Vedecké správy 5, Číslo výrobku: 10041 (2015)
doi: 10.1038 / srep10041
abstrZemiakové lupienky na občerstvenie indukujú príjem potravy u potkanov kŕmených ad libitum, čo je spojené s moduláciou systému odmeňovania mozgu a ďalších okruhov. Tu uvádzame, že príjem potravy u nasýtených potkanov sa spúšťa optimálnym pomerom tuku a sacharidov. Podobne ako zemiakové lupienky, aj zmes izotolorných tukov a uhľohydrátov ovplyvnila priebeh celej aktivity mozgu potkanov, čo ovplyvnilo obvody súvisiace napr.
úvod
Dostupnosť libra chutných potravín môže viesť k hédonickej hyperfágii, tj zvýšenému príjmu energie, a teda zvýšenému prírastku telesnej hmotnosti v dôsledku zmeny vzoru správania sa príjmu potravy.1, Aby sa spustil príjem potravy mimo sýtosti, musia sa zahrnúť faktory, ktoré prekonajú rovnováhu homeostatickej energie a sýtosť prostredníctvom rôznych signálnych dráh systému bez homeostatického odmeňovania.2, Ako už bolo uvedené, príjem zemiakových lupienkov s občerstvením silne moduluje aktivitu v systéme odmeňovania mozgu u potkanov kŕmených ad libitum. Okrem toho vedie k významne odlišnej aktivácii oblastí mozgu regulujúcich príjem potravy, sýtosť, spánok a pohybovú aktivitu3, Štúdie správania potvrdili, že príjem energie a lokomotorická aktivita súvisiaca s výživou boli zvýšené, keď boli k dispozícii zemiakové lupienky3, Hoci neurobiologická regulácia príjmu potravy je omnoho zložitejšia ako regulácia drogovej závislosti, niektoré kontroverzie neurofyziologických mechanizmov, vzoru aktivácie mozgu a následkov správania sa diskutovali kontroverzne.4,5,6,7, Zapojené mozgové okruhy sú silne aktivované príjmom potravy po obmedzení, ale tiež najmä príjmom vysoko chutných potravín8,9,10, Vo všeobecnosti sú vysoko chutné potraviny vysoko kalorické a / alebo bohaté na tuky a / alebo sacharidy. Predpokladalo sa teda, že energetická hustota potravín môže byť rozhodujúcim faktorom, ktorý spúšťa príjem potravy mimo sýtosti, čo má za následok zvýšenú hmotnosť a nakoniec aj obezitu.11,12.
Nedávna štúdia správania ukázala, že tuky a sacharidy sú hlavnými molekulárnymi determinantmi chutnosti občerstvenia.13, Okrem toho je energetický obsah zemiakových lupienkov hlavne (94%) určený obsahom tuku a sacharidov. Preto by sa dalo predpokladať, že energetický obsah je hnacou silou hédonickej hyperfágie v prípade zemiakových lupienkov. Následne sme uskutočnili testy preferencií správania, aby sme zistili príjem potravín s rôznym obsahom tuku / sacharidov a vykonali merania magnetickou rezonanciou (MRI) na zistenie modulácie aktivity celého mozgu indukovanej u potkanov.
Výsledky a diskusia
Pre preferenčné testy sa do každej testovanej potravy (1: 1) pridala prášková štandardná potrava (STD), aby sa vylúčil vplyv organoleptických vlastností.Obrázok 1a)13, Bolo preukázané, že poradie a trvanie testovacích epizód neovplyvnili výsledok13, Najprv sa relatívny príjem zvýšil s rastúcim tukom a tým aj energetickým obsahom testovaných potravín s maximom v zložení 35% tuku a 45% sacharidov. Vyšší obsah tuku však viedol k zníženiu príjmu potravy (Obrázok 1a). Pretože tuk má vyššiu energetickú hustotu ako sacharidy, tieto zistenia naznačujú, že energetický obsah nie je jediným determinantom príjmu potravy u potkanov, ktorí nie sú chudobní. Pozoruhodné je, že priemerný pomer tuku a sacharidov z najatraktívnejších testovaných potravín takmer presne zodpovedal zloženiu zemiakových lupienkov (Obrázok 1a). Zostáva preskúmať, či vyššie uvedený záver možno rozšíriť na iné potravinárske výrobky s podobným pomerom tuku a sacharidov, ako je čokoláda alebo iné občerstvenie.
Obrázok 1: (a) Aktivita testovaných potravín s rôznymi pomermi tuku / sacharidov na vyvolanie ďalšieho príjmu potravy počas krátkodobej testovacej prezentácie potravín (10 minút) v dvoch preferenciách.
Rozdiely v príjme energie na testovanú potravinu v porovnaní s referenciou (17.5% tuku, 32.5% sacharidov a 50% STD) sa zobrazujú ako relatívny príspevok príslušnej testovanej potraviny k celkovému príjmu testovanej a referenčnej potraviny (priemer ± SD). Ďalej je uvedené zloženie testovaných potravín a najatraktívnejšie stredné zloženie je porovnané so zložením zemiakových lupienkov. b) Príjem energie a príslušná lokomotorická aktivita súvisiaca s kŕmením počas fáz 7 dní nepretržitého testovania potravín. Oba faktory sa prejavujú v závislosti od testovaných potravín [štandardná potrava (STD) alebo zmes 35% tuku a 65% sacharidov (FCH)] vo fáze tréningu (TP) a fáze mangánu (MnP) počas 12 / 12 h cykly svetlo / tma po dobu 7 dní. Údaje ukazujú priemer ± SD 16 zvierat v 4 klietkach počas 7 po sebe nasledujúcich dní. Ďalej sú uvedené zodpovedajúce štatistické údaje (** p <0.01, *** p <0.001, ns = nevýznamné).
