Övervikt är associerad med förändrad hjärnfunktion: sensibilisering och hypofrontalitet (2012)

Kommentarer: Studien visar både sensibilisering och hypofrontalitet hos överviktiga individer. Båda är kännetecken för beroende-relaterade hjärnförändringar.

 Länk till artikeln

Glukosmetabolismen i caudatkärnan i mellanhjärnan (A) var signifikant högre hos överviktiga kontra mager individer (B).

I de flesta västländer är den årliga ökningen av prevalensen och svårighetsgraden av fetma för närvarande betydande. Även om fetma vanligtvis bara är ett resultat av överdrivet energiintag, är det för närvarande oklart varför vissa människor är benägna att äta för mycket och gå upp i vikt.

Eftersom det centrala nervsystemet är intimt involverat i bearbetning av hungersignaler och kontroll av matintag, är det möjligt att orsaken till viktökning och fetma kan vara i hjärnan.

Forskare vid universitetet i Åbo och Aalto-universitetet har nu hittat nya bevis för hjärnans roll i fetma. Forskarna mätte funktionen hjärnkretsar involverad i flera metoder för hjärnavbildning.

Resultaten visade att hjärnglukosmetabolism hos överviktiga mot magra individer var signifikant högre i hjärnans striatala regioner, som är involverade i bearbetning av belöningar. Dessutom svarade överviktig individs belöningssystem mer kraftfullt på matbilder, medan svaren i de främre kortikala regionerna som var involverade i kognitiv kontroll dämpades.

"Resultaten tyder på att överviktiga individs hjärnor ständigt kan generera signaler som främjar att äta även när kroppen inte behöver ytterligare energiupptag., Säger adjungerad professor Lauri Nummenmaa från Åbo universitet.

”Resultaten belyser hjärnans roll i fetma och viktökning. Resultaten har stora konsekvenser för de nuvarande modellerna för fetma, men också för utvecklingen av farmakologiska och psykologiska behandlingar av fetma, säger Nummenmaa.

Deltagarna var sjukligt överviktiga individer och smala, friska kontroller. Deras hjärna glukosmetabolism mättes med positron emissionstomografi under förhållanden där kroppen mättades när det gäller insulinsignalering. Hjärnansvar till bilder av livsmedel mättes med funktionell magnetisk resonansbildning.

Forskningen finansieras av Finlands akademi, Åbo universitetssjukhus, Åbo universitet, Åbo Akademi universitet och Aalto-universitetet.

Resultaten publicerades den januari 27: e, 2012 i vetenskapligt tidskrift PLoS ONE.


 STUDIEN: Dorsal Striatum och dess limbiska förbindelser förmedlar onormal anticipatory belöningsbearbetning vid fetma

 Lauri Nummenmaa, Jussi Hirvonen, Jarna C. Hannukainen, Heidi Immonen, Markus M. Lindroos, Paulina Salminen, Pirjo Nuutila .. PLoS ONE, 2012; 7 (2): e31089 DOI: 10.1371 / journal.pone.0031089

Abstrakt

Fetma kännetecknas av en obalans i hjärnkretsarna som främjar belöningssökande och de som styr kognitiv kontroll. Här visar vi att dorsal caudate kärnan och dess förbindelser med amygdala, insula och prefrontal cortex bidrar till onormal belöningsbearbetning vid fetma. Vi mätte regionalt glukosupptag i hjärnan hos sjukligt överviktiga (n = 19) och normalviktade (n = 16) personer med 2- [18F] fluoro-2-deoxyglukos ([18F] FDG) positron emission tomography (PET) under euglycemic hyperinsulinemia och med funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) medan föregripande matbelöning inducerades av upprepade presentationer av aptitretande och intetsägande matbilder. Först fann vi att glukosupptagningshastigheten i ryggkudatkärnan var högre hos överviktiga än hos normalviktiga personer. För det andra visade feta individer ökade hemodynamiska svar i caudatkärnan medan de tittade på aptitretande mot intetsägande livsmedel i fMRI. Kaudatet visade också förhöjd uppgiftsrelaterad funktionell anslutning med amygdala och insula hos feta mot normalvikt. Slutligen hade överviktiga patienter mindre svar på aptitretande och intetsägande livsmedel i dorsolaterala och orbitofrontala kortiklar än försökspersoner med normal vikt, och misslyckande med att aktivera den dorsolaterala prefrontala cortex korrelerades med hög glukosmetabolism i dorsal caudate kärnan. Dessa fynd tyder på att förbättrad känslighet för externa matkoder vid fetma kan involvera onormalt stimulansresponsinlärning och incitamentmotivering som dödas av ryggkudatkärnan, vilket i sin tur kan bero på onormalt hög inmatning från amygdala och insula och dysfunktionell hämmande kontroll av främre kortikala regioner. Dessa funktionella förändringar i belöningskretsens lyhördhet och samtrafik kan vara en kritisk mekanism för att förklara överätning i fetma.

Citation: Nummenmaa L, Hirvonen J, Hannukainen JC, Immonen H, Lindroos MM, et al. (2012) Dorsal Striatum och dess limbiska förbindelser förmedlar onormal anticipatory belöningsbearbetning vid fetma. PLoS ONE 7 (2): e31089. doi: 10.1371 / journal.pone.0031089

Redaktör: Ya-Ping Tang, Louisiana State University Health Sciences Center, Amerikas förenta stater

Mottagen: Augusti 19, 2011; Godkänd: januari 2, 2012; Publicerad: februari 3, 2012

Upphovsrätt: © 2012 Nummenmaa et al. Detta är en artikel med öppen åtkomst som distribueras under villkoren i Creative Commons Attribution License, som tillåter obegränsad användning, distribution och reproduktion i vilket medium som helst, förutsatt att den ursprungliga författaren och källan krediteras.

finansiering: Detta arbete stöds av Finlands Akademi (bidrag #256147 och #251125 http://www.aka.fi) till LN, av Aalto-universitetet (AivoAALTO Grant, http://www.aalto.fi) Stiftelsen Sigrid Juselius (www.sigridjuselius.fi/foundation) Åbo universitetssjukhus (EVO-bidrag http://www.tyks.fi). Finansierarna hade ingen roll i studiedesign, insamling och analys av data, beslut om att publicera eller förbereda manuskriptet.

Konkurrerande intressen: Författarna har förklarat att inga konkurrerande intressen existerar.

Beskrivning

I de flesta västländer är den årliga ökningen av prevalensen och svårighetsgraden av fetma för närvarande betydande [1]. Obegränsad tillgänglighet av smakliga livsmedel är den mest uppenbara miljöfaktorn som främjar fetma [2]och gener som främjar snabbt intag av energi via högt socker- och fettintag under förhållanden med livsmedelsknapphet har blivit ett ansvar i de moderna samhällen där högkalorisk mat är allmänt tillgänglig. För att bekämpa den nuvarande fetmaepidemin är det därför nödvändigt att förstå vilka faktorer som avgör om livsmedelskonsumtion bedrivs eller begränsas. Äta ger näringsämnen men är också mycket förstärkande, eftersom det skapar intensiva känslor av nöje och belöning. Jämförande studier har visat att en sammankopplad belöningskrets innefattande subkortikala (amygdala, hypothalamus, striatum) och frontokortikala (motoriska, premotoriska, orbitala och mediala prefrontala) områden spelar en nyckelroll för att vägleda aptitligt beteende [3], [4], [5]. Funktionella avbildningsstudier hos människor har vidare visat att underkomponenter i belöningskretsen bidrar till bearbetning av externa matkoder, som bilder av livsmedel [6], [7], [8], [9]och dysfunktioner i belöningskretsen har också förknippats med både fetma och drogberoende. [2], [10], [11], [12], [13], [14]. I den aktuella studien visar vi hur tonicaktivitet, regionala responser samt samtrafikförmåga mellan belöningskretsen kan vara de kritiska mekanismerna som förklarar överätning och fetma.

