Vetenskapliga rapporter 5, Artikelnummer: 10041 (2015)
doi: 10.1038 / srep10041
AbstrSnacksmatpotatischips inducerar matintag i råttor som matas ad libitum, vilket är förknippat med modulering av hjärnbelöningssystemet och andra kretsar. Här visar vi att matintag hos mättade råttor utlöses av ett optimalt fett / kolhydratförhållande. Liksom potatischiper påverkade en isokalorisk fett / kolhydratblandning hela hjärnaktivitetsmönstret hos råttor, vilket påverkade kretsar relaterade till t.ex. belöning / beroende, men antalet modulerade områden och graden av modulering var lägre jämfört med själva mellanmålsmaten.
Beskrivning
Ad libitum tillgänglighet av smakrik mat kan leda till hedonisk hyperfagi, dvs. ökat energiintag och följaktligen förhöjd kroppsviktökning på grund av en förändring i matintagets beteendemönster1. För att utlösa matintag utöver mättnad måste faktorer involveras som överskattar homeostatisk energibalans och mättnad via olika signalvägar för ett icke-homeostatisk belöningssystem2. Som visat tidigare modulerar intaget av mellanmålspotatischips starkt aktiviteten inom hjärnbelöningssystemet i ad libitum matade råttor. Dessutom leder det till signifikant olika aktivering av hjärnregioner som reglerar matintag, mättnad, sömn och rörelseaktivitet3. Beteendestudier bekräftade att energiintag och utfodringsrelaterad lokomotorisk aktivitet förhöjdes när potatischips fanns tillgängliga3. Även om den neurobiologiska regleringen av matintag är mycket mer komplex än regleringen av drogberoende, har vissa slående överlappningar av neurofysiologiska mekanismer, hjärnaktiveringsmönster och beteendekonsekvenser diskuterats kontroversiell4,5,6,7. De involverade hjärnkretsarna aktiveras starkt av matintag efter begränsning, men också av intag av särskilt smakliga livsmedel8,9,10. I allmänhet är välsmakande mat högkalorisk och / eller rik på fetter och / eller kolhydrater. Således har det antagits att livsmedlets energitäthet kan vara den avgörande faktorn som utlöser matintaget utöver mättnad vilket resulterar i förhöjd vikt och så småningom i fetma11,12.
En nyligen beteendestudie avslöjade att fetter och kolhydrater är de viktigaste molekylära bestämningarna för smakbarheten hos mellanmål13. Dessutom bestäms energiinnehållet i potatischips huvudsakligen (94%) av fett- och kolhydratinnehållet. Därför kan man anta att energiinnehållet är drivkraften för hedonisk hyperfagi för potatischips. Följaktligen genomförde vi beteendepreferenstester för att undersöka intaget av livsmedel med olika fett / kolhydratinnehåll och utförde MRI-mätningar för att undersöka moduleringen av hela hjärnaktiviteten inducerad i råttor.
Resultat och diskussion
För preferensprover tillsattes pulverformig standardchow (STD) till varje testmat (1: 1) för att utesluta påverkan av organoleptiska egenskaper (Fig. 1a)13. Det hade visats tidigare att ordning och varaktighet för testepisoderna inte påverkade resultatet13. Till en början ökade det relativa intaget med ökande fett och därmed energiinnehållet i testmatarna med maximalt vid en sammansättning av 35% fett och 45% kolhydrater. Högre fettinnehåll ledde dock till minskat matintag (Fig. 1a). Eftersom fett har högre energitäthet än kolhydrater, indikerar dessa fynd att energiinnehållet inte är den enda avgörande för livsmedelsintaget hos icke berövade råttor. Det är anmärkningsvärt att medelvärdet av fett / kolhydrat i de mest attraktiva testmatarna matchade nästan exakt sammansättningen av potatischips (Fig. 1a). Det återstår att undersöka om ovanstående slutsats kan utvidgas till andra livsmedelsprodukter med ett liknande fett / kolhydratförhållande som choklad eller annan mellanmål.
Bild 1: (a) Aktivitet hos testmat med olika fett / kolhydratförhållanden för att inducera ytterligare matintag under kortvarig presentation av matmat för test (10 minuter) i tvåvals preferenstest.
Skillnader i energiintag per testmat jämfört med referensen (17.5% fett, 32.5% kolhydrater och 50% STD) visas som relativ bidrag från respektive testmat till det totala intaget av test- och referensmat (medelvärde ± SD). Nedan visas sammansättningen av testmat och den mest attraktiva medelkompositionen jämförs med sammansättningen av potatischips. (b) Energiintag och respektive utfodringsrelaterad lokomotorisk aktivitet under faser av 7 dagar kontinuerligt test av livsmedelspresentation. Båda faktorerna visas i deras beroende av testmat [standard chow (STD) eller en blandning av 35% fett och 65% kolhydrater (FCH)] i träningsfasen (TP) och manganfasen (MnP) under 12 / 12 timmar ljusa / mörka cykler under 7 dagar. Data visar medelvärdet ± SD av 16 djur i 4 burar på 7 dagar i rad. Dessutom listas motsvarande statistiska data (** p <0.01, *** p <0.001, ns = inte signifikant).
