Znanstvena poročila 5, Številka članka: 10041 (2015)
doi: 10.1038 / srep10041
AbstrKrompirjev čips s prigrizki povzroča vnos hrane pri podganah, ki se hranijo z likom, kar je povezano z modulacijo sistema nagrajevanja možganov in drugih krogov. Tukaj prikazujemo, da vnos hrane pri nasičenih podganah sproži optimalno razmerje med maščobo in ogljikovimi hidrati. Tako kot krompirjev čips je tudi izokalorična zmes maščobe / ogljikovih hidratov vplivala na celoten možganski dejavnik podgan, saj je vplivala na kroge, povezane npr. Z nagrajevanjem / odvisnostjo, vendar je bilo število moduliranih področij in obseg modulacije manjše v primerjavi s samo prigrizkom hrane.
Predstavitev
Razpoložljivost ad libituma hrane, ki jo je mogoče prijeti, lahko privede do hedonične hiperfagije, tj. Povečanega vnosa energije in posledično povečanega povečanja telesne teže zaradi spremembe vzorca vedenja pri vnosu hrane1. Da bi sprožili vnos hrane, ki presega sitost, je treba vključiti dejavnike, ki preko različnih signalnih poti ne-homeostatskega sistema nagrajevanja prekoračujejo homeostatsko energijsko ravnovesje in sitost.2. Kot smo že pokazali, vnos krompirjevih žetonov s prigrizkom močno modulira aktivnost znotraj sistema nagrajevanja možganov pri podganah, hranjenih z ad libitumom. Poleg tega vodi do bistveno drugačne aktivacije možganskih regij, ki uravnavajo vnos hrane, sitost, spanje in lokomotorno aktivnost3. Študije vedenja so potrdile, da sta bila poraba energije in lokomotorna aktivnost, povezana s hranjenjem, povečana, ko so bili na voljo krompirjevi čipi3. Čeprav je nevrobiološka regulacija vnosa hrane veliko bolj zapletena kot ureditev odvisnosti od drog, so se o nekaterih presenetljivih prekrivanjih nevrofizioloških mehanizmov, vzorca aktivacije možganov in vedenjskih posledic kontroverzno razpravljali4,5,6,7. Vključeno možgansko vezje se močno aktivira z vnosom hrane po omejitvi, predvsem pa z vnosom nadvse prijetne hrane8,9,10. Na splošno je zelo okusna hrana visoko kalorična in / ali bogata z maščobami in / ali ogljikovimi hidrati. Tako se domneva, da je lahko energetska gostota živila ključni dejavnik, ki sproži vnos hrane nad sitost, kar ima za posledico povečano težo in sčasoma debelost11,12.
Nedavna vedenjska študija je pokazala, da so maščobe in ogljikovi hidrati glavni molekularni dejavniki okusnosti prigrizne hrane13. Poleg tega je vsebnost energije v krompirjevih sekancih v glavnem (94%) določena z vsebnostjo maščob in ogljikovih hidratov. Zato bi lahko sklepali, da je vsebnost energije v primeru krompirjevega čipsa gonilna sila hedonske hiperfagije. Posledično smo izvedli vedenjske preferenčne teste, s katerimi smo raziskali vnos hrane z različnimi vsebnostmi maščob / ogljikovih hidratov in izvedli meritve z magnetno resonanco (MRI), da smo raziskovali modulacijo celotne možganske aktivnosti pri podganah.
Rezultati in razprava
Za preferenčne teste je bilo vsakemu preskusnemu živilu dodan standardni prah (STD) v prahu (1: 1), da se izključi vpliv organoleptičnih lastnosti (Slika 1a)13. Že pred tem se je pokazalo, da vrstni red in trajanje epizod ne vplivata na rezultat13. Sprva se je relativni vnos povečeval s povečanjem maščobe in s tem tudi vsebnosti energije v preskusnih živilih z največjo vsebnostjo maščob 35% in ogljikovih hidratov 45%. Vendar je višja vsebnost maščob zmanjšala vnos hrane (Slika 1a). Ker ima maščoba večjo energijsko gostoto kot ogljikovi hidrati, te ugotovitve kažejo, da vsebnost energije ni edina determinanta vnosa hrane pri neogroženih podganah. Izjemno je, da se povprečno razmerje med maščobo in ogljikovimi hidrati najatraktivnejših testnih živil skoraj natančno ujema s sestavo krompirjevih čipsov (Slika 1a). Preučiti je treba, če se zgornji sklep lahko razširi tudi na druge živilske izdelke s podobnim razmerjem maščoba / ogljikovi hidrati, kot so čokolada ali druga prigrizena hrana.
Slika 1: (a) Aktivnost preskusnih živil z različnimi razmerji maščob / ogljikovih hidratov za sprožitev dodatnega vnosa hrane med kratkoročnim prikazovanjem preskusne hrane (minute 10) v dveh izbirah preferenčnih testov.
