Poznámky: Štúdia odhalila senzibilizáciu a hypofrontalitu u obéznych jedincov. Obaja sú znakmi zmien súvisiacich so závislosťou od mozgu.
Metabolizmus glukózy v jadre kaudátu v strednom mozgu (A) bol signifikantne vyšší u obéznych ako u chudých jedincov (B).
Vo väčšine západných krajín je v súčasnosti významný nárast prevalencie a závažnosti obezity. Hoci obezita zvyčajne vyplýva len z nadmerného príjmu energie, v súčasnosti nie je jasné, prečo sú niektorí ľudia náchylní na prejedanie sa a naberanie na váhe.
Pretože centrálny nervový systém je úzko zapojený do spracovania signálov hladu a kontroly príjmu potravy, je možné, že príčinou prírastku hmotnosti a obezity môže byť mozog.
Výskumní pracovníci na univerzite v Turku a na univerzite v Aalto teraz našli nové dôkazy o úlohe mozgu v obezite. Vedci merali fungovanie mozgových okruhov zapojené do viacnásobných metód zobrazovania mozgu.
Výsledky odhalili, že u obéznych verzus štíhlych jedincov bol metabolizmus glukózy v mozgu signifikantne vyšší v striatálnych oblastiach mozgu, ktoré sa podieľajú na spracovaní odmien. Okrem toho systém odmeňovania obézneho jedinca reagoval energickejšie na obrázky jedla, zatiaľ čo reakcie v oblasti frontálnej kortikálnej oblasti zapojenej do kognitívnej kontroly boli tlmené..
"Výsledky naznačujú, že mozog obéznych jedincov môže neustále generovať signály, ktoré podporujú stravovanie, aj keď telo nevyžaduje ďalšiu spotrebu energie.“, Hovorí mimoriadny profesor Lauri Nummenmaa z univerzity v Turku.
„Výsledky poukazujú na úlohu mozgu pri obezite a priberaní na váhe. Výsledky majú zásadné dôsledky na súčasné modely obezity, ale aj na vývoj farmakologickej a psychologickej liečby obezity, “hovorí Nummenmaa.
Účastníkmi boli morbídne obézni jedinci a štíhle, zdravé kontroly. Ich mozog metabolizmus glukózy bola meraná pozitrónom emisná tomografia počas stavov, v ktorých bolo telo nasýtené z hľadiska inzulínovej signalizácie. Reakcie mozgu na obrázky potravín boli merané pomocou funkčné zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie.
Výskum financuje Akadémia Fínska, Univerzitná nemocnica Turku, Univerzita v Turku, Univerzita Åbo Akademi a Univerzita Aalto.
Výsledky boli zverejnené v januári 27th, 2012 vo vedeckom časopise PLoS ONE.
ŠTÚDIA: Dorzálne striatum a jeho limbická konektivita Sprostredkovávajú abnormálne predvídacie spracovanie odmeňovania v obezite
Lauri Nummenmaa, Jussi Hirvonen, Jarna C. Hannukainen, Heidi Immonen, Markus M. Lindroos, Paulina Salminen, Pirjo Nuutila .. PLoS ONE, 2012; 7 (2): e31089 DOI: 10.1371 / journal.pone.0031089
abstraktné
Obezita je charakterizovaná nerovnováhou v mozgových okruhoch podporujúcich hľadanie odmeny a tých, ktoré riadia kognitívnu kontrolu, Tu ukazujeme, že dorzálne jadro kaudátu a jeho spojenia s amygdala, insula a prefrontálnym kortexom prispievajú k abnormálnemu spracovaniu odmeny pri obezite. Merali sme regionálny príjem glukózy v mozgu u morbídne obéznych (n = 19) a normálnych vážených (n = 16) jedincov s 2- [18F] fluór-2-deoxyglukózou ([18F] FDG) pozitrónová emisná tomografia (PET) pri euglykemickej hyperinzulinémii a pri funkčnom zobrazovaní magnetickou rezonanciou (fMRI), zatiaľ čo predvídateľná potravinová odmena bola vyvolaná opakovanými prezentáciami chutných a nezdravých potravín. Najprv sme zistili, že rýchlosť vychytávania glukózy v dorzálnom jadre kaudátu bola vyššia u obéznych ako u subjektov s normálnou hmotnosťou. Po druhé, obézni jedinci vykazovali zvýšené hemodynamické reakcie v jadre kaudátu pri sledovaní chutných versus nevýrazných potravín vo fMRI. Cudát tiež ukázal zvýšenú funkčnú konektivitu súvisiacu s úlohami s amygdala a insula u obéznych jedincov oproti subjektom s normálnou hmotnosťou. Nakoniec, obézni jedinci mali menšie reakcie na chutné versus nevýrazné potraviny v dorsolaterálnych a orbitofrontálnych kortikách ako pacienti s normálnou hmotnosťou a zlyhanie aktivácie dorzolaterálneho prefrontálneho kortexu korelovalo s vysokým metabolizmom glukózy v jadre dorzálneho kaudátu. Tieto zistenia naznačujú, že zvýšená citlivosť na vonkajšie podnety potravy pri obezite môže zahŕňať abnormálne učenie sa odozvy na podnet a motivačnú motiváciu podchytenú dorzálnym jadrom kaudátu, čo môže byť následne spôsobené abnormálne vysokým vstupom z amygdaly a insula a dysfunkčnou inhibičnou kontrolou pomocou čelné kortikálne oblasti. Tieto funkčné zmeny v citlivosti a vzájomnom prepojení odmeňovacieho okruhu môžu byť kritickým mechanizmom na vysvetlenie prejedania sa v obezite.
citácie: Nummenmaa L, Hirvonen J, Hannukainen JC, Immonen H, Lindroos MM, et al. (2012) Dorzálne striatum a jeho limbická konektivita sprostredkujú abnormálne predvídacie spracovanie odmeňovania v obezite. PLoS ONE 7 (2): e31089. doi: 10.1371 / journal.pone.0031089
Editor: Ya-Ping Tang, Louisiana State University Health Sciences Center, Spojené štáty americké
obdržal: August 19, 2011; Prijaté: január 2, 2012; Pridané: február 3, 2012
Copyright: © 2012 Nummenmaa a kol. Ide o otvorený článok, ktorý je distribuovaný podľa podmienok licencie Creative Commons Attribution License, ktorá umožňuje neobmedzené používanie, distribúciu a reprodukciu v akomkoľvek médiu za predpokladu, že pôvodný autor a zdroj sú pripísané na účet.
financovania: Túto prácu podporila Fínska akadémia (granty #256147 a #251125 http://www.aka.fi) na LN, Aalto University (AivoAALTO Grant, http://www.aalto.fi) Nadácia Sigrid Juselius (www.sigridjuselius.fi/foundation) Univerzitná nemocnica Turku (grant EVO) http://www.tyks.fi). Poskytovatelia nemali žiadnu úlohu pri navrhovaní štúdií, zbere údajov a analýze, rozhodnutí o publikovaní alebo príprave rukopisu.
Konkurenčné záujmy: Autori vyhlásili, že neexistujú konkurenčné záujmy.
úvod
Vo väčšine západných krajín je v súčasnosti významný nárast prevalencie a závažnosti obezity [1], Neobmedzená dostupnosť chutných potravín je najzreteľnejším environmentálnym faktorom, ktorý podporuje obezitu [2]a gény podporujúce rýchly príjem energie prostredníctvom vysokého príjmu cukru a tukov za podmienok nedostatku potravín sa stali zodpovednosťou v moderných spoločnostiach, kde sú kalorické potraviny všadeprítomné. Na boj proti súčasnej epidémii obezity je preto nevyhnutné pochopiť, ktoré faktory určujú, či sa sleduje alebo obmedzuje spotreba potravín. Jesť poskytuje živiny, ale je tiež vysoko posilňujúce, pretože vyvoláva intenzívne pocity radosti a odmeny. Porovnávacie štúdie preukázali, že vzájomne prepojený systém odmeňovania zahŕňajúci subkortikálne (amygdala, hypotalamus, striatum) a frontokokortálne (motorické, premotorické, orbitálne a mediálne prefrontálne) oblasti zohrávajú kľúčovú úlohu pri riadení chutného správania. [3], [4], [5], Funkčné zobrazovacie štúdie na ľuďoch ďalej ukázali, že subkomponenty odmeňovacieho okruhu prispievajú k spracovaniu vonkajších potravinových podnetov, ako sú obrazy potravín. [6], [7], [8], [9]a dysfunkcie odmeňovacieho okruhu sú tiež spojené s obezitou a drogovou závislosťou. [2], [10], [11], [12], [13], [14], V tejto štúdii ukážeme, ako môže byť tonická aktivita, regionálne reakcie, ako aj prepojenosť odmeňovacieho okruhu kritickými mechanizmami vysvetľujúcimi prejedanie sa a obezitu.