Smakliga livsmedel har stark motiverande kraft. Enbart en syn på en läcker tårta eller lukten av vår favoritmat kan framkalla en stark lust att äta just nu, och exponering för sådana signaler kan åsidosätta fysiologiska mättnadssignaler och utlösa matförbrukning [15]. Överätande beror alltså sannolikt på balansen mellan belöningskretsen och nätverk som hämmar belöningssökning, såsom de dorsolaterala prefrontala kortikorna [16], [17], [18]. Den befintliga litteraturen från avbildningsstudier hos människor antyder att fetma kännetecknas av en obalans i dessa system, genom att belöningskretsen är överaktiv att belöna förväntan i fetma och att hämmande nätverk kan misslyckas med att utöva kontroll över belöningskretsen [2], [10], [11], [12], [13], [14], [19]. Det finns stora individuella skillnader i belöningskretsens lyhördhet mot mat, och detta kan vara en kritisk faktor som bidrar till överätning och fetma [2]. Personlighetsdragets belöningsdrift är positivt förknippat med mattrang och kroppsvikt [20], och fMRI-studier har visat att det också förutsäger ventrala striatums svar på aptitretande matbilder hos normalviktiga individer [21]. På liknande sätt är självrapporterad känslighet för externa matkoder positivt korrelerad med belöningskretsens samtrafik [22]. I linje med dessa fynd har fMRI-studier bekräftat att belöningskretsen för överviktiga individer är överkänslig för bara synen på livsmedel. Feta individer visar förhöjda svar på matbilder i amygdala, caudatkärna och främre cingulatbarken [10], [19]och det har föreslagits att denna hyperaktivitet i den dopaminergiska belöningskretsen kan göra att överviktiga individer är benägna att överätande. PET-studier har vidare visat att dopaminerga vanligt förekommit i mekanismerna för drogmissbruk och överdrivet livsmedelsintag, vilket antyder att fetma åtminstone i vissa fall kan karakteriseras som ett "matberoende". Dopaminergiska belöningsvägar i mellanhjärnan modulerar både mat- och läkemedelskonsumtion [23] speciellt genom att skapa känslor av mat och drog begär [24]och både läkemedel och mat utövar sina förstärkande effekter genom att öka dopamin i limbiska regioner. Patienter med beroendeframkallande sjukdomar visar toniskt lägre baslinje D2 receptor (D2R) densitet i striatum, och avstängd frisättning av dopamin efter administrering av missbruksmedlet. I likhet med missbruksdroger är matkonsumtion förknippad med frisättning av dopamin i ryggstratum hos friska försökspersoner, och mängden frisatt dopamin korreleras positivt med bedömningar av matens behaglighet [12]. På samma sätt som patienter med beroendeframkallande sjukdomar har feta personer lägre basatal D-basal2R-densitet, som är riktningsvis proportionell mot BMI [11].

Även om förändrad känslighet hos belöningskretsen kan vara en avgörande faktor som förklarar fetma, förblir det svårt hur exakt belöningskretsarna bidrar till livsmedelsrelaterade förutseende belöningsfunktioner hos feta individer. Först, tidigare demonstrationer av förhöjda belöningskretssvar på livsmedel hos normalviktiga och feta personer [10], [19] har inte behandlat skillnader i den toniska baslinjeaktiviteten för belöningskretsen i hjärnan. Toniskt sett förutsäger låg glukosmetabolism i prefrontala cortex låg striatal dopamin D2 receptordensitet - ett kännetecken för dysregulerad belöningskrets - hos överviktiga personer [17]. Huruvida tonisk aktivitet hos nervnätverk som bearbetar förväntad belöning förutsäger funktionella svar på externa matkoder är okänt. För det andra har bara en handfull studier tagit ett systemnivå för att testa om fetma skulle förändra belöningskretsens funktionella anslutning. Medan en nyligen avbildad studie på friska människor visade att anslutning inom den mänskliga belöningskretsen är beroende av individens känslighet för externa matkoder [22], en annan som involverar feta och normalviktiga individer föreslog att fetma är specifikt förknippat med bristande funktionell anslutning från amygdala till orbitofrontal cortex, (OFC) och ökad anslutning mellan OFC till ventral striatum [25]. Emellertid förblir de exakta neurala mekanismerna bakom dessa funktionella förändringar okända.

I denna studie använde vi multimodal hjärnavbildning genom att kombinera [18F] FDG PET med ett fMRI-experiment som inbegriper förväntad belöning inducerad av presentation av aptitretande och intetsägande matbilder. Observera att även om inga belöningar faktiskt har levererats till deltagarna, använder vi termen "föregripande belöning" för kortfattethets skull, eftersom att se mycket givande mål som livsmedel pålitligt inducerar svar på belöningsförväntningar i det ventrala striatumet, även om inga belöningar faktiskt är levereras [21]. Det har visat sig att glukosanvändning är nära förknippat med spikfrekvens [26]Därför kan glukosmetabolismnivån användas för att mäta tonic baslinjeaktivering av hjärnan under vila. Genom att använda primad hyperinsulinemisk klämma [27] under PET-skanningen kunde vi jämföra överviktiga och normalviktiga individer i hjärnans glukosmetabolism i en situation där kroppen är i ett mättat tillstånd när det gäller insulinsignalering. FMRI-experimentet gjorde det möjligt för oss att jämföra huruvida överviktiga och normalviktiga individer skiljer sig åt med avseende på både regionala hjärnsvar och effektiv anslutning av belöningskretsen under betraktande av aptitretande jämfört med intetsägande mat. Slutligen gjorde kombinationen av PET- och fMRI-data det möjligt för oss att använda de regionala glukosmetaboliska hastigheterna (GMR) härledda i PET-skanningen för att förutsäga hjärnsvar på aptitretande livsmedel i fMRI-experimentet.

Material och metoder

Deltagare

Den etiska kommittén för sjukhusdistriktet i Sydvästra Finland godkände studieprotokollet och alla deltagare undertecknade godkända etiska kommittéer, informerade samtycke. Studien genomfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen. Tabell 1 presenterar en sammanfattning av deltagarna. Den överviktiga gruppen bestod av nitton neurologiskt intakta sjukliga feta individer (MBMI = 43.87, SDBMI = 6.60). Fem av dem använde oral antidiabetisk medicin och utesluts från PET-studierna. Sexton neurologiskt intakta frivilliga personer med normal vikt tjänade som kontroller (MBMI = 24.10, SDBMI = 2.07) och matchades med patienterna med avseende på ålder, höjd och index för hypertoni (dvs. blodtryck). Ätstörningar, allvarliga psykiska störningar och missbruk var uteslutningskriterier för alla deltagare. En individ med normal vikt utesluts från fMRI-dataanalyserna på grund av överdriven huvudrörelse.

Tabell 1. Kännetecken för deltagarna.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t001

Beteendemätningar

Innan försöket bedömde deltagarna sin känsla av hunger med en visuell analog skala. Efter fMRI-försöket bedömde deltagarna valens (behaglighet kontra obehaglighet) hos experimentella stimuli på en dator med hjälp av självbedömning Manikin [28] med en skala från 1 (obehaglig) till 9 (trevlig).

PET-förvärv och analyser

Studierna utfördes efter 12 timmars fasta. Personer som avstått från koffeininnehållande drycker och från rökning 24 timmar före PET-studier. Någon form av ansträngande fysisk aktivitet var förbjuden från föregående kväll. Två katetrar infördes i antecubital vener, en för infusioner med saltlösning, insulin och glukos och injektion av radiotracer [18F] FDG, och en till den motsatta uppvärmda armen för provtagning av arterialiserat blod. Den euglycemiska hyperinsulinemiska klämmetoden användes såsom tidigare beskrivits [27]. Infusionshastigheten var 1 mU · kg-1 · Min-1 (Actrapid, Novo Nordisk, Köpenhamn, Danmark). Under hyperinsulinemi bibehölls euglycemia genom att infoga 20% glukos intravenöst. Hastigheten för glukosinfusion justerades enligt plasmaglukoskoncentrationer uppmätt varje 5 – 10 min från arterialiserat blod. Vid tidpunkten 100 + −10 minuter av euglykemisk hyperinsulinemisk klämma, [18F] FDG (189 ± 9 MBq) injicerades intravenöst under 40 sekund och den dynamiska hjärnskanningen under 40 min (ramar; 4 • 30 s, 3 • 60 s, 7 • 300s) startade. Under avsökningen togs arteriella blodprover för radioaktivitetsanalys. En GE Advance PET-skanner (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI, USA) med upplösning av 4.25 mm användes för PET-studier som tidigare beskrivits [29], [30]. [18F] FDG syntetiserades såsom tidigare beskrivits [31]. Plasmad radioaktivitet mättes med en automatisk gammaräknare (Wizard 1480 3 ″, Wallac, Åbo, Finland).