Vi har nyligen visat att konsumtionen av potatischips i ad libitum matade råttor kraftigt modulerar hela hjärnaktiviteten främst påverkar belöningskretsen och system relaterade till matintag, sömn och lokomotorisk aktivitet3. Därför undersökte den aktuella studien påverkan av fett / kolhydratförhållandet för testmat på dessa moduleringar. För detta ändamål exponerades ad libitum matade råttor för en testmat som innehöll 35% fett och 65% kolhydrater (FCH) som en nästan isokalorisk (565 vs. 535 kcal / 100 g) modell för potatischips. En kontrollgrupp fick STD i stället. Därefter registrerades förändringar i hela hjärnaktivitetsmönstret under matningsfasen genom manganförstärkt magnetisk resonansavbildning (MEMRI)14,15 som tidigare beskrivits3. Enligt studieutformningen som visas i Fig. 1b, en träningsfas (TP) som erbjuder testmatarna ad libitum följdes av en mellanfas utan testmat (sju dagar vardera). Före MEMRI-mätning administrerades kontrastmedlet manganklorid med dorsalt subkutant implanterade osmotiska pumpar för att kartlägga den integrerade hjärnaktiviteten under de följande sju dagarna. Under denna manganfas (MnP) hade råttorna återställt åtkomst till deras redan kända testmat. Standard pelletschow och kranvatten var tillgängligt ad libitum under hela studien (Fig. 1b). Denna testuppsättning jämförde energiintag såväl som hela hjärnaktivitetsmönstret för båda grupperna och resulterade i signifikant förhöjd energiintag i FCH-gruppen under TP och MnP i ljuset såväl som i dagens mörka cykel jämfört med kontrollen (Fig. 1b). Dessutom räknades lokomotorisk aktivitet för enstaka råttor nära matdispensorerna. Till skillnad från andra lokomotoriska analyser, såsom öppet fältprov som mäter allmän rörelseaktivitet och ångest, återspeglar den utfodringsrelaterade lokomotoriska aktiviteten, som bedömdes i den aktuella studien, snarare matsökande beteende. Matningsrelaterad lokomotorisk aktivitet var emellertid endast något förhöjd när FCH var tillgängligt istället för pulveriserad STD under den mörka cykeln av TP (genomsnittlig lokomotivaktivitet [räknar] STD 205 ± 46, FCH 230 ± 41, n = 4, p = 0.0633 ) och MnP (genomsnittlig lokomotorisk aktivitet [räknar] STD 155 ± 24, FCH 164 ± 17, n = 4, p = 0.2123) (Fig. 1b). Däremot ledde tillträdet till potatischips till en mycket högre utfodringsrelaterad lokomotorisk aktivitet jämfört med samma STD-kontrollgrupp under den mörka cykeln3, vilket var signifikant både i TP (medelrörelseaktivitet [räknar] STD 205 ± 46, potatischips 290 ± 52, n = 4, p <0.001) och i MnP (medelrörelseaktivitet [räknar] STD 155 ± 24, potatischips 197 ± 29, n = 4, p = 0.0011). Således kan man dra slutsatsen att förhållandet mellan fett och kolhydrater bestämmer smak av potatischips, men att utfodringsbeteendet också påverkas av andra komponenter i snacks. Det förblir dock spekulativt om dessa skillnader relaterar till "att vilja" - och "gilla" aspekter av matintag16.