Konzumovateľné potraviny majú silnú motivačnú silu. Samotný pohľad na lahodný koláč alebo vôňa našich obľúbených jedál môže vyvolať silné nutkanie na jedenie práve teraz a vystavenie takýmto podnetom môže prevýšiť fyziologické signály sýtosti a spustiť spotrebu potravín [15], Prejedanie teda pravdepodobne závisí od rovnováhy medzi odmenovým okruhom a sieťami, ktoré bránia vyhľadávaniu odmeny, ako napr. [16], [17], [18], Existujúca literatúra zo zobrazovacích štúdií na ľuďoch naznačuje, že obezita je charakterizovaná nerovnováhou v týchto systémoch, v tom, že okruh odmeňovania je príliš aktívny na odmeňovanie očakávania v obezite a že inhibičné siete nemusia vykonávať kontrolu nad systémom odmeňovania [2], [10], [11], [12], [13], [14], [19]. V odozve okruhu odmien na jedlo existujú veľké individuálne rozdiely, čo môže byť kritickým faktorom prispievajúcim k prejedaniu a obezite. [2], Osobnostný charakter odmena disk je pozitívne spojený s túžbou po jedle a telesnej hmotnosti [20]Štúdie fMRI odhalili, že tiež predpovedá reakcie ventrálneho striata na chutné obrázky jedla u jedincov s normálnou hmotnosťou. [21], Podobne aj citlivosť na externé potravinové podnety, ktorá sa uvádza v správach, pozitívne koreluje so vzájomným prepojením systému odmeňovania [22], V súlade s týmito zisteniami štúdie fMRI potvrdili, že okruh odmeňovania obéznych jedincov je precitlivený na samotný pohľad na potraviny. Obézni jedinci vykazujú zvýšené reakcie na obrázky potravín v amygdale, jadre kaudátu a prednej cingulárnej kôre [10], [19]a bolo navrhnuté, že táto hyperaktivita dopamínergického systému odmeňovania môže spôsobiť obéznym jedincom náchylnosť k prejedaniu. Štúdie PET ďalej demonštrovali dopaminergné spoločné znaky v mechanizmoch zneužívania drog a nadmerného príjmu potravy, čo naznačuje, že aspoň v niektorých prípadoch môže byť obezita charakterizovaná ako „závislosť od potravín“. Dopaminergné cesty odmeňovania v strednom mozgu modulujú spotrebu potravy aj drog [23] najmä vytváraním pocitov túžby po potravinách a drogách [24], a tak drogy, ako aj potraviny vyvíjajú svoje posilňujúce účinky zvýšením dopamínu v limbických oblastiach. Pacienti s návykovými poruchami vykazujú tonicky nižšiu základnú líniu D2 receptor (D2R) hustota v striate a otupenie uvoľňovania dopamínu po podaní liečiva. Podobne ako drogy zneužívania, spotreba potravín je spojená s uvoľňovaním dopamínu v dorzálnom striate u zdravých jedincov, a množstvo uvoľneného dopamínu je korelované pozitívne s hodnotením príjemnosti potravy [12], Podobne ako u pacientov s návykovými poruchami, aj obézni pacienti majú nižšiu východiskovú striata D2R hustota, ktorá je smerovo úmerná BMI [11].
Hoci zmenená citlivosť okruhu odmeňovania môže byť kritickým faktorom vysvetľujúcim obezitu, zostáva nepolapiteľná, ako presne obvody odmeňovania prispievajú k funkciám obéznych jedincov v súvislosti s predvídaním odmeňovania súvisiacich s potravinami. Po prvé, predchádzajúce demonštrácie reakcií na zvýšený okruh odmien na potraviny u zdravých a obéznych subjektov [10], [19] sa nezaoberali rozdielmi v tonickej základnej aktivite odmeňovacieho okruhu v mozgu. Tonicky nízky metabolizmus glukózy v prefrontálnom kortexe predpovedá nízky striatálny dopamín D2 hustota receptorov - charakteristický znak dysregulovaného okruhu odmien - u obéznych osôb [17], Nie je však známe, či tonická aktivita neurónových sietí, ktoré spracovávajú predvídateľnú odmenu, predpovedá funkčné reakcie na vonkajšie potravinové podnety. Po druhé, len niekoľko štúdií vykonalo prístup na úrovni systémov na testovanie, či by obezita zmenila funkčnú konektivitu systému odmeňovania. Zatiaľ čo nedávna zobrazovacia štúdia na zdravých ľuďoch ukázala, že konektivita v rámci systému odmeňovania ľudí závisí od individuálnej citlivosti na vonkajšie potravinové podnety [22]iní obézni a normálni jedinci naznačili, že obezita je špecificky spojená s nedostatočnou funkčnou konektivitou z amygdaly do orbitofrontálneho kortexu (OFC) a zvýšenou konektivitou z OFC na ventrálnu striatum [25], Presné neurálne mechanizmy, ktoré sú základom týchto funkčných zmien, však nie sú známe.
V tejto štúdii sme aplikovali multimodálne zobrazovanie mozgu kombináciou [18F] FDG PET s experimentom fMRI zahŕňajúcim predvídateľnú odmenu vyvolanú prezentáciou chutných a nezaujatých obrázkov jedla. Všimnite si, že aj keď účastníci neboli skutočne odmeňovaní, používame termín „predvídateľná odmena“ kvôli zrozumiteľnosti, pretože vidieť vysoko odmeňované ciele, ako sú potraviny, spoľahlivo indukuje reakcie očakávania odmeňovania v ventrálnom striate, aj keď v skutočnosti nie sú žiadne odmeny dodaný [21], Bolo zistené, že využitie glukózy je úzko spojené s frekvenciou spikingu [26]preto môžu byť rýchlosti metabolizmu glukózy použité na meranie tonickej základnej aktivácie mozgu počas odpočinku. Použitím primárne hyperinzulinemickej svorky [27] počas PET vyšetrenia sme boli schopní porovnať metabolizmus glukózy v mozgu jedincov s obezitou a normálnou hmotnosťou v situácii, keď je telo v sýtom stave z hľadiska signalizácie inzulínu. Experiment fMRI nám umožnil porovnať, či sa obézni jedinci a jedinci s normálnou hmotnosťou líšia tak z hľadiska regionálnych reakcií mozgu, ako aj z hľadiska efektívneho prepojenia okruhu odmien počas sledovania chutných a nevýrazných jedál. Nakoniec kombinácia údajov PET a fMRI nám umožnila použiť regionálne rýchlosti metabolizmu glukózy (GMR) odvodené z PET skenovania na predpovedanie reakcií mozgu na chutné jedlá v experimente fMRI.
Materiály a metódy
účastníci
Etická komisia Nemocnice okresu juhozápadného Fínska schválila protokol o štúdii a všetci účastníci podpísali formuláre s informovaným súhlasom schváleným etickou komisiou. Štúdia bola vykonaná v súlade s Helsinskou deklaráciou. Tabuľka 1 uvádza zhrnutie účastníkov. Obézna skupina pozostávala z devätnástich neurologicky neporušených morbídne obéznych jedincov (MBMI = 43.87, SDBMI = 6.60). Päť z nich používalo perorálne antidiabetické lieky a boli vylúčené z PET štúdií. Ako kontrola slúžilo šestnásť neurologicky neporušených dobrovoľníkov s normálnou hmotnosťou (MBMI = 24.10, SDBMI = 2.07) a boli porovnané s pacientmi s ohľadom na vek, výšku a indexy hypertenzie (tj krvný tlak). Poruchy príjmu potravy, závažné duševné poruchy a zneužívanie návykových látok boli vylúčené kritériá pre všetkých účastníkov. Jeden subjekt s normálnou hmotnosťou bol vylúčený z analýz fMRI dát kvôli nadmernému pohybu hlavy.
Tabuľka 1. Charakteristika účastníkov.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t001
Merania správania
Pred experimentom účastníci hodnotili svoj pocit hladu pomocou vizuálnej analógovej stupnice. Po experimente fMRI účastníci hodnotili valenciu (príjemnosť versus nepríjemnosť) experimentálnych stimulov na počítači pomocou samohodnotiaceho figuríny [28] s mierkou od 1 (nepríjemné) po 9 (príjemné).
Získavanie a analýzy PET
Štúdie sa uskutočnili po pôrode 12. Pacienti sa zdržali konzumácie nápojov obsahujúcich kofeín a fajčili 24 hodín pred PET štúdiami. Akýkoľvek druh namáhavej fyzickej aktivity bol zakázaný od predchádzajúceho večera. Dva katétre boli vložené do anteubitálnych žíl, jedna pre fyziologický roztok, infúzie inzulínu a glukózy a injekcia rádioaktívneho indikátora [18F] FDG, a ďalšie do opačného ohriateho ramena na odber vzoriek arterializovanej krvi. Použila sa euglykemická hyperinzulinemická svorka, ako bolo opísané vyššie [27], Rýchlosť infúzie inzulínu bola 1 mU kg-1 · Min-1 (Actrapid, Novo Nordisk, Kodaň, Dánsko). Počas hyperinzulinémie sa euglykémia udržiavala infúziou 20% glukózy intravenózne. Rýchlosť infúzie glukózy sa upravila podľa plazmatických koncentrácií v plazme meraných každý 5 – 10 min z arterializovanej krvi. V časovom bode 100 + −10 minút euglykemickej hyperinzulinemickej svorky, [18F] FDG (189 ± 9 MBq) sa injektoval intravenózne cez 40 sekundu a začal sa dynamický sken mozgu pre 40 min (snímky; 4 • 30 s, 3 • 60 s, 7 • 300 s). Počas skenovania sa odobrali vzorky arteriálnej krvi na analýzu rádioaktivity. Pre PET štúdie bol použitý PET skener GE Advance (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI, USA) s rozlíšením 4.25 mm, ako bolo opísané vyššie. [29], [30]. [18F] FDG bol syntetizovaný ako bolo opísané vyššie [31], Plazmatická rádioaktivita bola meraná automatickým gama počítačom (Wizard 1480 3 ″, Wallac, Turku, Fínsko).