Cerebral glukosupptagningshastighet mättes för varje voxel separat från dynamiska PET-skanningar såsom beskrivits tidigare [29], [30], förutom att en klumpig konstant av 0.8 användes [32]. Normalisering och statistiska analyser av de parametriska glukosmetabolismbilderna utfördes med SPM 5-programvaran (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Parametriska bilder normaliserades till en intern glukosmetabolismmall i MNI-utrymme med linjära och icke-linjära transformationer och slätades ut med en Gaussisk kärna av FWHM 10 mm. Enkla t-kontraster för de normaliserade parametriska bilderna användes för att analysera gruppskillnader i glukosmetabolism. Den statistiska tröskeln sattes till p <.001, okorrigerad, med en minsta klusterstorlek på 100 sammanhängande voxels. För små volymkorrigeringar (SVC) i PET-data definierades anatomiskt definierade a priori-regioner av intresse inom belöningssystemet (caudatkärna, amygdala, thalamus, insula och orbitofrontal cortex) med hjälp av WFU-pickatlas [33] och AAL [34] atlas.

Experimentell design för fMRI

Stimuli och design sammanfattas i Figur 1. Stimulerna var digitaliserade fotografier i fullfärg av aptitretande livsmedel (t.ex. choklad, pizza, biff), intetsägande matar (t.ex. linser, kål, kex) och bilar matchade med avseende på visuella funktioner på låg nivå såsom medellyshet, RMS-kontrast och global energi. Ett oberoende prov av friska frivilliga 29 bedömde stimulansen med SAM: s valens (obehaglighet kontra behaglighet). Analys av valensbedömningarna (Maptitlig = 6.64, Mmild = 3.93, Mbilar = 4.41) fastställde att de aptitretande livsmedlen klassades som trevligare än de intetsägande livsmedlen, t (28) = 10.97, p <001 och bilar, t (28) = 7.52, p <001, men det fanns inga skillnader i behagligheten hos de intetsägande livsmedel och bilar, t (28) = 1.19.

Figur 1. Experimentell design för fMRI och exempel på de stimuli som används.

Deltagarna tittade på växlande 15.75-epokar av aptitretande mat, bilar och intetsägande livsmedel. Varje epok bestod av sex experimentella stimuli pseudorandommix blandat med tre nollhändelser.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g001

Medan de skannades såg försökspersonerna omväxlande 15.75-sekunders epokar innehållande sex stimuli från en kategori (aptitretande livsmedel, intetsägande livsmedel eller bilar) blandade med tre nollhändelser. För att studera implicit bearbetning av livsmedelsbilderna använde vi korta stimulusvisningsvaraktigheter och en beteendemässig uppgift som inte var relaterad till det hedoniska värdet av stimuli: En enda försök omfattade en 1000 ms presentation av en stimulansbild följt av en låg kontrastcentral kors (750 ms). Nollhändelser omfattade en 1750 ms presentation av ett lågkontrastkors. Mat- och bilstimulerna förflyttades något till vänster eller till höger om skärmen, och deltagarna instruerades att trycka på vänster eller höger knapp beroende på vilken sida stimulansen presenterades. På nollförsök krävdes inget svar. Ordningen på stimuli under varje epok var pseudo-randomiserad med avseende på försöktyp (stimulus eller noll), så att högst tre på varandra följande försök var av samma typ. Denna pseudo-randomisering förbättrade designeffektiviteten medan den bevarar oförutsägbarheten av stimulansintrång hos naiva deltagare [35]. Stimulens synfält randomiserades och motviktades helt. Sammantaget fanns det totalt 72 aptitretande matförsök (i 12-epokar), 72 intetsägande matförsök (i 12-epokar) och 144-bilförsök (i 24-epokar). För att maximera kraften i designen och för att förhindra överföringseffekter av att titta på aptitretande livsmedel fixerades ordningen på stimulansepokorna så att bilstimuleringsepoken alltid presenterades mellan de aptitretande och intetsägande stimulansepokorna. Uppgångens utgångsepok var balanserad mellan deltagarna. Den totala uppgiftens varaktighet var 14 minuter. Deltagarna övade uppgiften utanför skannern innan de startade fMRI-experimentet.

fMRI Förvärv och analys

Skanningssessioner ägde rum på morgonen eller tidigt på middagen (9 am – 2 pm) Deltagarna instruerades att avstå från att äta och dricka bara vatten i minst tre timmar före skanning. MR-avbildning utfördes med Philips Gyroscan Intera 1.5 T CV Nova Dual-skanner på Åbo PET-center. Högupplösta anatomiska bilder (1 mm3 upplösning) förvärvades med användning av en T1-viktad sekvens (TR 25 ms, TE 4.6 ms, vippvinkel 30 °, avsökningstid 376s). Hela hjärnans funktionella data erhölls med eko-plan imaging-sekvens (EPI) -sekvens, känslig för den blod-syre-nivåberoende (BOLD) signalkontrasten (TR = 3000 ms, TE = 50 ms, 90 ° vippvinkel, 192 mm FOV, 64 × 64 matris, 62.5 kHz bandbredd, skivtjocklek 4.0 mm, mellanrum mellan 0.5 mm mellan skivor, 30 interfolierade skivor förvärvade i stigande ordning). Totalt 270-funktionella volymer förvärvades och de första 5-volymerna kasserades för att möjliggöra jämviktningseffekter. Data förbehandlades och analyserades med SPM5-programvara (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). EPI-bilderna interpolerades i tid för att korrigera för tidsskillnader i skivan och anpassades till den första skanningen genom styva kroppstransformationer för att korrigera för huvudrörelser. EPI- och strukturbilder avbildades och normaliserades till T1-standardmallen i MNI-rymden (Montreal Neurological Institute (MNI) - International Consortium for Brain mapping) med hjälp av linjära och icke-linjära transformationer och glattades ut med en Gaussisk kärna av FWHM 8-mm.

Analys av regionala effekter

En slumpmässig effektmodell för hela hjärnan implementerades med en tvåstegsprocess (första och andra nivå). Denna slumpmässiga effektanalys utvärderade effekterna på grundval av variationen mellan ämnen och möjliggjorde således slutsatser om populationen som deltagarna drogs från. För varje deltagare använde vi en GLM för att bedöma regionala effekter av uppgiftsparametrar på FETA aktiveringsindex. Modellen inkluderade tre experimentella förhållanden (aptitretande livsmedel, intetsägande livsmedel och bilar) och effekter av inget intresse (omjusteringsparametrar) för att redogöra för rörelserelaterad varians. Lågfrekvenssignaldrift avlägsnades med användning av ett högpassfilter (cut-off 128 sek) och AR (1) -modellering av temporala autokorrelationer applicerades. De individuella kontrastbilderna genererades med hjälp av kontrasten aptitretande - intetsägande livsmedel, liksom för huvudeffekten av livsmedel (dvs. aptitretande och intetsägande livsmedel mot andra intressanta effekter). Analysen på andra nivån använde dessa kontrastbilder i en ny GLM och genererade statistiska bilder, det vill säga SPM-t-kartor. Med balanserade mönster på första nivån (dvs liknande händelser för varje ämne, i liknande antal) approximerar denna andra nivåanalys nära en verklig design med blandade effekter, med både inom och mellan ämnesvariation. Inledande analys visade att ingen av kontrasterna på andra nivå mellan grupper var signifikant när strikt falsk upptäckt (FDR) korrigering vid p <.05 tillämpades. Följaktligen sattes den statistiska tröskeln till p <.005, okorrigerad, med en minsta klusterstorlek på 20 sammanhängande voxlar för jämförelser mellan grupperna.