Övervakning av hela hjärnaktiviteten genom MEMRI avslöjade signifikanta skillnader i aktiveringen av hjärnområden genom intag av FCH jämfört med STD (Fig. 2a, b, Fig 3, första kolumnen, Tabell 1). Föreliggande resultat jämfördes med tidigare MEMRI-analyser av moduleringen av hjärnaktivitetsmönstret under intaget av potatischips mot STD under mycket samma förhållanden3. De tidigare uppgifterna listas i den andra kolumnen i Fig. 2 och 3. Även om FCH hade ett liknande fett / kolhydratförhållande och nästan identisk energitäthet jämfört med potatischips, aktiverade FCH ett mycket mindre antal (33) hjärnområden betydligt annorlunda än STD än potatischips (78-områden, Fig 2). Effekter upptäcktes i de funktionella grupperna relaterade till belöning och missbruk (Fig. 3a), matintag (Fig. 3b), sova (Fig. 3c) och lokomotorisk aktivitet (Fig. 3d). Figur 2b visar en översikt över alla signifikant olika aktiverade hjärnområden som jämför effekterna av FCH respektive potatischips med de från STD. Dessutom skiljer sig den fraktionerade förändringen i aktivering, dvs det manganupptag som återspeglar neuronaktivitet, avgörande vad gäller konsumtionen av FCH mot STD jämfört med potatischips kontra STD (Fig 3, tredje kolumnen). Kärnan accumbens anses vara en huvudstruktur i belöningssystemet17. Konsumtionen av FCH ledde till en signifikant 7.8 ökad aktivering i en av de fyra substrukturerna, kärnsubregionen på vänster halvkula. Ökningen i skal-subregionerna såväl som i kärn-subregionen på den högra halvklotet var inte signifikant (Fig. 3a). Intaget av potatischips under liknande förhållanden ledde också till den högsta aktiveringen i den yttersta delen av den vänstra kärnans subregion av nucleus accumbens. Jämfört med FCH var emellertid aktiveringsnivån i denna underkonstruktion till och med två gånger högre. Till skillnad från FCH aktiverades de tre andra substrukturerna också signifikant jämfört med kontrollen (Fig. 3a). Således kan man dra slutsatsen att FCH aktiverar belöningssystem i hjärnan, men med mindre effekt än potatischips. Denna slutsats återspeglas också av andra strukturer i belönings- / beroende-systemet, som signifikant aktiverades av intaget av potatischips och FCH, såsom bäddkärnan i stria terminalis (vänster halvkula)17,18, dorsal subplan19eller den prelimbiska cortex (höger och vänster halvkula)20. Andra hjärnstrukturer påverkades däremot inte signifikant av intaget av FCH, även om de är viktiga komponenter i belöningskretsarna och tydligt modulerades av intaget av potatischips, såsom ventral pallidum, det ventrale tegmentalområdet eller caudate putamen (Tabell 1)3.
Figur 2: (a) Betydligt annorlunda aktiverade hjärnområden (blandning av 35% fett / 65% kolhydrat (FCH) vs. standard chow (STD) och potatischips kontra STD3) genom en voxelbaserad morfometrisk analys exemplifierad för tre skivor som visas i den genomsnittliga råtthjärnytan.
Medeldata för livsmedelsgruppen fett / kolhydrat (FCH, vänster kolumn) jämförs med förändringar i hjärnaktivitetsmönster inducerat av potatischips under samma förhållanden (granskad från Hoch et al. 20133, höger kolumn). (b) 3D-fördelning av signifikant olika aktiverade hjärnområden som visas i axiell och sagittal vy (35% fett / 65% kolhydrat testmat FCH vs. STD, vänster kolumn och potatischips vs. STD, högra kolumn, granskad från Hoch et al. 20133). Blå sfärer symboliserar hjärnområden med lägre, röda sfärer hjärnregioner med högre aktivitet efter intaget av respektive testmat FCH eller potatischips3, vardera jämfört med STD. Storleken på sfärerna symboliserar signifikansnivåer (liten: p ≤ 0.05, medium: p ≤ 0.01, stor: p ≤ 0.001, n = 16).
Figur 3: Hjärnregioner som tilldelats de funktionella grupperna (a) "belöning och missbruk", (b) "matintag", (c) "sömn" och (d) "rörelseaktivitet" på en schematisk sagittalvy av råttan hjärna med signifikant annorlunda (p <0.05) manganackumulering i hjärnstrukturer hos ad libitum-matade råttor med ytterligare tillgång till 35% fett / 65% kolhydrattestmat (FCH, första kolumnen) eller mellanmålsmatpotatisflis (granskat från Hoch et al,. 20133, andra kolumnen).
Röda rektanglar symboliserar hjärnregioner som är signifikant aktiverade av snackmatpotatisflis eller FCH, både mot pulveriserad standardchow (STD), blå rektanglar respektive hjärnregioner med högre aktivitet på grund av intaget av pulveriserad STD vs. snackmatpotatisflis eller FCH. Trianglar fästa till rektanglarna till vänster och / eller höger indikerar halvklotet av signifikanta skillnader. Rektanglar utan trianglar representerar centrala hjärnstrukturer. Den tredje kolumnen visar fraktionerad förändring av mellanmål och FCH respektive STD (*** p <0.001, ** p <0.01, * p <0.05, n = 16). Acb-kärna: kärnregion i nucleus accumbens; Acb-skal: skalregion i nucleus accumbens, Arc: arcuate hypothalamic nucleus, BNST: bed nucleus of stria terminalis, CgCx: cingulate cortex, CPu: caudate putamen (stratium), DS: dorsal subiculum, Gi: gigantocellular nucleus, GPV: ventral pallidum, HyDM: dorsomedial hypothalamus, HyL: lateral hypothalamus, IlCx: infralimbic cortex, InsCx: insular cortex, IP: interpeduncular nucleus, LPBN: lateral parabrachial nucleus, LPGi: lateral paragigantocellular nucleus, LRt: lateral reticular nucleus, MC , MCx1: sekundär motorisk cortex, OrbCx: orbital cortex, PCRt: parvicellulär retikulär kärna, PnO: pontin retikulär kärna oral, PrlCx: prelimbisk cortex, PTA: pretektalt område, PVN: paraventrikulär thalamkärna främre, Raphe: raphe kärna, Septum: septum , Sol: ensam kanal, Teg: tegmentala kärnor, thMD: mediodorsal talam, VS: ventral subiculum, VTA: ventral tegmental area, ZI: zona incerta.