Miera absorpcie cerebrálnej glukózy bola meraná pre každý voxel oddelene od dynamických PET skenov, ako bolo opísané vyššie [29], [30]okrem toho, že sa použila koncentrovaná konštanta 0.8 [32], Normalizácia a štatistické analýzy parametrov parametrického glukózového metabolizmu boli vykonané pomocou softvéru SPM 5 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Parametrické obrázky sa normalizovali na interný templát metabolizmu glukózy v MNI priestore pomocou lineárnych a nelineárnych transformácií a vyhladili sa pomocou Gaussovho jadra FWHM 10 mm. Na analýzu skupinových rozdielov v metabolizme glukózy sa použili jednoduché t-kontrasty pre normalizované parametrické obrázky. Štatistická prahová hodnota bola stanovená na p <001, neopravená, s minimálnou veľkosťou klastra 100 susedných voxelov. Pre korekcie malého objemu (SVC) v údajoch PET boli anatomicky definované apriórne zaujímavé oblasti v rámci systému odmien (jadro caudate, amygdala, talamus, izolácia a orbitofrontálna kôra) pomocou definícií WFU [33] a AAL [34] atlas.
Experimentálny návrh fMRI
Podnety a dizajn sú zhrnuté v Obrázok 1, Podnetmi boli digitalizované plnofarebné fotografie chutných potravín (napr. Čokoláda, pizza, steak), nezmyselné potraviny (napr. Šošovica, kapusta, sušienky) a automobily prispôsobené vzhľadom na nízkoúrovňové vizuálne funkcie, ako je priemerná svietivosť, kontrast RMS a globálny energie. Nezávislá vzorka zdravých dobrovoľníkov 29 hodnotila valenciu (nepríjemnosť verzus príjemnosť) stimulov so SAM. Analýza valenčných hodnôt (M. \ Tchutný = 6.64, Mjemný = 3.93, Mautá = 4.41) stanovili, že chutné jedlá boli hodnotené ako príjemnejšie ako jemné jedlá, t (28) = 10.97, p <001 a automobily, t (28) = 7.52, p <001, ale neboli tam žiadne rozdiely v príjemnosti jemných jedál a automobilov, t (28) = 1.19.
Obrázok 1. Experimentálny návrh fMRI a príklady použitých stimulov.
Účastníci si prezreli striedavé epochy 15.75 chutných jedál, áut a nezdravých potravín. Každá epocha sa skladala zo šiestich experimentálnych stimulov, ktoré boli náhodne zmiešané s tromi nulovými udalosťami.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g001
Počas skenovania sa subjekty pozerali striedavo s epochami 15.75-sekundami, ktoré obsahovali šesť podnetov z jednej kategórie (chutné potraviny, nevýrazné potraviny alebo autá) zmiešané s tromi nulovými udalosťami. Aby sme mohli študovať implicitné spracovanie obrázkov potravín, použili sme krátke trvanie zobrazenia stimulov a behaviorálnu úlohu, ktorá nesúvisí so hedonickou hodnotou stimulov: Jedna štúdia zahŕňala 1000 ms prezentáciu stimulačného obrazu, po ktorom nasledoval stredný kontrastný kontrast. kríž (750 ms). Null udalosti zahŕňali 1750 ms prezentáciu nízko kontrastného kríženia. Stimulátory jedla a auta boli posunuté mierne doľava alebo doprava od obrazovky a účastníci boli poučení, aby stlačili ľavé alebo pravé tlačidlo podľa toho, na ktorej strane bol podnet podaný. Pri null pokusoch nebola požadovaná žiadna odpoveď. Poradie stimulov počas každej epochy bolo pseudo-randomizované vzhľadom na pokusný typ (stimul alebo null), takže nie viac ako tri po sebe idúce štúdie boli rovnakého typu. Táto pseudonáhodnosť zvýšila efektivitu dizajnu a zároveň zachovala nepredvídateľnosť stimulačných stimulov v naivných účastníkoch. [35], Vizuálne pole stimulov bolo randomizované a úplne vyvážené. Celkovo tu bolo celkom 72 chutných potravinových pokusov (v 12 epochách), 72 testov na jedlo (v epochách 12) a 144 automobilových pokusoch (v epochách 24). Aby sa maximalizovala sila dizajnu a aby sa predišlo prenosu efektov sledovania chutných potravín, poradie epoch stimulov bolo stanovené takým spôsobom, že bola vždy prítomná epocha stimulačného stimulu medzi chutnými a nevýraznými epochami stimulov. Začiatočná epocha úlohy bola vyvážená medzi účastníkmi. Celková doba trvania úlohy bola 14 minút. Účastníci cvičili úlohu mimo skenera pred začatím experimentu fMRI.
Získanie a analýza fMRI
Skenovanie sa uskutočnilo okolo rána alebo skoro ráno (9 am – 2 pm) Účastníci boli poučení, aby sa zdržali jedenia a pili len vodu aspoň tri hodiny pred skenovaním. MR zobrazovanie sa uskutočnilo pomocou skenera Philips Gyroscan Intera 1.5 T CV Nova Dual v PET centre spoločnosti Turku. Anatomické obrazy s vysokým rozlíšením (1 mm3 rozlíšenie) boli získané pomocou T1-váženej sekvencie (TR 25 ms, TE 4.6 ms, flip uhol 30 °, čas skenovania 376 s). Funkčné dáta v celých mozgoch boli získané s echo-planárnou zobrazovacou sekvenciou (EPI), citlivou na kontrast signálu krv-kyslík-závislá (BOLD) (TR = 3000 ms, TE = 50 ms, uhol 90 °, 192 mm FOV, 64 × 64 matica, šírka pásma 62.5 kHz, hrúbka rezu 4.0 mm, medzera 0.5 mm medzi rezmi, prekladané rezy 30 získané vo vzostupnom poradí). Získali sa celkom 270 funkčné objemy a prvé 5 objemy sa vyradili, aby sa umožnili ekvilibračné účinky. Údaje boli predspracované a analyzované pomocou SPM5 softvéru (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Obrazy EPI boli sinc interpolované v čase na korekciu časových rozdielov rezu a prispôsobené na prvé skenovanie tuhou transformáciou tela na korekciu pohybov hlavy. EPI a štruktúrne obrazy boli zaregistrované a normalizované na štandardnú šablónu T1 v MNI priestore (Montreal Neurological Institute (MNI) - International Consortium for Brain mapping) pomocou lineárnych a nelineárnych transformácií a vyhladené Gaussovým jadrom FWHM 8-mm.
Analýza regionálnych vplyvov
Celý model náhodných účinkov na celý mozog bol implementovaný pomocou dvojstupňového procesu (prvá a druhá úroveň). Táto analýza náhodných účinkov hodnotila účinky na základe interindividuálnej odchýlky, a tak umožňovala závery o populácii, z ktorej boli účastníci čerpaní. Pre každého účastníka sme pomocou GLM vyhodnotili regionálne účinky parametrov úlohy na BOLD indexy aktivácie. Model zahŕňal tri experimentálne podmienky (chutné jedlá, jemné jedlá a automobily) a účinky bez záujmu (parametre prestavenia), ktoré zohľadňujú odchýlku súvisiacu s pohybom. Posun nízkofrekvenčného signálu bol odstránený pomocou hornopriepustného filtra (medzná hodnota 128 s) a bolo použité modelovanie časových autokorelácií AR (1). Jednotlivé kontrastné obrázky sa generovali pomocou kontrastu chutných - jemných jedál, ako aj pre hlavný účinok jedál (tj. Chutné a jemné jedlá proti iným zaujímavým účinkom). Analýza druhej úrovne použila tieto kontrastné obrázky v novom GLM a vygenerovala štatistické obrázky, to znamená mapy SPM-t. S vyváženými návrhmi na prvej úrovni (tj. Podobné udalosti pre každý predmet, v podobnom počte) sa táto analýza druhej úrovne veľmi približuje skutočnému návrhu zmiešaných efektov, a to v rámci aj medzi jednotlivými odchýlkami. Počiatočná analýza odhalila, že žiadny z kontrastov medzi skupinami na druhej úrovni nebol signifikantný, keď bola použitá striktná korekcia pomeru falošných objavov (FDR) pri p <05. Podľa toho bol štatistický prah stanovený na p <005, neopravený, s minimálnou veľkosťou klastra 20 susedných voxelov pre medziskupinové porovnania.
