Dolgotrajna poraba saharoze v podobnem načinu preoblikovanja spreminja morfologijo srednje neravninastih nevronov v lupini jedrnih obtokov (2016)

Spredaj. Behav. Neurosci., 23 marec 2016 | http://dx.doi.org/10.3389/fnbeh.2016.00054

Paul M. Klenowski¹, Masroor R. Shariff¹, Arnauld Belmer¹, Matthew J. Fogarty², Erica WH Mu², Mark C. Bellingham² in Selena E. Bartlett^1*

• ¹Translational Research Institute in Inštitut za zdravje in biomedicinske inovacije, Tehnološka univerza Queensland, Brisbane, QLD, Avstralija
• ²Šola za biomedicinske znanosti, Univerza v Queenslandu, Brisbane, QLD, Avstralija

Sodobna prehrana je postala zelo sladka, kar je povzročilo neprimerljivo raven porabe sladkorja, zlasti med mladostniki. Medtem ko je znano, da kronični dolgoročni vnos sladkorja prispeva k razvoju presnovnih motenj, vključno z debelostjo in sladkorno boleznijo tipa II, je malo znanega o neposrednih posledicah dolgotrajne porabe sladkorja v možganih. Bker lahko sladkor povzroči sproščanje dopamina v nucleus accumbens (NAc) podobno kot zlorabe drog, smo raziskali spremembe v morfologiji nevronov v tem možganskem območju po kratkem (4 tednih) in dolgotrajnih (12 tednih) prenapetosti. kot uživanje saharoze z uporabo intermitentne izbirne paradigme za dve steklenici. Golgi-Cox barvila smo uporabili za impregnacijo srednjih živčnih nevronov (MSN-jev) iz jedra NAc in lupine kratkotrajnih in dolgoročnih podgan, ki so porabile saharozo, in jih primerjali s kontrolnimi kontrolami vode. Pokazali smo, da je dolgotrajna poraba saharoze, podobna preobčutljivosti, bistveno zmanjšala skupno dendritično dolžino MSN-jev lupine NAc v primerjavi s kontrolnimi podganami, ki so primerljive s starostjo. Ugotovili smo tudi, da je prestrukturiranje teh nevronov posledica predvsem zmanjšane distalne dendritične kompleksnosti. Nasprotno, opazili smo povečane gostote hrbtenice pri distalnih vejah ukazov iz Nac obrnjenih MSN-jev iz dolgotrajnih podgan, ki so uživale saharozo. V kombinaciji ti rezultati poudarjajo nevronske učinke podaljšanega vnosa saharoze v obliki prenajedanja na morfologijo MSN na lupini NAc.

Predstavitev

V zadnjih 40 letih je prišlo do dokumentiranega povečanja porabe sladkanih pijač in živil z dodanimi sladkorji (Nielsen et al., 2002; Popkin, 2010; Ng et al., 2012), s poročili, ki ocenjujejo, da do 75% vseh živil in pijač vsebuje velike količine dodanih sladkorjev (Ford in Dietz, 2013; Bray in Popkin, 2014). V tem obdobju je bilo hkrati povečano razširjenost debelosti in sladkorne bolezni tipa II, zlasti med mladostniki (Arslanian, 2002; Reinehr, 2013; Dabelea et al., 2014; Fryar et al., 2014). Nedavne študije so pokazale, da otroci s prekomerno telesno težo in debelostjo pogosto uživajo velike količine dodanega sladkorja, vendar je prispevek visokih sladkorjev, ki vsebujejo dieto, k povečani pojavnosti prekomerne telesne teže in debelih otrok, še vedno sporna (Hu, 2013; Bray in Popkin, 2014; Bucher Della Torre et al., 2015).

Čeprav vse več dokazov kaže, da lahko uživanje diete z visokim sladkorjem deloma prispeva k povečanju telesne teže pri otrocih in mladostnikih (Malik et al., 2010; Te Morenga et al., 2013; Bray in Popkin, 2014), manj pozornosti so namenili neugodnim nemetaboličnim posledicam, ki izhajajo iz čezmernega vnosa sladkorja. Zanimivo je, da se nekateri pogosti vedenjski in psihološki vzorci pogosto pojavljajo med podskupino tistih, ki več kot jedo in vzdržujejo visoko dieto, ki vsebuje sladkor. Najpomembnejši so razvoj motenj hranjenja, vključno s prenajedanjem, v kombinaciji s hkratnim nastopom psiholoških simptomov, vključno z pomanjkanjem motivacije in depresije (gl. Sheehan in Herman, 2015). Poleg tega, ker posamezniki, ki prehranjujejo prežvekovje, pogosto kažejo izgubo nadzora in nezmožnost samoomejenega vnosa sladkorja, je verjetno, da se to obnašanje pojavi zaradi nevroloških prilagoditev v regijah možganov, ki ocenjujejo hedonistično vrednost zelo okusne hrane. (Saper et al., 2002; Lutter in Nestler, 2009; Kenny, 2011). To utemeljitev podpirajo tudi dokazi pri ljudeh, ki dokazujejo, da sladkor in sladkost lahko povzročita željo, ki je podobna tistim, ki jih povzročajo odvisne droge, kot sta alkohol in nikotin (Volkow et al., 2012).

