Структурная целостность между исполнительным контролем и областями награды мозга предсказывает процентное содержание жира в организме у хронических диет (2016)

Когнитивная нейронаука
 

Пин-Хао Энди Чен, Роберт С. Чавес & Тодд Ф. Хетертон

Страницы 1-5 | Получено 19 Apr 2016, принят 05 Sep 2016, Принятая авторская версия размещена в Интернете: 23 Sep 2016, Опубликовано онлайн: 11 Oct 2016

Абстрактные

Неспособность поддерживать здоровый вес тела может отражать долгосрочный дисбаланс между системой управления и вознаграждения мозга. В текущем исследовании изучалось, предсказывает ли анатомическая связь между этими двумя системами индивидуальная изменчивость в достижении здорового веса тела, особенно у хронических диетологов. Тридцать шесть женщин, страдающих хроническими диетологами, выполнили задание на реакционную способность в сканере. Из задачи реактивности были определены две области интереса (ROI): нижняя лобная извилина (IFG), которая взаимодействует с когнитивным контролем и ортофронтальной корой (OFC), которая представляет ценность вознаграждения. Путь белого вещества, связывающий эти два ROI, был идентифицирован среди участников с использованием изображений тензора диффузии (DTI) и вероятностной трактографии. Результаты показали отрицательную зависимость между процентом жировых отложений и целостностью белого вещества в пределах идентифицированного тракта. Это говорит о том, что снижение структурной целостности между OFC и IFG может быть связано с проблемами саморегуляции для тех, кто хронически диету для контроля массы тела.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Самоконтроль, изображение тензора диффузии, подключение, функциональная магнитно-резонансная томография, индивидуальные различия, ожирение

Введение

Ожирение и соблюдение диеты значительно возросли в последние десятилетия, при этом многие люди, сидящие на диете, не могут похудеть в течение длительного периода времени и становятся хроническими людьми, сидящими на диете (Андреева, Лонг, Хендерсон и Грод, 2010 Андреева, Т., Лонг, М.В., Хендерсон, К.Е., и Гроуд, Г.М. (2010). Попытки похудеть: стратегии диеты среди американцев с избыточным весом или ожирением в 1996 и 2003 годах. Журнал Американской диетической ассоциации, 110 (4), 535-542. DOI: 10.1016 / j.jada.2009.12.029[CrossRef], [PubMed]). Среди этих людей некоторые продолжают набирать еще больше веса после многих лет диеты (van Strien, Herman, & Verheijden, 2014 ван Стриен, Т., Герман, С.П., и Верхейден, М.В. (2014). Ограничение диеты и изменение массы тела. Трехлетнее контрольное исследование на репрезентативной голландской выборке. Аппетит, 76, 44-49. DOI: 10.1016 / j.appet.2014.01.015[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), таким образом участвуя в поведении, которое подрывает их цели. Всесторонний обзор ожирения показывает, что не только повышенная чувствительность вознаграждения к пищевым сигналам, но и сбои в саморегуляции также играют роль в ожирении (Volkow, Wang, Tomasi, & Baler, 2013 Волков, Н.Д., Ван, Г.-Дж., Томази, Д., и Балер, Р.Д. (2013). Ожирение и зависимость: нейробиологические совпадения. Обзоры ожирения, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Аналогичным образом, индивидуальные различия в достижении или поддержании долгосрочного успеха в области диеты могут отражать различия в способности саморегуляции (Heatherton, 2011 Heatherton, TF (2011). Нейробиология самости и саморегуляции. Ежегодный обзор психологии, 62 (1), 363-390. DOI: 10.1146 / annurev.psych.121208.131616[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Согласно модели баланса, такие результаты саморегуляции отражают индивидуальные различия в балансе между областями мозга, участвующими в исполнительном контроле, например, нижней лобной извилиной (IFG) и областями, представляющими ценность вознаграждения, например, орбитофронтальной корой (OFC) (Heatherton). И Вагнер, 2011 Хизертон, Т.Ф., и Вагнер, Д.Д. (2011). Когнитивная нейробиология отказа саморегуляции. Тенденции в когнитивных науках, 15 (3), 132-139. DOI: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Баланс между вознаграждением и контролем зависит от взаимодействия между IFG и OFC (Вагнер, Альтман, Босвелл, Келли и Хизертон, 2013 Вагнер, Д.Д., Альтман, М., Босуэлл, Р.Г., Келли, В.М., и Хизертон, Т.Ф. (2013). Саморегулирующееся истощение усиливает нейронные реакции на награды и ухудшает контроль сверху вниз. Психологические науки, 24 (11), 2262-2271. DOI: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), что отражается в связности между ними. Индивидуальные различия в структурной целостности этих анатомических путей могут предсказать долгосрочный результат хронической диеты, такой как процент жировых отложений.