Psychofyziologická interakcia (PPI) vo všeobecnom lineárnom modeli (GLM)
Fyziologická konektivita medzi dvoma oblasťami mozgu sa môže meniť ako funkcia psychologického kontextu [36] známa ako psychofyziologická interakcia (PPI). PPI môžu byť identifikované všeobecnými lineárnymi modelmi citlivými na kontextovú moduláciu kovariancie súvisiacej s úlohami. Na rozdiel od dynamického náhodného modelovania alebo modelovania štruktúrnej rovnice sieťovej konektivity PPI nevyžadujú špecifikovaný anatomický model. Začneme skôr s „zdrojovou“ oblasťou a identifikujeme akékoľvek iné „cieľové“ voxely / klastre v mozgu, s ktorými má tento zdroj kontextovo závislú konektivitu. Cieľové regióny nemusia korelovať so samotnou úlohou alebo kontextom, ale s interakciami medzi týmito faktormi. Významné PPI samy o sebe neindikujú smer alebo neurochémiu kauzálnych vplyvov medzi zdrojovými a cieľovými oblasťami, ani to, či je konektivita sprostredkovaná mono- alebo poly-synaptickými spojeniami, ani zmeny v štrukturálnej neuroplasticite z epochy do epochy. Naznačujú však interakcie medzi regionálnymi systémami a výsledky PPI sú v súlade s inými metódami konektivity, ako je dynamické kauzálne modelovanie. [37].
Ako zdrojová oblasť pre analýzy konektivity pre chutný mínus kontrastný kontrast potravín sa použilo pravé jadro kaudátu. Globálne maximum (2, 8, 4) pre túto oblasť v porovnaní s kontrastom normálnej hmotnosti obéznych v porovnaní s normálnou váhou v analýzach PET údajov (pozri nižšie) sa použilo na odvodenie štatisticky nezávislého odhadu pre stred zdrojovej oblasti; Toto účinne chráni pred „dvojitým ponorením“ vo výbere zdrojovej oblasti [38]a umožnila teoreticky prijateľnú integráciu údajov PET a fMRI. V tomto mieste sa vytvorila sférická ROI s polomerom 10 mm. Časové rady pre každého účastníka boli vypočítané pomocou prvého eigenvariata zo všetkých časových radov voxe v ROI. Tento časový rad BOLD bol deconvolved, aby sa pre túto oblasť určilo „neurónové časové rady“ pomocou predvolených parametrov PPI-dekonvolúcie v SPM5 [39], Psychofyziologický interakčný termín (PPI regresor) bol vypočítaný ako element-by-element produktu ROI neuronálnych časových radov a vektor kódujúci hlavný účinok úlohy (tj 1 pre chutné potraviny, −1 pre blandové potraviny). Tento produkt bol potom znovu konvolvovaný funkciou kanonickej hemodynamickej odozvy (hrf). Tento model tiež zahrnoval hlavné účinky úlohy, ktoré sa konali hrf, „neuronálne časové rady“ pre každý „zdroj“ a regresory pohybu ako účinky bez záujmu. Modely PPI [36] a boli vytvorené kontrastné obrazy pre pozitívne a negatívne PPI. Táto analýza celého mozgu identifikovala oblasti s väčšou alebo menšou zmenou v konektivite so zdrojovou oblasťou podľa kontextu (tj chutné verzus nevýrazné potraviny). Kontrastné obrazy sa potom vložili do analýz GLM druhej úrovne pre zaujímavé kontrasty a SPM t-mapy generované pomocou Gaussovej teórie náhodného poľa, aby sa urobili štatistické závery.
výsledky
Merania správania
Hodnoty valenčného stimulu sa analyzovali pomocou 3 (stimulačný apetít: chutný pokrm vs. nevýrazné jedlo vs. autá) × 2 (skupina: obézna vs. normálna hmotnosť) zmiešaná ANOVA. To ukázalo, že valenčné hodnotenia sa výrazne líšili v rámci kategórií stimulov, F (2,60) = 6.01, p = .004, ηp2 = 17, ale boli podobné medzi obéznymi skupinami a skupinami s normálnou hmotnosťou (F = 1.46). Viaceré porovnania s Bonferronniho korekciami odhalili, že účastníci hodnotili chutné jedlá ako príjemnejšie ako jemné jedlá, t (31) = 4.67, p <001 alebo autá, t (31) = 2.76, p = 01, ale nehodnotili nevýrazne jedlá ako príjemnejšie ako autá, t (31) =, 41. Hladové hodnotenie bolo tiež rovnaké medzi pacientmi a kontrolnými skupinami (p> 05).
Metabolizmus glukózy v mozgu
Obézni pacienti mali signifikantne vyšší metabolizmus glukózy v pravom jadre kaudátu ako pacienti s normálnou hmotnosťou (X = 4, Y = 8, Z = 4, T = 3.97, p = .03, SVC) (Obrázok 2), ale nie v žiadnej inej a priori oblasti záujmu (amygdala, talamus, insula alebo orbitofrontal cortex).
Obrázok 2. Skenovanie PET pomocou 2- [18F] FDG počas euglykemickej hyperinzulinémie ukazuje, že rýchlosť metabolizmu glukózy (GMR, µmol / 100 g * min) v pravom jadre kaudátu (X = 4, Y = 8, Z = 4) bol signifikantne vyšší u obéznych pacientov ako u pacientov s normálnou \ tp<05, SVC).
Panel A ukazuje štatistickú parametrickú mapu efektu medzi skupinami, panel B ukazuje hodnoty GMR v kaudátovom jadre.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g002
Regionálne účinky vo fMRI
Vo všetkých predmetoch viedli kontrastné chutné versus nevýrazné potraviny k silnej aktivácii systému odmien. Aktivačné ložiská boli pozorované v mediálnom prefrontálnom kortexe, prednom cingulárnom gyruse, pravostrannom ventrálnom striatu, bilaterálnom zadnom laloku a zadnom cingulárnom gyruse a prekuneus (Obrázok 3, Tabuľka 2). Analýza medzi skupinami však ukázala, že kódovanie pre predvídateľnú odmenu závisí od obezity. Odpovede na všetky potraviny (chutné a nevýrazné) boli vyššie u obéznych ako u jedincov s normálnou hmotnosťou v ľavej amygdale, hipokampu, zadnom cingulárnom kortexe a gusus fusiform, ako aj pravej somatosenzorickej kôre. Odozvy však boli nižšie u obéznych ako u subjektov s normálnou hmotnosťou v ľavom prednom gyruse. Tabuľka 3 predstavuje súhrn týchto aktivačných ohnísk.
Obrázok 3. Oblasti mozgu, ktoré vykazujú zvýšenú odozvu na chutné a nezdravé potraviny vo všetkých predmetoch.
Chutné jedlá zvyšovali aktivitu v prednej (ACC) a zadnej cingulárnej kôre (PCC), mediálnej prefrontálnej kôre (mPFC), jadre pravého kaudátu (CAUD) a bilaterálnej ostrove (INS). Dáta sú vynesené do p <005, nekorigované pre vizuálnu kontrolu.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g003
Tabuľka 2. Oblasti mozgu vykazujúce zvýšenú odpoveď na chutné verzus jemné jedlá u všetkých subjektov, p <05 (korigované FDR).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t002
Tabuľka 3. Rozdiely v mozgových odpovediach na všetky (chutné a nevýrazné) obrázky jedál medzi skupinami (obézni vs. normálna váha a normálna váha vs. obézni), p <005 (unc.).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t003
Ďalej sme sa pýtali, či by obézne subjekty vykazovali viac funkčných odpovedí, najmä pokiaľ ide o skôr chutné potraviny než potraviny. Na tento účel sme použili interakčnú analýzu medzi skupinou (obézna, normálna hmotnosť) a typom potravy (chutný, nevýrazný). V súlade s predikciou, že obezita by bola spojená s hyperaktivitou v odmeňovacom okruhu, reakcia na chutné versus nevýrazné potraviny v pravom jadre kaudátu bola vyššia u obéznych ako u jedincov s normálnou hmotnosťou (Obrázok 4a, Tabuľka 4). Na rozdiel od toho, obézni jedinci mali menšie funkčné odozvy na chutné versus nevýrazné jedlá ako jedinci s normálnou hmotnosťou na ľavej strane, laterálny frontálny kortex, vynikajúci parietálny lobulus, pravý orbitofrontálny kortex a vynikajúci temporálny gyrus (Obrázok 4b, Tabuľka 4). Zdá sa, že obézni pacienti majú nerovnováhu v regionálnych funkčných odpovediach na očakávanú potravinovú odmenu: väčšie reakcie v jadre kaudátu a menšie reakcie v niekoľkých frontálnych kortikálnych oblastiach
Obrázok 4. Diferenciálne BOLD odpovede na chutné a nevýrazné potraviny u jedincov s normálnou hmotnosťou a obéznych jedincov v jadre kaudátu a prednej izolácii.
Mozgové odpovede na chutné vs. nevýrazné jedlá boli väčšie v hlave pravého caudate nucleus (CAUD) obéznych pacientov, zatiaľ čo odpovede na chutné vs. nevýrazné jedlá boli väčšie v pravej prednej ostrove (INS) jedincov s normálnou hmotnosťou. . Dáta sú vynesené do p <005, nekorigované pre vizuálnu kontrolu.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g004
Tabuľka 4. Rozdiely v cerebrálnych odpovediach na chutné verzus nevýrazné jedlá medzi skupinami (obézni vs. normálna váha a normálna váha vs. obézni), p <005 (unc.).