Čeprav so zasvojenost s sladkorjem še vedno špekulativna, so te ugotovitve združene s študijami, ki dokazujejo prispevek prekomernega vnosa sladkorja k spremembam v nagradnem krogu in razvoju zasvojenosti, podobnih vedenju in čustvenim stanjem v živalskih modelih. (Avena et al., 2008; Benton, 2010; Ventura et al., 2014), zahteva nadaljnjo preiskavo. Prejšnje študije na glodalcih so pokazale, da intermitentni dostop do saharoze spreminja delovanje več nevrotransmiterjev v mezolimbičnem sistemu, vključno z dopaminom, opioidi in acetilholinom (Pregledano v \ t Avena et al., 2008). Pokazalo se je, da uživanje saharoze, kot je prenajedanje, olajša sproščanje dopamina v nucleus accumbens (NAc), podobno kot droge zlorabe (Avena et al., 2008). Poleg tega smo pokazali, da dolgoročna poraba saharoze z uporabo 24 h intermitentnega pristopa za izbiro dveh steklenic (Simms in sod., 2008) modulira ekspresijo nikotinskega acetilholinskega receptorja (nAChR) v NAc (Shariff in ostali, v tisku). Zanimivo je, da smo tudi opazili, da imajo spojine nAChR, za katere je znano, da modulirajo aktivnost dopamina in acetilholina v NAc, različne učinke na porabo saharoze po kratkotrajnem in dolgoročnem vnosu (Shariff in ostali, v tisku).

Čeprav so te študije pokazale podobnosti v vedenjskih in nevrokemičnih spremembah, ki jih povzroča občasen dostop do sladkorja in zlorabe drog, ni znano, ali ti učinki olajšajo spremembe nevronske morfologije v NAc. Tnjegova je v nasprotju s snovmi zlorabe, vključno s kokainom, amfetamini in nikotinom, ki proizvajajo dobro značilne spremembe v morfologiji srednjih nebesnih kosti (NNS) v NAc, vključno s povečano gostoto hrbtenice in spremenjeno dendritično kompleksnostjo. (Robinson in Kolb, 1999, 2004; Li et al., 2003; Crombag et al., 2005). Ker smo že pokazali, da dolgotrajna izpostavljenost (teden 12) alkoholu in saharozi z uporabo izbirne paradigme z dvema steklenicama povzroča diferencialni odziv na farmakoterapevtske intervencije v primerjavi s kratkoročnim vnosom (4 tedni; Steensland in sod., 2007; Shariff in ostali, v tisku) smo ocenili učinke kratkotrajne in dolgoročne porabe saharoze na morfologijo MSN v NAc. Mladoletnim podganam smo dovolili, da uživajo saharozo na podoben način za 4 (kratkoročne) ali 12 (dolgotrajne) tedne, nato pa analizirali morfologijo NAc MSN-jev iz kratkotrajnih in dolgoročnih podgan, ki uživajo saharozo, in primerjali to s starih, ki so imeli dostop samo do vode. Naši rezultati kažejo, da se MSN iz lupine NAc spremeni po dolgi, vendar ne kratkotrajni porabi saharoze, ki ima zmanjšano dendritično dolžino, vendar povečano distalno dendritično gostoto hrbtenice. Poleg tega smo ugotovili, da je morfologija MSN iz jedra NAc ostala relativno nedotaknjena po kratkotrajni in dolgoročni porabi saharoze. Ti rezultati kažejo na neposredno nevrološko posledico dolgotrajne porabe saharoze, podobno kot prenajedanje. Poleg tega ti podatki kažejo na potrebo po nadaljnjih študijah, katerih namen je pojasniti molekularne in nevrokemijske spremembe, ki spremljajo morfološko prestrukturiranje MSN-jev lupine NAc, ki jih povzroča podaljšan vnos saharoze, podobno sladkanju.

Materiali in metode

Izjava o etiki

Vsi eksperimentalni postopki so bili izvedeni v skladu z avstralskim kodeksom o negi in uporabi živali za znanstvene namene, 8th Edition (Nacionalni svet za zdravje in medicinske raziskave, 2013). Protokole so odobrili Odbor za etiko živali Animal Queensland University in Odbor za etiko živali Univerze v Queenslandu.

Živali in stanovanja

5-tedenske (mladostniške) samce Wistarjevih podgan (kontrolni: 176.4 ± 4.8 g; saharoza: 178.3 ± 5.0 g) (ARC, WA, Avstralija) so bile posamično nameščene v prezračevanem pleksiglasu z dvojno ravnjo.^® kletke. Podgane so se aklimatizirale na individualne bivalne pogoje, ravnanje in cikel povratne svetlobe 5 dni pred začetkom poskusov. Vse podgane so bile nameščene v podnebno nadzorovanem ciklu 12-hr, obrnjenem v svetlo / temno (luči so izklopljene pri 9 am), s standardno hrano za psi in vodo. ad libitum.