Tabell 1: Z-poäng av signifikant olika aktiverade hjärnområden som jämför råttor med åtkomst antingen till standardchow eller till en blandning av fett och kolhydrater och respektive p-värden för t-statistik, n = 16.
Liknande slutsatser kan dras från analysen av hjärnkretsar som är förknippade med matintag. Till exempel kan den dorsomediala hypotalamus, septum såväl som den paraventrikulära talamkärnan, som aktiverades under intaget av FCH och potatischips, kopplas till kontrollen av matintag21,22. Men återigen misslyckades FCH med att modulera andra strukturer i mättnadskretsarna, som inaktiverades av potatischips, såsom den bågformiga hypotalamiska kärnan eller den ensamma kanalen. Dessutom var aktivitetsintensiteten lägre med FCH än av potatischips, vilket återspeglades till exempel av en 2.3-faldigt signifikant högre aktivering av den paraventrikulära talamkärnan anterior (Fig. 3b). Dessa data antyder att FCH modulerar hjärnstrukturer relaterade till livsmedelsintag annorlunda från STD, en effekt som kan återspeglas av det högre energiintaget genom FCH (Fig. 1b).
Intaget av FCH ledde också till en stark avaktivering av hjärnstrukturer kopplade till sömn. Vissa hjärnområden inaktiverades endast av FCH såsom zona incerta (Fig. 3c), medan andra områden endast inaktiverades av potatischips, såsom tegmentalkärnorna. Även om åtta sömnrelaterade strukturer modulerades av FCH och elva av potatischiper verkar effekten av båda testmatarna ligga inom ett liknande intervall. Eftersom detta resultat inte förväntades, mättes sömnens varaktighet inte i den aktuella studien så att det inte är klart, om den FCH-inducerade moduleringen av sömnkretsar korrelerar med en modulering av sömnbeteendet.
Hjärnregioner som var ansvariga för lokomotorisk aktivitet och rörelse i allmänhet påverkades inte signifikant av intaget av FCH jämfört med STD (Fig. 3d, första kolumnen). Detta är samtidigt med beteendemässiga observationer att FCH inducerade endast en något, men icke-signifikant högre matrelaterad lokomotorisk aktivitet jämfört med STD (Fig. 1b). Däremot visades det att aktiveringen av motorsystemets strukturer i hjärnan hos råttor med åtkomst till potatischips åtföljdes av en förhöjd utfodringsrelaterad lokomotorisk aktivitet3.
Det är inte helt klart om det observerade aktiveringsmönstret är relaterat till hedonisk hyperfagi. I motsats till homeostatisk matintag, som styrs av energinivån i organismen, medieras hedonisk matintag av belöningen som genereras av vissa livsmedel23. Eftersom hedonic matintag inte är starkt kopplat till energibehovet leder det ofta till hyperfagi. Modeller har utvecklats som beskriver neurala korrelater av hedonisk hyperfagi. Berthoud antyder till exempel att homeostatisk livsmedelsintag är kopplad till leptinkänsliga kretsar som huvudsakligen inkluderar den bågformiga kärnan och kärnan i den ensamma kanalen, men också involverar ett brett spektrum av andra områden inklusive hypotalamiska platser, såsom den paraventrikulära kärnan eller nucleus accumbens23,24. Denna homeostatiska reglering av livsmedelsintaget kan dock åsidosättas av belöningssignaler som exempelvis komponenter som vill ha önskemål och vilja25. Liking av mat var relaterat till mu-opioid signalering i nucleus accumbens, ventral pallidum, parabrachial nucleus och kärnan i den ensamma kanalen24Medan önskan av mat var relaterad till dopaminsystemet i det ventrale tegmentala området, nucleus accumbens, prefrontal cortex, amygdala och hypothalamus. Kenny betonade dessutom bidraget från den isolerade cortexen, som är tänkt att lagra information om matets hedoniska egenskaper och kan också vara kopplad till begär10. I motsats till hjärnaktiveringsmönstret kopplat till intag av potatischip, var endast få av dessa områden associerade med hedonic hyperphagia faktiskt påverkade av intaget av FCH. Därför krävs utökade beteendeexperiment för att undersöka om preferensen för FCH faktiskt åtföljs av hyperfagi.