Psykofysiologisk interaktion (PPI) i den allmänna linjära modellen (GLM)

Den fysiologiska anslutningen mellan två hjärnregioner kan variera som en funktion av det psykologiska sammanhanget [36] känd som en psykofysiologisk interaktion (PPI). PPI: er kan identifieras med allmänna linjära modeller som är känsliga för kontextuell modulering av uppdragsrelaterad samvariation. I motsats till dynamisk tillfällig modellering eller strukturell ekvationsmodellering av nätverksanslutning kräver PPI inte en specificerad anatomisk modell. Snarare börjar man med en ”källregion” och identifierar alla andra ”mål”-voxeller / kluster i hjärnan som den källan har kontextberoende anslutning. Målregioner behöver inte korrelera med uppgiften eller sammanhanget, utan samspelet mellan dessa faktorer. Betydande PPI indikerar i sig inte riktningen eller neurokemin för kausal påverkan mellan källa och målregioner, inte heller om anslutningen förmedlas av mono- eller polysynaptiska förbindelser, eller förändringar i strukturell neuroplastik från epok till epok. De indikerar emellertid interaktioner mellan regionala system, och resultaten av PPI: er överensstämmer med andra anslutningsmetoder såsom dynamisk kausal modellering [37].

Höger caudatkärna användes som källregion för anslutningsanalyser för den aptitretande minus blandade livsmedelskontrasten. Globalt maximum (2, 8, 4) för denna region i den andra nivån överviktiga kontra normalviktskontrasten i PET-dataanalyserna (se nedan) användes för att härleda en statistiskt oberoende uppskattning för källregionens centrum; detta skyddade effektivt mot "dubbel doppning" i val av källregion [38]och möjliggjorde teoretiskt rimlig integration av PET- och fMRI-data. En sfärisk ROI med en 10 mm-radie genererades på denna plats. Tidsserien för varje deltagare beräknades genom att använda det första egenvariatet från alla voxel-tidsserier i ROI. Denna BOLD tidsserie dekonvolverades för att uppskatta en 'neuronal tidsserie' för denna region med PPI-deconvolution-parametern som standard i SPM5 [39]. Den psykofysiologiska interaktionstermen (PPI-regressor) beräknades som element-för-element-produkten i ROI-neuronala tidsserier och en vektor som kodar för huvudeffekten av uppgiften (dvs. 1 för aptitretande livsmedel, −1 för intetsägande livsmedel). Denna produkt konvolverades sedan av den kanoniska hemodynamiska svarfunktionen (hrf). Modellen inkluderade också de viktigaste effekterna av uppgifterna som är inblandade av hrf, den "neuronala tidsserien" för varje "källa" och rörelseregressorerna som effekter av inget intresse. Ämnesvisa PPI-modeller [36] kördes, och kontrastbilder genererades för positiva och negativa PPI. Denna identifierade regioner med helhjärnanalys har större eller mindre förändring i anslutning till källregionen i enlighet med sammanhanget (dvs. aptitretande eller intetsägande livsmedel). Kontrastbilderna togs sedan in på andra nivån GLM-analyser för kontraster av intresse, och SPM-t-kartor genererades med användning av Gaussian Random Field theory för att göra statistiska slutsatser.

Resultat

Beteendemätningar

Stimulansvalensvärderingarna analyserades med en 3 (stimulans: aptitretande mat vs. intetsägande mat vs. bilar) × 2 (grupp: feta vs normalvikt) blandad ANOVA. Detta avslöjade att valensvärderingarna skilde sig avsevärt mellan stimuluskategorier, F (2,60) = 6.01, p = .004, ηp2 = .17, men var likartade över grupper med övervikt och normalvikt (F = 1.46). Flera jämförelser med Bonferronni-korrigeringar avslöjade att deltagarna bedömde aptitretande livsmedel som trevligare än intetsägande livsmedel, t (31) = 4.67, p <.001, eller bilar, t (31) = 2.76, p = 01, men inte betygsatt bland livsmedel som trevligare än bilar, t (31) = .41. Hungerbetyg var också lika för patienter och kontrollgrupper (p> .05).

Hjärnglukosmetabolism

Feta patienter hade signifikant högre glukosmetabolism i höger caudatkärna än försökspersoner med normal vikt (X = 4, Y = 8, Z = 4, T = 3.97, p =. 03, SVC) (Figur 2), men inte i någon annan a priori region av intresse (amygdala, thalamus, insula eller orbitofrontal cortex).

Figur 2. PET-genomsökningar med 2- [18F] FDG under euglykemisk hyperinsulinemi visar att glukosmetabolsk hastighet (GMR, µmol / 100 g * min) i den högra kaudatkärnan (X = 4, Y = 8, Z = 4) var signifikant högre hos överviktiga snarare än hos personer med normal vikt (p<.05, SVC).

Panel A visar den statistiska parametriska kartan över mellan-gruppeffekten, panel B visar ämnesvisa GMR-värden i caudatkärnan.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g002

Regionala effekter i fMRI

I alla ämnen resulterade kontrasterande aptitretande och intetsägande livsmedel i robust aktivering av belöningskretsen. Aktiveringsfoci observerades i det mediala prefrontala cortex, anterior cingulate gyrus, höger ventral striatum, bilateral posterior insula och posterior cingulate gyrus och precuneus (Figur 3, Tabell 2). Emellertid avslöjade analys mellan grupperna att kodning för förväntad belöning var beroende av fetma. Svaren på alla livsmedel (aptitretande och intetsägande) var högre hos överviktiga än hos normalviktiga personer i vänster amygdala, hippocampus, bakre cingulate cortex och fusiform gyrus samt den högra somatosensoriska cortex. Svaren var emellertid lägre hos överviktiga än hos normalviktiga personer i den vänstra främre gyrusen. Tabell 3 presenterar en sammanfattning av dessa aktiveringsfokus.

Figur 3. Hjärnregioner som visar ökat svar på aptitretande och intetsägande livsmedel i alla ämnen.

Aptitretande livsmedel ökade aktiviteten i främre (ACC) och bakre cingulär cortex (PCC), medial prefrontal cortex (mPFC), höger caudatkärna (CAUD) och bilateral insula (INS). Uppgifterna plottas vid p <.005, okorrigerade för visuell inspektion.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g003

Tabell 2. Hjärnregioner som visar ökat svar på aptitretande jämfört med intetsägande livsmedel i alla försökspersoner, p <.05 (FDR korrigerad).

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t002

Tabell 3. Mellan grupp (överviktiga mot normalvikt och normalvikt mot överviktiga) skillnader i hjärnrespons på alla (aptitretande och intetsägande) matbilder, p <.005 (ok.).

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t003

Därefter frågade vi om feta personer skulle visa större funktionella svar specifikt på aptitretande snarare än intetsägande livsmedel. För det ändamålet använde vi en interaktionsanalys mellan grupp (fetma, normalvikt) och livsmedelstyp (aptitretande, intetsägande). I överensstämmelse med förutsägelsen att fetma skulle förknippas med hyperaktivitet i belöningskretsen, var svaret på aptitretande och intetsägande livsmedel i rätt kudatkärna större hos överviktiga än hos normalviktiga individer (Figur 4a, Tabell 4). I motsats härtill hade feta individer mindre funktionella svar på aptitretande och intetsägande livsmedel än individer med normal vikt i vänster insula, lateral främre cortex, överlägsen parietal lobule, höger orbitofrontal cortex och överlägsen temporal gyrus (Figur 4b, Tabell 4). Således verkade feta individer ha en obalans i regionala funktionella svar på förväntad matbelöning: större svar i caudatkärnan och mindre svar i flera frontala kortikala regioner

Figur 4. Differens Fet svar på aptitretande och intetsägande livsmedel hos normalviktiga och feta personer i caudatkärnan och främre insula.

Hjärnsvar på aptitretande jämfört med intetsägande livsmedel var större i huvudet på den höga caudatkärnan (CAUD) hos de överviktiga patienterna, medan responsen på aptitretande jämfört med intetsägande livsmedel var större i höger främre insula (INS) hos individer med normal vikt . Uppgifterna plottas vid p <.005, okorrigerade för visuell inspektion.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g004

Tabell 4. Mellan grupp (överviktiga mot normalvikt och normalvikt mot överviktiga) skillnader i hjärnrespons på aptitretande jämfört med intetsägande livsmedel, p <.005 (ok.).