Izbira pitne paradigme z dvema steklenicama z vmesnimi prekinitvami

Intermitentni dostop 5% saharoza dvokrilna izbira pitne paradigme (Simms in sod., 2008) je bil prilagojen Wise (1973). Vse tekočine so bile predstavljene v plastificiranih plastičnih steklenicah 300 ml z izlivnimi pipami iz nerjavečega jekla, ki so bile vstavljene skozi dve liniji na sprednji strani kletke po začetku cikla temne svetlobe. Teža vsake steklenice je bila zabeležena pred predstavitvijo steklenice. Hkrati sta bili predstavljeni dve steklenici: ena steklenica z vodo; drugo steklenico, ki vsebuje 5% (m / v) saharoze. Namestitev 5% (w / v) steklenice saharoze je bila zamenjana z vsako izpostavljenostjo nadzoru za stranske preference. Steklenice stehtamo 24 h po predstavitvi tekočine in merimo na najbližji 0.1 g. Tudi teža vsake podgane je bila izmerjena za izračun gramov vnosa saharoze na kilogram telesne teže. Na dan 1 obdobja pitja, podgane (n = 6 – 9) so imeli dostop do ene steklenice saharoze 5% (m / v) in ene steklenice vode. Po 24 h smo zamenjali steklenico saharoze z drugo steklenico vode, ki je bila na voljo za naslednji 24 h. Ta vzorec se je ponovil ob sredah in petkih. Podgane so imele neomejen dostop do vode v vseh drugih dneh. Prekomerno uživanje saharoze je povzročilo povečanje celotnega vnosa saharoze (ml) v daljšem časovnem obdobju (dodatna slika) 1) in so ga spremljale stabilne izhodiščne ravni pijač na podlagi telesne teže [20 ± 5 g / kg 5% (m / v)] med kratkotrajnimi [~ 4 tedni (pijače 13)] in dolgoročno [ ~ 12 tednov (pijača 37)] obdobja pitja. Ločena skupina kontrolnih podgan (\ tn = 6 – 9) so imeli dostop do vode v obeh steklenicah (tj. Brez saharoze) pod enakimi pogoji, kot so opisani zgoraj. Povprečna telesna masa kontrolnih in saharoznih podgan na koncu kratkotrajne izpostavljenosti je bila 405.7 ± 40.8 g in 426.4 ± 31.2 g. Na koncu dolgotrajne izpostavljenosti je bila povprečna telesna masa za kontrolne in saharozne skupine 578.8 ± 53.4 g in 600.2 ± 45.2 g.

Golgi-Cox barvanje

Po zadnji seji pitja so podgane prenesli iz objekta za živali, da bi omogočili obdelavo vzorcev možganov na histološki napravi na Šoli za biomedicinske znanosti Univerze v Queenslandu (St Lucia, Avstralija). Sprejeti so bili vsi odobreni ukrepi za zmanjšanje stresa med prevozom, po katerem so podgane pustili, da se opomorejo čez noč. Naslednji dan so podgane žrtvovali preveliko odmerjanje natrijevega pentobarbitala (60-80 mg / kg, ip Vetcare, Brisbane, Avstralija) in intrakardialno perfuzijo s ~ 300 ml umetno cerebro-spinalno tekočino, ki je vsebovala (v mM): 130 NaCl, 3 KCl, 26 NaHCO₃1.25 NaH₂PO₄, 5 MgCl₂1 CaCl₂in 10 D-glukoza. Vsaka žival je bila nato obglavljena in možgani so bili odstranjeni in inkubirani v temi v raztopini Golgi-Cox, ki je vsebovala 5% kalijev dikromat, 5% kalijev kromat in 5% živosrebrni klorid (vse kemikalije iz Sigma-Aldrich), ki je bila izdelana sveže 3 dni pred žrtvovanjem, kot je opisano prej (Rutledge et al., 1969). Iz inkubacije in naknadne obdelave so bile modificirane Golgi-Coxove metode inkubacije Ranjan in Mallick (2010). Možgane kratkotrajnih žival, ki so uživale saharozo, so bile inkubirane za 6 dni pri 37 ° C, medtem ko so bili možgani dolgotrajnih živali, ki so porabili saharozo, inkubirani 10 dni, z eno spremembo na svežo raztopino Golgi-Cox po 4 dneh inkubacije.

Po inkubaciji so bili odrezani koronalni odseki 300 μm z uporabo vibracijskega mikrootoma Zeiss Hyrax V50 (Carl Zeiss, Nemčija). Rezine so bile nato postavljene zaporedno v plošče z 24 jamicami, napolnjene z 30% (w / v) saharozo v fosfatni slanici 0.1 M in obdelane, kot je opisano v (Ranjan in Mallick, 2010). Na kratko, sekcije so dehidrirane v 50% etanolu za 5 min, nato pa postavljene v 0.1 M NH₄OH raztopino za 30 min, dvakrat splaknemo z destilirano vodo za 5 min in damo v Fujihunt filmski fiksir (Fujifilm, Singapur) za 30 min v temi. Rezine nato dvakrat speremo z destilirano vodo za 2 min in dehidriramo dvakrat v 70, 90, 95 in 100% etanolu za vsak 5 min. Odseki so bili nato očiščeni v raztopini CXA (1: 1: 1 kloroform: ksilen: alkohol) za 10 min in vgrajeni v DPX (Sigma-Aldrich) na preparatih Superfrost Plus (Menzel-Glaser, Lomb Scientific, Australia) in pokriti (Menzel-Glaser, Nemčija). Predmete smo pustili v temi, da se sušijo pri sobni temperaturi preko noči.

Nevronska selekcija in sledenje znotraj jedrnih obtokov

Koronalne rezine med bregma + 2.8 in + 1.7 so bile pregledane za MSN-je v jedru in lupini NAc, z uporabo stranskega prekata in anteriorne komisarje kot mejnikov s pomočjo atlasa možganov podgan (Paxinos in Watson, 2007) (Slika 3). \ T 1). Konturna funkcija v Neurolucidi 7 (MBF Bioscience, VT, USA) je bila uporabljena za razmejitev jedra NAc in lupine NAc v vsaki rezini (slika 2). Med nevroni 2 in 9 na regijo na žival so bili izsledeni parametri dendritične dolžine z objektivom 63x ali za gostoto hrbtenice (navedeno kot bodice na 100 μm) z uporabo cilja 100x na Zeiss Axioskop II (Carl Zeiss, Nemčija) z uporabo avtomatiziranega xyz fazo, ki jo vodi Neurolucida^® Programska oprema 7 (MBF Biosciences, VT, ZDA). Vse sledenje je bilo izvedeno na slepo pri zdravljenju. Morfološke parametre impregniranih nevronov Golgi-Cox smo analizirali na podoben način kot prejšnja poročila (Klenowski in sod., 2015).