Razlike v vnosu energije na testno živilo v primerjavi z referenčnimi (17.5% maščobe, 32.5% ogljikovih hidratov in 50% STD) so prikazane kot relativni prispevek zadevnega preskusnega živila k skupnemu vnosu testnega in referenčnega živila (povprečje ± SD). Spodaj je prikazana sestava testnih živil in najbolj privlačna povprečna sestava je primerjana s sestavo krompirjevih čipsa. (b) Vnos energije in lokomotorna aktivnost, povezana s hranjenjem, med fazami neprekinjene predstavitve preskusne hrane 7 dni. Oba dejavnika sta prikazana v odvisnosti od preskusnih živil [standardni chow (STD) ali mešanica 35% maščob in 65% ogljikovih hidratov (FCH)] v fazi treninga (TP) in faze mangana (MnP) med 12 / 12 ur ciklov svetloba / tema v 7 dneh. Podatki kažejo povprečje ± SD 16 živali v 4 kletkah 7 zaporednih dni. Poleg tega so navedeni ustrezni statistični podatki (** p <0.01, *** p <0.001, ns = ni pomembno).
Nedavno smo pokazali, da poraba krompirjevih čipsov pri podganah, hranjenih z ad libitumom, močno modulira celotno možgansko aktivnost, predvsem vpliva na nagrajevalni krog in sisteme, povezane z vnosom hrane, spanjem in lokomotorno dejavnostjo3. Zato je v tej študiji preučevan vpliv razmerja maščoba / ogljikovi hidrati v preskusni hrani na te modulacije. V ta namen so podgane, hranjene z ad libitum, bile izpostavljene preskusni hrani, ki je vsebovala 35% maščobe in 65% ogljikove hidrate (FCH) kot skoraj izokaloričen (565 vs 535 kcal / 100 g) model krompirjevega čipsa. Namesto tega je kontrolna skupina prejela STD v prahu. Nato so spremembe v celotnem vzorcu možganske aktivnosti med fazo hranjenja zabeležene s slikanjem magnetne resonance (MEMRI)14,15 kot je predhodno opisano3. Glede na zasnovo študije, prikazano v Slika 1b, fazi usposabljanja (TP), ki je nudila testna živila ad libitum, je sledila vmesna faza brez testne hrane (vsaka sedem dni). Pred merjenjem MEMRI smo kontrastno sredstvo mangan-klorid dajali dorzalno subkutano implantirane osmotske črpalke za preslikavo integrirane možganske aktivnosti v naslednjih sedmih dneh. Med to manganovo fazo (MnP) so podgane ponovno vzpostavile dostop do svoje že znane preskusne hrane. V celotni študiji je bil na voljo standardni lični peter za pelete in voda iz pipe (Slika 1b). Ta testna naprava je primerjala vnos energije in celoten vzorec možganske aktivnosti obeh skupin in povzročila znatno povišan vnos energije v skupini s FCH med TP in MnP v svetlobi in v temnem ciklu dneva v primerjavi s kontrolo (Slika 1b). Poleg tega so šteli lokomotorno aktivnost samskih podgan v bližini razpršilnikov hrane. V nasprotju z drugimi lokomotornimi testi, kot sta test na prostem, ki meri splošno lokomotorno aktivnost in tesnobo, lokomotorna aktivnost, povezana s hranjenjem, ocenjena v tej študiji, precej odraža vedenje, ki išče hrano. Krmiljenje lokomotorne aktivnosti je bilo le rahlo povišano, ko je bil FCH na voljo namesto prašnega STD med temnim ciklom TP (povprečna lokomotorna aktivnost [šteje] STD 205 ± 46, FCH 230 ± 41, n = 4, p = 0.0633 ) in MnP (povprečna lokomotorna aktivnost [šteje] STD 155 ± 24, FCH 164 ± 17, n = 4, p = 0.2123) (Slika 1b). V nasprotju s tem je dostop do krompirjevih sekancev privedel do veliko večje lokomotorne aktivnosti, povezane s hranjenjem, v primerjavi z isto kontrolno skupino STD v temnem ciklu3, ki je bila pomembna tako pri TP (povprečna lokomotorna aktivnost [štetje] STD 205 ± 46, krompirjevi čips 290 ± 52, n = 4, p <0.001) kot pri MnP (povprečna lokomotorna aktivnost [štetje] STD 155 ± 24, krompirjevi čips 197 ± 29, n = 4, p = 0.0011). Tako lahko sklepamo, da razmerje med maščobo in ogljikovimi hidrati določa okusnost krompirjevih sekancev, vendar na vedenje hranjenja vplivajo tudi druge sestavine v prigrizkih. Še vedno pa je špekulativno, če se te razlike nanašajo na "željo" in "všečnost" vidikov vnosa hrane16.