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.t004

Slutligen, för att undersöka om tonic hyperaktivitet av caudatkärnan observerats i i [18F] FDG PET-skanning skulle förutsäga onormal förväntad belöning på fMRI, vi extraherade först ämnesvisa GMR-värden i kaudatkärnan från de parametriska GMR-bilderna. Därefter använde vi dessa värden som en regressor i en andra nivå modell som jämförde BOLD svar på aptitretande och intetsägande mat i fMRI. Denna analys visade att ökad glukosmetabolism i caudatkärnan förutspådde mindre svar på aptitretande och intetsägande mat specifikt i den högra laterala främre cortex (Figur 5). Detta konstaterande överensstämmer med otillräcklig hämmande kontroll av subkortikala belöningssystem av frontala cortex.

Figur 5. Hög glukosmetabolsk hastighet (GMR, µmol / 100 g * min) i caudatkärnan under 2- [18F] FDG PET-skanning var negativt associerad med svar på aptitretande mot intetsägande livsmedel i höger lateral frontal cortex (LFC) i fMRI-experimentet.

Panel A visar regionen där skillnaden observerades, panel B visar en spridningsdiagram av GMR: er och BOLD-svar.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g005

Psykofysiologiska interaktioner

Efter att ha hittat bevis för en central roll för caudatkärnan vid förmedling av onormal förväntad belöning i fetma frågade vi nästa om denna hjärnregion har onormal funktionell uppgiftsrelaterad anslutning till andra viktiga hjärnregioner, såsom de i det limbiska systemet. Det vill säga vi frågade vilka hjärnregioner som skulle vara centrala för att modulera den förväntade belöningsrelaterade aktiviteten i kaudatkärnan medan vi tittade på aptitretande kontra intetsägande livsmedel. Vi använde psykofysiologiska interaktioner för att bestämma den funktionella anslutningen av caudatkärnan, med hjälp av voxelen med den högsta skillnaden i glukosmetabolism i PET-data som centrum för fröområdet. Vi fann att överviktiga försökspersoner uppvisade signifikant starkare anslutning mellan höger caudatkärna och höger basolateral amygdala (X = 33, Y = -5, Z = -16, T = 3.92, p <005, unc.), Primär somatosensorisk cortex (X = 39, Y = −13, Z = 32, T = 3.63, p <005, unc.) Och bakre isolat (X = 30, Y = 14, Z = 18, T = 3.47, p <005, unc .) än patienter med normalvikt (Figur 6).

Figur 6. Effektiv anslutning.

När man tittar på aptitretande kontra intetsägande livsmedel var den effektiva anslutningen mellan höger caudatkärna och höger amygdala (AMY), insula (INS) och somatosensorisk cortex (SSC) större hos överviktiga än hos patienter med normal vikt. Uppgifterna plottas vid p <.005, okorrigerade för visuell inspektion.

doi: 10.1371 / journal.pone.0031089.g006

Diskussion

Denna studie avslöjar de specifika sätt som fetma modifierar lyhördhet och funktionella anslutningar av belöningskretsen i hjärnan. Specifikt understryker resultaten en central roll för den dorsala caudatkärnan, en region som främjar vanligt lärande och incitamentsmotivation, när det gäller att integrera olika neurala ingångar i processen att förvänta sig matbelöning. Under hyperinsulinemi uppnådd med hyperinsulinemisk euglykemisk klämma hade den dorsala caudatkärnan högre basal glukosmetabolism hos överviktiga försökspersoner än hos patienter med normalvikt. FMRI-experimentet visade att även om de överviktiga och normalviktiga försökspersonerna gav liknande självrapporter till matstimulernas behaglighet, framkallade stimuli olika mönster av hjärnaktivering och förändringar i anslutning mellan de två grupperna. När aptitretande och intetsägande livsmedel stod i kontrast till varandra visade caudatkärnan större respons hos de överviktiga. Däremot misslyckades överviktiga ämnen att aktivera kortikala hämmande regioner, såsom de dorsolaterala och orbitofrontala kortikorna, som svar på aptitretande mat; detta fenomen var också signifikant korrelerat med högre basal glukosmetabolism i ryggkaudatkärnan. Slutligen visade samma region i den ryggkaudatkärnan som visade förhöjd glukosmetabolism hos överviktiga mot normalviktiga deltagare också ökad anslutning till amygdala och bakre insula hos överviktiga personer medan de tittade på aptitretande kontra intetsägande livsmedel. Viktigt är att dessa effekter observerades under förhållanden där deltagarna inte medvetet uppmärksammade innehållet i stimulusbilderna. Följaktligen tyder resultaten på att implicit belöningsprocess av visuella ledtrådar för att äta moduleras av fetma, vilket kan förklara varför överviktiga individer har problem med att begränsa sin ätning när de ser kaloririka livsmedel. Vi måste ändå notera att det är möjligt att deltagarna i viss utsträckning kunde ha varit engagerade i explicit belöningsbehandling, även om beteendeuppgiften var oberoende av matbildernas belöningsvärde. Följaktligen måste framtida studier fastställa om överviktiga och normalviktiga individer kan skilja sig med avseende på implicit kontra explicit belöning.

 Regionala skillnader i Caudate Kärnan

Ryggkudatkärnan har varit inblandad i vanligt stimuli-responsinlärning, motivation och konditionering, och avbildningsstudier hos människor tyder på att den bidrar till olika funktioner relaterade till belöningssignalering och beroende. Patienter med drogberoende visar lägre baslinje D2 receptor (D2R) densitet i striatum, och avstängd frisättning av dopamin efter administrering av missbruksmedlet [40]. Matkonsumtion är också förknippad med frisättning av dopamin i dorsal striatum hos friska försökspersoner, och mängden frisatt dopamin korreleras positivt med betyg av matglädlighet [12]. I fMRI-experiment har aktivering av caudatkärnan associerats med självrapporterad sug efter specifika livsmedel [8]och feta individer har visat sig uppvisa förhöjda striatal svar på matbilder [10]. Feta patienter har också sänkt basatal D-patatal2R-densitet, och det har föreslagits att detta kan återspegla nedreglering som kompenserar ofta övergående dopaminökningar på grund av ständig överestimering av belöningskretsen genom läkemedelsanvändning eller ätande [11].

Genom att använda den hyperinsulinemiska klämman simulerade vi en situation där kroppen befinner sig i ett mättat tillstånd när det gäller insulinsignalering. Även om detta tillvägagångssätt inte helt simulerar fysiologisk mättnad på grund av brist på orosensorisk stimulering och frisättning av hormoner från tarmen, har placebo-kontrollerad intravenös glukos visat sig öka hormonella mättnadsmarkörer [41] och dopaminergisk aktivitet i belöningskretsen hos män [42]. Vi fann att dorsal striatum hos de feta individerna förblir hyperaktiva i jämförelse med personer med normal vikt under hyperinsulinemisk klämma. Eftersom fastspänning upprätthåller stabila blodsockernivåer, föreslår den förhöjda glukosmetabolismen hos feta individer under klämman att obesatta kärnor hos feta individer kan bidra till mattrest även när blodsockerkoncentrationen inte kan minska. På grund av dess engagemang i implicit inlärning och vanorbildning kan kaudatet bidra till bearbetning av både implicita (perifera) och explicita (visuella, orosensoriska) mättnadssignaler. Dessa signaler kan därefter leda till överätning även om kroppen inte skulle kräva ytterligare energiintag.

Det har konstaterats att D för feta personer2R-tillgänglighet i striatum är negativt associerad med frontokortikal glukosmetabolism [43]. Våra kombinerade PET-fMRI-data parallellerade dessa resultat. När glukosmetabolismen i caudatkärnan användes som en regressor för att modellera de funktionella responserna på aptitretande och intetsägande livsmedel i fMRI, hittade vi en signifikant negativ koppling till glukosmetabolismen i caudatkärnan och prefrontala BOLDE svar (Figur 5). Följaktligen skulle misslyckande med att ingripa med de prefrontala mekanismerna som bidrar till hämmande kontroll och förmåga attribut kan främja överätning genom att sänka tröskeln för livsmedelsinducerad belöningssignalering i caudatkärnan. Det bör dock noteras att vissa tidigare studier [19] har rapporterat förhöjda frontala svar på matbilder hos överviktiga jämfört med normalviktiga individer. Det är troligt att dessa skillnader mellan studier återspeglar uppdragsberoende engagemang i frontala cortex: medan vår studie involverade implicit bearbetning av kort presenterade matkoder, använde Rothemund och kollegor relativt lång stimulanspresentation med en minnesuppgift. Det är sålunda möjligt att de överviktiga individerna kan misslyckas med att aktivera de kognitiva kontrollkretsarna, särskilt när de inte uttryckligen bearbetar de matvaror de tittar på. Följaktligen tyder detta på att även "oförsedda" eller obevakade matbilder i olika annonser kan utlösa kraftfulla krav på att äta hos överviktiga individer.