  

Slika 1. Zemljevid, ki prikazuje lokacije srednje velikih nevronov, vzorčenih iz jedra nucleus accumbens in lupine podgan, ki porabijo tedne 4 in 12 saharoze, ter kontrolne skupine. Zgornji dve plošči prikazujeta lokacije nevronov, vzorčenih iz jedra nucleus accumbens in lupine tedenske kontrole 4 (trikotniki) in saharoze (krogi) živali. Spodnji dve plošči prikazujeta položaje nevronov, vzorčenih iz 12 tedenske kontrole (trikotniki) in saharoze (krogi) živali.

Statistična analiza

Povprečna in standardna napaka srednje vrednosti (SEM) je bila izračunana za vsako podatkovno skupino z živaljo kot n, z uporabo povprečnih morfometrijskih podatkov iz vseh jedrnih ali lupinskih NAc MSN (n = 7 za lupino NAc in n = 6 za NAc jedro 4-teden, n = 9 za 12-tedenske skupine). Kjer je navedeno, neupareni dvostranski študentski tteste ali dvosmerne ANOVA z Bonferronijimi post-testi so bile izvedene za vse analize, ki vključujejo primerjavo skupinskih sredstev, z uporabo različice GraphPad Prism 6.02 (GraphPad Software, San Diego, CA). Statistična pomembnost je bila sprejeta na P <0.05. Vsi podatki v oddelku z rezultati so predstavljeni kot povprečje ± SEM. Odstotne spremembe se izračunajo glede na kontrolno vrednost.

Rezultati

Neuroni srednjega trna iz lupine jedrskih oblog so zmanjšali dendritično dolžino, zmanjšali dendritično kompleksnost, vendar povečali povprečno gostoto hrbtenice pri distalnih vejah po dolgotrajni, a ne kratkoročni porabi saharoze

Po kratkotrajni (4 tedni) porabi saharoze ni bilo bistvenih razlik v morfometričnih parametrih na lupini NAc (tabela) 1). Prav tako ni bilo bistvenih razlik med kratkotrajno porabo saharoze in MSN-jevimi lupinami navojev v kontroli vode v analizah, ki so povezane s centrifugalnim naročanjem vej. To so dendritični segmenti na naročilo podružnice (P = 0.4111), povprečna dendritična dolžina na naročilo podružnice (P = 0.5581) in povprečno gostoto hrbtenice na naročilo podružnice (P = 0.2977, dvosmerne ANOVA) se med skupinami niso bistveno razlikovale. Zemljevid lokacije, ki prikazuje približne položaje vzorčenih nevronov, je prikazan na sliki 1.

  

Tabela 1. Splošni morfološki parametri srednjih kosti nevronov iz lupine nucleus accumbens kratkotrajnih podgan z užitkom saharoze in kontrolnih kontrol s starostjo.

Po dolgotrajni (12 tednih) porabe saharoze se je skupna dendritična dolžina drevesnih čevljev NAc zmanjšala za 21% v primerjavi z nadzorom porabe vode (voda: 1827 ± 148 μm, n = 9; Saharoza 1449 ± 78 μm, n = 9, *P = 0.0384, dvostranski neparni študentski t-test, slika 2, Tabela 2). Primerjava srednjega števila dendritičnih bifurkacij (vozlišč) in dendritičnih zaključkov med vodno in saharozno skupino je pokazala zmanjšano (čeprav ne pomembno) stopnjo dendritične kompleksnosti v lupinah NAc lupine (vozlišča: voda 12.9 ± 1.4) n = 9, saharoza 10.1 ± 0.8 n = 9, P = 0.0879; konci: Voda 17.9 ± 1.4 n = 9, saharoza 14.8 ± 0.7 n = 9, P = 0.0657, dvostranski neparni študentski t-test, tabela 2). Količina soma ni bila spremenjena (P = 0.9400), povprečna dolžina dendritičnega drevesa (P = 0.1646) ali skupno gostoto hrbtenice (P = 0.3662) v MSN lupinah NAc iz dolgoletnih podgan, ki porabijo saharozo, v primerjavi z vodnimi kontrolami. Ti morfometrični parametri so podrobno opisani v tabeli 2.