Hittills är det inte klart vilka molekylära komponenter i potatischips som är ansvariga för de starkare hjärnmoduleringseffekterna av denna testmat. Eftersom en saltad, men olämplig produkt utan tillsats av smakförstärkare användes, var salt, smak och mindre mängder proteiner närvarande förutom huvudkomponenterna fett och kolhydrater. Vidare måste molekylförändringar som inträffar under bearbetning beaktas. Det visades tidigare att smaken av salt inducerade Fos-uttryck i kärnan uppsamlades av saltberövade råttor. Intaget av salt i icke-utarmade djur ledde däremot inte till en aktivering av denna struktur i belöningssystemet26. Dessutom har det rapporterats att intaget av salt i fast mat snarare gav en aversiv effekt hos råttor27. Därför verkar det inte troligt att salt var en huvudmodulator för hjärnbelöningssystemet i de nuvarande experimenten. Det tidigare införda tvåvals-preferenstestet kan nu tjäna till att ytterligare undersöka påverkan av andra potatischipkomponenter på matintag.
Av våra beteendedata drar vi slutsatsen att förhållandet fett och kolhydrater, men inte den absoluta energitätheten, är den viktigaste bestämmaren för smaklighet och intag av mellanmål under kortvariga tvåvals preferenstest hos råttor. Dessutom inducerade intaget av FCH-blandningen, som nästan är isokalorisk för potatischips, det maximala energiintaget hos råttor med ad libitum, vilket åtföljdes av betydligt olika aktivering av hjärnstrukturer relaterade till belöning, matintag och sömn. Intaget av potatischips under samma förhållanden ledde till ett mycket större antal olika aktiverade hjärnstrukturer i dessa kretsar och också till en tydligt högre fraktionerad förändring jämfört med STD. Således kan man från bildbehandlingsmetoden dra slutsatsen att energitätheten enbart är en måttlig bestämning av de givande egenskaperna hos snackmat. Även om förhållandet fett och kolhydrater av potatischips verkar vara mycket attraktivt, kan det antas att andra molekylära determinanter finns i denna mellanmål, som modulerar aktiviteten i hjärnkretsar, särskilt belöningssystemet, ännu starkare och leder till ökad mat söker beteende.
Metoder
Etik uttalande
Denna studie genomfördes i strikt överensstämmelse med rekommendationerna i Guide to the Care and Use of Laboratory Animals of the National Institute of Health. Protokollet godkändes av utskottet för etik för djurförsök av Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (Regierung Mittelfranken, tillståndsnummer: 54-2532.1-28 / 12).
Preferens test
Prefektstest utfördes som tidigare beskrivits tre gånger om dagen under ljuscykeln under 10 minuter vardera med 20 – 36 upprepningar totalt per testmat mot referensen13. Detta testschema tillhandahåller tillräckliga datapunkter för utvärdering av livsmedelsförmåner. Testen utfördes med 8 Wistar-råttor av hankön (2-bur med 4-djur vardera, 571 ± 41 g, köpt från Charles River, Sulzfeld, Tyskland) och reproducerades med 10-manliga Sprague Dawley-råttor (2-bur med 5-djur vardera, initial vikt 543 ± 71 g, köpt från Charles River, Sulzfeld, Tyskland), som hade utbildats för testet. Således var antalet djur som utförde varje test 18 och antalet burar 4 (fyra biologiska replikat). Varje experiment upprepades 5 – 6 gånger med varje djurgrupp. Alla råttor hölls i en 12 / 12 h mörk / ljus cykel. Råttorna hade tillgång till standard chow-pellets (Altromin 1324, Lage, Tyskland, 4 g / 100 g fett (F), 52.5 g / 100 g kolhydrater (CH), 19 g / 100 g protein (P)) utöver testa livsmedel och kranvatten ad libitum under hela studien. Testmat med olika förhållanden F (solrosolja, köpt från ett lokalt snabbköp) och CH (maltodextrin, dextrin 15 från majsstärkelse, Fluka, Tyskland), blandat med 50% pulveriserat STD användes för att jämföra respektive aktivitet för att inducera matintag . Pulveriserad STD tillsattes för att minimera strukturella och sensoriska påverkan på konsumtionen. Som referensmat för alla beteendepreferenttester användes en blandning av 50% pulveriserat STD, 17.5% F och 32.5% CH, som har en mycket liknande F / CH-komposition som 50% potatischips i STD och har använts som en modell för 50% potatischips i STD tidigare13. Dessutom testade vi livsmedel sammansatta av 50% pulveriserat STD med tillsatser av följande blandningar av F och CH (% F /% CH): 5 / 45, 10 / 40, 17.5 / 32.5, 25 / 25, 30 / 20, 35 / 15, 40 / 10, 45 / 5 och 50 / 0. Med tanke på sammansättningen av 50% STD, innehåller referensfödan totalt (% F /% CH) 20 / 59, de andra testmatarna 7 / 71, 12 / 66, 20 / 59, 27 / 51, 32 / 46, 37 / 41, 42 / 36, 47 / 31 och 52 / 26. Innehållet i alla andra komponenter av pulveriserat STD-liknande protein (9%), fiber (3%) eller mineraler (ask, 3.5%) var konstant i alla testmatar.