Effektiv anslutning av Caudate Nucleus och Amygdala

Amygdala är involverad i tidiga stadier av belöningsbearbetning [44]och det visar konsekventa svar på visuella presentationer av livsmedel [6], [22]. Individuella skillnader i båda belöningsområdena [21] och kroppsvikt [10] är kända för att påverka amygdala-svar på visuella presentationer av livsmedel. I den aktuella studien fann vi också att amygdala-svar på livsmedel var förhöjda hos feta personer. När effektiva anslutningsmönster (PPI) för caudatkärnan inspekterades fann vi dessutom att anslutningen mellan caudatkärnan och den ipsilaterala amygdalaen var förhöjd hos feta personer. I allmän mening överensstämmer dessa data med tidigare fynd hos försökspersoner med normal vikt som visar att effektiv koppling mellan amygdala och stratum påverkas av individuella skillnader i självrapporterad önskan att äta vid synen på livsmedel ("extern matkänslighet") [22]. Ändå, medan tidigare studier har funnit att särskilt det ventrala striatumet är involverat i belöningsförväntning [21] och att kopplingen mellan ventral striatum (nucleus accumbens) och amygdala påverkas av extern matkänslighet [22], fann vi att fetma påverkade kopplingen mellan amygdala och mer ryggdelar i caudatkärnan. Beviset beträffande rollen som dorsal striatum i belöningsbearbetning är ganska blandad, med vissa studier som kopplar den till att behandla förutseende [45] och andra till fulländande [46] belöningar. Icke desto mindre är rollen som dorsal striatum i att koda föreningar mellan åtgärder och resultat för potentiella belöningar mycket bättre fastställd [47], [48]. Följaktligen föreslår vi att upprepade exponeringar för smakliga livsmedel i fetma resulterar i starka mat stimulans-belöning svar föreningar och preferenser, och implicit engagerade resultat utvärderingar beträffande de potentiella fördelarna hos överviktiga individer så modulerar samtrafik mellan amygdala och ryggen striatum vid synen av livsmedel.

Tolkningen av en betydande PPI är att det finns differentiellt engagemang av anatomiska förbindelser som en funktion av psykologiskt sammanhang. Även om PPI inte kan användas för att avslöja om sådana förbindelser existerar eller inte, är det troligt att PPI: er som vi observerade återspeglar förändringar i ingreppet av direkta anatomiska förbindelser mellan utsädes- och målregionerna eftersom sådana direkta anatomiska förbindelser mellan striatum och amygdala stöds genom att spåra studier i andra primater [49], [50]. Icke desto mindre kan inte PPI: erna användas för att dra slutsatsen om den observerade anslutningsriktningen, därför kan vi inte säga om i) ökad glukosmetabolism i caudatkärnan ökar kopplingen mellan caudatkärnan och amygdala eller ii) ökade insatser från amygdala ökar glukosmetabolismen i caudatkärnan.

Amygdala neuroner underlättar belöning som söker via sina prognoser till striatum [44]. Stimulering av μ-opioidreceptorerna i striatum utlöser överätande, men detta kan blockeras genom inaktivering av amygdala [51], [52]. Följaktligen kan förhöjd amygdalo-striatal anslutning leda till toniska ökningar i aktiviteten hos caudatkärnan, vilket kan vara den kritiska mekanismen som förklarar överätning vid fetma. Sammantaget kan amygdala vara involverad i förväntad matbelöning genom att tilldela känslomässig valens till aptitretande matkoder och påverka inlärda och tvångsmässiga ätningsmönster genom förbättrad anslutning till ryggkudatkärnan.

Effektiv anslutning av Caudate Nucleus och Insula

PPI-analyserna visade att samtrafik mellan dorsal striatum och posterior insula var förhöjd hos feta mot normalvikt, medan regionala svar på aptitretande och intetsägande livsmedel i främre insula var mindre hos feta personer. Den främre insulaen integrerar autonoma och viscerala signaler i motiverande och emotionella funktioner, medan den bakre insulaen anses ligga till grund för somatosensorisk, vestibulär och motorisk integration samt övervaka kroppsliga tillstånd [53]. Det senaste arbetet pekar också på att somatosensorisk signalering i insulaen kan bidra betydligt till beroende, särskilt med uppmaningar att konsumera missbruket (se recension i ref. [53]). Tidigare PET- och fMRI-studier har kopplat insula till bearbetning av behaglighet hos externa matkoder [8], [9], [46], men perifera signaler som leptin påverkar också insulärt svar på att se livsmedel. Hos vuxna med leptinbrist är insulära responser på aptitretande livsmedel större under leptinbrist snarare än under leptinersättning. [54]. Dessutom dämpar leptinersättning hos feta individer med leptinbrist insulära svar på att se aptitretande livsmedel [55]. Eftersom insula bearbetar både interna (dvs. hormonella) och externa (dvs. visuella) matrelaterade signaler [56], störningar i denna integrering av interna och externa ledtrådar kan göra att överviktiga personer är mer benägna att äta för mycket vid synen av livsmedel på grund av den förhöjda anslutningen från insula och ryggstratum. Eftersom posterior insula är involverad i övervakning av kroppsliga tillstånd, kan förbättrad koppling mellan posterior insula och ryggkudatkärnan innebära att återkallade representationer av post-prandiala somatiska tillstånd av insulaen potentiellt kan förstärka matningsbeteenden genom incitamentsinlärning som underkastas den dorsala kaudatkärnan. [18]. I överensstämmelse med denna uppfattning, visade caudate-kärnan också högre uppgiftsrelaterade anslutningar med somatosensorisk cortex i fetma, vilket bekräftar att bara visuella signaler om livsmedel kan utlösa somatiska känslor associerade med att äta. Dessa sensationer kan ytterligare främja utfodring även i frånvaro av fysiologiska hungersignaler [15]. Icke desto mindre måste det noteras att vissa tidigare studier har hittat förhöjda främre insulära svar på förväntade och fulländande livsmedelsrelaterade belöningar hos överviktiga snarare än hos mager individer [10], [57]. Även om vi inte har någon tydlig förklaring till dessa diskrepanta fynd, är det möjligt att de kan återspegla skillnader i de feta ämnespopulationerna som är involverade i studierna, såsom äthistorik och vanor samt genetiska och hormonella faktorer.

Begränsningar och framtida riktningar

En uppenbar begränsning av den aktuella studien var att trots en stor provstorlek (n = 35) var jämförelser mellan grupperna för fMRI-data inte signifikanta när de korrigerades för flera jämförelser. Även om skillnaderna mellan grupperna observerades i förutspådda regioner, bör viss försiktighet motiveras vid tolkningen av resultaten. Dessutom måste det betonas att vi inte helt kunde avgränsa den exakta psykologiska mekanismen som resulterar i förhöjda hjärnansvar på matbilder hos feta individer. Även om vi förvärvade värderingar av den upplevda behagligheten ("gilla") av livsmedel, var dessa liknande för feta och normalviktiga individer. Följaktligen är det troligt att en förhöjd gillade av aptitretande livsmedel vid fetma inte kommer att bidra till skillnaderna i hjärnansvar. Det kan emellertid spekuleras i att mattrang i stället för att tycka kan vara nyckelfaktorn som modulerar hjärnans svar på matbilder i fetma. Till stöd för denna hypotes har det visats att även om överviktiga och normalviktiga individer "gillar" livsmedel på liknande sätt, är stressinducerad mattrang mycket högre hos överviktiga individer [58]. I framtida funktionsavbildningsstudier skulle det således vara nödvändigt att avbryta de "begärande" och "gilla" -reaktionerna på livsmedel hos feta jämfört med normalviktiga individer. Med tanke på att begärens svar medieras av belöningskretsens dopaminergiska länk, [24], skulle det vara absolut nödvändigt att genomföra kombinerade neurotransmittor-PET-fMRI-studier där man kan testa om till exempel striatal dopamintillgänglighet hos överviktiga mot magra individer förutsäger belöningskretsens svar på extern stimulering med mat.