Nedávno sme ukázali, že spotreba zemiakových lupienkov u potkanov kŕmených ad libitum silne moduluje celú mozgovú aktivitu, ktorá ovplyvňuje najmä okruh odmien a systémy súvisiace s príjmom potravy, spánkom a pohybovou aktivitou.3, Predkladaná štúdia preto skúmala vplyv pomeru tuku a sacharidov testovanej potraviny na tieto modulácie. Na tento účel boli potkany kŕmené ad libitum vystavené testovanej potravine obsahujúcej 35% tuku a 65% sacharidov (FCH) ako takmer izo-kalorický (565 vs. 535 kcal / 100 g) model pre zemiakové lupienky. Kontrolná skupina dostala namiesto toho práškovú STD. Potom sa zaznamenali zmeny v štruktúre celej mozgovej aktivity počas kŕmnej fázy pomocou zobrazenia magnetickou rezonanciou so zvýšenou mangánom (MEMRI).14,15 ako bolo opísané vyššie3, Podľa dizajnu štúdie uvedeného v Obr. 1bpo tréningovej fáze (TP), ktorá ponúka testované potraviny ad libitum, nasledovala stredná fáza bez testovanej potravy (každá sedem dní). Pred meraním MEMRI bol kontrastný prostriedok mangánový chlorid podávaný dorzálne subkutánne implantovanými osmotickými pumpami na mapovanie integrovanej mozgovej aktivity počas nasledujúcich siedmich dní. Počas tejto mangánovej fázy (MnP) krysy obnovili prístup k ich už známym testovaným potravinám. Štandardné krmivo pre pelety a voda z vodovodu boli k dispozícii ad libitum počas celej štúdie (Obr. 1b). Toto nastavenie testu porovnalo energetický príjem, ako aj vzor celej aktivity mozgu oboch skupín a viedlo k signifikantne zvýšenému príjmu energie v skupine FCH počas TP a MnP vo svetle, ako aj v tmavom cykle dňa v porovnaní s kontrolou (kontrolná skupina).Obr. 1b). Okrem toho sa počítalo lokomotorické pôsobenie jednotlivých potkanov v blízkosti dávkovačov potravín. Na rozdiel od iných lokomotorických testov, ako je test otvoreného poľa, ktorý meria všeobecnú lokomotorickú aktivitu a úzkosť, lokomotorická aktivita súvisiaca s kŕmením, ktorá bola hodnotená v tejto štúdii, skôr odráža správanie pri hľadaní potravy. Lokomotorická aktivita súvisiaca s kŕmením však bola len mierne zvýšená, keď bol FCH dostupný namiesto práškovej STD počas temného cyklu TP (priemerná lokomotorická aktivita [počet] STD 205 ± 46, FCH 230 ± 41, n = 4, p = 0.0633 ) a MnP (priemerná lokomotorická aktivita [počet] STD 155 ± 24, FCH 164 ± 17, n = 4, p = 0.2123) (Obr. 1b). Naopak, prístup k zemiakovým lupienkom viedol k oveľa vyššej lokomotorickej aktivite v porovnaní s tou istou kontrolnou skupinou STD počas cyklu tmy.3, ktorá bola signifikantná tak v TP (stredná pohybová aktivita [počíta sa] STD 205 ± 46, zemiakové lupienky 290 ± 52, n = 4, p <0.001), ako aj v MnP (stredná pohybová aktivita [počíta] STD 155 ± 24, zemiakové lupienky 197 ± 29, n = 4, p = 0.0011). Možno teda dospieť k záveru, že pomer tukov a uhľohydrátov určuje chutnosť zemiakových lupienkov, ale že správanie pri kŕmení ovplyvňujú aj ďalšie zložky občerstvenia. Stále však zostáva špekulatívne, ak sa tieto rozdiely týkajú aspektov príjmu „chcenia“ a „obľubovania“16.
