Dana M. Small, Alexandra G. DiFeliceantonio
Znanost 25 Jan 2019:
Vol. 363, izdaja 6425, str. 346-347
DOI: 10.1126 / science.aav0556
Signali, ki prenašajo prehranske informacije od črevesja do možganov, uravnavajo krepitev hrane in izbiro hrane (1-4). Čeprav centralni nevronski izračuni izvajajo izbiro, črevesni živčni sistem možganom sporoča informacije o prehranskih izidih, tako da je mogoče posodobiti zastopanost vrednosti hrane. Tukaj razpravljamo o najnovejših ugotovitvah, ki nakazujejo na zvestobo črevesno-možganske signalizacije in posledično zastopanje vrednosti hrane ogroža predelana hrana (3, 4). Razumevanje te osi bi lahko pomenilo vedenje hranjenja, ki vključuje predelano hrano in debelost.
V poskusih 1947 so poskusi, v katerih so glodalce hranili z izokaloričnimi dietami, ki so se spreminjale po obsegu, razkrile, da glodalci natančno titrirajo količino zaužite hrane za vzdrževanje stalnega vnosa kalorij čez dneve, kar kaže, da "podgane jedo za kalorije" (5). To pomeni, da je treba ustvariti signal, ki možganom sporoča energijsko vrednost hrane, da usmerja vnos. Kasneje so drugi potrdili, da se lahko ti "zaužitni" signali okrepijo, če pokažejo, da lahko živali oblikujejo preference do okusov, zaužitih s kalorijami, v primerjavi s tistimi, ki jih uživajo brez - oblike učenja, imenovane kondicioniranje okusa in hranil (FNC) (6). Pomembno je, da se FNC pojavlja tudi v odsotnosti sočasne oralne senzorične stimulacije, ki izolira post-zaužitne signale kot ključni ojačevalec (7). Na primer, živali, ki nimajo nevrobioloških mehanizmov za prenašanje sladkega okusa, vseeno oblikujejo prednost za vodo, ki vsebuje saharozo v primerjavi s samo vodo, in to vedenje spremlja porast zunajceličnega dopamina v striatumu, možganskem predelu, ki je potreben za motivacijo in učenje. Kljub temu pa infuzija antimetaboličnega sredstva 2-deoksiglukoza, ki blokira sposobnost celic, da uporabljajo glukozo kot gorivo, zmanjšuje zunajcelični dopamin in tvorbo preferenc (1). Ti signali so verjetno nevronski in ne endokrini (torej hormonski), ker naraščanje zunajceličnega dopamina hitro po intragastrični infuziji glukoze (8). Poleg tega infuzija glukoze, vendar ne-metabolizirane glukoze v portalni veni, poveča zunajcelični dopamin (8). Skupaj to kaže, da je pri živalih brezpogojni dražljaj, ki poganja ojačitev sladkorja (ogljikovih hidratov) metabolični signal, ki nastane, ko celice porabijo glukozo za gorivo; ta signal nato mehanizem zazna v portalni veni in ga nato pošlje možganom, da uredi dopaminsko signalizacijo (glej sliko). Natančna narava presnovnega signala, njegov senzor in kako se prenaša v možgane niso znani.