Celotno spremljanje možganske aktivnosti z MEMRI je pokazalo pomembne razlike v aktivaciji možganskih področij z vnosom FCH v primerjavi s STD (Slika 2a, b, Slika 3, prvi stolpec, Tabela 1). Sedanje rezultate so primerjali s prejšnjimi MEMRI analizami modulacije vzorca možganske aktivnosti med zaužitjem krompirjevega čipsa proti STD pod enakimi pogoji3. Prejšnji podatki so navedeni v drugem stolpcu Sl. 2 in 3. Čeprav je imel FCH podobno razmerje med maščobo in ogljikovimi hidrati ter skoraj identično gostoto energije v primerjavi s krompirjevim čipsom, je FCH aktiviral precej manjše število (33) možganskih področij bistveno drugače kot STD kot krompirjev čips (območja 78, Slika 2). Učinki so bili zaznani v funkcionalnih skupinah, povezanih z nagrajevanjem in odvisnostjo (Slika 3a), vnos hrane (Slika 3b), spanje (Slika 3c) in lokomotorne dejavnosti (Slika 3d). Slika 2b prikazuje pregled vseh bistveno različno aktiviranih možganskih področij, v primerjavi z učinki FCH in krompirjevih čipsov z učinki spolno prenosljive bolezni. Poleg tega se delna sprememba v aktivaciji, tj. Vnos mangana, ki odraža nevronsko aktivnost, odločilno razlikuje glede porabe FCH proti STD v primerjavi s krompirjevim čipsom proti SPD (Slika 3, tretji stolpec). Nukleus accumbens velja za glavno strukturo sistema nagrajevanja17. Poraba FCH je povzročila občutno večjo aktivacijo 7.8 v eni od štirih podstruktur, osrednji podregiji leve poloble. Povečanje podregij lupine kot tudi v osrednji podregiji desne poloble ni bilo pomembno (Slika 3a). Vnos krompirjevih čipsa v podobnih pogojih je prav tako povzročil največjo aktivacijo levega jedrnega podregijskega območja jedra jedra. V primerjavi s FCH pa je bila stopnja aktivacije v tej podstrukturi celo dvakrat višja. V nasprotju s FCH so bile tri druge podstrukture prav tako bistveno aktivirane v primerjavi s krmiljenjem (Slika 3a). Tako lahko sklepamo, da FCH aktivira sisteme nagrajevanja v možganih, vendar z manjšim učinkom kot krompirjev čips. To ugotovitev kažejo tudi druge strukture sistema nagrajevanja / odvisnosti, ki so se znatno aktivirale z vnosom krompirjevega čipsa in FCH, na primer posteljno jedro stria terminalis (leva hemisfera)17,18, hrbtni subiculum19ali predlimbična skorja (desna in leva hemisfera)20. V nasprotju s tem na druge možganske strukture vnos FCH ni bistveno vplival, čeprav so pomembni sestavni deli nagradnih vezij in so bili očitno modulirani z vnosom krompirjevega čipsa, kot so ventralni palidum, ventralno tegmentalno območje ali kaudata putamen (Tabela 1)3.
Slika 2: (a) Občutno možno različno aktivirana področja možganov (mešanica 35% maščobe / 65% ogljikovih hidratov (FCH) v primerjavi s standardno kravico3) s pomočjo morfometrične analize na osnovi voksela, ki je bila prikazana za tri rezine, prikazane na povprečni površini možganov podgane.
Povprečni podatki maščob / ogljikovih hidratov iz skupine živil (FCH, levi stolpec) se primerjajo s spremembami v vzorcu možganske aktivnosti, ki jih povzročajo krompirjevi čipi pod enakimi pogoji (pregledano iz Hoch et al. 20133, desni stolpec). (b) porazdelitev 3D na bistveno različno aktivirana območja možganov, prikazana v aksialnem in sagitalnem pogledu (35% maščobe / 65% ogljikovih hidratov preskusna hrana FCH vs. STD, levi stolpec in krompirjev čips proti STD, desni stolpec, pregledan iz Hoch et al. 20133). Modre kroglice simbolizirajo možganska območja z nižjimi, rdečimi kroglicami možganske regije z večjo aktivnostjo po vnosu ustrezne preskusne hrane FCH ali krompirjevega čipsa.3, vsaka v primerjavi s SPB. Velikost kroglic simbolizira stopnje pomembnosti (majhne: p ≤ 0.05, srednje: p ≤ 0.01, velike: p ≤ 0.001, n = 16).
Slika 3: Možganske regije, dodeljene funkcionalnim skupinam (a) "nagrajevanje in zasvojenost", (b) "vnos hrane", (c) "spanje" in (d) "gibalna aktivnost" na shematskem sagitalnem pogledu na podgano možgani z bistveno drugačnim (p <0.05) kopičenjem mangana v možganskih strukturah podgan, hranjenih z libitumom, z dodatnim dostopom do 35% maščobe / 65% preskusne hrane z ogljikovimi hidrati (FCH, prvi stolpec) ali krompirjev čips s prigrizki (pregled Hoch sod. 20133, drugi stolpec).