Monitorovanie aktivity celého mozgu pomocou MEMRI ukázalo významné rozdiely v aktivácii oblastí mozgu príjmom FCH v porovnaní so STD (Obr. 2a, b, Obr. 3, prvý stĺpec, Tabuľka 1). Súčasné výsledky boli porovnané s predchádzajúcimi MEMRI analýzami modulácie štruktúry mozgovej aktivity počas príjmu zemiakových lupienkov proti STD za rovnakých podmienok3, Prvé údaje sú uvedené v druhom stĺpci Obr. 2 a 3, Hoci FCH mal podobný pomer tuku a sacharidov a takmer identickú hustotu energie v porovnaní so zemiakovými lupienkami, FCH aktivoval oveľa menší počet (33) oblastí mozgu výrazne odlišne od STD ako zemiakové lupienky (oblasti 78, Obr. 2). Účinky boli zistené vo funkčných skupinách súvisiacich s odmenou a závislosťou (Obrázok 3a), príjem potravy (Obr. 3b), spať (Obr. 3c) a lokomotorická aktivita (Obr. 3d). Obrázok 2b ukazuje prehľad všetkých výrazne odlišne aktivovaných oblastí mozgu porovnávajúcich účinky FCH a zemiakových lupienkov s účinkami STD. Okrem toho, frakčná zmena v aktivácii, tj vychytávanie mangánu odráža neuronálnu aktivitu, sa líši rozhodujúcim spôsobom, pokiaľ ide o spotrebu FCH vs. STD v porovnaní so zemiakmi proti STD (STD).Obr. 3, tretí stĺpec). Nukleus accumbens sa považuje za hlavnú štruktúru systému odmeňovania17, Spotreba FCH viedla k významne zvýšenej aktivácii 7.8-násobku v jednej zo štyroch subštruktúr, jadrovej subregióne ľavej hemisféry. Zvýšenie v subregiónoch shell, ako aj v subregióne pravej pravej hemisféry nebolo významné (Obrázok 3a). Príjem zemiakových lupienkov za podobných podmienok tiež viedol k najväčšej aktivácii zďaleka k ľavému jadru subregiónu nucleus accumbens. V porovnaní s FCH však bola úroveň aktivácie v tejto subštruktúre dokonca dvojnásobne vyššia. Na rozdiel od FCH, tri ďalšie subštruktúry boli tiež významne aktivované v porovnaní s kontrolou (Obrázok 3a). Možno teda konštatovať, že FCH aktivuje systémy odmeňovania v mozgu, ale s menším účinkom ako zemiakové lupienky. Tento záver odzrkadľujú aj iné štruktúry systému odmeňovania / závislosti, ktoré boli výrazne aktivované príjmom zemiakových lupienkov a FCH, ako je jadro lôžka stria terminalis (ľavá hemisféra).17,18dorzálne subikulum19alebo prelimbický kortex (pravá a ľavá hemisféra)20, Naopak, iné mozgové štruktúry neboli významne ovplyvnené príjmom FCH, aj keď sú dôležitými zložkami odmeňovacích okruhov a boli jasne modulované príjmom zemiakových lupienkov, ako je ventrálna palida, ventrálna tegmentálna oblasť alebo caudate putamen (Tabuľka 1)3.
Obrázok 2: (a) Významne odlišne aktivované oblasti mozgu (zmes sacharidov 35% tuku / 65% (FCH) oproti štandardnému krmivu (STD) a zemiakovým lupienkom proti STD3) morfometrickou analýzou založenou na voxeli, ilustrovanú na troch rezoch zobrazených na priemernom povrchu potkana.
Priemerné údaje o tuku / sacharidoch skupiny potravín (FCH, ľavý stĺpec) sa porovnávajú so zmenami v štruktúre aktivity mozgu vyvolanej zemiakovými lupienkami za rovnakých podmienok (prehľad z Hoch et al. 20133, pravý stĺpec). b) 3D distribúcia výrazne odlišne aktivovaných oblastí mozgu zobrazených v axiálnom a sagitálnom zobrazení (35% tuk / 65% sacharidový testovací materiál FCH vs. STD, ľavý stĺpec a zemiakové lupienky vs. STD, pravý stĺpec, prehľad z Hoch et al. 20133). Modré gule symbolizujú mozgové oblasti s nižšími, červenými guľovými oblasťami mozgových oblastí s vyššou aktivitou po príjme príslušných testovaných potravín FCH alebo zemiakových lupienkov.3, každý v porovnaní so STD. Veľkosť guľôčok symbolizuje hladiny významnosti (malé: p ≤ 0.05, médium: p ≤ 0.01, veľké: p ≤ 0.001, n = 16).
Obrázok 3: Oblasti mozgu priradené funkčným skupinám (a) „odmena a závislosť“, b) „príjem potravy“, c) „spánok“ ad) „pohybová aktivita“ na schematickom sagitálnom pohľade na potkana. mozog s významne odlišnou (p <0.05) akumuláciou mangánu v mozgových štruktúrach potkanov kŕmených ad libitum s ďalším prístupom k testovacej potrave s obsahom 35% tuku / 65% uhľohydrátov (FCH, prvý stĺpec) alebo k zemiakovým lupienkom s občerstvením (hodnotenie od Hocha) et al. 20133, druhý stĺpec).
Červené obdĺžniky symbolizujú oblasti mozgu významne aktivované zemiakovými lupienkami s ľahkým občerstvením alebo FCH, obidva oproti práškovému štandardnému krmivu (STD), modré obdĺžniky príslušné mozgové oblasti s vyššou aktivitou v dôsledku príjmu práškového STD vs. Trojuholníky spojené s obdĺžnikmi vľavo a / alebo vpravo označujú pologuľu významných rozdielov. Obdĺžniky bez trojuholníkov predstavujú centrálne mozgové štruktúry. Tretí stĺpec zobrazuje zlomkovú zmenu občerstvenia a FCH v porovnaní s STD (*** p <0.001, ** p <0.01, * p <0.05, n = 16). Acb core: oblasť jadra nucleus accumbens; Acb plášť: oblasť plášťa nucleus accumbens, oblúk: oblúkovité jadro hypotalamu, BNST: lôžkové jadro stria terminalis, CgCx: cingulate cortex, CPu: caudate putamen (stratium), DS: dorzálne subikulum, Gi: gigantocelulárne jadro, GPV: ventrálne pallidum, HyDM: dorsomediálny hypotalamus, HyL: laterálny hypotalamus, IlCx: infralimbická kôra, InsCx: ostrovná kôra, IP: medzikruhové jadro, LPBN: laterálne parabrachiálne jadro, LPGi: laterálne paragigantocelulárne jadro, LRt: laterálne retikulárne jadro, MCx1 , MCx2: sekundárna motorická kôra, OrbCx: orbitálna kôra, PCRt: parvicelulárne retikulárne jadro, PnO: pontínové retikulárne jadro orálne, PrlCx: prelimbická kôra, PTA: pretektálna oblasť, PVN: paraventrikulárne talamické jadro predné, Raphe: raphe jadro, septum: septum , Sol: solitárny trakt, Teg: tegmentálne jadrá, thMD: mediodorsal thalamic, VS: ventrálne subikulum, VTA: ventrálne tegmentálne územie, ZI: zona incerta.