Чтобы изолировать области мозга, которые, как известно, участвуют в обработке аппетитной ценности еды, мы использовали задачу определения реактивности пищевых сигналов для локализации областей интереса (ROI) IFG и OFC с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (fMRI). . Обзоры этого исследования показывают, что люди, хронически сидящие на диете, как правило, проявляют повышенную активность в ответ на аппетитные пищевые сигналы как в регионах вознаграждения, так и в регионах, участвующих в исполнительном контроле, после воздействия условий, связанных с нарушением диеты в реальном мире, таких как потребление высококалорийной пищи или истощены в своем когнитивном контроле (Келли, Вагнер и Хизертон, 2015 Келли, В.М., Вагнер, Д.Д., и Хизертон, Т.Ф. (2015). В поисках системы саморегуляции человека. Ежегодный обзор неврологии, 38(1), 389–411. doi:10.1146/annurev-neuro-071013-014243[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Volkow et al., 2013 Волков, Н.Д., Ван, Г.-Дж., Томази, Д., и Балер, Р.Д. (2013). Ожирение и зависимость: нейробиологические совпадения. Обзоры ожирения, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Таким образом, мы использовали задачу по реакционной способности пищи, чтобы локализовать протяженность областей IFG и OFC, участвующих в обработке пищевых продуктов, и затем мы использовали эти два региона в качестве масок семян для вероятностной трактографии в анализе изображений с диффузионным тензором (DTI) вычислить целостность белого вещества между этими двумя регионами. Целью этого исследования было использование мультимодального подхода для выделения участков белого вещества между функционально определенными областями IFG и OFC. Этот подход предлагает целенаправленный путь для изучения того, предсказывает ли структурная целостность этого тракта хроническая изменчивость поведенческих диет в процентах жировых отложений. Мы предположили, что хронические диеты, у которых был самый высокий процент жировых отложений, показали бы самую низкую структурную целостность в тракте, связывающем IFG и OFC.

методы

Сорок женщин-правшей, придерживающихся хронической диеты, которые набрали больше 15 баллов по шкале сдержанности, показателю хронической диеты (Heatherton, Herman, Polivy, King, & McGree, 1988 Хизертон, Т.Ф., Герман, С.П., Поливи, Дж., Кинг, Джорджия, и МакГри, С.Т. (1988). (Не) измерение сдержанности: анализ концептуальных и психометрических проблем. Журнал аномальной психологии, 97(1), 19–28. doi:10.1037/0021-843X.97.1.19[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), были набраны в этом исследовании из большой выборки студентов колледжей. Участники были проверены на отсутствие в анамнезе метаболических, психологических или неврологических отклонений. Четыре участника были исключены из-за чрезмерных движений головы (более 3 мм в направлениях x, y или z) во время сканирования, в результате чего размер выборки составил 36 человек, сидящих на хронической диете. Люди, сидящие на диете, были взвешены с использованием весов Tanita (модель TBF-300A Arlington Heights), которые, как было доказано, надежно измеряют процентное содержание жира в организме. Среди этих лиц, сидящих на хронической диете, средний процент жира в организме составлял 29.6% (SD = 5.5%; диапазон = 16.6–38.2%), а средний индекс массы тела (ИМТ) составлял 23.9 (SD = 3.1%, диапазон = 17.2–33.7, таблица 1). .

Таблица 1. Демографические и диетические характеристики населения.