Rdeči pravokotniki simbolizirajo možganske regije, ki jih bistveno aktivirajo krompirjevi čipsi s prigrizki ali FCH, oboje v primerjavi s standardnim čajem v prahu (STD), modri pravokotniki v ustreznih možganskih regijah z večjo aktivnostjo zaradi vnosa prahu s STD v primerjavi s krompirjevimi čipsi ali FCH. Trikotniki, pritrjeni na pravokotnike levo in / ali desno, označujejo poloblo pomembnih razlik. Pravokotniki brez trikotnikov predstavljajo osrednje možganske strukture. Tretji stolpec prikazuje delno spremembo prigrizkov oziroma FCH v primerjavi s STD (*** p <0.001, ** p <0.01, * p <0.05, n = 16). Jedro Acb: jedrno območje nucleus accumbens; Acb lupina: lupinsko območje nucleus accumbens, Arc: arcuate hipotalamično jedro, BNST: posteljno jedro stria terminalis, CgCx: cingulate cortex, CPu: caudate putamen (stratium), DS: hrbtni subiculum, Gi: gigantocelularno jedro, GPV: ventralno pallidum, HyDM: dorsomedial hipotalamus, HyL: lateralni hipotalamus, IlCx: infralimbična skorja, InsCx: otočna skorja, IP: interpedunkularno jedro, LPBN: bočno parabrahialno jedro, LPGi: stransko paragigantocelularno jedro, LRt: lateralni retikularni jedrni motor, MCR lateralnega mrežničnega jedra , MCx1: sekundarna motorična skorja, OrbCx: orbitalna skorja, PCRt: parvicelularno retikularno jedro, PnO: pontinsko retikularno jedro, PrlCx: prelimbična skorja, PTA: pretektalno območje, PVN: paraventrikularno talamično jedro spredaj, Raphe: raphe jedro, septum: septum , Sol: samotni trakt, Teg: tegmentalna jedra, thMD: mediodorsalni talamik, VS: ventralni subiculum, VTA: ventralni tegmentalni del, ZI: zona incerta.
Tabela 1: Z-rezultati občutno različno aktiviranih možganskih področij, ki primerjajo podgane z dostopom bodisi do standardnega goniča, bodisi do mešanice maščob in ogljikovih hidratov, in ustreznih p-vrednosti t-statistike, n = 16.
Podobne ugotovitve lahko pridobimo iz analize možganskih vezij, ki so povezane z vnosom hrane. Na primer, lahko dorsomedial hipotalamus, septum in paraventrikularno talamično jedro, ki so se aktivirali med zaužitjem FCH in krompirjevih čipsov, lahko povežemo z nadzorom vnosa hrane.21,22. Toda znova FCH ni mogel prilagoditi drugih struktur vezja sitosti, ki so jih deaktivirali krompirjevi čipi, na primer ločno hipotalamično jedro ali samotni trakt. Poleg tega je bila intenzivnost aktivacije nižja za FCH kot krompirjev čips, kar se je odražalo, na primer, v 2.3-krat občutno večji aktivaciji paraventrikularnega talamičnega jedra spredaj (Slika 3b). Ti podatki kažejo, da FCH modulira možganske strukture, povezane z vnosom hrane, drugače kot STD, kar se lahko odraža z večjim vnosom energije skozi FCH (Slika 1b).
Vnos FCH je privedel tudi do močne deaktivacije možganskih struktur, povezanih s spanjem. Nekatera področja možganov so deaktivirali samo FCH, na primer zona incerta (Slika 3c), medtem ko so druga območja deaktivirali le krompirjevi sekanci, kot so tegmentalna jedra. Čeprav je osem struktur, povezanih s spanjem, moduliral FCH, enajst pa krompirjev čips, učinek obeh testnih živil se zdi v podobnem obsegu. Ker tega rezultata ni bilo pričakovati, trajanje spanja v tej študiji ni bilo merjeno, tako da ni jasno, če modulacija spalnih vezij, ki jo povzroča FCH, korelira z modulacijo spalnega vedenja.
Možganske regije, ki so odgovorne za lokomotorno aktivnost in gibanje na splošno, niso vplivale bistveno na vnos FCH v primerjavi s STD (Slika 3d, prvi stolpec). To je sočasno z opazovanji vedenja, da je FCH povzročil le rahlo, a ne bistveno večjo lokomotorno aktivnost, povezano s hrano, v primerjavi s STD (Slika 1b). V nasprotju s tem se je pokazalo, da je aktiviranje struktur motoričnega sistema v možganih podgan z dostopom do krompirjevih sekancev spremljalo povišano lokomotorno aktivnost, povezana s hranjenjem.3.
Ni povsem jasno, ali je opaženi aktivacijski vzorec povezan s hedonsko hiperfagijo. V nasprotju s homeostatičnim vnosom hrane, ki ga nadzira energijska raven organizma, se hedonski vnos hrane posreduje z nagrado, ki jo ustvarjajo nekatera živila23. Ker hedonski vnos hrane ni močno povezan z energijskimi potrebami, pogosto vodi do hiperfagije. Razviti so modeli, ki opisujejo nevronske korelate hedonske hiperfagije. Berthoud na primer predlaga, da je homeostatski vnos hrane povezan z leptinsko občutljivimi vezji, ki vključujejo predvsem ločno jedro in jedro solitarnega trakta, vključuje pa tudi široko paleto drugih področij, vključno s hipotalamičnimi mesti, kot so paraventrikularno jedro oz. nukleus accumbens23,24. To homeostatsko uravnavanje vnosa hrane pa lahko odpravimo z nagradnimi signali, kot so komponente všečkov in želja25. Ljubezen do hrane je bila povezana z mu-opioidno signalizacijo v jedru jedra, ventralnem palidumu, parabrahialnem jedru in jedru samotnega trakta24, ker je bilo iskanje hrane povezano z dopaminskim sistemom na ventralnem tegmentalnem območju, nukleusu, predfrontalni skorji, amigdali in hipotalamusu. Kenny je še poudaril prispevek izolske skorje, ki naj bi shranila informacije o hedonskih lastnostih hrane in je lahko povezana tudi s hrepenenjem10. V nasprotju z vzorcem možganske aktivacije, povezanim z vnosom krompirjevega čipsa, je le nekaj teh področij, povezanih s hedonsko hiperfagijo, dejansko vplivalo na vnos FCH. Zato so potrebni razširjeni vedenjski eksperimenti, da se preveri, ali prednost FCH dejansko spremlja hiperfagija.
