Дана М. Смолл, Александра Г. ДиФеличеантонио
Наука 25 Янв 2019:
Том 363, выпуск 6425, стр. 346-347
DOI: 10.1126 / science.aav0556
Сигналы, которые передают пищевую информацию из кишечника в мозг, регулируют подкрепление пищи и выбор пищи (1–4). В частности, несмотря на то, что центральные нейронные вычисления выполняют выбор, нервная система кишечника передает информацию о результатах выбора питания в мозг, так что представление пищевых ценностей может быть обновлено. Здесь мы обсуждаем недавние результаты, которые указывают на верность передачи сигналов кишечника и мозга, и результирующее представление о пищевой ценности подрывается обработанными пищевыми продуктами (3, 4). Понимание этой оси может дать информацию о пищевом поведении, связанном с обработанными продуктами и ожирением.
В 1947 эксперименты, в которых грызуны питались изокалорийными рационами, которые различались по объему, показали, что грызуны точно титруют объем потребляемой пищи, чтобы поддерживать постоянное потребление калорий в течение нескольких дней, указывая на то, что «крысы едят за калории» (5). Это подразумевало, что должен быть сгенерирован сигнал для передачи энергетической ценности пищи мозгу, чтобы направлять потребление. Позже другие подтвердили, что эти «пост-пищеварительные» сигналы могут усиливать, показывая, что животные способны формировать предпочтения по вкусу, потребляемому с калориями, по сравнению с тем, что употребляется без - форма обучения, называемая ароматизатором-питательным условием (FNC) (6). Важно отметить, что FNC возникает даже при отсутствии сопутствующей оральной сенсорной стимуляции, которая выделяет постингулярные сигналы в качестве ключевого усилителя (7). Например, животные, у которых нет нейробиологического механизма для преобразования сладкого вкуса, тем не менее, формируют предпочтения для воды, содержащей сахарозу, по сравнению с одной водой, и это поведение сопровождается повышением уровня внеклеточного дофамина в стриатуме, области мозга, которая необходима для мотивации и обучения. Однако крайне важно, что инфузия антиметаболического агента 2-дезоксиглюкозы, которая блокирует способность клеток использовать глюкозу в качестве топлива, ослабляет образование внеклеточного дофамина и формирование предпочтений (1). Эти сигналы, скорее всего, скорее нервные, чем эндокринные (то есть гормональные), потому что рост внутриклеточного дофамина происходит быстро после внутрижелудочной инфузии глюкозы (8). Кроме того, инфузия глюкозы, но не неметаболизируемой глюкозы в воротную вену увеличивает внеклеточный дофамин (8). В совокупности это говорит о том, что у животных безусловный стимул, который стимулирует сахарное (углеводное) подкрепление, является метаболическим сигналом, генерируемым, когда клетки используют глюкозу в качестве топлива; этот сигнал затем воспринимается механизмом в воротной вене и затем передается в мозг для регулирования передачи сигналов дофамина (см. рисунок). Точная природа метаболического сигнала, его датчик и как он передается в мозг неизвестны.
Существует доказательство того, что подобный механизм действует у людей. Исследования нейровизуализации установили, что пищевые сигналы, которые предсказывают калории, активируют стриатум у людей и что величина этих реакций регулируется метаболическими сигналами (9). В частности, повышение уровня глюкозы в плазме крови после употребления углеводсодержащего напитка предсказывает величину условного стриатального ответа на вид и вкус напитка. Поскольку глюкоза должна присутствовать для использования в качестве топлива, это говорит о том, что у людей, как и у животных, усиление углеводов зависит от метаболического сигнала, связанного с присутствием глюкозы. Кроме того, наблюдения на людях позволяют предположить, что представление метаболических сигналов в мозге не зависит от сознательного восприятия, например, от пристрастия к еде. Те же самые полосатые реакции на прогнозирующий калорийность аромата, которые были так тесно связаны с изменениями уровня глюкозы в плазме, не были связаны с оценкой вкуса напитков участниками. Это согласуется с дополнительными исследованиями нейровизуализации, которые обнаруживают, что фактическая плотность энергии, а не предполагаемая плотность энергии или номинальная симпатия к картинкам с продуктами питания, предсказывает готовность платить за продукты питания и отклики цепной системы вознаграждения (3, 10). Эти наблюдения показывают, что нейронное представление этих усиливающих питательных сигналов не зависит от сознательного восприятия пищи. Интересная возможность состоит в том, что метаболические сигналы являются важными генераторами стимула (как подсказки становятся мотивационно значимыми), и что различные пути, инициируемые этими сигналами, отображаются на нервно-психологические цепи, ориентированные на пищу, а не на пищу.11).