 Slika 2. Zmanjšana dendritična dolžina drevesa in povečana distalna dendritična gostota hrbtenice srednjih kostnih nevronov (MSN) iz lupine nucleus accumbens (NAc) dolgoletnih podgan, obdelanih s saharozo, v primerjavi s kontrolnimi podganami. (A, B) kažejo prikaze kontrolne (zgoraj) in dolgotrajne (12 teden) saharoze (na dnu) svetlega polja z-stack mozaiki Golgijem impregniranih MSN-jev iz lupine NAc (povečava 63x). Vstavek (A, B) kaže kontrolne in dolgoročne slike svetlega polja, obdelane z saharozo, Golgijev impregniranih MSN dendritov in dendritičnih bodic iz lupine NAc (povečava 100x). (C) prikazuje anatomske regije, iz katerih so bile v tej študiji vzorčene MSN številke. (D) prikazuje diagram raztrosa zmanjšanega skupnega dendritnega niza MSN (povprečje ± SEM) iz lupine NAc v dolgoročnih živalih (kvadratov) saharoze v primerjavi s kontrolami (krogi), brez para t-test, *P <0.05, n = 9; in nadzor n = 9; Teden saharoze 12. (E) prikazuje diagram raztrosa nespremenjene dolžine dendritnega drevesa MSN (povprečje ± SEM) iz lupine NAc v dolgoročnih živalih saharoze (kvadratov) v primerjavi s kontrolami (krogi), brez para t-test, P > 0.05, n = 9; in nadzor n = 9; Teden saharoze 12. Analiza reda vej (srednja vrednost ± SEM) števila dendritičnega segmenta na vrstni red podružnic (F)povprečna dendritična dolžina na vrstni red podružnice (G) in dendritična gostota hrbtenice na vrstni red veje (H). Dolgotrajna poraba saharoze je zmanjšala dendritično dolžino pri naročilih distalne veje (5 +) in povečala gostoto dendritične hrbtenice pri naročilih distalne veje (4 +) v primerjavi s kontrolami (G, H), dvosmerna ANOVA z Bonferronijimi post-testi, *P <0.05, **P <0.01, n = 9; in nadzor n = 9; dolgotrajno saharozo. Vrstice za merjenje: (A, B) = 20 μm; . \ t (A, B) = 10 μm; (C) = 1 mm.

  

Tabela 2. Splošni morfološki parametri srednjih kosti nevronov iz lupine nucleus accumbens dolgoročnih podgan s konzumom saharoze in s starostno usklajenimi kontrolami vode.

Po opredelitvi splošne dendritične morfologije dolgotrajne saharoze, ki je zaužila MSN-jeve lupine NAc, smo analizirali dendritične arborizacije in gostote hrbtenice glede na njihove značilnosti veje reda. Naša celovita ocena dendritičnih dreves je količinsko ovrednotila število dendritičnih segmentov na vrstni red, srednjo dolžino dendritičnih segmentov na vrstni red podružnic in povprečno gostoto hrbtenice na vrstni red NAc lupine vodnih kontrol in dolgoročnih podgan. Povzetek podatkov o naročilu podružnic in analiza je predstavljen v tabeli 3.

 Tabela 3. Značilnost reda vejice srednjih kosti nevronov iz dolgotrajnih podgan s pitjem saharoze in vode.

Povprečna vrednost dendritnega segmenta veje na posamezen odsek nizov NAc lupine je bila znatno zmanjšana pri dolgotrajnih podganah, ki so porabile saharozo, v primerjavi z nadzorom vode (**)P = 0.0015, dvosmerna ANOVA). Bonferroni post-testi so pokazali trend zmanjšanja števila segmentov vej na 4th (voda: 5.2 ± 0.9, n = 9; Saharoza 3.3 ± 0.8, n = 9, P = 0.0675, slika 2F, Tabela 3) in naročila 5th in nadrejena naročila (voda: 3.3 ± 0.7, n = 9; Saharoza 1.2 ± 0.3, n = 9, P = 0.0566, slika 2F, Tabela 3). Srednja dolžina dendritičnega segmenta na vrstni red NAc lupine MSN je bila tudi znatno zmanjšana pri dolgotrajnih podganah, ki so porabile saharozo, v primerjavi z vodnimi kontrolami (*P = 0.0444, dvosmerna ANOVA). Bonterronijski post-testi so pokazali zmanjšanje 55% na 5th vejah reda in naprej (Voda: 53.9 ± 7.2 μm, n = 9; Saharoza 24.1 ± 7.5 μm, n = 9, **P = 0.0038, slika 2G, Tabela 3).

Analiza reda vej je pokazala znatno povečanje gostote dendritičnih hrbtenic v kostih NAc lupin dolgoletnih podgan, ki porabijo saharozo, v primerjavi s kontrolami (*P = 0.0124, dvosmerna ANOVA). Bonferronijski post-testi so pokazali povečanje gostote hrbtenice 57% v distalnih 4-ih vejah in naprej (Voda: 33.4 ± 4.2, n = 9; Saharoza 52.5 ± 6.8, n = 9, P = 0.0271 *, vložek slik 2A, B, H, Tabela 3). Reprezentativne slike celotne MSN arhitekture in gostote distalne hrbtenice (inset) so prikazane na slikah 2A, B.

Ti rezultati skupaj kažejo, da kratkoročna poraba saharoze ne vpliva veliko na morfološke parametre MSN-jev znotraj lupine NAc. Po dolgotrajnem uživanju pa se znatno zmanjša dolžina in kompleksnost nevronskih nasadov, zlasti v distalnih dendritičnih vejah. Sočasno povečanje gostote distalne hrbtenice je očitno tudi pri MSN-jevih lupinah NAc za dolgotrajne podgane, ki uživajo saharozo.

Srednji trnasti nevroni iz jedra jedrnih nuklearnih jeder so zmanjšali kompleksnost vejice po dolgi, a ne kratkotrajni porabi saharoze.

Po kratkotrajni porabi saharoze ni bilo bistvenih razlik v morfometričnih parametrih jedra NAc (tabela 1) 4). Prav tako ni bilo bistvenih razlik med porabo saharoze 4-teden in kljucnimi MSN številkami za nadzor vode v analizah, povezanih z vrstnim redom centrifugalnih vej. To so dendritični segmenti na naročilo podružnice (P = 0.7717), povprečna dendritična dolžina na naročilo podružnice (P = 0.2096) in povprečno gostoto hrbtenice na naročilo podružnice (P = 0.3521, dvosmerne ANOVA) niso bile različne med skupinami.

 Tabela 4. Splošni morfološki parametri srednjih kosti nevronov iz jedra nucleus accumbens kratkoročnih podgan s konzumom saharoze in starostno usklajenih vodnih kontrol.