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t004
Nakoniec, aby sa zistilo, či hyperaktivita tonusového jadra pozorovaná v [18F] FDG PET scan by predpovedal abnormálnu predvídateľnú odmenu na fMRI, najskôr sme z parametrického GMR obrazu vyextrahovali subjektívne hodnoty GMR v jadre caudate. Následne sme použili tieto hodnoty ako regresor v modeli druhej úrovne porovnávajúc odpovede BOLD na chutné versus nevýrazné jedlo vo fMRI. Táto analýza ukázala, že zvýšený metabolizmus glukózy v jadre kaudátu predpovedal menšie odozvy na chutnú versus blandovú potravu špecificky v pravom laterálnom frontálnom kortexe (Obrázok 5). Toto zistenie je v súlade s nedostatočnou inhibičnou kontrolou systémov subkortikálneho odmeňovania frontálnym kortexom.
Obrázok 5. Vysoká rýchlosť metabolizmu glukózy (GMR, µmol / 100 g * min) v jadre kaudátu počas skenovania 2- [18F] FDG PET bola negatívne spojená s odpoveďami na chutné versus nevýrazné potraviny v pravom laterálnom frontálnom kortexe (LFC) v experimente fMRI.
Panel A ukazuje oblasť, kde bol pozorovaný rozdiel, panel B ukazuje rozptyl odpovedí GMR a BOLD.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g005
Psychofyziologické interakcie
Po nájdení dôkazov o ústrednej úlohe jadra caudate pri sprostredkovaní abnormálnej anticipačnej odmeny pri obezite sme sa ďalej pýtali, či má táto oblasť mozgu abnormálne funkčné prepojenie súvisiace s úlohami s inými kľúčovými oblasťami mozgu, ako sú napríklad oblasti limbického systému. To znamená, že sme sa spýtali, ktoré oblasti mozgu by boli ústredné pri modulácii aktivity súvisiacej s očakávanou odmenou v jadre caudate pri prezeraní chutných verzus nevýrazných jedál. Použili sme psychofyziologické interakcie na stanovenie funkčnej konektivity kaudátového jadra, pričom voxel s najvyšším rozdielom v metabolizme glukózy v údajoch PET sme použili ako stred semennej oblasti. Zistili sme, že obézni jedinci vykazovali signifikantne silnejšiu väzbu medzi jadrom pravej caudate a pravou bazolaterálnou amygdalou (X = 33, Y = −5, Z = −16, T = 3.92, p <005, unc.), Primárnu somatosenzorickú kôru (X = 39, Y = -13, Z = 32, T = 3.63, p <005, unc.) A zadná izolácia (X = 30, Y = 14, Z = 18, T = 3.47, p <005, unc. .) ako subjekty s normálnou hmotnosťou (Obrázok 6).
Obrázok 6. Efektívne pripojenie.
Pri prezeraní chutných verzus nevýrazných jedál bola efektívna spojitosť medzi jadrom pravej caudate a pravou amygdalou (AMY), izoláciou (INS) a somatosenzorickou kôrou (SSC) vyššia u obéznych ako u jedincov s normálnou hmotnosťou. Dáta sú vynesené do p <005, nekorigované pre vizuálnu kontrolu.
doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g006
Diskusia
Táto štúdia odhaľuje špecifické spôsoby, ktorými obezita mení citlivosť, ako aj funkčné prepojenia odmeňovacieho okruhu v mozgu. Výsledky konkrétne zdôrazňujú ústrednú úlohu jadra dorzálneho kaudátu, regiónu podporujúceho obvyklé učenie a motivačnej motivácie, pri integrácii rôznych neurálnych vstupov do procesu predbežnej odmeny za jedlo. Počas hyperinzulinémie dosiahnutej pomocou hyperinzulinemickej euglykemickej svorky malo dorzálne kaudátové jadro vyšší bazálny metabolizmus glukózy u obéznych jedincov ako u jedincov s normálnou hmotnosťou. Experiment fMRI ukázal, že hoci obézni jedinci a jedinci s normálnou hmotnosťou podávali podobné správy o príjemnosti potravinových stimulov, stimuly vyvolali rozdielne vzorce aktivácie mozgu a zmeny prepojenia medzi týmito dvoma skupinami. Keď boli chutné a jemné jedlá v protiklade k sebe, vykazovalo kaudátové jadro väčšiu odozvu u obéznych osôb. Naproti tomu obézni jedinci nedokázali aktivovať kortikálne inhibičné oblasti, ako sú dorzolaterálne a orbitofrontálne kôry, ako odpoveď na chutné jedlo; tento jav tiež významne koreloval s vyšším bazálnym metabolizmom glukózy v jadre dorzálneho kaudátu. Napokon rovnaká oblasť jadra dorzálneho kaudátu, ktorá vykazovala zvýšený metabolizmus glukózy u obéznych oproti účastníkom s normálnou hmotnosťou, tiež vykazovala zvýšenú konektivitu s amygdalou a zadnou ostrovčekom u obéznych jedincov, zatiaľ čo pozerali na chutné a nevýrazné jedlá. Dôležité je, že tieto účinky sa pozorovali za podmienok, keď účastníci zámerne nevenovali pozornosť obsahu stimulačných obrázkov. Výsledky teda naznačujú, že implicitné spracovanie odmien vizuálnych podnetov pre stravovanie je modulované obezitou, čo môže vysvetľovať, prečo majú obézni jedinci problémy s obmedzovaním stravovania, keď vidia vysokokalorické jedlá. Musíme si napriek tomu všimnúť, že je možné, že sa účastníci mohli do istej miery zapojiť do explicitného spracovania odmien, hoci behaviorálna úloha bola nezávislá od hodnoty odmeny potravinových obrázkov. Preto je potrebné v budúcich štúdiách zistiť, či sa môžu obézni ľudia a jedinci s normálnou hmotnosťou líšiť, pokiaľ ide o implicitné a explicitné spracovanie odmien.
Regionálne rozdiely v Caudate Nucleus
Jadro chrbtovej kaudátu bolo zapojené do učenia sa zvyčajného stimulačného odozvy, motivácie a kondicionovania a zobrazovacie štúdie u ľudí naznačujú, že prispieva k rôznym funkciám súvisiacim s odmeňovaním signalizácie a závislostí., Pacienti s drogovou závislosťou vykazujú nižšiu východiskovú hodnotu D2 receptor (D2R) hustota v striate a otupenie uvoľňovania dopamínu po podaní liečiva [40], Spotreba potravy je tiež spojená s uvoľňovaním dopamínu v dorzálnom striate u zdravých jedincov a množstvo uvoľneného dopamínu pozitívne koreluje s hodnotením príjemnosti potravy. [12], V experimentoch fMRI bola aktivácia jadra kaudátu spojená s túžbou po špecifických potravinách [8]a u obéznych jedincov sa zistilo, že vykazujú zvýšené striatálne reakcie na obrazy potravín [10], Obézni jedinci tiež znížili základnú striatal D2Hustota R a bolo navrhnuté, že to môže odrážať downreguláciu, ktorá kompenzuje časté prechodné zvyšovanie dopamínu v dôsledku neustáleho nadhodnotenia okruhu odmeňovania užívaním drog alebo jedením. [11].
Pomocou hyperinzulinemickej svorky sme simulovali situáciu, keď je telo v nasýtenom stave z hľadiska inzulínovej signalizácie. Hoci tento prístup nie je úplne simulovaný fyziologickou sýtosťou v dôsledku nedostatku orosenzorickej stimulácie a uvoľňovania hormónov z čreva, ukázalo sa, že intravenózna glukóza kontrolovaná placebom zvyšuje hormonálne markery sýtosti [41] a dopaminergnú aktivitu v odmeňovacom okruhu u mužov [42], Zistili sme, že dorzálne striatum obéznych jedincov zostáva hyperaktívne v porovnaní s jedincami s normálnou hmotnosťou počas hyperinzulinemickej svorky. Keďže upínanie udržuje stabilnú hladinu glukózy v krvi, zvýšený metabolizmus glukózy u obéznych jedincov počas upnutia naznačuje, že jadro obéznych jedincov môže prispieť k túžbe po jedle, aj keď sa koncentrácia glukózy v krvi nemôže znížiť. Okrem toho, kvôli svojej účasti na implicitnom učení a tvorbe návykov, môže kaudát prispievať k spracovaniu implicitných (periférnych) a explicitných (vizuálnych, orosenzorických) signálov sýtosti. Tieto signály by mohli následne viesť k prejedaniu, aj keď by telo nevyžadovalo ďalší príjem energie.