Tabuľka 1: Z-skóre významne odlišne aktivovaných oblastí mozgu porovnávajúcich potkany s prístupom iba k štandardnému krmivu alebo k zmesi tuku a sacharidov a príslušných p-hodnôt t-štatistiky, n = 16.
Podobné závery možno vyvodiť z analýzy mozgových okruhov, ktoré sú spojené s príjmom potravy. Napríklad dorsomediálny hypotalamus, septum, ako aj paraventrikulárne talamické jadro, ktoré boli aktivované počas príjmu FCH a zemiakových lupienkov, môžu byť spojené s kontrolou príjmu potravy.21,22, FCH však opäť nedokázal modulovať iné štruktúry okruhov sýtosti, ktoré boli deaktivované zemiakovými lupienkami, ako je oblúkové hypotalamické jadro alebo solitárny trakt. Okrem toho intenzita aktivácie bola nižšia o FCH ako o zemiakové lupienky, čo sa prejavilo napríklad 2.3-násobne významne vyššou aktiváciou paraventrikulárneho talamického jadra anterior (Obr. 3b). Tieto údaje naznačujú, že FCH moduluje mozgové štruktúry súvisiace s príjmom potravy odlišne od STD, čo sa prejavuje vyšším príjmom energie prostredníctvom FCH (Obr. 1b).
Príjem FCH tiež viedol k silnej deaktivácii mozgových štruktúr spojených so spánkom. Niektoré oblasti mozgu boli deaktivované iba pomocou FCH, ako napríklad zona incerta (Obr. 3c), zatiaľ čo iné oblasti boli deaktivované iba zemiakovými lupienkami, ako sú tegmentálne jadrá. Hoci osem spánkových štruktúr bolo modulovaných FCH a jedenásť zemiakovými lupienkami, účinok oboch testovaných potravín sa zdá byť v podobnom rozsahu. Pretože tento výsledok sa neočakával, trvanie spánku nebolo v predloženej štúdii merané, takže nie je jasné, či modulácia spánkových obvodov indukovaná FCH koreluje s moduláciou spánkového správania.
Oblasti mozgu zodpovedné za pohybovú aktivitu a pohyb vo všeobecnosti neboli významne ovplyvnené príjmom FCH v porovnaní so STD (Obr. 3d, prvý stĺpec). Súbežne s pozorovaním správania, ktoré FCH indukovalo len mierne, ale nie významne vyššiu lokomotorickú aktivitu súvisiacu s potravou v porovnaní so STD (Obr. 1b). Na rozdiel od toho sa ukázalo, že aktivácia štruktúr motorického systému v mozgoch potkanov s prístupom k zemiakovým lupienkam bola sprevádzaná zvýšenou lokomotorickou aktivitou spojenou s výživou.3.
Nie je úplne jasné, či pozorovaný aktivačný vzor súvisí so hedonickou hyperfágiou. Na rozdiel od homeostatického príjmu potravy, ktorý je regulovaný energetickou hladinou organizmu, je príjem hédonických potravín sprostredkovaný odmenou, ktorú vytvárajú niektoré potraviny.23, Keďže príjem hedonického jedla nie je silne spojený s energetickými potrebami, často vedie k hyperfágii. Boli vyvinuté modely, ktoré opisujú neurálne koreláty hedonickej hyperfágie. Berthoud napríklad navrhuje, aby bol homeostatický príjem potravy spojený s okruhmi citlivými na leptín, ktoré zahŕňajú hlavne oblúkové jadro a jadro solitárneho traktu, ale zahŕňajú aj širokú škálu iných oblastí vrátane miest hypotalamu, ako je paraventrikulárne jadro alebo nucleus accumbens23,24, Táto homeostatická regulácia príjmu potravy však môže byť zrušená signálmi odmien, ako sú zložky sympatií a chcieť25, Lákanie potravy súviselo s mu-opioidnou signalizáciou v nucleus accumbens, ventral pallidum, parabrachiálnom jadre a jadre solitárneho traktu.24, zatiaľ čo nedostatok potravy súvisel so systémom dopamínu vo ventrálnej tegmentálnej oblasti, nucleus accumbens, prefrontálnom kortexe, amygdale a hypotalame. Kenny okrem toho zdôraznil prínos ostrovného kortexu, ktorý má uchovávať informácie o hedonických vlastnostiach potravín a môže byť spojený aj s túžbou po potravinách.10, Na rozdiel od vzoru aktivácie mozgu spojeného s príjmom zemiakových lupienkov, iba niekoľko z týchto oblastí spojených so hedonickou hyperfágiou bolo skutočne ovplyvnených príjmom FCH. Preto sú potrebné rozšírené behaviorálne experimenty, aby sa zistilo, či je preferencia FCH skutočne sprevádzaná hyperfágiou.