CSVТаблица отображения

Чтобы локализовать IFG и OFI ROI, связанные с обработкой пищевых продуктов, мы использовали парадигму реактивности пищи в качестве задачи локализатора. До этой задачи локализатора мы использовали задачу управления подавляющим ингибированием, поскольку эта задача помогает выявить активную активность вознаграждения (Wagner et al., 2013 Вагнер, Д.Д., Альтман, М., Босуэлл, Р.Г., Келли, В.М., и Хизертон, Т.Ф. (2013). Саморегулирующееся истощение усиливает нейронные реакции на награды и ухудшает контроль сверху вниз. Психологические науки, 24 (11), 2262-2271. DOI: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). В этом задании по подавляющему подавляющему контролю участников попросили просмотреть 7-минутное видео о канадском снежном баране с серией отвлекающих слов, перемещающихся от нижней части к центру экрана за 3 секунды (всего 40 слов). Участников проинструктировали избегать чтения отвлекающих слов и сосредоточиться только на просмотре видео. Сразу после выполнения задачи подавления подавления, участники получили задачу определения реактивности пищевого сигнала. Эта задача состояла из 90 изображений аппетитной еды и еще 180 изображений с людьми или природными сценами в качестве контрольных изображений. Каждое изображение было представлено в течение 2000 мс с последующей фиксацией еще 500 мс в дизайне, связанном с событием. Участники были проинструктированы делать выводы в помещении / вне помещения для каждого изображения, нажимая кнопки. Эта задача суждения заставила участников сосредоточиться на этой задаче, не зная о цели нашего исследования, которая заключалась в локализации областей мозга, реагирующих на пищевые сигналы.

Данные fMRI из задачи реакционной способности пищи были предварительно обработаны и проанализированы с помощью SPM8 (Wellcome Department of Cognitive Neurology, Лондон, Англия). Процедуры предварительной обработки включали коррекцию движения, реорганизацию, неосведомленность, нормализацию к стандартному пространству и полную ширину 6-mm с половинным максимальным (FWHM) сглаживанием ядра Gaussian (см. Дополнительные материалы для подробного описания параметров сканирования fMRI). Для каждого участника была вычислена и построена общая линейная модель, включающая задачи и ковариаты, которые не представляют интереса, с канонической функцией гемодинамического ответа (HRF). Контрастные изображения «против пищи» и «против» были созданы для каждого участника, а затем представлены на анализ всего головного мозга с произвольным эффектом, исправлены для множественных сравнений с p <0.05 при моделировании Монте-Карло с использованием AFNI AlphaSim (Рисунок 1 (a), Таблица S1). Идентификация IFG и OFC определялась на основе этого анализа всего мозга и использовалась в качестве масок (Рисунок 1 (b)) методом двухмаскированного посева для вероятностной трактографии DTI. Данные DTI были предварительно обработаны и проанализированы с помощью Diffusion Toolbox в FSL (Behrens et al., 2003 Беренс, Т., Вудрих, М. В., Дженкинсон М., Йохансен-Берг, Х., Нуньес, Р. Г., Клэр, С., ... Смит, С. М. (2003). Характеризация и распространение неопределенности в диффузионно-взвешенном МР-изображении. Магнитный резонанс в медицине, 50 (5), 1077-1088. DOI: 10.1002 / mrm.10609[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Мы использовали метод посева с двумя массами, чтобы гарантировать, что в картах тракторинга включены только линии тока, проходящие через обе семенные маски. О 5000 вероятностных линиях потока были отправлены из каждого воксела в обеих масках семян, и эти результаты были нормированы на стандартное пространство Монреальского неврологического института. Чтобы определить общую карту трактата среди индивидуумов, результаты каждого трактата каждого человека были бинаризованы и наложены на всех остальных, чтобы создать карту вероятности прохождения урока на уровне группы. Чтобы сделать карту тракторинга устойчивой, она была порождена с вероятностью 50% урона для всех участников стандартного пространства (Рисунок 1 (c)). Эта общая карта трактата затем была наложена на изображения фракционной анизотропии (FA) каждого участника (общая мера целостности или когерентности белого вещества) и значения FA были извлечены из всех вокселей в этой карте трактатов. Для каждого участника была рассчитана усредненная оценка FA для представления целостности белого вещества. Оценки возраста участников, ИМТ и ФА были затем взяты в качестве независимых переменных в многократном регрессионном анализе с процентным процентом жировых отложений в качестве зависимой переменной, рассматривая, что индивидуальные различия в целостности белого вещества отражают долгосрочный саморегуляторный успех при диете.

Рисунок 1. (a) Парадигма fMRI реакционной способности пищи вызывала активацию в регионах OFC и IFG, что согласуется с предыдущими результатами в литературе. (b) области OFC и IFG из анализа fMRI затем использовались в качестве начальных масок для вероятностного трактографического анализа DTI. (c) Из анализа DTI мы затем обозначили путь белого вещества между IFG и OFC, который был согласован между субъектами. Целостность белого вещества в этом пути затем коррелировала с жиром организма каждого субъекта. (d) Значение FA, извлеченное из тракта IFG-OFC, показало отрицательную корреляцию с процентом жировых отложений (заштрихованная область представляет собой доверительный интервал 95%).