Do danes ni jasno, katere molekularne komponente krompirjevega čipsa so odgovorne za močnejše učinke modulacije te preskusne hrane. Ker je bil uporabljen soljen, vendar neasiran izdelek brez dodatka za izboljšanje okusa, so bile poleg glavnih sestavin poleg maščob in ogljikovih hidratov prisotne tudi sol, aroma in manjše količine beljakovin. Poleg tega je treba upoštevati molekularne spremembe, ki se pojavijo med predelavo. Pred tem se je pokazalo, da je okus soli povzročil izražanje Fosa v jedru podgan prikrajšanih za sol. Nasprotno pa vnos soli pri neizčrpanih živalih ni povzročil aktiviranja te strukture sistema nagrajevanja26. Še več, poročali so, da je vnos soli v trdni hrani pri podganah povzročal averziven učinek27. Zato se zdi, da je bila sol v današnjih poskusih glavni modulator sistema nagrajevanja možganov. Prej uveden preizkus preferenc z dvema izbirama je zdaj lahko namenjen nadaljnji preiskavi vpliva drugih sestavin krompirjevega čipsa na vnos hrane.
Iz naših vedenjskih podatkov sklepamo, da je razmerje med maščobo in ogljikovimi hidrati, ne pa tudi absolutna energijska gostota, glavni dejavnik okusnosti in vnosa prigrizka v času kratkotrajnih dvoizbornih testov pri podganah. Poleg tega je vnos mešanice FCH, ki je skoraj izokalorična krompirjevim čipsom, povzročil največji vnos energije pri podganah, hranjenih z ad libitumom, kar je spremljalo bistveno drugačno aktiviranje možganskih struktur, povezanih z nagrajevanjem, vnosom hrane in spanjem. Vnos krompirjevih čipsa pod enakimi pogoji je privedel do veliko večjega števila različno aktiviranih možganskih struktur v teh vezjih in tudi do bistveno večje delne spremembe v primerjavi s STD. Tako lahko iz slikovnega pristopa sklepamo, da je sama gostota energije le zmerna določitev koristnih lastnosti prigrizne hrane. Čeprav se zdi, da je razmerje med maščobo in ogljikovimi hidrati krompirjev čips izredno privlačno, je mogoče domnevati, da v tej prigrizki obstajajo tudi druge molekularne determinante, ki modulirajo delovanje možganskih krogov, zlasti sistem nagrajevanja, še močnejše in vodijo do večje hrane išče vedenje.
Metode
Etična izjava
Ta študija je bila izvedena v natančnem skladu s priporočili Vodnika za nego in uporabo laboratorijskih živali Nacionalnega inštituta za zdravje. Protokol je odobril Odbor za etiko na poskusih na živalih Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (Regierung Mittelfranken, Številka dovoljenja: 54-2532.1-28 / 12).
Preferenčni test
Preferenčni testi so bili izvedeni, kot je bilo predhodno opisano trikrat na dan med svetlobnim ciklom 10 minut, vsaka s skupno ponovitvijo 20 – 36 na preskusno hrano glede na referenco13. Ta razpored preskusa ponuja dovolj podatkovnih točk za oceno prehranske preference. Testi so bili izvedeni pri samcih podgan 8 Wistar (2 kletke z 4 živalmi, 571 ± 41 g, odkupljene od Charles River, Sulzfeld, Nemčija) in reproducirane z 10 samci podgane Sprague Dawley (2 kletke z 5 živalmi, začetna teža 543 ± 71 g, kupljeno od reke Charles, Sulzfeld, Nemčija), ki je bil usposobljen za test. Tako je bilo število živali, ki so opravile vsak preskus, 18 in število kletk 4 (štiri biološke ponovitve). Vsak poskus je bil z vsako živalsko skupino ponovljen 5 – 6-krat. Vse podgane so hranili v ciklu temno / svetlobe 12 / 12 h. Podgane so imele poleg standardnih kroglic čokolade (Altromin 1324, Lage, Nemčija, 4 g / 100 g maščobe (F), 52.5 g / 100 g ogljikove hidrate (CH), 19 g / 100 g proteina (P)) preskusna živila in v celotni študiji pijte vodo ad libitum. Za primerjavo dejavnosti za spodbujanje vnosa hrane smo uporabili preskusno hrano z različnimi razmerji F (sončnično olje, kupljeno v lokalnem supermarketu) in CH (maltodekstrin, dekstrin 15 iz koruznega škroba, Fluka, Nemčija), pomešano z 50% v prahu. . Dodan je prah STD, da se zmanjšajo teksturi in senzorični vplivi na porabo. Kot referenčna hrana za vse vedenjske teste je bila uporabljena mešanica 50% prahu STD, 17.5% F in 32.5% CH, ki ima zelo podoben F / CH sestavek kot krompirjev čips v STD in je bil uporabljen kot prej model 50% krompirjev čips v STD13. Poleg tega smo preizkusili živila, sestavljena iz 50% v prahu STD z dodatki naslednjih mešanic F in CH (% F /% CH): 5 / 45, 10 / 40, 17.5 / 32.5, 25 / 25, 30 / 20, 35 / 15, 40 / 10, 45 / 5 in 50 / 0. Glede na sestavo 50% STD je referenčno živilo, vsebovano skupaj (% F /% CH) 20 / 59, druga preskusna živila 7 / 71, 12 / 66, 20 / 59, 27 / 51, 32 / 46, 37 / 41, 42 / 36, 47 / 31 in 52 / 26. Vsebina vseh drugih sestavin v prahu STD, kot so beljakovine (9%), vlaknine (3%) ali minerali (pepel, 3.5%), je bila konstantna v vseh preskusnih živilih.