Dolgotrajna poraba saharoze tudi ni imela pomembnega vpliva na morfometrične parametre jedra NAc (tabela 1) 5). Povprečno število dendritičnih segmentov veje na sekcijo NAc jedrnih MSN-jev je bilo bistveno zmanjšano pri dolgotrajnih podganah, ki so porabile saharozo, v primerjavi z vodnimi kontrolami (*P = 0.0416, dvosmerna ANOVA), vendar ni bilo bistvenih razlik v povprečni dendritični dolžini na naročilo podružnice (P = 0.0995) in povprečno gostoto hrbtenice na naročilo podružnice (P = 0.4888, dvosmerna ANOVA) med MSN-ji v jedru NAc dolgoročnih podgan, ki porabijo saharozo, v primerjavi z nadzorom vode. Vsi naši podatki kažejo, da jedro NAc ni tako odzivno na dolgoročno porabo saharoze v primerjavi z MSN-ji iz lupinske regije NAc.

 Tabela 5. Splošni morfološki parametri srednjih kosti nevronov iz jedra nucleus accumbens dolgotrajnih podgan s konzumom saharoze in starostno usklajenih vodnih kontrol.

Razprava

Povečana razpoložljivost zelo sladke hrane v zahodni prehrani ni le prispevala k povečani razširjenosti in gospodarskemu bremenu debelosti in diabetesa tipa II, ampak je povzročila tudi nastanek motenj hranjenja, kot je prenajedanje (Swanson et al., 2011; Kessler et al., 2013; Davis, 2015). Čeprav zasvojenost s sladkorji, vključno s fruktozo in saharozo, ostaja špekulativna, obstaja izrazita podobnost v vedenjskih in živčnih korelacijah, ki se kažejo kot posledica prekomernega prehranjevanja in dolgotrajne uporabe drog. (Avena et al., 2008, 2011). Poleg tega sladkor aktivira možgansko nagrajevalno vezje na način, ki je podoben zlorabi drog (Volkow et al., 2012), in rezultati študij na ljudeh kažejo, da sladkor in sladkost lahko povzročita željo, ki je po obsegu primerljiva z vrednostmi, ki jih povzročajo odvisne droge, kot sta alkohol in nikotin (Volkow et al., 2012). Zato smo pri podganah uporabili model porabe binge-saharoze, da bi določili učinke kratkih (4 tednov) in dolgotrajnih (12 tednov) porabe saharoze na nevronsko morfologijo MSN-jev v NAc, ki je ključna sestavina prekrivajočega se plačilnega vezja ki je modulirana s sladkorjem in odvisnimi drogami. Pokazali smo, da so številke iz NAc lupine kroničnih dolgotrajnih podgan, ki porabijo saharozo, občutno zmanjšale dendritično dolžino in kompleksnost, vendar povečale distalno dendritično gostoto hrbtenice. Dolgoročna poraba saharoze ni vplivala na morfologijo MSN iz jedra NAc, medtem ko kratkotrajna poraba saharoze ni bistveno vplivala na morfologijo MSN iz jedra ali lupine NAc. Ti rezultati ne kažejo le neposrednega učinka podaljšanega vnosa saharoze v obliki prenajedanja na nevronsko morfologijo MSN-jev v lupini NAc, temveč tudi poudarjajo potencialno škodljive posledice podaljšanega uživanja diete, ki vsebuje veliko sladkorja.

NAc, ki je del ventralnega striatuma, je sestavljen predvsem iz MSN-jev, ki so morfološko označeni kot srednje veliki nevroni z obsežnimi dendritičnimi arborizacijami in visoko gostoto hrbtenice (Kemp in Powell, 1971; Graveland in DiFiglia, 1985; Rafols et al., 1989; Kawaguchi et al., 1990). Glutamatergični in dopaminergični nevroni sta primarna aferentna vhoda v NAc, ki sta v prvi vrsti v stiku z dendritičnimi jaški in bodicami MSN-jev. (Groves, 1980; Kaiya in Namba, 1981; Groves et al., 1994). Natančneje, lupina in jedro NAc prejmeta glutamatergični vložek iz funkcionalno različnih kortikalnih področij (Brog et al., 1993). Lupina NAc je tudi inervirana z ekscitatornimi aferenti iz subkortikalnih regij, kot so hipokampus, talamus in bazolateralna amigdala. (Brog et al., 1993; Wright in Groenewegen, 1995). Prejšnje študije so pokazale, da imajo ti glutamatergični vložki ključno vlogo pri motivaciji in ciljno usmerjenem vedenju, kot sta iskanje hrane in nagrajevanje (Maldonado-Irizarry et al., 1995; Kelley in Swanson, 1997; Reynolds in Berridge, 2003; Richard in Berridge, 2011). Drugi prevladujoči vnos na NAc MSN je od dopaminergičnih aferentov, ki se projektirajo iz ventralne tegmentalne površine (Lindvall in Björklund, 1978; Veening et al., 1980; Kalivas in Miller, 1984). Zanimivo je, da so prejšnje študije, ki so uporabljale podobne modele intermitentnega dostopa do sladkorja, pokazale, da posledična konzumna poraba povzroča povečanje zunajceličnega dopamina v NAc podobno (čeprav v manjši meri) z zlorabo drog. (Rada et al., 2005; Avena et al., 2006) in lahko modulira ekspresijo dopaminskega receptorja (Colantuoni et al., 2001, 2002) v jedru in lupini NAc. Zanimivo je, da uživanje saharoze, ki je podobno piju, povzroči naraščanje vnosa sčasoma, podobno kot samo-dajanje drog, kot so kokain in heroin (Ahmed in Koob, 1998; Ahmed et al., 2000, 2003), kar je povezano z razvojem stanja, podobnega zasvojenosti.