PowerPoint слайдОригинальный jpg (93.00KB)Показать полный размер

Итоги

Результаты FMRI по задаче реакционной способности пищевых продуктов показали, что как IFG, так и OFC показали большую активность для пищи, чем контрольные изображения (Рисунок 1 (a), Таблица S1), что согласуется с результатами предыдущих исследований (Lopez, Hofmann, Wagner, Kelley, & Heatherton, 2014 Лопес, РБ, Хофманн, В., Вагнер, Д.Д., Келли, В.М., и Хизертон, Т.Ф. (2014). Нейронные предикторы поддаваться искушению в повседневной жизни. Психологические науки, 25 (7), 1337-1344. DOI: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Wagner et al., 2013 Вагнер, Д.Д., Альтман, М., Босуэлл, Р.Г., Келли, В.М., и Хизертон, Т.Ф. (2013). Саморегулирующееся истощение усиливает нейронные реакции на награды и ухудшает контроль сверху вниз. Психологические науки, 24 (11), 2262-2271. DOI: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Полученные кластеры IFG и OFC из анализа fMRI использовались в качестве областей семян для вероятностной трактографии DTI (Рисунок 1 (b)). Кросс-субъектный DTI-вероятностный трактографический анализ показал устойчивый белый материальный тракт, связывающий левый IFG с левым OFC (Рисунок 1 (c)). Средние значения FA в этом тракте показали значительно отрицательную корреляцию с процентом жировых отложений (R₃₆ = −0.379, p = 0.023), что указывает на то, что люди, сидящие на диете с более низким процентным содержанием жира в организме, демонстрируют большую целостность белого вещества (Рисунок 1 (d)). После учета возраста и ИМТ средние значения FA в тракте продолжали показывать значительную отрицательную корреляцию с процентным содержанием жира в организме (бета = -0.247, t(35) = −2.862, p = 0.007).

Общая дискуссия

Наши результаты подтверждают гипотезу о том, что структурная целостность между IFG, ключевым регионом в реакции ингибирования (Aron, 2011 Aron, AR (2011). От реактивного к активному и избирательному контролю: разработка более богатой модели для остановки несоответствующих ответов. Биологической психиатрии, 69 (12), e55-68. DOI: 10.1016 / j.biopsych.2010.07.024[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) и OFC, регион, представляющий субъективную ценность еды в качестве вознаграждения (van der Laan, de Ridder, Viergever, & Smeets, 2011 ван дер Лаан, Л.Н., де Риддер, DTD, Фиргевер, Массачусетс, и Смитс, ПАМ (2011). Первый вкус всегда с глазами: метаанализ нейронных коррелятов обработки визуальных пищевых сигналов. NeuroImage, 55 (1), 296-303. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2010.11.055[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), связано с индивидуальными различиями в процентном содержании жира в организме, предполагаемым показателем долгосрочного успеха в соблюдении диеты. На основе балансовой модели саморегулирования (Heatherton & Wagner, 2011 Хизертон, Т.Ф., и Вагнер, Д.Д. (2011). Когнитивная нейробиология отказа саморегуляции. Тенденции в когнитивных науках, 15 (3), 132-139. DOI: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), неудачи в саморегулировании возникают из-за дисбаланса между исполнительным органом управления и регионами вознаграждения. Лица с пониженной доброкачественностью белого вещества в тракте, соединяющем эти области, могут иметь более низкую эффективность в общении между этими областями, чем те, которые имеют высокую целостность (Madden et al., 2012 Мэдден, DJ, Беннетт, И.Дж., Бурзинска, А., Поттер, Г.Г., Чен, Н.-К., и Сонг, А.В. (2012). Диффузионная тензорная визуализация целостности белого вещества головного мозга при когнитивном старении. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная основа болезни, 1822 (3), 386-400. DOI: 10.1016 / j.bbadis.2011.08.003[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). При неэффективной коммуникации между исполнительным органом управления и регионами вознаграждения лица с ограниченной целостностью могут испытывать трудности с отменой вознаграждения за соблазны, что приводит к большему риску ожирения, чем к лицам с более высокой структурной целостностью.

