дальнейшие исследования теперь необходимы, чтобы выявить триггеры наблюдаемых изменений либо путем введения группы закусочной пищи с контролируемым соответствием потреблением калорий, либо путем тестирования эффектов определенных компонентов закусочной пищи на образцы активности мозга.

Авторские вклады

Задуманные и разработанные эксперименты: TH MP AH. Провели эксперименты: TH AH. Проанализированы данные: TH SK SG AH. Используемые реагенты / материалы / инструменты анализа: AH MP. Написал газету: TH SK SG MP AH.

Рекомендации

  1. Sharma AM, Padwal R (2010) Ожирение - это признак, а переедание - это симптом: этиологическая основа для оценки и лечения ожирения. Obes Rev 11: 362–370. doi: 10.1111 / j.1467-789X.2009.00689.x. Найти эту статью в Интернете
  2. Zheng H, Berthoud HR (2007) Еда для удовольствия или калорий. Curr Opin Pharmacol 7: 607-612. DOI: 10.1016 / j.coph.2007.10.011. Найти эту статью в Интернете
  3. McCrory MA, Fuss PJ, Saltzman E, Roberts SB (2000) Диетические детерминанты потребления энергии и регуляции веса у здоровых взрослых. J Nutr 130: 276S-279S. Найти эту статью в Интернете
  4. Kenny PJ (2011) Общие клеточные и молекулярные механизмы при ожирении и наркомании. Nat Rev Neurosci 12: 638-651. DOI: 10.1038 / nrn3105. Найти эту статью в Интернете
  5. Avena NM, Rada P, Hoebel BG (2009). Сахар и жирные отходы имеют заметные отличия в привыкании к подобным привычкам. J Nutr 139: 623-628. DOI: 10.3945 / jn.108.097584. Найти эту статью в Интернете
  6. Lenard NR, Berthoud HR (2008) Центральное и периферическое регулирование приема пищи и физической активности: пути и гены. Ожирение (серебряная весна) 16 Suppl. 3: S11-22. DOI: 10.1038 / oby.2008.511. Найти эту статью в Интернете
  7. Мудрый РА (1996) Нейробиология зависимости. Curr Opin Neurobiol 6: 243-251. DOI: 10.1016/S0959-4388(96)80079-1. Найти эту статью в Интернете
  8. Маленький DM, Jones-Gotman M, Dagher A (2003). Выделение дофамина, вызванное кормлением в дорсальном полосатом теле, коррелирует с оценками вкуса пищи здоровых добровольцев. Neuroimage 19: 1709-1715. DOI: 10.1016/S1053-8119(03)00253-2. Найти эту статью в Интернете
  9. Hernandez L, Hoebel BG (1988) Продовольственная награда и кокаин увеличивают внеклеточный допамин в прилежащих ядрах, измеряемый микродиализом. Life Sci 42: 1705-1712. DOI: 10.1016/0024-3205(88)90036-7. Найти эту статью в Интернете
  10. Johnson PM, Kenny PJ (2010) Dopamine D2-рецепторы в зависимости от наркомании, а также компульсивное питание у тучных крыс. Nat Neurosci 13: 635-641. Найти эту статью в Интернете
  11. Morton GJ, Каммингс Д.Е., Баскин Д.Г., Барш Г.С., Шварц М.В. (2006) Контроль центральной нервной системы потребления пищи и массы тела. Природа 443: 289-295. DOI: 10.1038 / nature05026. Найти эту статью в Интернете
  12. Stucchi P, Gil-Ortega M, Merino B, Guzman-Ruiz R, Cano V, et al. (2012) Циркадный приток метаболической активности в жировой ткани, а не гиперфагия вызывает избыточный вес у мышей: существует ли роль пентозофосфатного пути? Эндокринология 153: 690-699. DOI: 10.1210 / en.2011-1023. Найти эту статью в Интернете