Doteraz nie je jasné, ktoré molekulárne zložky zemiakových lupienkov sú zodpovedné za silnejšie účinky modulácie mozgu tejto testovanej potraviny. Vzhľadom k tomu, že sa použil solený, ale nesladený produkt bez prídavku zvýrazňovača chuti, okrem hlavných zložiek tukov a sacharidov boli prítomné aj soli, príchute a menšie množstvá proteínov. Okrem toho je potrebné zvážiť molekulárne zmeny, ku ktorým dochádza počas spracovania. Predtým sa ukázalo, že chuť soli indukovala expresiu Fos v jadre accumbens potkanov zbavených soli. Príjem soli u zvierat, ktoré nie sú vyčerpané, naopak neviedol k aktivácii tejto štruktúry systému odmeňovania26, Okrem toho sa uvádza, že príjem soli v tuhých potravinách skôr spôsobil averzívny účinok u potkanov27, Preto sa nezdá pravdepodobné, že soľ bola hlavným modulátorom systému odmeňovania mozgov v týchto experimentoch. Doteraz zavedený test preferencií dvoch výberov môže teraz slúžiť na ďalšie skúmanie vplyvu iných zložiek zemiakových lupienkov na príjem potravy.
Z našich behaviorálnych údajov vyvodzujeme, že pomer tuku a sacharidov, ale nie absolútna hustota energie, je hlavným určujúcim faktorom chutnosti a príjmu občerstvenia počas krátkodobých testov preferencií u dvoch potkanov. Okrem toho príjem zmesi FCH, ktorý je takmer izoklorický na zemiakové lupienky, vyvolal maximálny príjem energie u potkanov kŕmených ad libitum, čo bolo sprevádzané významne odlišnou aktiváciou mozgových štruktúr súvisiacich s odmenou, príjmom potravy a spaním. Príjem zemiakových lupienkov za rovnakých podmienok viedol k oveľa väčšiemu počtu rôznych aktivovaných mozgových štruktúr v týchto okruhoch a tiež k výrazne vyššej frakčnej zmene v porovnaní s STD. Z obrazového prístupu je teda možné vyvodiť záver, že samotná hustota energie je len miernym determinantom odmeňovacích vlastností jedla. Hoci sa zdá, že pomer tuku a sacharidov zemiakových lupienkov je veľmi atraktívny, je možné predpokladať, že v tomto jedle na občerstvenie existujú iné molekulárne determinanty, ktoré modulujú činnosť mozgových okruhov, najmä systém odmien, ešte silnejší a vedú k zvýšeniu príjmu potravy. hľadanie správania.
Metódy
Vyhlásenie o etike
Táto štúdia bola vykonaná v prísnom súlade s odporúčaniami Príručky pre starostlivosť a používanie laboratórnych zvierat National Institutes of Health. Protokol bol schválený Výborom pre etiku pokusov na zvieratách na Univerzite Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg (Regierung Mittelfranken, číslo povolenia: 54-2532.1-28 / 12).
Preferenčný test
Preferenčné testy boli uskutočňované tak, ako bolo opísané vyššie trikrát denne počas svetelného cyklu po dobu 10 minút s opakovaním 20 – 36 celkovo na testovanú potravinu v porovnaní s referenciou.13, Tento plán testov poskytuje dostatok údajov pre vyhodnotenie preferencie potravín. Testy sa uskutočňovali s 8 samcami potkanov Wistar (klietky 2 každý so zvieratami 4, 571 ± 41 g, zakúpené od Charles River, Sulzfeld, Nemecko) a reprodukované s 10 samcami potkanov Sprague Dawley (klietky 2 s zvieratami 5, každá hmotnosť 543 s 71 zvieratami, počiatočná hmotnosť 18 ± 4 g, zakúpené od Charles River, Sulzfeld, Nemecko), ktorý bol vyškolený na test. Počet zvierat, ktoré vykonali každý test, bol teda 5 a počet klietok 6 (štyri biologické replikáty). Každý experiment opakoval 12-12 krát s každou skupinou zvierat. Všetky potkany boli držané v cykle 1324 / 4 h. Potkany mali prístup k štandardným krmivom (Altromin 100, Lage, Nemecko, 52.5 g / 100 g tuku (F), 19 g / 100 g sacharidov (CH), 15 g / 50 g proteín (P)) okrem potraviny a vodu z vodovodu ad libitum počas celej štúdie. Testované potraviny s rôznymi pomermi F (slnečnicový olej, zakúpené v miestnom supermarkete) a CH (maltodextrín, dextrín 50 z kukuričného škrobu, Fluka, Nemecko), zmiešané s 17.5% práškovou STD boli použité na porovnanie príslušnej aktivity na vyvolanie príjmu potravy. , Práškový STD bol pridaný na minimalizáciu textúrnych a zmyslových vplyvov na spotrebu. Ako referenčná potrava pre všetky testy preferencie správania sa použila zmes 32.5% práškovej STD, 50% F a 50% CH, ktorá má vysoko podobné zloženie F / CH ako zemiakové lupienky XNUMX% v STD a používa sa ako prostriedok na analýzu. model pre XNUMX% zemiakových lupienkov v STD predtým13, Okrem toho sme testovali potraviny zložené z 50% práškovej STD s pridaním nasledujúcich zmesí F a CH (% F /% CH): 5 / 45, 10 / 40, 17.5 / 32.5, 25 / 25, 30 / 20, 35 / 15, 40 / 10, 45 / 5 a 50 / 0. Vzhľadom na zloženie 50% STD obsahovali referenčné potraviny celkovo (% F /% CH) 20 / 59, ostatné testované potraviny 7 / 71, 12 / 66, 20 / 59, 27 / 51, 32 / 46, 37, 41 / 42, 36 / 47, 31 / 52 a 26 / 9. Obsah všetkých ostatných zložiek práškového STD proteínu (3%), vlákniny (3.5%) alebo minerálov (popola, XNUMX%) bol konštantný vo všetkých testovaných potravinách.