Poraba energije, ki je odvisna od ustrezne preskusne hrane, je bila izračunana z množenjem zaužite količine preskusne hrane z ustrezno vsebnostjo energije. Relativni prispevek enega preskusnega živila k vsoti zaužitega testnega živila in referenčne vrednosti je bil izračunan tako, da se količina zadevnega preskusnega živila deli s skupnim vnosom testne hrane in referenčno vrednostjo.
Zapis podatkov o vedenju za vnos energije in lokomotorno aktivnost, povezano s hranjenjem
Podatki o vedenju so bili zabeleženi kot je opisano prej3. Na kratko smo dnevno vmerili testno hrano, vnos energije pa izračunali tako, da smo množili maso zaužite testne hrane z ustrezno vsebnostjo energije. Lokomotorna aktivnost, povezana s hranjenjem, je bila količinsko določena s slikami spletnih kamer, ki so jih snemale vsake 10 sekunde od zgoraj. Eno število je bilo opredeljeno kot "ena podgana kaže lokomotorno aktivnost v bližini enega razpršilnika hrane". Za statistično vrednotenje so bili izvedeni študentovi t-testi (dvotirni) z uporabo povprečne vrednosti (vnos energije ali lokomotorne aktivnosti, povezane s hranjenjem) med dnevi 7 (TP ali MnP) na kletko (n = 4 kletke, skupaj s podganami 16 v vsaka skupina).
Snemanje celotnega vzorca možganske aktivnosti z MEMRI
Moške podgane Wistar (začetna teža 261 ± 19 g, kupljene v reki Charles, Sulzfeld, Nemčija), ki se hranijo v ciklu 12 / 12 h temno / svetloba, so bile naključno razdeljene v dve skupini. Obe skupini sta imeli v celotnem poteku študije dostop do običajnih kroglic (Altromin 1324, Altromin, Lage, Nemčija) ad libitum.
Ena skupina (n = 16, začetna telesna teža 256 ± 21 g) je prejela STD v prahu (Altromin 1321), druga skupina (n = 16, začetna telesna teža 266 ± 16 g) pa je prejela mešanico 35% F (sončnično olje, kupljeno iz lokalnega supermarketa) in 65% CH (maltodekstrin, dekstrin 15 iz koruznega škroba, Fluka, Taufkirchen, Nemčija) poleg standardnih peletov za gojenje črevesa. Ta študija je potekala vzporedno s predhodno objavljeno študijo o krompirjevih sekancih3, da bi lahko uporabili isto nadzorno skupino, ki omogoča največjo primerljivost nabora podatkov.
MEMRI (na MNK 4.7 T Bruker z uporabo optimiziranega spremenjenega ravnotežnega zaporedja Fourierove transformacije (MDEFT)) smo uporabili za kartiranje možganske aktivacije s fino ločljivostjo 109 × 109 × 440 μm (podrobnosti glej Hoch et al. 20133). Ker je občutljivost MEMRI nižja v primerjavi s preferenčnimi testi, so bila testna živila predstavljena dlje časa. Posnetki zahtevajo relativno visoke koncentracije potencialno strupenega kontrastnega sredstva mangana, ki ga v možgane doseže le nekaj ur po nanosu. Da bi se izognili negativnim stranskim učinkom na osnovno fiziologijo in vedenje živali zaradi vbrizgavanja raztopine manganovega klorida v odmerkih, ki zadoščajo za merjenje MEMRI, so osmotske črpalke služile za nežno, a dolgotrajno trajno nanašanje nestrupenih količin mangana , ki se je nabrala na aktiviranih območjih možganov v celotnem časovnem obdobju preskusa hrane na dan 728. Načrt študije, priprava osmotskih črpalk, parametri za merjenje MRI, obdelava podatkov, pa tudi beleženje vnosa hrane in lokomotorne aktivnosti, povezane s hranjenjem3. Prvotne MRI sive vrednosti segmentiranih možganov na žival so bile registrirane s togo registracijo3. Na podlagi teh registriranih nizov podatkov je bila izvedena morfometrična analiza na osnovi voxlov in prikazani dobljeni statistični parametri. Študentovi t-testi, ki temeljijo na Z-Score, so bili izvedeni za odkrivanje pomembnih razlik v aktivaciji možganov. Za 3D vizualizacijo porazdelitve bistveno različno aktiviranih možganskih struktur smo vsako možgansko strukturo predstavljali kot kroglo v njenem težišču. Koordinate so izhajale iz digitalnega atlasa možganov 3D. Polmer vsake krogle je bil uporabljen za kodiranje njene stopnje pomembnosti in senčenje intenzitete kodira razliko aktivnosti na STD.