Липиды являются еще одним важным источником энергии, который метаболизируется не так, как углеводы. Соответственно, путь, по которому энергетическая ценность жира передается в мозг, отличается. Блокирование окисления жира повышает аппетит жира, а блокирование окисления глюкозы повышает аппетит сахара. Однако ваготомия (операция по удалению блуждающего нерва) у мышей только нарушает повышенный аппетит к жиру, оставляя глюкозный аппетит без изменений (12). Как и в случае с глюкозой, прямое вливание липидов в кишечник приводит к немедленному увеличению количества внеклеточного стриатального дофамина. Однако это происходит по специфическому механизму α-рецептора, активируемого пролифератором пероксисом (PPARα) (2). PPARα экспрессируется энтероцитами двенадцатиперстной кишки и тощей кишки в тонкой кишке и передает сигналы блуждающему нерву через пока неизвестные механизмы. Как и стриатальный выброс дофамина глюкозой, рост дофамина происходит быстро, что согласуется с нейральной, а не эндокринной передачей сигналов. Кроме того, активация этих вагусных сенсорных нейронов в верхнем отделе кишечника, которые проецируются на правый узловой ганглий, задний мозг, черную субстанцию и дорсальный стриатум, достаточна для поддержки обучения за вознаграждение (предпочтение места) и для высвобождения стриатального дофамина у мышей (13). Неизвестно, существует ли этот путь у людей, и существуют ли такие метаболические нейронно-афферентные (MNA) пути для других липидов и питательных веществ.
Открытие того факта, что безусловный стимул, поддерживающий пищевое подкрепление, является сигналом MNA, который, по крайней мере, иногда не зависит от чувственного удовольствия, вызывает удивление. Однако более глубокое размышление раскрывает элегантность этого решения. Все организмы должны получать энергию, чтобы выжить, и большинству не хватает функций мозга более высокого порядка, которые поддерживают сознание. Таким образом, этот механизм, вероятно, отражает консервативную систему, предназначенную для передачи питательных свойств пищи центральным контурам в мозге, которые регулируют питание независимо от сознания, так что пища так же укрепляет, как и полезный источник энергии. Соответственно, точная передача питательной информации из кишечника в мозг имеет решающее значение для точной оценки ценности.
Хотя очевидно, что современная пищевая среда способствует ожирению и диабету, споры окружают точные механизмы, с помощью которых это происходит. Современные обработанные пищевые продукты, как правило, обладают высокой плотностью энергии, спроектированы так, чтобы быть настолько неотразимыми, насколько это возможно, и обеспечивают питательные вещества в дозах и комбинациях, которых раньше не было. Поскольку энергетические сигналы стимулируют усиление, повышенные дозы могут увеличить усиливающий и, следовательно, «вызывающий привыкание» потенциал обработанных пищевых продуктов. Тем не менее, это могут быть не единственные факторы, способствующие увеличению диабета и ожирения.
Чтобы повысить вкусовые качества, некалорийные подсластители (вещества без калорийности) часто добавляют в пищу и напитки, которые также содержат питательные сахара и крахмалы. Например, сахаросодержащие напитки содержат питательные сахара глюкозу и фруктозу, а также некалорийные подсластители сукралозу и ацесульфам К. Йогурты часто содержат питательные сахара и некалорийные подсластители, такие как экстракт листьев стевии. Краткое прочтение пищевых этикеток в продуктовом магазине покажет много примеров продуктов питания и напитков, которые содержат как питательные сахара, так и некалорийные подсластители. Напротив, в необработанных продуктах сладость пропорциональна содержанию сахара и, следовательно, теплотворной способности (энергии) пищи. Последние данные свидетельствуют о том, что продукты, которые содержат комбинацию питательных сахаров и некалорийных подсластителей, оказывают удивительный метаболический и укрепляющий эффект. Например, употребление напитка 115-ккал вызовет больший термогенный эффект, если сладость «согласована» с калорийной нагрузкой, по сравнению с тем, является ли он слишком сладким или недостаточно сладким (4). Поскольку вызванный диетой термогенез (DIT) является маркером метаболизма питательных веществ, а метаболический ответ стимулирует усиление через MNA, низкокалорийный «подобранный» напиток может обусловить больший вкус и полосатый ответ, чем высококалорийный «несоответствующий» напиток (4). Важно отметить, что этот эффект возникает даже при повышении уровня глюкозы в плазме. Это демонстрирует, что у людей, как и у животных, критическое значение имеет не присутствие питательного вещества в кишечнике или крови, которое стимулирует усиление, а скорее образование MNA, когда питательное вещество используется в качестве топлива. Механизм, лежащий в основе этого эффекта «несоответствия» у людей, неизвестен и требует дальнейшего изучения. В частности, понимание судьбы неметаболизированной глюкозы и определение того, есть ли последствия для диабета и ожирения, является важным направлением в будущем. Ясно, что энергетическая ценность напитков, содержащих питательные сахара и некалорийные подсластители, не передается в мозг точно, по крайней мере, в некоторых обстоятельствах, и это может привести к генерации неточных сигналов не только для регулирования вознаграждения, но и также такие процессы, как накопление энергии и распределение питательных веществ.
Усиление метаболических сигналов в мозг
В этой предложенной модели усиления сигналов метаболического нейронного афферента (MNA) сигнал для жира зависит от PPARα-опосредованной активации вагинальных сенсорных афферентов, которые проецируются на правый узловой ганглион, задний мозг, черную субстанцию и дорсальный стриатум. Сигнал для углевода генерируется во время окисления глюкозы и активирует неизвестный датчик портальной вены, который индуцирует сигнал, который активирует дофаминовые нейроны среднего мозга, выступающие в стриатуму. Независимая корковая сеть объединяет сигналы MNA с осознанной ценностью.