Príjem energie závislý od príslušnej testovanej potraviny bol vypočítaný vynásobením požitého množstva testovanej potraviny jej príslušným energetickým obsahom. Relatívny príspevok jednej testovanej potraviny k súčtu prijímanej testovanej potraviny a referencie bol vypočítaný vydelením množstva príslušnej testovanej potraviny celkovým príjmom testovanej potraviny a referenciou.
Zaznamenávanie behaviorálnych údajov pre príjem energie a pohybovú aktivitu súvisiacu s výživou
Údaje o správaní boli zaznamenané tak, ako bolo opísané vyššie3, Stručne, denný príjem potravy sa meral a príjem energie sa vypočítal vynásobením hmotnosti požitej testovanej potraviny príslušným energetickým obsahom. Lokomotorická aktivita súvisiaca s kŕmením sa kvantifikovala pomocou obrázkov z webkamery, ktoré sa odobrali každých 10 sekúnd zhora nad klietkou. Jeden počet bol definovaný ako „jedna krysa vykazuje lokomotorickú aktivitu v blízkosti jedného dávkovača potravín“. Na štatistické vyhodnotenie sa uskutočnili Studentove t-testy (dvojaké) s použitím priemernej hodnoty (príjem energie alebo lokomotorická aktivita súvisiaca s kŕmením) počas 7 dní (TP alebo MnP) na klietku (n = 4 klietky, spolu s potkanmi 16 celkom v každej skupine).
Zaznamenávanie vzoru aktivity celého mozgu pomocou MEMRI
Samce potkanov Wistar (počiatočná hmotnosť 261 ± 19 g, zakúpené od Charles River, Sulzfeld, Nemecko) uchovávané v cykle 12 / 12 h tmavé / svetlé sa náhodne rozdelili do dvoch skupín. Obidve skupiny mali ad libitum prístup k štandardným krmivovým peletám (Altromin 1324, Altromin, Lage, Nemecko) počas celého priebehu štúdie.
Jedna skupina (n = 16, počiatočná telesná hmotnosť 256 ± 21 g) dostala práškovú STD (Altromin 1321) a druhá skupina (n = 16, počiatočná telesná hmotnosť 266 ± 16 g) dostala zmes 35% F (slnečnicový olej, a od firmy 65% CH (maltodextrín, dextrín 15 z kukuričného škrobu, Fluka, Taufkirchen, Nemecko) dodatočne k štandardným krmivovým peletám. Táto štúdia prebiehala súbežne s predtým publikovanou štúdiou o zemiakových lupienkoch3, takže by sa mohla použiť rovnaká kontrolná skupina, ktorá by umožnila maximálnu porovnateľnosť súborov údajov.
MEMRI (na MRI 4.7 T Bruker s použitím optimalizovanej modifikovanej riadenej rovnovážnej Fourierovej transformácie (MDEFT) sekvencia) bola použitá na mapovanie aktivácie mozgu s jemným rozlíšením 109 × 109 × 440 μm (podrobnosti pozri Hoch et al. 20133). Pretože citlivosť MEMRI je nižšia v porovnaní s preferenčnými testami, testované potraviny boli prezentované dlhšiu dobu. Záznamy vyžadujú relatívne vysoké koncentrácie potenciálne toxického kontrastného činidla mangánu, ktoré sa dostane do mozgu len niekoľko hodín po aplikácii. Aby sa zabránilo negatívnym vedľajším účinkom na základnú fyziológiu a správanie zvierat v dôsledku injekcie roztoku chloridu manganičitého v dávkach dostatočných na meranie MEMRI, osmotické pumpy slúžili na šetrnú, ale časovo náročnú nepretržitú aplikáciu netoxických množstiev mangánu. , ktoré sa nahromadili v aktivovaných oblastiach mozgu počas celého časového obdobia testovacej fázy 7-u28, Doteraz bol popísaný návrh štúdie, príprava osmotických púmp, parametre na meranie MRI, spracovanie údajov, ako aj zaznamenávanie príjmu potravy a lokomotorickej aktivity súvisiacej s výživou.3, Pôvodné hodnoty sivej MRI segmentovaného mozgu na zviera boli zaznamenané pomocou rigidného registračného pracovného postupu3, Na základe týchto registrovaných dátových súborov bola vykonaná morfometrická analýza na báze voxelu a vizualizované výsledné štatistické parametre. Študentské t-testy založené na Z-skóre sa uskutočnili na detekciu významných rozdielov v aktivácii mozgu. Pre vizualizáciu distribúcie významne odlišne aktivovaných mozgových štruktúr pre 3D sme reprezentovali každú mozgovú štruktúru ako guľu v jej ťažisku. Súradnice boli odvodené z atlasu digitálneho mozgu 3D. Polomer každej guľôčky sa použil na kódovanie jeho hladiny významnosti a kódovanie intenzity intenzity rozdielu aktivity voči STD.