Хотя в предыдущих исследованиях DTI использовалась для изучения взаимосвязи между ожирением и целостностью белого вещества (Kullmann, Schweizer, Veit, Fritsche, & Preissl, 2015 Кулльманн, С., Швейцер, Ф., Файт, Р., Фриче, А., и Прейссл, Х. (2015). Нарушение целостности белого вещества при ожирении. Обзоры ожирения, 16 (4), 273-281. DOI: 10.1111 / obr.12248[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), это исследование является новым в использовании мультимодального подхода к систематической ориентации конкретного тракта, участвующего в регулировании пищевых желаний. Недавнее исследование показало, что как IFG, так и OFC участвуют в регулировании потребления пищи в повседневной жизни (Lopez et al., 2014 Лопес, РБ, Хофманн, В., Вагнер, Д.Д., Келли, В.М., и Хизертон, Т.Ф. (2014). Нейронные предикторы поддаваться искушению в повседневной жизни. Психологические науки, 25 (7), 1337-1344. DOI: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Используя эту парадигму fMRI, мы воспроизвели предыдущий вывод и даже обнаружили, что как IFG, так и OFC показали высокую активность, когда хронические диеты подвергались аппетитным пищам, предлагая, чтобы обработка вознаграждения и исполнительного контроля могла спонтанно участвовать во время периода воздействия кий (Wagner et al., 2013 Вагнер, Д.Д., Альтман, М., Босуэлл, Р.Г., Келли, В.М., и Хизертон, Т.Ф. (2013). Саморегулирующееся истощение усиливает нейронные реакции на награды и ухудшает контроль сверху вниз. Психологические науки, 24 (11), 2262-2271. DOI: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Задача локализатора реактивной способности реагирования предлагает более целенаправленный подход к определению областей IFG и OFC, чем маскирование на основе атласа, и гарантирует, что результаты трактографии основаны на функционально релевантных областях, связанных с обработкой пищевых продуктов в пределах одного и того же образца. Эта задача локатора fMRI может помочь исследователям определить ключевые аспекты белого вещества, относящиеся к контролю за поведением.

Остается неясным, являются ли индивидуальные различия в целостности белого вещества результатом многократного соблюдения диеты. Хотя предыдущее исследование показало, что многократное выполнение задания может привести к увеличению ФА в определенных волоконных трактах (Scholz, Klein, Behrens, & Johansen-Berg, 2009 Шольц, Дж., Кляйн, М.К., Беренс, TEJ, и Йохансен-Берг, Х. (2009). Обучение вызывает изменения в архитектуре белого вещества. Nature Neuroscience, 12 (11), 1370-1371. DOI: 10.1038 / nn.2412[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), также возможно, что неудачи в диете приводят к ожирению и связанным с ожирением факторам, таким как воспаление и дислипидемия, которые могут вызывать изменения в целостности белого вещества (Shimoji et al., 2013 Shimoji, K., Abe, O., Uka, T., Yasmin, H., Kamagata, K., Asahi, K., ... Aoki, S. (2013). Изменение белого вещества в метаболическом синдроме: анализ тензора диффузии. Лечение диабета, 36(3), 696–700. doi:10.2337/dc12-0666[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Будущие продольные исследования необходимы для определения того, вызвано ли изменение целостности белого вещества повторной практикой в ​​отношении диеты или связанных с ожирением факторов. Продольные исследования также необходимы для изучения взаимосвязи между целостностью белого вещества и процентным содержанием жиров в хронических диете. Хотя эксклюзивный набор женщин-диетологов может предотвратить смешение эффекта от гендерных различий, дальнейшие исследования по-прежнему необходимы для сравнения того, влияет ли целостность белого вещества на диетические результаты между мужчинами и женщинами-диетологами.

В заключение, настоящее исследование свидетельствует о том, что целостность белого вещества связана с индивидуальными различиями в процентах жировых отложений в трактах, которые связывают регионы, участвующие в реакционной способности пищи. Эти результаты согласуются с балансовой моделью саморегуляции и предполагают, что структурная целостность путей, связывающих исполнительный контроль и районы вознаграждения, может сыграть решающую роль в достижении долгосрочного саморегуляторного успеха в диете.

Новые исследования показывают, что успех в диете может быть связан с мозгом

25 октября 2016