Dodatne informacije
Kako citirati ta članek: Hoch, T. et al. Razmerje med maščobo in ogljikovimi hidrati, vendar ne z energijsko gostoto, določa vnos hrane za prigrizek in aktivira možganska območja. Sci. Rep. 510041; doi: 10.1038 / srep10041 (2015).
Reference
- 1.
La Fleur, SE, Luijendijk, MCM, van der Zwaal, EM, Brans, MAD & Adan, RAH Prigrizeča podgana kot model človeške debelosti: učinki diete z visoko vsebnostjo maščob brez sladkorja na obroke. Int. J. Obes. 38643-649 (2014).
· 2.
Berthoud, H.-R. Homeostatične in ne-homeostatske poti so vključene v nadzor nad vnosom hrane in energijsko ravnovesje. Debelost. 14 S8, 197S – 200S (2006).
· 3.
Hoch, T., Kreitz, S., Gaffling, S., Pischetsrieder, M. in Hess, A. Magnetnoresonančno slikanje z manganom za kartiranje celotnih vzorcev možganske aktivnosti, povezanih z vnosom prigrizkov pri podganah, hranjenih z ad libitumom. PLoS ONE. 8, e55354; 10.1371 / journal.pone.0055354 (2013).
· 4.
Volkow, ND in Wise, RA Kako nam lahko odvisnost od drog pomaga razumeti debelost? Nat. Neurosci. 8555-560 (2005).
· 5.
Berthoud, H.-R. Metabolični in hedonski nagoni v nevronskem nadzoru apetita: kdo je šef? Curr. Opin. Neurobiol. 21888-896 (2011).
· 6.
Gearhardt, AN, Grilo, CM, DiLeone, RJ, Brownell, KD & Potenza, MN Ali lahko hrana zasvoji? Posledice za javno zdravje in politiko. Odvisnost. 1061208-1212 (2011).
· 7.
Hebebrand, J. et al. "Zasvojenost z uživanjem hrane", namesto "zasvojenost s hrano", bolje zajame zasvojenost, podobno prehranjevanju. Neurosci. Biobehav. Rev. 47295-306 (2014).
· 8.
Epstein, DH in Shaham, Y. Podgane, ki se prehranjujejo s sirom in vprašanje odvisnosti od hrane. Nat. Neurosci. 13529-531 (2010).
· 9.
DiLeone, RJ, Taylor, JR in Picciotto, MR Pogon k prehranjevanju: primerjave in razlike med mehanizmi nagrajevanja s hrano in odvisnosti od drog. Nat. Neurosci. 151330-1335 (2012).
· 10.
Kenny, PJ Skupni celični in molekularni mehanizmi pri debelosti in odvisnosti od drog. Nat. Rev. Neurosci. 12638-651 (2011).
· 11.
Rolls, BJ & Bell, EA Vnos maščob in ogljikovih hidratov: vloga gostote energije. EUR. J. Clin. Nutr. 53 (Suppl 1), S166 – 173 (1999).
· 12.
Shafat, A., Murray, B. in Rumsey, D. Gostota energije v prehrani kafeterije je pri podganah povzročila hiperfagijo. Appetite. 5234-38 (2009).
· 13.
Hoch, T., Pischetsrieder, M. in Hess, A. Vnos hrane za prigrizke pri podganah, hranjenih z ad libitum, sproži kombinacija maščobe in ogljikovih hidratov. Spredaj. Psihol. 5, 250; 10.3389 / fpsyg.2014.00250 (2014).
· 14.
Lin, YJ in Koretsky, AP Mangan ion poveča T1 tehtano MRI med aktivacijo možganov: pristop k neposrednemu slikanju možganske funkcije. Magn. Reson. Med. 38378-388 (1997).
· 15.
Koretsky, AP in Silva, AC Magnetnoresonančna slika (MEMRI), povečana z manganom. NMR Biomed. 17527-531 (2004).
· 16.
Berridge, KC Užitki možganov. Brain Cogn. 52106-128 (2003).
· 17.
Haber, SN in Knutson, B. Vezje nagrade: povezuje anatomijo primatov in slikanje ljudi. Neuropsychopharmacology 354-26 (2010).
· 18.
Epping-Jordan, poslanec, Markou, A. in Koob, GF Antagonist receptorja dopamina D-1 SCH 23390 injiciran v dorsolateralno jedro ležišča stria terminalis zmanjšal ojačitev kokaina pri podganah. Brain Res. 784105-115 (1998).
· 19.
Martin-Fardon, R., Ciccocioppo, R., Aujla, H. in Weiss, F. Dorzalni subiculum posreduje pri pridobivanju pogojene vnovične uporabe kokaina. Neuropsychopharmacology. 331827-1834 (2008).
· 20.
Limpens, JHW, Damsteegt, R., Broekhoven, MH, Voorn, P. & Vanderschuren, LJMJ Farmakološka inaktivacija prelimbične skorje posnema kompulzivno iskanje nagrade pri podganah. Brain Res.; 10.1016 / j.brainres.2014.10.045 (2014).