Det energiintag som var beroende av respektive testmat beräknades genom multiplikation av den intagna mängden av testmat med dess respektive energiinnehåll. Det relativa bidraget av en testmat till summan av intaget testmat och referens beräknades genom att dividera mängden av respektive testmat med det totala intaget av testmat och referens.
Registrering av beteendedata för energiintag och utfodringsrelaterad lokomotorisk aktivitet
Beteendata registrerades som tidigare beskrivits3. I korthet mättes testmatintag dagligen och energiintaget beräknades genom multiplikation av massan hos det intagna testmatet med respektive energiinnehåll. Matningsrelaterad lokomotorisk aktivitet kvantifierades via webbkamerabilder som togs varje 10 sekund ovanför buren. En räkning definierades som ”en råtta visar lokomotorisk aktivitet nära en matutmatare”. För statistisk utvärdering genomfördes studentens t-test (två-tailed) med medelvärdet (energiintag eller matningsrelaterad lokomotorisk aktivitet) under 7 dagar (TP eller MnP) per bur (n = 4 burar, med 16 råttor totalt varje grupp).
Inspelning av hela hjärnaktivitetsmönstret av MEMRI
Wistar-råttor av hankön (initialvikt 261 ± 19 g, köpt från Charles River, Sulzfeld, Tyskland) förvarade i en 12 / 12 h mörk / ljuscykel uppdelades slumpmässigt i två grupper. Båda grupperna hade ad libitum-åtkomst till standard chow-pellets (Altromin 1324, Altromin, Lage, Tyskland) under hela studiens gång.
En grupp (n = 16, initial kroppsvikt 256 ± 21 g) fick pulveriserad STD (Altromin 1321) och den andra gruppen (n = 16, initial kroppsvikt 266 ± 16 g) fick en blandning av 35% F (solrosolja, köpta från en lokal stormarknad) och 65% CH (maltodextrin, dextrin 15 från majsstärkelse, Fluka, Taufkirchen, Tyskland) som tillägg till standard chow-pellets. Den aktuella studien genomfördes parallellt med den tidigare publicerade studien om potatischips3, så att samma kontrollgrupp skulle kunna användas för att möjliggöra maximal jämförbarhet mellan datamängderna.
MEMRI (på en 4.7 T Bruker MRI med användning av en optimerad modifierad driven balanserad Fourier-transform (MDEFT) -sekvens) användes för att kartlägga hjärnaktiveringen med en fin upplösning av 109 × 109 × 440 μm (för detaljer se Hoch et al. 20133). Eftersom känsligheten för MEMRI är lägre jämfört med preferensproven presenterades testmatarna under en längre tid. Inspelningar kräver relativt höga koncentrationer av det potentiellt giftiga kontrastmedlet mangan, som når hjärnan endast några timmar efter applicering. För att undvika negativa biverkningar på grundläggande fysiologi och beteende hos djuren på grund av injektion av mangankloridlösningen i doser som är tillräckliga för MEMRI-mätning, tjänade osmotiska pumpar för en mild men ganska tidskrävande kontinuerlig applicering av icke-toxiska mängder mangan , som ackumulerades i de aktiverade hjärnområdena under hela tiden av 7-dagars matprovningsfas28. Studiedesign, beredning av de osmotiska pumparna, parametrar för MRI-mätningar, databehandling samt registrering av matintag och utfodringsrelaterad lokomotorisk aktivitet har tidigare beskrivits3. De ursprungliga gråvärdena för MRI för den segmenterade hjärnan per djur registrerades av ett icke styvt registreringsarbetsflöde3. Baserat på dessa registrerade datasätt utfördes en voxelbaserad morfometrisk analys och de resulterande statistiska parametrarna visualiserades. Z-poängbaserade studenters t-test utfördes för att upptäcka signifikanta skillnader i hjärnaktivering. För 3D-visualisering av fördelningen av de betydligt olika aktiverade hjärnstrukturerna representerade vi varje hjärnstruktur som en sfär i dess tyngdpunkt. Koordinaterna härleddes från ett 3D digital hjärnatlas. Radien för varje sfär användes för att koda dess signifikansnivå och intensitetsskuggning kodar aktivitetsskillnaden till STD.
ytterligare information
Hur man citerar den här artikeln: Hoch, T. et al. Fett / kolhydratförhållande men inte energitäthet avgör intaget av mellanmålsmat och aktiverar hjärnans belöningsområden. Sci. Rep. 5, 10041; doi: 10.1038 / srep10041 (2015).