  13. Моралес L, Дель Олмо N, Вальядолид-Асебс I, Фоль A, Кано V и др. (2012) Смещение циркадного питания с помощью диеты с высоким содержанием жиров совпадает с дефицитом у мышей с ожирением. PLoS One 7: e36139. DOI: 10.1371 / journal.pone.0036139. Найти эту статью в Интернете
  14. Корецкий А.П., Сильва А.С. (2004) Магнитно-резонансная томография с улучшенным марганцем (MEMRI). ЯМР-биомед 17: 527-531. DOI: 10.1002 / nbm.940. Найти эту статью в Интернете
  15. Silva AC (2012) Использование МРТ с усилением марганца для понимания BOLD. Neuroimage 62: 1009-1013. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2012.01.008. Найти эту статью в Интернете
  16. Silva AC, Lee JH, Aoki I, Koretsky AP (2004) Магнитно-резонансная томография с улучшенным марганцем (MEMRI): методологические и практические соображения. ЯМР-биомед 17: 532-543. DOI: 10.1002 / nbm.945. Найти эту статью в Интернете
  17. Eschenko O, Canals S, Simanova I, Beyerlein M, Murayama Y, et al. (2010). Отображение функциональной активности мозга у свободнодействующих крыс во время произвольного запуска с использованием МРТ с усилением марганца: импликация для продольных исследований. Neuroimage 49: 2544-2555. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2009.10.079. Найти эту статью в Интернете
  18. Fischer B, Modersitzki J (2003) Регистрация изображений на основе кривизны. J Math Imaging Vis 18: 81-85. Найти эту статью в Интернете
  19. Daum V (2012) Ограниченная моделью нежесткая регистрация в медицине. Эрланген: Фридрих-Александр-Университет.
  20. Paxinos G, Watson C (2007) мозг крысы в ​​стереотаксических координатах. Сан-Диего, Калифорния: Академическая пресса.
  21. Harrold JA, Dovey TM, Blundell JE, Halford JC (2012) Регулирование аппетита ЦНС. Нейрофармакология 63: 3-17. DOI: 10.1016 / j.neuropharm.2012.01.007. Найти эту статью в Интернете
  22. Appleyard SM, Bailey TW, Doyle MW, Jin YH, Smart JL и др. (2005). Проопиомеланокортин-нейроны в ядровых трактатах solitarius активируются висцеральными афферентами: регуляция холецистокинином и опиоидами. J Neurosci 25: 3578-3585. DOI: 10.1523 / JNEUROSCI.4177-04.2005. Найти эту статью в Интернете
  23. Беллинджер Л.Л., Бернардис Л.Л. (2002) Дорсомедиальное гипоталамическое ядро ​​и его роль в пищевом поведении и регуляции массы тела: уроки, извлеченные из исследований по поражению. Physiol Behav 76: 431-442. Найти эту статью в Интернете
  24. Stratford TR, Wirtshafter D (2013) Инъекции мусцимола в паравентрикулярное таламическое ядро, но не медуордоральные таламические ядра, индуцируют кормление у крыс. Brain Res 1490: 128-133. DOI: 10.1016 / j.brainres.2012.10.043. Найти эту статью в Интернете
  25. Tzschentke TM, Schmidt WJ (1999) Функциональная гетерогенность префронтальной коры головного мозга: эффекты дискретных подзоны-специфических поражений на вызванных лекарственными средствами условных предпочтениях и поведенческой сенсибилизации. Eur J Neurosci 11: 4099-4109. DOI: 10.1046 / j.1460-9568.1999.00834.x. Найти эту статью в Интернете
  26. Haber SN, Knutson B (2010) Цепочка вознаграждения: связывание анатомии приматов и изображений человека. Нейропсихофармакология 35: 4-26. DOI: 10.1038 / npp.2009.129. Найти эту статью в Интернете