Slutsats

Vi visar att fetma är förknippat med förhöjd glukosmetabolism i caudatkärnan, liksom modifierade regionala svar och förändrad anslutning till belöningskretsen när man ser aptitretande och intetsägande livsmedel. Dessa data parallellt med resultaten om förändrad hjärnfunktion vid beroendeframkallande störningar och stöder uppfattningen att fetma kan dela ett gemensamt neuralt underlag med beroende [2], [59]. Specifikt kan förbättrad känslighet för externa matkoder vid övervikt involvera onormalt stimulans-responsinlärning och incitamentmotivering som försämras av ryggkudatkärnan, vilket i sin tur kan bero på onormalt hög inmatning från amygdala och posterior insula och dysfunktionell hämmande kontroll av frontal kortikala regioner. Dessa funktionella förändringar i lyhördhet och samtrafik mellan belöningskretsen och kognitiva styrsystem kan vara en kritisk mekanism som förklarar överätning i övervikty.

Erkännanden

Studien genomfördes inom Finlands centrum för excellens inom molekylär avbildning inom kardiovaskulär och metabolisk forskning, med stöd av Finlands Akademi, Åbo universitet, Åbo universitetssjukhus och Åbo Akademiska universitet. Vi tackar Åbo PET Center radiografer för deras hjälp med datainsamlingen och våra deltagare för att göra denna studie möjlig.

Författarbidrag

 

Tänkt och designat experimenten: LN JH PN. Utförde experimenten: LN JH JCH HI MML PS. Analyserade data: LN JH JCH HI. Skrivde tidningen: LN JH PN.

Referensprojekt

VEM (2000) Fetma: förebygga och hantera den globala epidemin. Rapport om ett WHO-samråd. World Health Organ Tech Rep Ser 894: i – xii, 1 – 253. Hitta den här artikeln online

Volkow ND, Wise RA (2005) Hur kan narkotikamissbruk hjälpa oss att förstå fetma? Nature Neuroscience 8: 555 – 560. Hitta den här artikeln online

Berridge KC (1996) Matbelöning: Hjärnsubstrat av vilja och smak. Neurovetenskap och biobeteende-recensioner 20: 1 – 25. Hitta den här artikeln online

Ikemoto S, Panksepp J (1999) Kärnans accumbens dopamins roll i motiverat beteende: en samlande tolkning med särskild hänvisning till belöningssökande. Brain Research Reviews 31: 6 – 41. Hitta den här artikeln online

Kelley AE (2004) Ventral striatal kontroll av aptitretande motivation: Roll i intagande beteende och belöningsrelaterat lärande. Neurovetenskap och biobeteende-recensioner 27: 765 – 776. Hitta den här artikeln online

Killgore WDS, Young AD, Femia LA, Bogorodzki P, Rogowska J, et al. (2003) Kortikal och limbisk aktivering under visning av livsmedel med högt kaloriinnehåll. NeuroImage 19: 1381 – 1394. Hitta den här artikeln online

LaBar KS, Gitelman DR, Parrish TB, Kim YH, Nobre AC, et al. (2001) Hunger modulerar selektivt kortikolimbisk aktivering till matstimulering hos människor. Beteende Neuroscience 115: 493 – 500. Hitta den här artikeln online

Pelchat ML, Johnson A, Chan R, Valdez J, Ragland JD (2004) Bilder av önskan: aktivering av mattrang under fMRI. NeuroImage 23: 1486 – 1493. Hitta den här artikeln online

Wang GJ, Volkow ND, Telang F, Jayne M, Ma J, et al. (2004) Exponering för aptitretande matstimulering aktiverar den mänskliga hjärnan markant. Neuroimage 21: 1790 – 1797. Hitta den här artikeln online

Stoeckel LE, Weller RE, Cook EW Iii, Twieg DB, Knowlton RC, et al. (2008) Utbredd aktivering av belöningssystemet hos feta kvinnor som svar på bilder av kalorifoder. NeuroImage 41: 636 – 647. Hitta den här artikeln online

Wang GJ, Volkow ND, Logan J, Pappas NR, Wong CT, et al. (2001) Hjärndopamin och fetma. Lancet 357: 354 – 357. Hitta den här artikeln online

Liten DM, Jones-Gotman M, Dagher A (2003) Matningsinducerad frisättning av dopamin i ryggstriatum korrelerar med måltidernas behaglighet hos friska mänskliga frivilliga. NeuroImage 19: 1709 – 1715. Hitta den här artikeln online

Kelley AE, Berridge KC (2002) Neurovetenskapen av naturliga belöningar: Relevans för beroendeframkallande läkemedel. Journal of Neuroscience 22: 3306 – 3311. Hitta den här artikeln online

Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Telang F (2008) Överlappande neuronala kretsar i beroende och fetma: bevis på systempatologi. Filosofiska transaktioner från Royal Society B-Biology Sciences 363: 3191 – 3200. Hitta den här artikeln online

Cornell CE, Rodin J, Weingarten H (1989) Stimulusinducerad ätande när man är mättad. Physiol Behav 45: Hitta den här artikeln online

Koob GF, Volkow ND (2010) Neurocircuitry of Addiction. Neuropsykofarmakologi 35: 217 – 238. Hitta den här artikeln online

Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK, et al. (2008) Låga dopamin-striatal D2-receptorer är associerade med prefrontal metabolism hos feta personer: Möjliga bidragande faktorer. NeuroImage 42: 1537 – 1543. Hitta den här artikeln online

Verdejo-Garcia A, Bechara A (2009) En somatisk markörteori om missbruk. Neuropharmacology 56: 48 – 62. Hitta den här artikeln online

Rothemund Y, Preuschhof C, Bohner G, Bauknecht HC, Klingebiel R, et al. (2007) Differentialaktivering av ryggstratumet med visuell matstimulering med hög kalori hos feta individer. NeuroImage 37: 410 – 421. Hitta den här artikeln online

Franken IHA, Muris P (2005) Individuella skillnader i belöningskänslighet är relaterade till mattrang och relativ kroppsvikt hos friska kvinnor. Appetit 45: 198 – 201. Hitta den här artikeln online

Beaver JB, Lawrence AD, van Ditzhuijzen J, Davis MH, Woods A, et al. (2006) Individuella skillnader i belöning driver för att förutsäga neurala svar på bilder av mat. Journal of Neuroscience 26: 5160 – 5166. Hitta den här artikeln online

Passamonti L, Rowe JB, Schwarzbauer C, Ewbank MP, von dem Hagen E, et al. (2009) Personlighet förutspår hjärnans svar på att se aptitretande livsmedel: Neurala grunden för en riskfaktor för överätning. J Neurosci 29: 43–51. Hitta den här artikeln online

Dagher A (2009) Neurobiologin i aptit: hunger som beroende. International Journal of Obesity 33: S30 – S33. Hitta den här artikeln online

Berridge KC, Ho CY, Richard JM, DiFeliceantonio AG (2010) Den frestade hjärnan äter: Nöje och lustkretsar i fetma och ätstörningar. Hjärnforskning 1350: 43 – 64. Hitta den här artikeln online

Stoeckel LE, Kim J, Weller RE, Cox JE, Cook EW Iii, et al. (2009) Effektiv anslutning av ett belöningsnätverk hos feta kvinnor. Hjärnforskningsbulletin 79: 388 – 395. Hitta den här artikeln online

Sokoloff L (1999) Energetik för funktionell aktivering i nervvävnader. Neurokemisk forskning 24: 321 – 329. Hitta den här artikeln online

DeFronzo RA, Tobin JD, Andres R (1979) Glukosklämmeteknik: en metod för att kvantifiera insulinsekretion och resistens. AmJPhysiol 237: E214 – E223. Hitta den här artikeln online

Bradley MM, Lang PJ (1994) Mätning av känslor - Självutvärderingsskyltdockan och den semantiska skillnaden. Journal of Behavior Therapy and Experimental Psychiatry 25: 49–59. Hitta den här artikeln online