21.
Bellinger, LL in Bernardis, LL Dorsomedialno hipotalamično jedro in njegova vloga pri zaužitnem vedenju in uravnavanju telesne teže: lekcije, pridobljene iz lezijskih študij. Fiziol. Behav. 76431-442 (2002).
· 22.
Stratford, TR & Wirtshafter, D. Injekcije muscimola v paraventrikularno talamsko jedro, ne pa mediodorzalna talamična jedra, sprožijo hranjenje pri podganah. Brain Res. 1490128-133 (2013).
· 23.
Harrold, JA, Dovey, TM, Blundell, JE in Halford, JCG CNS regulacija apetita. Neurofarmakologija 633-17 (2012).
· 24.
Berthoud, H.-R. Nevronska kontrola apetita: navzkrižni pogovor med homeostatskim in ne-homeostatskim sistemom. Appetite. 43315-317 (2004).
· 25.
Berridge, KC Nagrada za hrano: Brain substrati želja in všečkov. Neurosci. Biobehav. Rev. 201-25 (1996).
· 26.
Voorhies, AC in Bernstein, IL Indukcija in izražanje soli apetita: učinki na Fos izražanje v jedrih. Behav. Brain Res. 17290-96 (2006).
· 27.
Beauchamp, GK in Bertino, M. Podgane (Rattus norvegicus) ne marajo slane trdne hrane. J. Comp. Psihola. 99240-247 (1985).
· 28.
Eschenko, O. et al. Kartiranje funkcionalnih možganskih aktivnosti pri prosto obnašajočih se podganah med prostovoljnim tekom z uporabo MRI z izboljšanjem mangana: Posledice za vzdolžne študije. Neuroimage 492544-2555 (2010).
· 29.
Denbleyker, M., Nicklous, DM, Wagner, PJ, Ward, HG & Simansky, KJ Aktiviranje mu-opioidnih receptorjev v lateralnem parabrahialnem jedru poveča izražanje c-Fos v predelih prednjih možganov, povezanih s kalorično regulacijo, nagrajevanjem in spoznanjem. Nevroznanost 162224-233 (2009).
· 30.
Hernandez, L. in Hoebel, BG Nagrada za hrano in kokain povečujeta zunajcelični dopamin v jedrih, merjeno z mikrodializo. Life Sci. 421705-1712 (1988).
· 31.
Zahm, DS et al. Fos po enkratnem in večkratnem dajanju kokaina in fiziološke raztopine pri podganah: poudarek na bazalni sprednji možgan in ponovna umeritev izražanja. Neuropsychopharmacology 35445-463 (2010).
· 32.
Oliveira, LA, Gentil, CG in Covian, MR Vloga območja septal v vedenju hranjenja, ki ga povzroča električna stimulacija lateralnega hipotalamusa podgane. Braz. J. Med. Biol. Res. 2349-58 (1990).
· 33.
Chase, MH Potrdilo o soglasju, da je za atonijo REM spanja kriva glicergična postsinaptična inhibicija. Sleep. 311487-1491 (2008).
· 34.
Sirieix, C., Gervasoni, D., Luppi, P.-H. & Léger, L. Vloga stranskega paragigantoceličnega jedra v mreži paradoksalnega (REM) spanja: elektrofiziološka in anatomska študija na podganah. PLoS ONE. 7, e28724; 10.1371 / journal.pone.0028724 (2012).
· 35.
Trepel, M. Nevroanatomie. Struktur in Funktion 3rd ed. Urban & Fischer, München, 2003).
36.
Miller, AM, Miller, RB, Obermeyer, WH, Behan, M. in Benca, RM Prettekum posreduje hitro uravnavanje spanca s svetlobo. Behav. Neurosci. 113755-765 (1999).
· 37.
Léger, L. et al. Dopaminergični nevroni, ki izražajo Fos med budnostjo in paradoksalnim spanjem pri podganah. J. Chem. Neuroanat. 39262-271 (2010).
37.
o
Priznanja
Študija je del projekta Nevrotrition, ki ga podpira pobuda FAU Emerging Fields. Poleg tega se zahvaljujemo Christine Meissner za lektoriranje rokopisa.
Podatki o avtorju
Pripadnosti
1. Enota za kemijo živil, Oddelek za kemijo in farmacijo, Center Emil Fischer, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Nemčija
o Tobias Hoch
o & Monika Pischetsrieder
2. Inštitut za eksperimentalno in klinično farmakologijo in toksikologijo, Emil Fischer Center, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Nemčija
o Silke Kreitz
o & Andreas Hess
3. Laboratorij za prepoznavanje vzorcev, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Nemčija
o Simone Gaffling
4. Šola naprednih optičnih tehnologij (SAOT), Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Nemčija
o Simone Gaffling
Prispevki
Zamišljeni in zasnovani poskusi: THMPAH Izvedli poskuse: THAH Analizirali podatke: THSKSGAH Interpretirali podatke THMPAH Prispeli reagenti / materiali / orodja za analizo: AHMP Napisal prispevek: THMPAH
Konkurenčni interesi
Avtorji ne prijavljajo konkurenčnih finančnih interesov.
Ustrezni avtor
Korespondenca z Monika Pischetsrieder.
;