Obstajajo dokazi, da podoben mehanizem deluje tudi pri ljudeh. Neuroimaging študije so pokazale, da prehranske naloge, ki predvidevajo kalorije, pri ljudeh aktivirajo striatum in da je obseg teh odzivov urejen s presnovnimi signali (9). Zlasti povečanje glukoze v plazmi v krvi po zaužitju pijače, ki vsebuje ogljikove hidrate, napoveduje velikost pogojenega strijnega odziva na vid in okus pijače. Ker mora biti glukoza prisotna, da jo uporabimo kot gorivo, to kaže, da je pri ljudeh, tako kot pri živalih, okrepitev ogljikovih hidratov odvisna od presnovnega signala, povezanega s prisotnostjo glukoze. Poleg tega opažanja pri ljudeh kažejo, da je zastopanje presnovnih signalov v možganih neodvisno od zavestnih zaznav, kot je naklonjenost hrani. Isti striptični odzivi na kalorično napovedno aromo, ki so bili tako tesno povezani s spremembami glukoze v plazmi, niso bili povezani z oceno všečkov pijač udeležencev. To je skladno z dodatnimi nevro-slikanjem, ki kažejo, da dejanska gostota energije in ne ocenjena gostota energije ali ocenjena všečnost fotografij hrane napoveduje pripravljenost za plačilo za hrano in striktne odzive nagradnega kroga (3, 10). Ta opažanja kažejo, da je nevronska reprezentacija teh ojačujočih prehranskih signalov neodvisna od zavestnega dojemanja hrane. Intrigantna možnost je, da so metabolični signali pomembni generatorji spodbujevalne značilnosti (kako znaki postanejo motivacijsko pomembni) in da se različni poti, ki jih sprožijo ti signali, preusmerijo na prehransko nevronsko vezje, ki hoče hrano (11).
Lipidi so še en pomemben vir energije, ki se presnavlja različno od ogljikovih hidratov. V skladu s tem se pot, po kateri se možganska energija sporoča energiji, razlikuje. Blokiranje oksidacije maščobe poveča apetit po maščobi, blokada oksidacije glukoze pa poveča sladkorni apetit. Vendar vagotomija (operacija razreza vagusnega živca) pri miših le moti povečan apetit za maščobo, pri čemer apetit na glukozo ne vpliva (12). Tako kot glukoza neposredna infuzija lipidov v črevesje tako nemudoma dvigne zunajcelični striatalni dopamin. Vendar pa se to zgodi z mehanizmom, ki se aktivira s peroksisom proliferator α (PPARα) - specifičnim mehanizmom (2). PPARα se izrazi s dvanajstnikom in jejunalnimi enterociti v tankem črevesu in prek še neznanih mehanizmov signalizira vagusnemu živcu. Tako kot strijatalno sproščanje dopamina z glukozo je naraščanje dopamina hitro, kar je skladno z nevronsko in ne z endokrino signalizacijo. Poleg tega je aktivacija teh vagalnih senzornih nevronov v zgornjem črevesju, ki štrlijo v desni vozlični ganglion, zadnji možgan, substantia nigra in dorzalni striatum, dovolj za podporo nagradnemu učenju (prednost mestu) in sproščanje strijnega dopamina v miših (13). Ali ta pot obstaja pri ljudeh, ni jasno in ali obstajajo take presnovne nevronske aferentne poti za druge lipide in hranila.
Odkritje je, da je brezpogojni dražljaj, ki podpira okrepitev hrane, signal MNA - ki je vsaj včasih neodvisen od čutnega užitka - presenetljiv. Vendar globlji razmislek razkriva eleganco te rešitve. Vsi organizmi si morajo priskrbeti energijo za preživetje, večina pa jim primanjkuje možganskih funkcij višjega reda, ki podpirajo zavest. Tako mehanizem verjetno odraža ohranjen sistem, zasnovan tako, da hranilne lastnosti hrane prenese na osrednje kroge v možganih, ki uravnavajo hranjenje neodvisno od zavesti, tako da je hrana enako močna kot uporaben vir energije. Zato je za natančno oceno vrednosti ključnega pomena visoko zvestoba prehranskih informacij iz črevesja v možgane.
Čeprav je jasno, da sodobno prehransko okolje spodbuja debelost in diabetes, polemiko obkrožajo natančni mehanizmi, s katerimi se to dogaja. Sodobna predelana hrana je ponavadi energijsko gosta, zasnovana je tako, da je čim bolj nepremagljiva in hrani hranila v odmerkih in kombinacijah, ki jih prej nismo srečali. Ker energijski signali poganjajo okrepitev, lahko povečani odmerki povečajo okrepitev in s tem "zasvojenost" s predelano hrano. Vendar to morda niso edini dejavniki, ki prispevajo k večji sladkorni bolezni in debelosti.