ГРАФИК: А. КИТТЕРМАН /НАУКА
Второй пример скомпрометированной верности передачи сигналов кишечника и мозга происходит из исследования, в котором сравнивали ценность подкрепления продуктов, которые содержат в основном жиры, в основном углеводы, или как жиры, так и углеводы (3). Продукты с высоким содержанием жиров и углеводов нелегко найти в необработанных продуктах, но часто они являются предметом тяги к еде (например, шоколад и пончики). Исследование показало, что из выбора одинаково калорийных и понравившихся продуктов люди хотели получать продукты, в которых жир и углевод были больше, чем продукты, содержащие только жир или углевод, и это нашло отражение в наддобавочных стриатальных реакциях (3). Это может привести к тому, что некоторые продукты будут жаждать или быть более неотразимыми, чем другие, и, следовательно, играть определенную роль в переедании.
Эти новые результаты указывают на две раздельные системы, определяющие выбор продуктов питания. Одна система напрямую отражает пищевую ценность продуктов и основана на метаболических сигналах, поступающих в мозг (МНА). Эта чувствительная к питательным веществам система, по-видимому, играет критическую роль в регулировании стриатального дофамина, определении ценности продуктов и управлении выбором пищи. Во второй системе сознательные представления, такие как вкус и убеждения относительно калорийности, стоимости и полезности продуктов питания, также являются важными определяющими факторами выбора продуктов питания (14, 15). Нейронные вычисления, связанные с осознанным вкладом в ценность, по-видимому, отличаются от вычислений, связанных с питательными усиливающими сигналами МНК, и зависят от цепей в префронтальной коре и островковой коре (9). Определение того, как эти две системы взаимодействуют, чтобы регулировать пищеварительное поведение и метаболизм питательных веществ, является важной темой исследования.
Свидетельства накапливаются, что пищевое содержание обработанных продуктов не точно передается в мозг. Это повышает вероятность того, что способ приготовления и обработки продуктов питания, помимо их плотности энергии или вкуса, влияет на физиологию непредвиденными способами, которые могут способствовать перееданию и нарушению обмена веществ. Крайне важно лучше понять, как свойства обработанных пищевых продуктов взаимодействуют с кишечно-мозговым путем, а также определить, влияют ли такие эффекты на передачу сигналов сытости, аддиктивные свойства пищевых продуктов, метаболическое здоровье и ожирение. Кроме того, хотя мы концентрируемся на жире и углеводах, вероятно, существует множество сигнальных путей для передачи массива питательной информации в мозг, чтобы направлять выбор пищи - и эти пути могут также подвергаться влиянию обработанных пищевых продуктов.
http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse
Эта статья распространяется в соответствии с условиями Лицензия по умолчанию для научных журналов.
Ссылки и примечания
- ↵
- Л.А. Теллез и др.
., J. Physiol. 591, 5727 (2013).
- ↵
- Л.А. Теллез и др.
., Наука 341, 800 (2013).
Аннотация / БЕСПЛАТНО Полный текстGoogle Scholar
- ↵
- AG DiFeliceantonio et al.
., Cell Metab. 28, 33 (2018).
- ↵
- М. Г. Вельдхуйзен и др.
., Curr. Biol. 27, 2476 (2017).
- ↵
- Э.Ф. Адольф
Am J. Physiol. 151, 110 (1947).
- ↵
- Г.Л. Холман
J. Comp. Physiol. Psychol. 69, 432 (1969).
CrossRefPubMedВеб-наукиGoogle Scholar
- ↵
- X. Рен и др.
., J. Neurosci. 30, 8012 (2010).
Аннотация / БЕСПЛАТНО Полный текстGoogle Scholar
- ↵
- Л. Чжан и др.
., Фронт. Integr. Nuerosci. 12, 57 (2018).
- ↵
- ИП де Араужо и др.
., Curr. Biol. 23, 878 (2013).
- ↵
- DW Tang и др.
., Psychol. Sci. 25, 2168 (2014).
- ↵
- KC Berridge
Нейроси. Biobehav. Rev. 20, 1 (1996).
CrossRefPubMedВеб-наукиGoogle Scholar
- ↵
- С. Риттер,
- Дж. С. Тейлор
Am J. Physiol. 258, R1395 (1990).
- ↵
- В. Хан и др.
., Ячейка 175, 665 (2018).
- ↵
- Т.А. Харе и др.
., Наука 324, 646 (2009).
Аннотация / БЕСПЛАТНО Полный текстGoogle Scholar
- ↵
- Х. Плассманн и др.
., J. Neurosci. 30, 10799 (2010).
Аннотация / БЕСПЛАТНО Полный текстGoogle Scholar
Подтверждения: Мы благодарим И. де Араужо, А. Дагера, С. Ла Флера, С. Луке, М. Шатцкера и М. Титтгемейера за их помощь в формировании нашей перспективы. Мы благодарим Б. Милнера за ее новаторскую работу по неявному обучению.
;