Naša analiza morfometrije vejnic kaže, da skupno zmanjšanje dendritične dolžine MSc lupine NAc, ki ga povzroča dolgotrajni vnos saharoze, izhaja predvsem iz zmanjšanja zahtevnosti distalnih vrst podružnic. Opazili smo zmanjšano distalno razvejanje (4th in 5th vrstni red in nad podružničnimi naročili) in znatno zmanjšali povprečno dolžino pri 5th vrstnem redu in nad dendriti, v kombinaciji s povečano gostoto hrbtenice pri teh vejah. Pogost dejavnik, ki bi lahko vplival na to vrsto dendritičnega prestrukturiranja, vključuje spremembe v sinaptični povezanosti in / ali funkciji (Russo et al., 2010). Prejšnje študije so pokazale, da se glutamatergične sinapse na MSN tvorijo predvsem na hrbtenicah, zlasti pri distalnih dendritih (Groenewegen et al., 1999). Poleg tega kokalizacija lokacij dopamina in glutamatergike iz predfrontalne skorje (Sesack in Pickel, 1992), hipokampus (Totterdell in Smith, 1989; Sesack in Pickel, 1990), in amigdala (Johnson et al., 1994) so opazili na dendritičnih bodicah MSN. Ta opažanja v kombinaciji s povečano gostoto hrbtenice po dolgotrajni porabi saharoze, ki so jo pokazali v naši študiji, podpirajo nastanek povečanih vzbujalnih vnosov. Zato se pojavlja možnost, kadar bi lahko trajni učinki, ki jih povzroča podaljšani vnos saharoze v obliki piva, olajšali povečano ekscitatorno sinaptično aktivnost pri distalnih dendritih MSN v lupini NAc. Posledično lahko zmanjšanje in / ali odvzemanje distalnih dendritov povzroči sinaptični homeostatski mehanizem (Reissner in Kalivas, 2010), vendar je treba to še določiti.

Zanimiv je podatek, da so Crombag in njegovi sodelavci pokazali, da ni bilo povečanja gostote hrbtenice v lupini NAc po porabi saharoze v tednu 4 prek paradigme samo-administriranja z nosnim poki, kljub močnejšemu pridobivanju in večji stopnji odziva na saharozo v primerjavi s z amfetaminom (Crombag et al., 2005). Njihovo opazovanje odsotnosti spremembe gostote hrbtenice v tednih 4 odraža naše ugotovitve. Nasprotno pa naša študija kaže, da se po dolgotrajni (12 teden) izpostavljenosti kroničnemu uživanju saharoze znatno poveča distalna gostota hrbtenice na MSN podgan, ki so bile podvržene izkušanju saharoze. Poleg tega je naš laboratorij že pred tem pokazal, da dolgotrajno uživanje saharoze (teden 12) olajša različen farmakološki odziv na farmakoterapevtske izdelke, za katere je bilo dokazano, da modulirajo odzive na dopamin in acetilholin na ravni NAc (Shariff in ostali, v tisku). Skupaj to kaže, da dolgotrajna (12 tedna in pozneje) izpostavljenost saharozi, ki natančneje odraža scenarije iz resničnega sveta, privede do morfoloških prilagoditev na ravni NAc.

Glede zlorabe drog ponavljajoča izpostavljenost različnim zdravilom povzroči dolgotrajne spremembe v strukturi dendritov in dendritičnih bodic. Na primer, amfetamini in kokain povečajo gostoto hrbtenice v NAc v lupini in jedru (Robinson in Kolb, 2004). Pokazalo se je tudi, da izpostavljenost nikotinu poveča gostoto hrbtenice v lupini NAc. Nasprotno pa izpostavljenost morfiju vodi do zmanjšanja gostote hrbtenice in kompleksnosti dendritičnih vej (Robinson in Kolb, 2004). Glede dolgoročne porabe saharoze smo opazili povečanje gostote hrbtenice, podobno amfetaminom, kokainom in nikotinom, in nasprotno od učinka morfija. Vendar je za razliko od amfetamina in kokaina, vendar podobno nikotinu, povečanje gostote hrbtenice pri dolgotrajni izpostavljenosti saharozi omejeno na lupino NAc. Zanimivo je tudi, da se spremembe tako na dendritičnem razvejanju (Robinson in Kolb, 1999) in gostote hrbtenice (Li et al., 2003), ki jih proizvaja amfetamin ali kokain, so omejeni na distalne dendrite MSN v NAc, kar odraža ugotovitve naše študije. Poleg tega je bilo tudi predhodno dokazano, da uživanje saharoze, kar potrjuje zgoraj opisane spremembe, poveča povečevalno sinaptično moč na akumbalne dopaminske nevrone (Stuber in sod., 2008b) kot tudi druge komponente poti mezolimbičnega nagrajevanja (Stuber in sod., 2008a; Chen et al., 2010). Skupaj to predstavlja saharozo kot močan modulator nevronske morfologije po dolgotrajni močni uporabi, kar je podobno učinkom, ki jih opazijo zlorabe zdravil.