Kaisti KK, Langsjo JW, Aalto S, Oikonen V, Sipila H, et al. (2003) Effekter av sevofluran, propofol och tillsats av kväveoxid på regionalt cerebralt blodflöde, syreförbrukning och blodvolym hos människor. Anestesiologi 99: 603 – 613. Hitta den här artikeln online

Kaisti KK, Metsahonkala L, Teras M, Oikonen V, Aalto S, et al. (2002) Effekter av kirurgiska nivåer av propofol och sevofluranbedövning på cerebralt blodflöde hos friska försökspersoner studerade med positronemissionstomografi. Anestesiologi 96: 1358 – 1370. Hitta den här artikeln online

Hamacher K, Coenen HH, Stocklin G (1986) Effektiv stereospecifik syntes av icke-bärare-tillsatt 2- [F-18] -Fluoro-2-Deoxy-D-glukos med användning av aminopolyeter-stödd nukleofil substitution. Journal of Nuclear Medicine 27: 235 – 238. Hitta den här artikeln online

Graham MM, Muzi M, Spence AM, O'Sullivan F, Lewellen TK, et al. (2002) FDG klumpade konstant i normal människohjärna. Journal of Nuclear Medicine 43: 1157 – 1166. Hitta den här artikeln online

Maldjian JA, Laurienti PJ, Kraft RA, Burdette JH (2003) En automatiserad metod för neuroanatomisk och cytoararkitektonisk atlasbaserad förhör av fMRI-datauppsättningar. Neuroimage 19: 1233 – 1239. Hitta den här artikeln online

Tzourio-Mazoyer N, Landeau B, Papathanassiou D, Crivello F, Etard O, et al. (2002) Automatiserad anatomisk märkning av aktiveringar i SPM med hjälp av en makroskopisk anatomisk parcellation av MNI MRI-individens hjärna. Neuroimage 15: 273 – 289. Hitta den här artikeln online

Amaro E, Barker GJ (2006) Studiedesign i MRT: Grundläggande principer. Hjärna och kognition 60: 220 – 232. Hitta den här artikeln online

Friston KJ, Buechel C, Fink GR, Morris J, Rolls E, et al. (1997) Psykofysiologiska och modulatoriska interaktioner vid neuroimaging. NeuroImage 6: 218 – 229. Hitta den här artikeln online

Passamonti L, Rowe JB, Ewbank M, Hampshire A, Keane J, et al. (2008) Anslutningsförmåga från det centrala främre cingulatet till amygdala moduleras av aptitlig motivation som svar på ansiktssignaler om aggression. NeuroImage 43: 562 – 570. Hitta den här artikeln online

Kriegeskorte N, Simmons WK, Bellgowan PSF, Baker CI (2009) Cirkulär analys i systemets neurovetenskap: farorna med dubbel doppning. Nature Neuroscience 12: 535 – 540. Hitta den här artikeln online

Gitelman DR, Penny WD, Ashburner J, Friston KJ (2003) Modellering av regionala och psykofysiologiska interaktioner i fMRI: vikten av hemodynamisk dekonvolution. NeuroImage 19: 200 – 207. Hitta den här artikeln online

Volkow ND, Fowler JS, Wang GJ, Swanson JM (2004) Dopamin vid drogmissbruk och missbruk: resultat från bildstudier och implikationer av behandlingen. Molekylär psykiatri 9: 557 – 569. Hitta den här artikeln online

Haltia LT, Savontaus E, Vahlberg T, Rinne JO, Kaasinen V (2010) Akuta hormonella förändringar efter intravenös glukosutmaning hos magra och överviktiga människor. Scandinavian Journal of Clinical & Laboratory Investigation 70: 275–280. Hitta den här artikeln online

Haltia LT, Rinne JO, Merisaari H, Maguire RP, Savontaus E, et al. (2007) Effekter av intravenös glukos på dopaminerg funktion i människans hjärna in vivo. Synapse 61: 748 – 756. Hitta den här artikeln online

Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Thanos PK, et al. (2008) Låga dopamin-striatal D2-receptorer är associerade med prefrontal metabolism hos feta personer: Möjliga bidragande faktorer. NeuroImage 42: 1537 – 1543. Hitta den här artikeln online

Ambroggi F, Ishikawa A, Fields HL, Nicola SM (2008) Basolaterala amygdala neuroner underlättar belöningssökande beteende av spännande nucleus accumbens neuroner. Neuron 59: 648 – 661. Hitta den här artikeln online

Volkow ND, Wang GJ, Fowler JS, Logan J, Jayne M, et al. (2002) ”Nonhedonic” matmotivation hos människor involverar dopamin i ryggstriatumet och metylfenidat förstärker denna effekt. Synapse 44: 175 – 180. Hitta den här artikeln online

Small DM, Zatorre RJ, Dagher A, Evans AC, Jones-Gotman M (2001) Förändringar i hjärnans aktivitet relaterade till att äta choklad - Från nöje till motvilja. Hjärna 124: 1720–1733. Hitta den här artikeln online

O'Doherty J, Dayan P, Schultz J, Deichmann R, Friston K, et al. (2004) Oskiljbara roller ventral- och ryggstratum i instrumentell konditionering. Vetenskap 304: 452 – 454. Hitta den här artikeln online

Balleine BW, Delgado MR, Hikosaka O (2007) Dorsalstriatumets roll i belöning och beslutsfattande. Journal of Neuroscience 27: 8161 – 8165. Hitta den här artikeln online

Russchen FT, Bakst I, Amaral DG, Price JL (1985) Amygdalostriatal Projections in the Monkey - an Anterograde Tracing Study. Hjärnforskning 329: 241–257. Hitta den här artikeln online

Friedman DP, Aggleton JP, Saunders RC (2002) Jämförelse av hippocampal-, amygdala- och perirhinalprojektioner med nucleus accumbens: Kombinerad anterograde och retrograd spårningsstudie i den makakiska hjärnan. Journal of Comparative Neurology 450: 345 – 365. Hitta den här artikeln online

Will MJ, Franzblau EB, Kelley AE (2004) Amygdala är avgörande för opioidmedierad binge äta av fett. NeuroReport 15: 1857 – 1860. Hitta den här artikeln online

Baldo BA, Alsene KM, Negron A, Kelley AE (2005) Hyperfagi inducerad av GABAA-receptormedierad hämning av nucleus accumbens-skalet: Beroende av intakt neuralt utsignal från det centrala amygdaloidområdet. Beteende Neuroscience 119: 1195 – 1206. Hitta den här artikeln online

Naqvi NH, Bechara A (2009) Den dolda beroende ön: insulaen. Trender i neurovetenskap 32: 56 – 67. Hitta den här artikeln online

Baicy K, London ED, Monterosso J, Wong ML, Delibasi T, et al. (2007) Leptinersättningen förändrar hjärnans respons på matkoder hos genetiskt leptinbristade vuxna. Förfaranden från National Academy of Sciences 104: 18276 – 18279. Hitta den här artikeln online

Rosenbaum M, Sy M, Pavlovich K, Leibel RL, Hirsch J (2008) Leptin vänder viktförlustinducerade förändringar i regionala nervaktivitetsresponser på visuell matstimuli. Journal of Clinical Investigation 118: 2583 – 2591. Hitta den här artikeln online

Cornier MA, Salzberg AK, Endly DC, Bessesen DH, Rojas DC, et al. (2009) Effekterna av överfodring på neuronal respons på visuella livsmedelstecken hos tunna och nedsatt överviktiga individer. PLoS ONE 4: e6310. Hitta den här artikeln online

Stice E, Spoor S, Bohon C, Veldhuizen MG, Small DM (2008) Relation mellan belöning från livsmedelsintag och förväntat livsmedelsintag till fetma: En funktionell magnetisk resonansavbildningstudie. Journal of Abnormal Psychology 117: 924 – 935. Hitta den här artikeln online

Lemmens SG, Rutters F, Born JM, Westerterp-Plantenga MS (i pressen) Stress ökar mat som "vill" och energiintag hos personer med viscerala övervikt i frånvaro av hunger. Fysiologi och beteende i press, korrigerat bevis.

Nathan PJ, Bullmore ET (2009) Från smakhedonik till motiverande drivkraft: centrala mu-opioidreceptorer och binge-äta beteende. International Journal of Neuropsychopharmacology 12: 995 – 1008. Hitta den här artikeln online