  27. Martin-Fardon R, Ciccocioppo R, Aujla H, Weiss F (2008) Спинной субикулум опосредует приобретение условного восстановления кокаина. Нейропсихофармакология 33: 1827-1834. DOI: 10.1038 / sj.npp.1301589. Найти эту статью в Интернете
  28. Epping-Jordan MP, Markou A, Koob GF (1998) Антагонист рецептора дофамина D-1 SCH 23390, введенный в дорсолатеральное ядро ​​лозы стриевого конца, уменьшает усиление кокаина у крысы. Brain Res 784: 105-115. DOI: 10.1016/S0006-8993(97)01190-6. Найти эту статью в Интернете
  29. Kawagoe T, Tamura R, Uwano T, Asahi T, Nishijo H, et al. (2007) Нейронные корреляты ассоциации стимул-вознаграждение в медодоральном таламусе крысы. Neuroreport 18: 683-688. DOI: 10.1097/WNR.0b013e3280bef9a6. Найти эту статью в Интернете
  30. Naqvi NH, Bechara A (2009). Скрытый остров зависимости: инсула. Тенденции Neurosci 32: 56-67. DOI: 10.1016 / j.tins.2008.09.009. Найти эту статью в Интернете
  31. Tham WW, Стивенсон Р.Дж., Миллер Л.А. (2009). Функциональная роль медиального дорсального таламового ядра в обонянии. Brain Res Rev 62: 109-126. DOI: 10.1016 / j.brainresrev.2009.09.007. Найти эту статью в Интернете
  32. Pelchat ML, Johnson A, Chan R, Valdez J, Ragland JD (2004). Изображения желания: активация пищи во время МРТ. Neuroimage 23: 1486-1493. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2004.08.023. Найти эту статью в Интернете
  33. Kranz GS, Kasper S, Lanzenberger R (2010) Награда и серотонинергическая система. Neuroscience 166: 1023-1035. DOI: 10.1016 / j.neuroscience.2010.01.036. Найти эту статью в Интернете
  34. Glick SD, Ramirez RL, Livi JM, Maisonneuve IM (2006) 18-Methoxycoronaridine действует в медиальной сабвуле и / или межпузыревом ядре для уменьшения самоорганизации морфина у крыс. Eur J Pharmacol 537: 94-98. DOI: 10.1016 / j.ejphar.2006.03.045. Найти эту статью в Интернете
  35. Nestler EJ (2005) Существует ли общий молекулярный путь для наркомании? Nat Neurosci 8: 1445-1449. DOI: 10.1038 / nn1578. Найти эту статью в Интернете
  36. Berthoud HR (2002) Несколько нейронных систем, контролирующих потребление пищи и массу тела. Neurosci Biobehav Rev 26: 393-428. DOI: 10.1016/S0149-7634(02)00014-3. Найти эту статью в Интернете
  37. Sun W, Rebec GV (2003) Инактивация лидокаина вентральной субикулумы ослабляет поведение кокаина у крыс. J Neurosci 23: 10258-10264. Найти эту статью в Интернете
  38. Келли А.Е., Бальдо Б.А., Пратт МЭ (2005) Предложенная гипоталамическая-таламично-полосатая ось для интеграции баланса энергии, возбуждения и питания. J Comp Neurol 493: 72-85. DOI: 10.1002 / cne.20769. Найти эту статью в Интернете
  39. Valdes JL, Maldonado P, Recabarren M, Fuentes R, Torrealba F (2006) Инфарбимная область коры позвоночника вызывает поведенческое и вегетативное возбуждение во время аппетитного поведения у крысы. Eur J Neurosci 23: 1352-1364. DOI: 10.1111 / j.1460-9568.2006.04659.x. Найти эту статью в Интернете
  40. Scopinho AA, Resstel LB, Correa FM (2008) alpha (1). Адренорецепторы в области боковой перегородки модулируют поведение пищевых продуктов у крыс. Br J Pharmacol 155: 752-756. Найти эту статью в Интернете
  41. Мансур С.С., Терензи М.Г., Марино Нето J, Фариа М.С., Пашалини М.А. (2011) Антагонист альфа-1-рецептора в срединном ядре ребра вызывал гиперфаги у крыс с кормлением. Аппетит 57: 498-503. DOI: 10.1016 / j.appet.2011.06.017. Найти эту статью в Интернете