Ďalšie informácie
Ako citovať tento článok: Hoch, T. et al. Pomer tuku a sacharidov, ale nie hustota energie, určuje príjem jedla a aktivuje oblasti odmeňovania mozgu. Sci. Rep. 5, 10041; dva: 10.1038 / srep10041 (2015).
Referencie
- 1.
La Fleur, SE, Luijendijk, MCM, van der Zwaal, EM, Brans, MAD & Adan, RAH Potkanie potkany ako model ľudskej obezity: účinky stravy s vysokým obsahom cukru s vysokým obsahom tuku na stravovacie návyky. Int. J. Obes. 38, 643-649 (2014).
· 2.
Berthoud, H.-R. Homeostatické a ne-homeostatické cesty zapojené do regulácie príjmu potravy a energetickej rovnováhy. Obezita. 14 S8, 197S – 200S (2006).
· 3.
Hoch, T., Kreitz, S., Gaffling, S., Pischetsrieder, M. & Hess, A. Zobrazovanie magnetickou rezonanciou so zosilneným mangánom na mapovanie vzorcov aktivity celého mozgu spojených s príjmom jedla v potkaních potkanoch ad libitum. PLoS ONE. 8, e55354; 10.1371 / journal.pone.0055354 (2013).
· 4.
Volkow, ND & Wise, RA Ako nám môže drogová závislosť pomôcť pochopiť obezitu? Nat. Neurosci. 8, 555-560 (2005).
· 5.
Berthoud, H.-R. Metabolické a hedonické pohony v nervovej kontrole chuti do jedla: kto je šéf? Akt. Opin. Neurobiol. 21, 888-896 (2011).
· 6.
Gearhardt, AN, Grilo, CM, DiLeone, RJ, Brownell, KD & Potenza, MN Môže byť jedlo návykové? Dôsledky verejného zdravia a politiky. Závislosť. 106, 1208-1212 (2011).
· 7.
Hebebrand, J. et al. „Závislosť na jedení“, skôr ako „závislosť od potravín“, lepšie vystihuje návykové správanie. Neurosci. Biobehav. Rev. 47, 295-306 (2014).
· 8.
Epstein, DH a Shaham, Y. Cheesecake-jesť potkany a otázka závislosti na potravinách. Nat. Neurosci. 13, 529-531 (2010).
· 9.
DiLeone, RJ, Taylor, JR & Picciotto, MR Úsilie k jedlu: porovnania a rozdiely medzi mechanizmami potravinovej odmeny a drogovej závislosti. Nat. Neurosci. 15, 1330-1335 (2012).
· 10.
Kenny, PJ Bežné bunkové a molekulárne mechanizmy pri obezite a závislosti od drog. Nat. Rev. Neurosci. 12, 638-651 (2011).
· 11.
Rolls, BJ & Bell, EA Príjem tuku a sacharidov: úloha hustoty energie. Eur. J. Clin. Nutr. 53 (Suppl 1), S166 – 173 (1999).
· 12.
Shafat, A., Murray, B. & Rumsey, D. Hustota energie v jedálničku vyvolala u potkanov hyperfágiu. Chuť. 52, 34-38 (2009).
· 13.
Hoch, T., Pischetsrieder, M. & Hess, A. Príjem potravy v krmive u potkanov kŕmených ad libitum sa spúšťa kombináciou tuku a sacharidov. Predná. Psychol. 5250; 10.3389 / fpsyg.2014.00250 (2014).
· 14.
Lin, YJ a Koretsky, AP Mangánový ión zlepšuje MRI počas váženia mozgu počas vyšetrenia mozgu: prístup k priamemu zobrazovaniu funkcií mozgu. Magni. Resona. Med. 38, 378-388 (1997).
· 15.
Koretsky, AP & Silva, AC Zobrazovanie magnetickou rezonanciou so zosilneným mangánom (MEMRI). NMR Biomed. 17, 527-531 (2004).
· 16.
Berridge, KC Potešenie z mozgu. Brain Cogn. 52, 106-128 (2003).
· 17.
Haber, SN & Knutson, B. Okruh odmeňovania: prepojenie anatómie primátov a zobrazovania človeka. neuropsychofarmakologie 35, 4-26 (2010).
· 18.
Epping-Jordan, MP, Markou, A. & Koob, GF Antagonista dopamínového receptora D-1 SCH 23390 vstrekol do jadra dorzolaterálneho lôžka terminálu stria, čím sa znížilo vystuženie kokaínu u potkanov.. Brain Res. 784, 105-115 (1998).
· 19.
Martin-Fardon, R., Ciccocioppo, R., Aujla, H. & Weiss, F. Dorzálne subikulum sprostredkováva získavanie podmieneného obnovenia hľadania kokaínu. neuropsychofarmakologie. 33, 1827-1834 (2008).
· 20.
Limpens, JHW, Damsteegt, R., Broekhoven, MH, Voorn, P. & Vanderschuren, LJMJ Farmakologická inaktivácia prelimbického kortexu napodobňuje kompulzívnu odmenu u potkanov. Brain Res.; 10.1016 / j.brainres.2014.10.045 (2014).