Čeprav so potrebne nadaljnje preiskave, da bi odkrili celične in sinaptične mehanizme, ki prispevajo k morfološkim spremembam v tej študiji, pa naši rezultati kažejo pomembne učinke na nevrone, ki jih povzroča dolgotrajna poraba saharoze. Zlasti je treba v naši raziskavi preučiti, ali je mogoče opaziti morfološke učinke saharoze tudi z nekaloričnimi sladili, kot je saharin. V zvezi s tem je pomembno opozoriti, da so Lenoir in njegovi sodelavci pokazali, da intenzivna sladkost presega nagrado kokain, pa naj ga to tvori saharin ali saharoza (Lenoir in sod., 2007). Poleg tega je nedavna študija, ki jo je objavil naš laboratorij (Shariff in ostali, v tisku) dokazuje, da je vareniklin, delni agonist nikotinskega acetilholinskih receptorjev zmanjšal vnos saharoze in saharina pri glodalcih po istem režimu dolgotrajnega vmesnega dostopa, ki je bil uporabljen v tej študiji. Zanimivo je, da so prejšnje študije pokazale podobnost pri akutnih učinkih nekaloričnih sladil, kot sta saharin in saharoza na ravni NAc (Scheggi in sod., 2013; Tukey in sod., 2013; Carelli in West, 2014). Vendar pa so potrebne nadaljnje študije, da se ugotovi, ali lahko nekalorična sladila povzročijo dolgoročne učinke, podobne spremembam v morfologiji MSN lupine NAc, ki jih povzroča dolgotrajno uživanje saharoze.

Pomanjkanje učinka na morfologijo NAc MSN po kratkoročnem uživanju saharoze poudarja pomen izvajanja dolgoročnih študij za oceno vpliva dolgotrajne zlorabe zdravil ali naravnih koristi, kot je saharoza. Glede na odvisnost niso samo ponavljajoči se cikli uživanja pijančevanja in abstinenčne ključne sestavine cikla zasvojenosti, vse več dokazov je razkrilo, da je prehod na odvisnost napredujoč proces, ki se pogosto dogaja v daljšem časovnem obdobju. Čeprav zasvojenost lastnosti sladkorjev ostaja negotova, se vse bolj preiskuje verjetnost zasvojenosti z drugimi nagradami, ki ne uživajo drog, kot so seks, igre na srečo in hrana. Rezultati te študije dodajo prednost hipotezi, da imajo sladkorji, kot je saharoza, odvisne lastnosti po dolgoročnem uživanju, ki je podobno pivu. Naši rezultati vplivajo tudi na naraščajoče število otrok in mladostnikov, ki ohranjajo nezdrave prehranjevalne navade (veliko uživanje sladkorja in popivanje) v odrasli dobi. V skladu s povečanim tveganjem za razvoj presnovnih učinkov lahko iz tega vedenja izhajajo tudi nevrološke in psihiatrične posledice, ki vplivajo na razpoloženje in motivacijo.

Prispevki avtorjev

Sodeloval v raziskovalnem oblikovanju: PK, SB. Izvedeni poskusi: PK, MS, AB, MF, EM. Analiza podatkov: PK, MF, MS. Interpretirali podatke in prispevali k pisanju rokopisa: PK, MS, MF, EM, MB, SB. Vsi avtorji so prebrali in odobrili končni rokopis za oddajo.

Izjava o konfliktu interesov

Avtorji izjavljajo, da je bila raziskava izvedena v odsotnosti komercialnih ali finančnih odnosov, ki bi se lahko razumeli kot potencialno navzkrižje interesov.

Pregledovalci SC, SA in urejevalnik Editor so razglasili svojo skupno pripadnost, urejevalnik za ravnanje pa navaja, da je postopek kljub temu izpolnjeval standarde pravičnega in objektivnega pregleda.

Priznanja

To delo je bilo podprto s finančnimi sredstvi Avstralskega raziskovalnega sveta (FT1110884) za SB in Nacionalnega sveta za zdravje in medicinske raziskave (1061979) za SB in MB.

Dodatni material

Dodatno gradivo za ta članek lahko najdete na spletni strani: http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fnbeh.2016.00054

Dopolnilna slika 1. Vnos saharoze in prednost pri podganah, ki uživajo saharozo 4 in 12. (A, B) kažejo stopnjevanje skupnega vnosa saharoze (ml) v obdobju izpostavljenosti 4 in 12. (C, D) kažejo veliko prednost saharoze nad vodo v obdobjih predstavitve saharoze.

Reference

Ključne besede: prekomerno uživanje, dolgotrajno, srednje trden nevron, nucleus accumbens, saharoza

Navedba: Klenowski PM, Shariff MR, Belmer A, Fogarty MJ, Mu EWH, Bellingham MC in Bartlett SE (2016) Dolgotrajna poraba saharoze v binge-podobnem načinu, spreminja morfologijo srednjega Spiny Neurons v lupini jedrnih obtokov. Spredaj. Behav. Neurosci. 10: 54. doi: 10.3389 / fnbeh.2016.00054

Prejeto: 03 December 2015; Sprejeto: 07 marec 2016;
Objavljeno: 23 marec 2016.

Avtorske pravice © 2016 Klenowski, Shariff, Belmer, Fogarty, Mu, Bellingham in Bartlett. To je članek z odprtim dostopom, ki je razdeljen pod pogoji iz. \ T Licenca za priznanje Creative Commons (CC BY). Uporaba, distribucija ali reprodukcija v drugih forumih je dovoljena pod pogojem, da so avtor (ji) ali dajalec licence priznani in da je navedena izvirna objava v tej reviji v skladu s sprejeto akademsko prakso. Uporaba, distribucija ali reprodukcija ni dovoljena, kar ni v skladu s temi pogoji.

* Korespondenca: Selena E. Bartlett, [e-pošta zaščitena]