Bolo zistené, že u obéznych jedincov, D2Dostupnosť R v striate je negatívne spojená s metabolizmom frontokokortu [43], Naše kombinované údaje PET-fMRI súbežne s týmito zisteniami. Keď sa metabolizmus glukózy v jadre kaudátu použil ako regresor na modelovanie funkčných odpovedí na chutné versus nevýrazné potraviny vo fMRI, zistili sme signifikantnú negatívnu asociáciu s metabolizmom glukózy v jadre caudate a prefrontálnych reakciách BOLD (Obrázok 5). V dôsledku toho zlyhanie zapojenia prefrontálnych mechanizmov prispievajúcich k inhibičnej kontrole a priradeniu saliencie by mohlo podporiť prejedanie znížením prahu signalizácie potravinovej indukovanej odmeny v jadre kaudátu. Treba však poznamenať, že niektoré predchádzajúce štúdie [19] hlásili zvýšené čelné reakcie na obrázky potravín u obéznych jedincov oproti jedincom s normálnou hmotnosťou. Je pravdepodobné, že tieto rozdiely v štúdiách odzrkadľujú angažovanosť frontálneho kortexu závislú od úlohy: kým naša štúdia zahŕňala implicitné spracovanie stručne prezentovaných potravinových podnetov, Rothemund a kolegovia využili relatívne dlhú prezentáciu stimulov s pamäťovou úlohou. Je teda možné, že obézni jedinci nemusia aktivovať obvody kognitívnej kontroly, najmä ak nie sú explicitne spracovávané potraviny, ktoré prezerajú. Z toho vyplýva, že aj „neviditeľné“ alebo bezobslužné obrázky potravín v rôznych reklamách by mohli vyvolať silné nutkanie na jedenie obéznych jedincov.
Efektívna konektivita Caudate Nucleus a Amygdala
Amygdala je zapojená do raných štádií spracovania odmien [44]a ukazuje konzistentné reakcie na vizuálne prezentácie potravín [6], [22], Individuálne rozdiely v oboch odmenách [21] a telesnej hmotnosti [10] je známe, že ovplyvňujú amygdala reakcie na vizuálne prezentácie potravín. V tejto štúdii sme tiež zistili, že amygdala odpovede na potraviny boli zvýšené u obéznych jedincov. Okrem toho, keď sa skontrolovali účinné vzory konektivity (PPI) jadra kaudátu, zistili sme, že konektivita kaudátového jadra a ipsilaterálnej amygdaly bola u obéznych jedincov zvýšená. Vo všeobecnosti sa tieto údaje zhodujú s predchádzajúcimi zisteniami u subjektov s normálnou hmotnosťou, ktoré ukazujú, že efektívna konektivita medzi amygdala a stratum je ovplyvnená individuálnymi rozdielmi v túžbe po jedle pri pohľade na potraviny („vonkajšia citlivosť potravín“). [22], Napriek tomu, zatiaľ čo predchádzajúce štúdie zistili, že najmä ventrálne striatum je zapojené do predvídania odmeny [21] a že väzba medzi ventrálnym striatom (nucleus accumbens) a amygdala je ovplyvnená vonkajšou citlivosťou na jedlo [22]Zistili sme, že obezita ovplyvnila väzbu medzi amygdala a viac dorzálnymi časťami jadra caudate. Dôkazy týkajúce sa úlohy chrbtového striata pri spracovaní odmien sú skôr zmiešané, pričom niektoré štúdie ho spájajú s predpokladom spracovania [45] a iné na konzumáciu [46] odmeny. Napriek tomu je úloha dorzálneho striata pri kódovaní asociácií účinku a výsledku pre potenciálne odmeny oveľa lepšie preukázaná [47], [48], V dôsledku toho navrhujeme, aby opakované vystavenie chutným potravinám v obezite malo za následok silné asociácie a preferencie reakcie na potravinové stimuly a odmeňovanie a implicitne zapojené hodnotenia výsledkov týkajúce sa potenciálnych odmien u obéznych jedincov tak modulujú vzájomné prepojenie medzi amygdala a chrbtovým striatom pri pohľade na potravín.
Výklad významného PPI spočíva v tom, že existuje diferenciálne zapojenie anatomických spojení ako funkcie psychologického kontextu. Hoci PPI nemožno použiť na zistenie, či takéto spojenia existujú alebo nie, je pravdepodobné, že PPI, ktoré sme pozorovali, odrážajú zmeny v zapojení priamych anatomických spojení medzi semenami a cieľovými oblasťami, pretože takéto priame anatomické spojenia medzi striatom a amygdala sú podporované. sledovaním štúdií na iných primátoch [49], [50], PPI však nemožno použiť na odvodenie smerovosti pozorovanej konektivity, preto nemôžeme povedať, či i) zvýšený metabolizmus glukózy v jadre kaudátu zvyšuje konektivitu medzi jadrom kaudátu a amygdala alebo ii) zvýšenými vstupmi z amygdaly sa zvyšuje metabolizmus glukózy v jadre caudate.
Amygdala neuróny uľahčujú odmenu hľadaním prostredníctvom svojich projekcií do striata [44], Stimulácia μ-opioidných receptorov v striatum spúšťa prejedanie, ale toto môže byť blokované inaktiváciou amygdaly. [51], [52], Zvýšená amygdalo-striatálna konektivita môže teda viesť k tonickému zvýšeniu aktivity jadra kaudátu, čo môže byť kritický mechanizmus vysvetľujúci prejedanie sa v obezite. Spoločne, amygdala môže byť zapojený do očakávanej odmeny v potravinách tým, že priradí emocionálnu valenciu chutným potravinovým narážkam a ovplyvní učené a kompulzívne stravovacie návyky zvýšením konektivity s dorzálnym jadrom kaudátu.
Efektívna konektivita Caudate Nucleus a Insula
Analýzy PPI ukázali, že vzájomná prepojiteľnosť medzi dorzálnym striatom a zadným lalokom bola zvýšená u obéznych jedincov v porovnaní s jedincami s normálnou hmotnosťou, zatiaľ čo regionálne reakcie na chutné versus nevýrazné jedlá v prednej izolácii boli menšie u obéznych jedincov. Predná izolácia integruje autonómne a viscerálne signály do motivačných a emocionálnych funkcií, zatiaľ čo zadná izola je základom somatosenzorickej, vestibulárnej a motorickej integrácie, ako aj monitorovania telesných stavov. [53], Nedávna práca tiež poukazuje na to, že somatosenzorická signalizácia v izolácii môže významne prispieť k závislosti, najmä s nutkaním konzumovať drogy zneužívania (pozri prehľad v ref. [53]). Predchádzajúce štúdie PET a fMRI spojili ostrov s procesom príjemnosti vonkajších potravinových podnetov [8], [9], [46], ale periférne signály, ako je leptín, tiež ovplyvňujú ostrovnú odozvu na potraviny. U dospelých pacientov s nedostatkom leptínu sú insulárne reakcie na chutné potraviny väčšie počas deficitu leptínu než počas výmeny leptínu. [54], Okrem toho u obéznych jedincov s nedostatkom leptínu tlmí náhrada leptínu ostrovné reakcie na vnímavé potraviny [55], Vzhľadom k tomu, že ostrov spracúva vnútorné (tj hormonálne) aj vonkajšie (tj vizuálne) podnety súvisiace s potravinami [56]prerušenia v tejto integrácii vnútorných a vonkajších podnetov môžu spôsobiť, že obézni jedinci sú náchylnejší na prejedanie sa pri pohľade na potraviny v dôsledku zvýšenej konektivity z izolácie a chrbtového striata. Vzhľadom k tomu, že zadná insula sa podieľa na monitorovaní telesných stavov, zvýšená konektivita medzi zadnou insula a dorzálnym jadrom kaudátu by mohla znamenať, že spomínané reprezentácie postprandiálnych somatických stavov pomocou izolácie by mohli potenciálne posilniť správanie pri kŕmení prostredníctvom stimulačného učenia podchyteného dorzálnym jadrom kaudátu [18], V súlade s týmto pojmom, jadro kaudátu tiež ukázalo vyššiu konektivitu súvisiacu s úlohami s somatosenzorickou kôrou pri obezite, čo potvrdzuje, že samotné vizuálne podnety potravín môžu spúšťať somatické pocity spojené s jedením. Tieto pocity môžu ďalej podporovať kŕmenie aj pri absencii fyziologických hladových signálov [15], Treba však poznamenať, že niektoré predchádzajúce štúdie zistili zvýšené predné insulárne reakcie na očakávané a konzumné odmeny súvisiace s potravinami u obéznych pacientov a nie u chudých jedincov. [10], [57], Aj keď nemáme jasné vysvetlenie týchto diskrétnych zistení, je možné, že môžu odrážať rozdiely v populáciách obéznych predmetov zapojených do štúdií, ako sú história príjmu potravy a návyky, ako aj genetické a hormonálne faktory.