Da bi povečali okusnost, se hrani in pijačam, ki vsebujejo tudi hranilne sladkorje in škrobe, pogosto dodajajo nehranljiva sladila (snovi brez kalorične vsebnosti). Na primer, sladkane sladke pijače vsebujejo hranilne sladkorje glukozo in fruktozo, prav tako nehranila, sladila sukraloza in acesulfam K. Jogurti pogosto vsebujejo hranilne sladkorje in nehranila, sladila, kot je ekstrakt listov stevije. Kratek pregled nalepk živil v trgovini z živili bo razkril številne primere živil in pijač, ki vsebujejo tako hranljive sladkorje kot nehranljiva sladila. Nasprotno, v nepredelani hrani je sladkoba sorazmerna z vsebnostjo sladkorja in s tem kalorično (energijsko) vsebnostjo živila. Nedavni dokazi kažejo, da izdelki, ki vsebujejo kombinacijo hranilnih sladkorjev in nehranilnih sladil, povzročajo presenetljive presnovne in okrepljive učinke. Na primer, uživanje pijače, ki vsebuje 115-kcal, bo povzročilo večje termogene učinke, če se sladkost "ujema" s kalorično obremenitvijo v primerjavi s, če je preveč sladka ali premalo sladka (4). Ker je termogeneza, ki jo povzroča prehrana, označevalec presnove hranil in metaboličnih odzivov, ki spodbujajo okrepitev prek MNA, lahko nizkokalorični "ujemajoči se" napitek pogojuje večjo všečnost in prožen odziv kot visokokalorični "neusklajeni" napitek (4). Pomembno je, da se ta učinek pojavi, čeprav se plazemska glukoza zviša. To kaže, da pri ljudeh, tako kot pri živalih, ni prisotnost hranila v črevesju ali krvi, ki krepi ojačitev, temveč ustvarjanje MNA, ko se hranilo uporablja kot gorivo. Mehanizem tega učinka "neusklajenosti" pri ljudeh ni znan in je potrebna nadaljnja študija. Zlasti razumevanje usode nemetabilizirane glukoze in ugotavljanje, ali so posledice za sladkorno bolezen in debelost, sta ključni prihodnji smeri. Jasno je, da se energijska vrednost pijač, ki vsebujejo hranilne sladkorje in nehranljiva sladila, vsaj v nekaterih okoliščinah ne sporoči možganom, kar lahko privede do nastanka nenatančnih signalov, ne samo za uravnavanje nagrade, ampak tudi procese, kot so shranjevanje energije in delitev hranil.
Okrepitev metaboličnih signalov možganom
V tem predlaganem modelu za okrepitev presnovnih nevronskih aferentnih (MNA) signalov za maščobo je odvisno od PPARα-posredovane aktivacije vagalnih senzoričnih aferentov, ki štrlijo v desni vozlični ganglion, zadnji možgan, substantia nigra in dorzalni striatum. Signal za ogljikove hidrate nastane med oksidacijo glukoze in aktivira neznani senzor portalne vene, ki inducira signal, ki aktivira dobrenske dopaminske nevrone srednjega mozga, ki štrlijo v striatum. Neodvisno kortikalno omrežje integrira signale MNA z zavestno vrednostjo.
GRAFIKA: A. KITTERMAN /ZNANOST
Drugi primer ogrožene resničnosti signalizacije črevesja in možganov izhaja iz študije, v kateri so primerjali vrednost okrepitve živil, ki vsebujejo predvsem maščobe, predvsem ogljikove hidrate ali maščobe in ogljikove hidrate (3). Hrane z veliko maščob in ogljikovih hidratov ne najdemo v nepredelanih živilih, vendar so pogosto hrepenenja po hrani (na primer čokolada in krofi). Študija je pokazala, da so ljudje iz izbire enako kaloričnih in všeč živil želeli živil, ki imajo maščobe in ogljikove hidrate več kot tista, ki imajo samo maščobe ali ogljikove hidrate, in to se je odražalo v nadodvičnih strijnih odzivih (3). To lahko prispeva k temu, da so nekatera živila hrepenela ali bolj nepremagljiva od drugih in zato igrajo vlogo pri prenajedanju.