Referensprojekt
- 1.
La Fleur, SE, Luijendijk, MCM, van der Zwaal, EM, Brans, MAD & Adan, RAH Den snacking råttan som modell för mänsklig fetma: effekter av ett fritt val fetthalt med högt socker på måltidsmönster. Int. J. Obes. 38, 643-649 (2014).
· 2.
Berthoud, H.-R. Homeostatiska och icke-homeostatiska vägar involverade i kontrollen av matintag och energibalans. Fetma. 14 S8, 197S – 200S (2006).
· 3.
Hoch, T., Kreitz, S., Gaffling, S., Pischetsrieder, M. & Hess, A. Manganförstärkt magnetisk resonansavbildning för kartläggning av hela hjärnans aktivitetsmönster associerat med intaget av mellanmål i råttor med ad libitum.. PLoS ONE. 8, e55354; 10.1371 / journal.pone.0055354 (2013).
· 4.
Volkow, ND & Wise, RA Hur kan narkotikamissbruk hjälpa oss att förstå fetma? Nat. Neurosci. 8, 555-560 (2005).
· 5.
Berthoud, H.-R. Metaboliska och hedoniska drivkrafter i neuralkontrollen av aptit: vem är chefen? Curr. Opin. Neurobiol. 21, 888-896 (2011).
· 6.
Gearhardt, AN, Grilo, CM, DiLeone, RJ, Brownell, KD & Potenza, MN Kan mat vara beroendeframkallande? Folkhälsa och politiska konsekvenser. Addiction. 106, 1208-1212 (2011).
· 7.
Hebebrand, J. et al. "Äta missbruk", snarare än "matberoende", fångar bättre beroendeframkallande ätbeteende. Neurosci. Biobehav. Varv. 47, 295-306 (2014).
· 8.
Epstein, DH & Shaham, Y. Ostkakorätande råttor och frågan om matberoende. Nat. Neurosci. 13, 529-531 (2010).
· 9.
DiLeone, RJ, Taylor, JR & Picciotto, MR Drivkraften att äta: jämförelser och skillnader mellan mekanismer för belöning av mat och drogberoende. Nat. Neurosci. 15, 1330-1335 (2012).
· 10.
Kenny, PJ Vanliga cellulära och molekylära mekanismer i fetma och narkotikamissbruk. Nat. Rev. Neurosci. 12, 638-651 (2011).
· 11.
Rolls, BJ & Bell, EA Intag av fett och kolhydrat: energitäthets roll. Eur. J. Clin. Nutr. 53 (Suppl 1), S166 – 173 (1999).
· 12.
Shafat, A., Murray, B. & Rumsey, D. Energitäthet i cafeteria-diet inducerade hyperfagi hos råttan. Aptit. 52, 34-38 (2009).
· 13.
Hoch, T., Pischetsrieder, M. & Hess, A. Snackmatintag i råttor med ad libitum matas ut av kombinationen av fett och kolhydrater. Främre. Psychol. 5, 250; 10.3389 / fpsyg.2014.00250 (2014).
· 14.
Lin, YJ & Koretsky, AP Manganjon förbättrar T1-viktad MR under hjärnaktivering: En metod för direkt avbildning av hjärnfunktion. Magn. Reson. Med. 38, 378-388 (1997).
· 15.
Koretsky, AP & Silva, AC Mangan-förbättrad magnetisk resonansavbildning (MEMRI). NMR Biomed. 17, 527-531 (2004).
· 16.
Berridge, KC Nöjen i hjärnan. Brain Cogn. 52, 106-128 (2003).
· 17.
Haber, SN & Knutson, B. Belöningskretsen: koppling av primatanatomi och mänsklig bildbehandling. Neuropsychopharmacology 35, 4-26 (2010).
· 18.
Epping-Jordan, MP, Markou, A. & Koob, GF Dopamin D-1-receptorantagonisten SCH 23390 injicerad i den dorsolaterala bäddkärnan i stria terminalis minskade kokainförstärkning i råtta. Brain Res. 784, 105-115 (1998).
· 19.
Martin-Fardon, R., Ciccocioppo, R., Aujla, H. & Weiss, F. Den dorsala subplanen förmedlar förvärv av villkorat återinförande av kokain-sökande. Neuropsychopharmacology. 33, 1827-1834 (2008).
· 20.
Limpens, JHW, Damsteegt, R., Broekhoven, MH, Voorn, P. & Vanderschuren, LJMJ Farmakologisk inaktivering av prelimbiskt cortex emulerar kompulsiv belöning som söker hos råttor. Brain Res.; 10.1016 / j.brainres.2014.10.045 (2014).
21.
Bellinger, LL & Bernardis, LL Den dorsomediala hypotalamiska kärnan och dess roll i intagande beteende och kroppsviktreglering: lärdomar från lesionsstudier. Physiol. Behav. 76, 431-442 (2002).