Obmedzenia a budúce smerovanie
Jedným zrejmým obmedzením tejto štúdie bolo, že napriek veľkej veľkosti vzorky (n = 35) neboli porovnania medzi skupinami pre fMRI údaje významné, keď boli korigované pre viacnásobné porovnania. Hoci rozdiely medzi skupinami boli pozorované v predpovedaných oblastiach, pri interpretácii zistení je potrebná určitá opatrnosť. Okrem toho treba zdôrazniť, že sme neboli schopní úplne vymedziť presný psychologický mechanizmus, ktorý vedie k zvýšeným reakciám mozgu na obrazy jedla u obéznych jedincov. Hoci sme získali hodnotenie vnímanej príjemnosti („sympatie“) potravín, tieto boli podobné u obéznych jedincov a jedincov s normálnou hmotnosťou. Je preto nepravdepodobné, že zvýšená sympatia k chutným potravinám v obezite prispeje k rozdielom v odpovediach na mozog. Mohlo by sa však špekulovať, že kľúčovým faktorom, ktorý moduluje reakcie mozgu na obrazy potravín v obezite, by mohla byť skôr túžba po potravinách než sympatie. Na podporu tejto hypotézy sa ukázalo, že aj keď obézni a normálni jedinci „podobne“ konzumujú potraviny podobne, je u obéznych jedincov oveľa väčšia záťaž vyvolaná stresom. [58], V budúcich funkčných zobrazovacích štúdiách by teda bolo nevyhnutné rozptýliť reakcie na „túžbu“ a „sympatie“ na potraviny u obéznych a normálnych jedincov. Okrem toho, vzhľadom na to, že reakcie na túžbu sú sprostredkované dopaminergným spojením odmeňovacieho okruhu, [24], bolo by nevyhnutné uskutočniť kombinované štúdie neurotransmiterov-PET-fMRI, v ktorých by sa dalo otestovať, či napríklad dostupnosť striatálneho dopamínu u obéznych vs. štíhlych jedincov predpovedá reakcie okruhu odmien na vonkajšiu stimuláciu jedlom.
záver
Ukázali sme, že obezita je spojená so zvýšeným metabolizmom glukózy v jadre kaudátu, ako aj s modifikovanými regionálnymi odozvami a zmenenou konektivitou okruhu odmien, keď vidíte chutné versus nevýrazné potraviny. Tieto údaje sú paralelné so zisteniami o zmenenom fungovaní mozgu pri návykových poruchách a podporujú názor, že obezita môže zdieľať spoločný neurálny substrát so závislosťami. [2], [59], Konkrétne, zvýšená citlivosť na vonkajšie podnety potravy pri obezite môže zahŕňať abnormálne učenie sa odozvy na stimuláciu a motivačnú motiváciu podchytenú dorzálnym jadrom kaudátu, čo môže byť následne spôsobené abnormálne vysokým vstupom z amygdala a posteriórnej insula a dysfunkčnou inhibičnou kontrolou frontálnym kortikálnych regiónoch. Tieto funkčné zmeny v odozve a prepojenosti systému odmeňovania a systémov kontroly kognitívnych funkcií môžu byť kritickým mechanizmom, ktorý vysvetľuje prejedanie sa v obezite.y.
Štúdia bola vykonaná v rámci Fínskeho centra excelentnosti v molekulárnom zobrazovaní v kardiovaskulárnom a metabolickom výskume, s podporou Fínskej akadémie, Univerzity v Turku, Univerzitnej nemocnice v Turku a Univerzity Åbo Academy. Ďakujeme radiografom Turku PET Center za ich pomoc pri získavaní údajov, ako aj našim účastníkom za umožnenie tejto štúdie.
Koncipované a navrhnuté experimenty: LN JH PN. Vykonali experimenty: LN JH JCH HI MML PS. Analyzované údaje: LN JH JCH HI. Napísal / a papier: LN JH PN.
Referencie
WHO (2000) Obezita: prevencia a zvládanie globálnej epidémie. Správa o konzultácii WHO. Svetová zdravotnícka organová technika Rep Ser 894: i – xii, 1 – 253. Nájdi tento článok online
Volkow ND, Wise RA (2005) Ako nám môže drogová závislosť pomôcť pochopiť obezitu? Príroda Neuroscience 8: 555 – 560. Nájdi tento článok online
Berridge KC (1996) Potravinová odmena: Mozgové substráty chcieť a páčiť sa. Neuroscience a Biobehavioral Reviews 20: 1 – 25. Nájdi tento článok online
Ikemoto S, Panksepp J (1999) Úloha nucleus accumbens dopamínu v motivovanom správaní: zjednocujúci výklad s osobitným odkazom na hľadanie odmeny. Výskum mozgu Výskum 31: 6 – 41. Nájdi tento článok online
Kelley AE (2004) Ventrálna striatálna kontrola apetitívnej motivácie: Úloha v ingestívnom správaní a vzdelávaní súvisiacom s odmenou. Neuroscience a Biobehavioral Reviews 27: 765 – 776. Nájdi tento článok online
Killgore WDS, Young AD, Femia LA, Bogorodzki P, Rogowska J. a kol. (2003) Kortikálna a limbická aktivácia počas prezerania vysokokalorických a nízkokalorických potravín. NeuroImage 19: 1381 – 1394. Nájdi tento článok online
LaBar KS, Gitelman DR, Parrish TB, Kim YH, Nobre AC a kol. (2001) Hunger selektívne moduluje aktiváciu kortikolimík na potravinové stimuly u ľudí. Behaviorálna neuroveda 115: 493 – 500. Nájdi tento článok online
Pelchat ML, Johnson A, ChanR, Valdez J, Ragland JD (2004) Obrazy túžby: aktivácia túžby po jedle počas fMRI. NeuroImage 23: 1486 – 1493. Nájdi tento článok online
Wang GJ, Volkow ND, Telang F, Jayne M, Ma J., et al. (2004) Expozícia chutným potravinovým stimulom výrazne aktivuje ľudský mozog. Neuroimage 21: 1790 – 1797. Nájdi tento článok online
Stoeckel LE, Weller RE, Cook EW Iii, Twieg DB, Knowlton RC a kol. (2008) Rozsiahla aktivácia systému odmeňovania u obéznych žien v reakcii na obrázky potravín s vysokým obsahom kalórií. NeuroImage 41: 636 – 647. Nájdi tento článok online
Wang GJ, Volkow ND, Logan J, Pappas NR, Wong CT a kol. (2001) Dopamín mozgu a obezita. Lancet 357: 354 – 357. Nájdi tento článok online
Malé DM, Jones-Gotman M, Dagher A (2003) Uvoľňovanie dopamínu vyvolané kŕmením v dorzálnom striatu koreluje s hodnotami príjemnosti jedla u zdravých dobrovoľníkov. NeuroImage 19: 1709 – 1715. Nájdi tento článok online
Kelley AE, Berridge KC (2002) Neuroveda prírodných odmien: Význam pre návykové drogy. Journal of Neuroscience 22: 3306 – 3311. Nájdi tento článok online
Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Telang F (2008) Prekrývajúce sa neurónové obvody v závislosti a obezite: dôkazy o patológii systémov. Filozofické transakcie Kráľovskej spoločnosti B-Biologické vedy 363: 3191 – 3200. Nájdi tento článok online
Cornell CE, Rodin J, Weingarten H (1989) Stimulárne indukované stravovanie pri nasýtení. Physiol Behav 45: Nájdi tento článok online
Koob GF, Volkow ND (2010) Neurocircuitry of závislosť. Neuropsychofarmakológia 35: 217 – 238. Nájdi tento článok online
Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK a kol. (2008) Nízko-dopamínové striatálne receptory D2 sú spojené s prefrontálnym metabolizmom u obéznych jedincov: Možné faktory prispievajúce k liečbe. NeuroImage 42: 1537 – 1543. Nájdi tento článok online
Verdejo-Garcia A, Bechara A (2009) Teória somatických markerov závislosti. Neurofarmakológia 56: 48 – 62. Nájdi tento článok online
Rothemund Y, Preuschhof C, Bohner G, Bauknecht HC, Klingebiel R a kol. (2007) Diferenciálna aktivácia dorzálneho striata pomocou vysokokalorických vizuálnych potravinových stimulov u obéznych jedincov. NeuroImage 37: 410 – 421. Nájdi tento článok online
Franken IHA, Muris P (2005) Individuálne rozdiely v citlivosti na odmenu súvisia s túžbou po potravinách a relatívnou telesnou hmotnosťou u zdravých žien. Chuť k jedlu 45: 198 – 201. Nájdi tento článok online
Beaver JB, Lawrence AD, van Ditzhuijzen J., Davis MH, Woods A a kol. (2006) Individuálne rozdiely v odmeňovaní vedú k predpovedaniu nervových reakcií na obrazy potravín. Journal of Neuroscience 26: 5160 – 5166. Nájdi tento článok online
Passamonti L, Rowe JB, Schwarzbauer C, Ewbank MP, von dem Hagen E a kol. (2009) Osobnosť predpovedá reakciu mozgu na sledovanie chutných jedál: Neurálny základ rizikového faktora pri prejedaní. J Neurosci 29: 43–51. Nájdi tento článok online
Dagher A (2009) Neurobiológia apetítu: hlad ako závislosť. Medzinárodný žurnál obezity 33: S30 – S33. Nájdi tento článok online