Te nove ugotovitve kažejo na dva ločljiva sistema, ki spodbujata izbiro hrane. En sistem neposredno odraža prehransko vrednost hrane in se opira na presnovne signale, ki prispejo do možganov (MNA). Ta sistem zaznavanja hranil ima ključno vlogo pri uravnavanju strijatalnega dopamina, določanju vrednosti živil in spodbujanju izbire hrane. V drugem sistemu so zavestne zaznave, kot so okus in prepričanja o kalorični vsebnosti, stroških in zdravju živil, prav tako pomembne dejavnike izbire hrane (14, 15). Zdi se, da se nevronske izračuni, ki se nanašajo na zavestne prispevke, razlikujejo od tistih, ki se nanašajo na prehranske ojačevalne signale MNA in so odvisni od vezij v predfrontalni skorji in otoški skorji (9). Pomembna tema raziskovanja je določitev, kako si oba sistema medsebojno uravnavata zaužitje vedenja in presnovo hranil.
Dokazi kažejo, da prehranska vsebnost predelane hrane ni natančno prenesena v možgane. To odpira možnost, da priprava in predelava hrane presega njihovo energijsko gostoto ali okusnost vpliva na fiziologijo na nepričakovane načine, ki bi lahko spodbudili prenajedanje in presnovo. Bistveno je boljše razumevanje, kako lastnosti predelane hrane medsebojno vplivajo na črevesno-možgansko pot, prav tako pa tudi določanje, ali takšni učinki vplivajo na signalizacijo sitosti, zasvojenostne lastnosti živil, presnovno zdravje in debelost. Poleg tega, čeprav se osredotočamo na maščobe in ogljikove hidrate, obstaja verjetno več signalnih poti, ki možganom posredujejo niz hranilnih informacij, da bi usmerili izbiro hrane - na te poti pa lahko podobno vplivajo tudi predelana hrana.
http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse
To je članek, ki se distribuira pod pogoji Znanstveni časopisi Privzeta licenca.
Reference in opombe
- ↵
- LA Tellez in sod
J. J. Physiol. 591, 5727 (2013).
- ↵
- LA Tellez in sod
., Znanost 341, 800 (2013).
Povzetek / prosti tekstGoogle Scholar
- ↵
- AG DiFeliceantonio in sod
., Celični metab. 28, 33 (2018).
- ↵
- MG Veldhuizen in sod
., Curr. Biol. 27, 2476 (2017).
- ↵
- EF Adolph
, Am. J. Physiol. 151, 110 (1947).
- ↵
- GL Holman
, J. Comp. Fiziol. Psihola. 69, 432 (1969).
CrossRefPubMedSpletna znanostGoogle Scholar
- ↵
- X. Ren in sod
., J. Neurosci. 30, 8012 (2010).
Povzetek / prosti tekstGoogle Scholar
- ↵
- L. Zhang in sod
., Spredaj. Integr. Nuerosci. 12, 57 (2018).
- ↵
- IE de Araujo in sod
., Curr. Biol. 23, 878 (2013).
- ↵
- DW Tang in sod
., Psihohol. Sci. 25, 2168 (2014).
- ↵
- KC Berridge
, Nevrosci. Biobehav. Rev. 20, 1 (1996).
CrossRefPubMedSpletna znanostGoogle Scholar
- ↵
- S. Ritter,
- JS Taylor
, Am. J. Physiol. 258, R1395 (1990).
- ↵
- W. Han in sod
., Celica 175, 665 (2018).
- ↵
- TA Hare et al
., Znanost 324, 646 (2009).
Povzetek / prosti tekstGoogle Scholar
- ↵
- H. Plassmann in sod
., J. Neurosci. 30, 10799 (2010).
Povzetek / prosti tekstGoogle Scholar
Zahvala: Zahvaljujemo se I. de Araujo, A. Dagherju, S. La Fleurju, S. Luquetu, M. Schatzkerju in M. Tittgemeyerju za pomoč pri oblikovanju naše perspektive. Priznamo B. Milner za njeno pionirsko delo na področju implicitnega učenja.
;