21.
Bellinger, LL & Bernardis, LL Dorsomediálne jadro hypotalamu a jeho úloha pri ingestívnom správaní a regulácii telesnej hmotnosti: poučenia zo štúdií lézií. Physiol. Behave. 76, 431-442 (2002).
· 22.
Stratford, TR & Wirtshafter, D. Injekcie muscimolu do paraventrikulárneho talamického jadra, ale nie mediodorsálneho talamického jadra, indukujú kŕmenie potkanov. Brain Res. 1490, 128-133 (2013).
· 23.
Harrold, JA, Dovey, TM, Blundell, JE & Halford, JCG CNS regulácia apetítu. Neuropharmacology 63, 3-17 (2012).
· 24.
Berthoud, H.-R. Neurálna kontrola chuti do jedla: skrížený rozhovor medzi homeostatickými a ne-homeostatickými systémami. Chuť. 43, 315-317 (2004).
· 25.
Berridge, KC Potravinová odmena: Mozgové substráty chcieť a páčiť sa. Neurosci. Biobehav. Rev. 20, 1-25 (1996).
· 26.
Voorhies, AC a Bernstein, IL Indukcia a expresia chuti do jedla: účinky na expresiu Fos v nucleus accumbens. Behave. Brain Res. 172, 90-96 (2006).
· 27.
Beauchamp, GK & Bertino, M. Potkany (Rattus norvegicus) uprednostňujú solené pevné potraviny. J. Comp. Psychol. 99, 240-247 (1985).
· 28.
Eschenko, O. et al. Mapovanie funkčnej mozgovej aktivity u voľne sa chovajúcich potkanov počas dobrovoľného chodu s použitím mangánovo zosilnenej MRI: Dôsledky pre dlhodobé štúdie. Neuroimage 49, 2544-2555 (2010).
· 29.
Denbleyker, M., Nicklous, DM, Wagner, PJ, Ward, HG & Simansky, KJ Aktivácia mu-opioidných receptorov v laterálnom parabrachiálnom jadre zvyšuje expresiu c-Fos v oblastiach predného mozgu spojených s kalorickou reguláciou, odmenou a kogníciou. Neurovedy 162, 224-233 (2009).
· 30.
Hernandez, L. a Hoebel, BG Potravinová odmena a kokaín zvyšujú extracelulárny dopamín v nucleus accumbens, merané mikrodialýzou. Life Sci. 42, 1705-1712 (1988).
· 31.
Zahm, DS et al. Fos po jednorazovom a opakovanom podaní kokaínu a fyziologického roztoku u potkanov: dôraz na bazálny predný mozog a rekalibrácia expresie. neuropsychofarmakologie 35, 445-463 (2010).
· 32.
Oliveira, LA, Gentil, CG & Covian, MR Úloha septa v kŕmnom správaní vyvolanom elektrickou stimuláciou laterálneho hypotalamu potkana. Braz. J. Med. Biol. Res. 23, 49-58 (1990).
· 33.
Chase, MH Potvrdenie konsenzu, že glycínergná postsynaptická inhibícia je zodpovedná za atóniu REM spánku. spánok. 31, 1487-1491 (2008).
· 34.
Sirieix, C., Gervasoni, D., Luppi, P.-H. & Léger, L. Úloha laterálneho paragigantocelulárneho jadra v sieti paradoxného (REM) spánku: elektrofyziologická a anatomická štúdia na potkanoch. PLoS ONE. 7, e28724; 10.1371 / journal.pone.0028724 (2012).
· 35.
Trepel, M. Neuroanatomie. Štruktúra a funkcia 3rd ed. Urban & Fischer, München, 2003).
36.
Miller, AM, Miller, RB, Obermeyer, WH, Behan, M. & Benca, RM Pretectum sprostredkováva rýchlu reguláciu spánku očného svetla svetlom. Behave. Neurosci. 113, 755-765 (1999).
· 37.
Léger, L. et al. Dopaminergné neuróny exprimujúce Fos počas bdenia a paradoxného spánku u potkanov. J. Chem. Neuroanat. 39, 262-271 (2010).
37.
o
Poďakovanie
Štúdia je súčasťou projektu Neurotrition, ktorý podporuje iniciatíva FAU Emerging Fields Initiative. Ďalej ďakujeme Christine Meissner za korektúru rukopisu.
Informácie o autorovi
Medzinárodná spolupráca
1. Oddelenie potravinárskej chémie, Katedra chémie a farmácie, Centrum Emil Fischer, Univerzita Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Nemecko
o Tobias Hoch
o & Monika Pischetsrieder
2. Ústav experimentálnej a klinickej farmakológie a toxikológie, Centrum Emila Fischera, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Nemecko
o Silke Kreitz
o & Andreas Hess
3. Laboratórium na rozpoznávanie vzorov, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Nemecko
o Simone Gaffling
4. Škola pokročilých optických technológií (SAOT), Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Nemecko
o Simone Gaffling
Príspevky
Koncipované a navrhnuté experimenty: THMPAH Vykonané experimenty: THAH Analyzované údaje: THSKSGAH Interpretované údaje THMPAH Prispené reagencie / materiály / nástroje analýzy: AHMP Napísal papier: THMPAH
Konkurenčné záujmy
Autori neuvádzajú žiadne konkurenčné finančné záujmy.
zodpovedajúci Autor
Korešpondencia Monika Pischetsrieder.
;