Berridge KC, Ho CY, Richard JM, DiFeliceantonio AG (2010) Pokušený mozog je: Radosť a túžba po obvodoch obezity a porúch príjmu potravy. Výskum mozgu 1350: 43 – 64. Nájdi tento článok online
Stoeckel LE, Kim J, Weller RE, Cox JE, Cook EW Iii a kol. (2009) Efektívna konektivita siete odmeňovania u obéznych žien. Bulletin výskumu mozgu 79: 388 – 395. Nájdi tento článok online
Sokoloff L (1999) Energia funkčnej aktivácie v nervových tkanivách. Neurochemický výskum 24: 321 – 329. Nájdi tento článok online
DeFronzo RA, Tobin JD, Andres R (1979) Glukózová svorková technika: metóda kvantifikácie sekrécie inzulínu a rezistencie. AmJPhysiol 237: E214 – E223. Nájdi tento článok online
Bradley MM, Lang PJ (1994) Meranie emócií - Samohodnotiaci manekýn a sémantický diferenciál. Journal of Behavior Therapy and Experimental Psychiatry 25: 49–59. Nájdi tento článok online
Kaisti KK, Langsjo JW, Aalto S, Oikonen V, Sipila H a kol. (2003) Účinky sevofluranu, propofolu a prídavku oxidu dusného na regionálny krvný obeh mozgu, spotrebu kyslíka a objem krvi u ľudí. Anesteziológia 99: 603 – 613. Nájdi tento článok online
Kaisti KK, Metsahonkala L, Teras M, Oikonen V, Aalto S a kol. (2002) Účinky chirurgických hladín anestézie propofolu a sevofluranu na krvný obeh mozgu u zdravých jedincov študovali s pozitrónovou emisnou tomografiou. Anesteziológia 96: 1358 – 1370. Nájdi tento článok online
Hamacher K, Coenen HH, Stocklin G (1986) Účinná stereošpecifická syntéza 2- [F-18] -fluór-2-deoxy-D-glukózy bez nosiča s pridaním nulového nosiča s použitím Aminopolyéteru podporovaného nukleofilnou substitúciou. Journal of Nuclear Medicine 27: 235 – 238. Nájdi tento článok online
Graham MM, Muzi M, Spence AM, O'Sullivan F, Lewellen TK a kol. (2002) FDG sa v normálnom ľudskom mozgu koncentrovala konštantne. Journal of Nuclear Medicine 43: 1157 – 1166. Nájdi tento článok online
Maldjian JA, Laurienti PJ, Kraft RA, Burdette JH (2003) Automatizovaná metóda neuroanatomických a cytoarchitektonických atlasových dátových súborov. Neuroimage 19: 1233 – 1239. Nájdi tento článok online
Tzourio-Mazoyer N, Landeau B, Papathanassiou D, Crivello F, Etard O, et al. (2002) Automatizované anatomické značenie aktivácií v SPM s použitím makroskopickej anatomickej parcelácie mozgu MNI MRI jediného subjektu. Neuroimage 15: 273 – 289. Nájdi tento článok online
Amaro E, Barker GJ (2006) Návrh štúdie v MRI: Základné princípy. Mozog a poznanie 60: 220 – 232. Nájdi tento článok online
Friston KJ, Buechel C, Fink GR, Morris J, Rolls E a kol. (1997) Psychofyziologické a modulačné interakcie pri neurografickom zobrazovaní. NeuroImage 6: 218 – 229. Nájdi tento článok online
Passamonti L, Rowe JB, Ewbank M, Hampshire A, Keane J a kol. (2008) Konektivita od ventrálneho predného cingulátu k amygdale je modulovaná apetitívnou motiváciou v reakcii na signály agresivity tváre. NeuroImage 43: 562 – 570. Nájdi tento článok online
Kriegeskorte N, Simmons WK, Bellgowan PSF, Baker CI (2009) Kruhová analýza v systémoch neurovedy: nebezpečenstvo dvojitého ponorenia. Príroda Neuroscience 12: 535 – 540. Nájdi tento článok online
Gitelman DR, Penny WD, Ashburner J, Friston KJ (2003) Modelovanie regionálnych a psychofyziologických interakcií vo fMRI: význam hemodynamickej dekonvolúcie. NeuroImage 19: 200 – 207. Nájdi tento článok online
Volkow ND, Fowler JS, Wang GJ, Swanson JM (2004) Dopamín pri užívaní drog a závislosti: výsledky zo zobrazovacích štúdií a dôsledkov liečby. Molekulárna psychiatria 9: 557 – 569. Nájdi tento článok online
Haltia LT, Savontaus E, Vahlberg T, Rinne JO, Kaasinen V (2010) Akútne hormonálne zmeny po intravenóznom podaní glukózy u chudých a obéznych ľudských subjektov. Scandinavian Journal of Clinical & Laboratory Investigation 70: 275–280. Nájdi tento článok online
Haltia LT, Rinne JO, Merisaari H, Maguire RP, Savontaus E a kol. (2007) Účinky intravenóznej glukózy na Dopaminergnú funkciu v ľudskom mozgu in vivo. Synapse 61: 748 – 756. Nájdi tento článok online
Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK a kol. (2008) Nízko-dopamínové striatálne receptory D2 sú spojené s prefrontálnym metabolizmom u obéznych jedincov: Možné faktory prispievajúce k liečbe. NeuroImage 42: 1537 – 1543. Nájdi tento článok online
Ambroggi F, Ishikawa A, Fields HL, Nicola SM (2008) Basolaterálne amygdala neuróny uľahčujú správanie pri hľadaní odmeny vzrušujúcimi neurónmi nucleus accumbens. Neuron 59: 648 – 661. Nájdi tento článok online
Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Logan J, Jayne M a kol. (2002) „Nehedonická“ potravinová motivácia u ľudí zahŕňa dopamín v dorzálnom striate a metylfenidát tento účinok zosilňuje. Synapse 44: 175 – 180. Nájdi tento článok online
Malé DM, Zatorre RJ, Dagher A, Evans AC, Jones-Gotman M (2001) Zmeny mozgovej činnosti súvisiace s konzumáciou čokolády - od rozkoše k averzii. Mozog 124: 1720–1733. Nájdi tento článok online
O'Doherty J, Dayan P, Schultz J, Deichmann R, Friston K a kol. (2004) Disociovateľné roly ventrálneho a dorzálneho striata v inštrumentálnej kondicionácii. Veda 304: 452 – 454. Nájdi tento článok online
Balleine BW, Delgado MR, Hikosaka O (2007) Úloha chrbtového striata v odmeňovaní a rozhodovaní. Journal of Neuroscience 27: 8161 – 8165. Nájdi tento článok online
Russchen FT, Bakst I, Amaral DG, Price JL (1985) Amygdalostriatálne projekcie u opice - anterográdna sledovacia štúdia. Brain Research 329: 241–257. Nájdi tento článok online
Friedman DP, Aggleton JP, Saunders RC (2002) Porovnanie hipokampálnych, amygdalových a perirálnych projekcií s nucleus accumbens: Kombinovaná anterográdna a retrográdna stopová štúdia v mozgu makakov. Časopis komparatívnej neurológie 450: 345 – 365. Nájdi tento článok online
Bude MJ, Franzblau EB, Kelley AE (2004) Amygdala je kritická pre opioidmi sprostredkované prejedanie tuku. NeuroReport 15: 1857 – 1860. Nájdi tento článok online
Baldo BA, Alsene KM, Negron A, Kelley AE (2005) Hyperfágia indukovaná inhibíciou jadra nucleus accumbens sprostredkovaná receptorom GABAA: Závislosť od intaktného nervového výstupu z centrálnej oblasti amygdaloidu. Behaviorálna neuroveda 119: 1195 – 1206. Nájdi tento článok online
NH Naqvi, Bechara A (2009) Skrytý ostrov závislosti: ostrov. Trendy v Neurosciences 32: 56 – 67. Nájdi tento článok online
Baicy K, Londýn ED, Monterosso J., Wong ML, Delibasi T a kol. (2007) Leptínová náhrada mení reakciu mozgu na potravinové podnety u dospelých s nedostatkom geneticky leptínu. Zborník Národnej akadémie vied 104: 18276 – 18279. Nájdi tento článok online
Rosenbaum M, Sy M, Pavlovich K, Leibel RL, Hirsch J (2008) Leptín zvráti zmeny vyvolané stratou hmotnosti v reakciách regionálnej neurálnej aktivity na vizuálne potravinové stimuly. Journal of Clinical Investigation 118: 2583 – 2591. Nájdi tento článok online
Cornier MA, Salzberg AK, Endly DC, Bessesen DH, Rojas DC a kol. (2009) Účinky presahovania na neurónovú reakciu na vizuálne stravovacie návyky u tenkých a redukovaných obéznych jedincov. PLoS ONE 4: e6310. Nájdi tento článok online
Stice E, Spoor S, Bohon C, Veldhuizen MG, Malá DM (2008) Vzťah odmeňovania od príjmu potravy a očakávaného príjmu potravy k obezite: Štúdia zobrazovania funkčnej magnetickej rezonancie. Časopis abnormálnej psychológie 117: 924 – 935. Nájdi tento článok online
Lemmens SG, Rutters F, Born JM, Westerterp-Plantenga MS (v tlači) Stres zvyšuje „chcenie“ jedla a príjem energie u osôb s viscerálnou nadváhou bez hladu. Fyziológia a správanie v tlači, opravený dôkaz.
Nathan PJ, Bullmore ET (2009) Od chuťového hedonika po motivačný pohon: centrálne mu-opioidné receptory a správanie pri prejedaní po jedle. International Journal of Neuropsychopharmacology 12: 995 – 1008. Nájdi tento článok online
;