· 22.
Stratford, TR & Wirtshafter, D. Injektioner av muscimol i den paraventrikulära talamkärnan, men inte mediodorsala talamkärnor, inducerar utfodring hos råttor. Brain Res. 1490, 128-133 (2013).
· 23.
Harrold, JA, Dovey, TM, Blundell, JE & Halford, JCG CNS-reglering av aptit. Neuro 63, 3-17 (2012).
· 24.
Berthoud, H.-R. Neural kontroll av aptit: tvärsamtal mellan homeostatiska och icke-homeostatiska system. Aptit. 43, 315-317 (2004).
· 25.
Berridge, KC Matbelöning: Hjärnsubstrat av vilja och smak. Neurosci. Biobehav. Varv. 20, 1-25 (1996).
· 26.
Voorhies, AC & Bernstein, IL Induktion och uttryck av saltaptit: effekter på Fos-uttryck i nucleus accumbens. Behav. Brain Res. 172, 90-96 (2006).
· 27.
Beauchamp, GK & Bertino, M. Råttor (Rattus norvegicus) föredrar inte saltad fast mat. J. Comp. Psychol. 99, 240-247 (1985).
· 28.
Eschenko, O. et al. Kartläggning av funktionell hjärnaktivitet hos fritt uppträdande råttor under frivillig körning med användning av manganförbättrad MRT: Implikation för longitudinella studier. NeuroImage 49, 2544-2555 (2010).
· 29.
Denbleyker, M., Nicklous, DM, Wagner, PJ, Ward, HG & Simansky, KJ Aktivering av mu-opioidreceptorer i den laterala parabrachialkärnan ökar c-Fos-uttryck i förhjärnområden associerade med kalorireglering, belöning och kognition. Neuroscience 162, 224-233 (2009).
· 30.
Hernandez, L. & Hoebel, BG Livsmedelsbelöning och kokain ökar extracellulär dopamin i kärnan accumbens som uppmätt genom mikrodialys. Life Sci. 42, 1705-1712 (1988).
· 31.
Zahm, DS et al. Fos efter enstaka och upprepad självadministrering av kokain och saltlösning i råttan: betoning på basal förhjärna och rekalibrering av uttrycket. Neuropsychopharmacology 35, 445-463 (2010).
· 32.
Oliveira, LA, Gentil, CG & Covian, MR Septalområdets roll i matningsbeteende som framkallas genom elektrisk stimulering av den laterala hypotalamusen hos råttan. Braz. J. Med. Biol. Res. 23, 49-58 (1990).
· 33.
Chase, MH Bekräftelse av konsensus om att glycinergisk postsynaptisk hämning är ansvarig för atoni av REM-sömn. Sleep. 31, 1487-1491 (2008).
· 34.
Sirieix, C., Gervasoni, D., Luppi, P.-H. & Léger, L. Rollen för den laterala paragigantocellulära kärnan i nätverket för paradoxal (REM) sömn: en elektrofysiologisk och anatomisk studie i råttan. PLoS ONE. 7, e28724; 10.1371 / journal.pone.0028724 (2012).
· 35.
Trepel, M. Neuroanatomie. Struktur und Funktion 3rd ed. Urban & Fischer, München, 2003).
36.
Miller, AM, Miller, RB, Obermeyer, WH, Behan, M. & Benca, RM Pretektum medierar snabb reglering av ögonrörelsens sömn genom ljus. Behav. Neurosci. 113, 755-765 (1999).
· 37.
Léger, L. et al. Dopaminerga nervceller som uttrycker Fos under vakenhet och paradoxal sömn hos råtta. J. Chem. Neuroanat. 39, 262-271 (2010).
37.
o
Tack
Studien är en del av Neurotrition-projektet, som stöds av FAU Emerging Fields Initiative. Vi tackar dessutom Christine Meissner för korrekturläsning av manuskriptet.
upphovsmän
anknytningar
1. Enheten för matkemi, avdelningen för kemi och farmaceut, Emil Fischer Center, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Tyskland
Tobias Hoch
o & Monika Pischetsrieder
2. Institutet för experimentell och klinisk farmakologi och toxikologi, Emil Fischer Center, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Tyskland
o Silke Kreitz
o & Andreas Hess
3. Mönsterigenkänningslaboratorium, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Tyskland
o Simone Gaffling
4. School of Advanced Optical Technologies (SAOT), Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Tyskland
o Simone Gaffling
Bidrag
Tänkt och utformat experimenten: THMPAH Utförde experimenten: THAH Analyserade data: THSKSGAH Tolkade data THMPAH Bidragade reagens / material / analysverktyg: AHMP Skrev pappret: THMPAH
Konkurrerande intressen
Författarna förklarar inga konkurrerande ekonomiska intressen.
Motsvarande författare
Korrespondens till Monika Pischetsrieder.
;