  42. Denbleyker M, Nicklous DM, Wagner PJ, Ward HG, Simansky KJ (2009) Активация рецепторов муопиоидов в боковом парабрахиальном ядре увеличивает экспрессию c-Fos в областях переднего мозга, связанных с регулированием, вознаграждением и познанием калорий. Neuroscience 162: 224-233. DOI: 10.1016 / j.neuroscience.2009.04.071. Найти эту статью в Интернете
  43. Roncari CF, David RB, de Paula PM, Colombari DS, de Luca LA и др. (2011) Важность центральных AT-рецепторов для потребления натрия, вызванных ГАМКергической активацией бокового парабрахиального ядра. Neuroscience 196: 147-152. DOI: 10.1016 / j.neuroscience.2011.08.042. Найти эту статью в Интернете
  44. Santis S, Kastellakis A, Kotzamani D, Pitarokoili K, Kokona D, et al. (2009) Соматостатин повышает локомоторную активность крыс, активируя sst (2) и sst (4) рецепторы в полосатом теле и через глутаматергическое поражение. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol 379: 181-189. Найти эту статью в Интернете
  45. Jerlhag E (2008) Системное введение грелина стимулирует выделенное предпочтение и стимулирует аккремальный допамин. Addict Biol 13: 358-363. DOI: 10.1111 / j.1369-1600.2008.00125.x. Найти эту статью в Интернете
  46. Egecioglu E, Jerlhag E, Salome N, Skibicka KP, Haage D и др. (2010) Грелин увеличивает потребление полезных продуктов питания у грызунов. Addict Biol 15: 304-311. DOI: 10.1111 / j.1369-1600.2010.00216.x. Найти эту статью в Интернете
  47. Трепель М (2003) Нейроанатомия. Struktur und Funktion Munich: Urban & Fischer Verlag.
  48. Sirieix C, Gervasoni D, Luppi PH, Leger L (2012) Роль бокового парагигантоцеллюлярного ядра в сети парадоксального сна (REM): электрофизиологическое и анатомическое исследование у крысы. PLoS One 7: e28724. DOI: 10.1371 / journal.pone.0028724. Найти эту статью в Интернете
  49. Chase MH (2008) Подтверждение консенсуса о том, что глицинергическое постсинаптическое торможение отвечает за атонию REM-сна. Сон 31: 1487-1491. Найти эту статью в Интернете
  50. Verret L, Leger L, Fort P, Luppi PH (2005) Холинергические и нехолинергические нейроны мозга, выражающие Fos после парадоксальной (REM) лишения и восстановления сна. Eur J Neurosci 21: 2488-2504. DOI: 10.1111 / j.1460-9568.2005.04060.x. Найти эту статью в Интернете
  51. Harris CD (2005) Нейрофизиология сна и бодрствования. Respir Care Clin N Am 11: 567-586. Найти эту статью в Интернете
  52. Джонс BE (1991) Парадоксальный сон и его химические / структурные субстраты в мозге. Neuroscience 40: 637-656. DOI: 10.1016/0306-4522(91)90002-6. Найти эту статью в Интернете
  53. Jenkins JB, Omori T, Guan Z, Vgontzas AN, Bixler EO, ​​et al. (2006) Сон увеличивается у мышей с ожирением, вызванным высокожирной пищей. Physiol Behav 87: 255-262. DOI: 10.1016 / j.physbeh.2005.10.010. Найти эту статью в Интернете
  54. Kohsaka A, Laposky AD, Ramsey KM, Estrada C, Joshu C, et al. (2007) Диета с высоким содержанием жиров нарушает поведенческие и молекулярные циркадные ритмы у мышей. Cell Metab 6: 414-421. DOI: 10.1016 / j.cmet.2007.09.006. Найти эту статью в Интернете