Dana M. Small, Alexandra G. DiFeliceantonio
Vetenskap 25 Jan 2019:
Vol. 363, nummer 6425, sid. 346-347
DOI: 10.1126 / science.aav0556
Signaler som förmedlar näringsinformation från tarmen till hjärnan reglerar matförstärkning och val av mat (1-4). Specifikt, även om centrala neurala beräkningar utför val, kommunicerar tarmens nervsystem information om näringsresultaten av val till hjärnan så att representationen av matvärden kan uppdateras. Här diskuterar vi de senaste fynden som tyder på troheten hos tarm-hjärna-signalering och den resulterande representationen av matvärde äventyras av bearbetade livsmedel (3, 4). Att förstå denna axel kan informera om utfodringsbeteende som involverar bearbetade livsmedel och fetma.
År 1947 avslöjade experiment där gnagare matades isokaloriska dieter som varierade i volym att gnagare exakt titrerade volymen mat som konsumerades för att bibehålla konstant kaloriintag över dagar, vilket indikerar att "råttor äter för kalorier" (5). Detta innebar att en signal måste genereras för att kommunicera matens energetiska värde till hjärnan för att styra intaget. Senare bekräftade andra att dessa "post-intag"-signaler kan vara förstärkande genom att visa att djur kan skapa preferenser för smaker som konsumeras med kalorier jämfört med de som konsumeras utan - en form av inlärning som kallas smak-näringskonditionering (FNC) (6). Viktigt är att FNC inträffar även i frånvaro av samtidig oral sensorisk stimulering, vilket isolerar post-intagssignaler som nyckelförstärkaren (7). Till exempel, djur som saknar det neurobiologiska maskineriet för att omvandla söt smak bildar ändå preferenser för vatten som innehåller sackaros jämfört med enbart vatten, och detta beteende åtföljs av ökningar av extracellulärt dopamin i striatum, en hjärnregion som är nödvändig för motivation och inlärning. Kritiskt är dock att infusion av det antimetabola medlet 2-deoxiglukos, som blockerar cellers förmåga att använda glukos som bränsle, dämpar extracellulär dopamin och preferensbildning (1). Dessa signaler är sannolikt neurala snarare än endokrina (det vill säga hormonella) eftersom ökningen av extracellulärt dopamin är snabb efter intragastrisk infusion av glukos (8). Dessutom ökar infusion av glukos men inte icke-metaboliserbar glukos vid portvenen extracellulärt dopamin (8). Sammantaget antyder detta att hos djur är den obetingade stimulansen som driver förstärkning av socker (kolhydrater) en metabolisk signal som produceras när celler använder glukos som bränsle; Denna signal avkänns sedan av en mekanism i portvenen och överförs sedan till hjärnan för att reglera dopaminsignaleringen (se figuren). Den exakta naturen hos den metaboliska signalen, dess sensor och hur den överförs till hjärnan är okänd.
Det finns bevis för att en liknande mekanism fungerar hos människor. Neuroimagingstudier har fastställt att matsignaler, som förutsäger kalorier, aktiverar striatum hos människor och att omfattningen av dessa svar regleras av metaboliska signaler (9). Specifikt förutsäger ökningar av blodplasmaglukos efter konsumtion av en kolhydratinnehållande dryck storleken av betingad striatal respons på synen och smaken av drycken. Eftersom glukos måste finnas närvarande för att kunna användas som bränsle, tyder detta på att hos människor, liksom hos djur, beror kolhydratförstärkning på en metabolisk signal som är associerad med närvaron av glukos. Dessutom tyder observationer hos människor på att hjärnans representation av de metabola signalerna är oberoende av medvetna uppfattningar, såsom matliknande. Samma striatala svar på den kaloriförutsägande smaksignalen som var så hårt kopplade till förändringar i plasmaglukos var inte relaterade till deltagarnas uppskattade tycke för dryckerna. Detta överensstämmer med ytterligare neuroimaging-studier som visar att den faktiska energitätheten, och inte den uppskattade energitätheten eller uppskattade tyckandet för matbilder, förutsäger betalningsvilja för mat och striatala belöningskretssvar (3, 10). Dessa observationer tyder på att neural representation av dessa förstärkande näringssignaler är oberoende av medvetna uppfattningar om mat. En spännande möjlighet är att de metabola signalerna är viktiga generatorer av incitamentframträdande (hur ledtrådar blir motiverande meningsfulla) och att de distinkta vägarna som initieras av dessa signaler kartläggs till matlustande kontra matliknande neurala kretsar (11).
Lipider är en annan viktig energikälla som metaboliseras annorlunda än kolhydrater. Följaktligen skiljer sig vägen genom vilken fettets energivärde kommuniceras till hjärnan. Blockering av oxidation av fett ökar fettaptiten, och blockering av glukosoxidation ökar sockeraptiten. Vagotomi (operation för att skära av vagusnerven) hos möss stör dock bara den ökade aptiten på fett, vilket lämnar glukosaptiten opåverkad (12). Konsekvent, liksom glukos, ger direkt infusion av lipider i tarmen en omedelbar ökning av extracellulärt striatalt dopamin. Detta sker dock genom en peroxisomproliferatoraktiverad receptor α (PPARα)-specifik mekanism (2). PPARα uttrycks av duodenala och jejunala enterocyter i tunntarmen och signalerar till vagusnerven genom ännu okända mekanismer. Liksom striatal dopaminfrisättning av glukos är ökningen av dopamin snabb, vilket överensstämmer med neurala snarare än endokrina signaler. Dessutom är aktivering av dessa vagala sensoriska neuroner i övre tarmen som skjuter ut till höger nodos ganglion, bakhjärna, substantia nigra och dorsala striatum tillräcklig för att stödja belöningsinlärning (platspreferens) och för att frigöra striatalt dopamin hos möss (13). Huruvida denna väg finns hos människor är oklart, och om sådana metaboliska neurala afferenta (MNA) vägar finns för andra lipider och näringsämnen undersöks.
Upptäckten att den obetingade stimulansen som stöder matförstärkning är en MNA-signal - som åtminstone ibland är oberoende av sensorisk njutning - är överraskande. Men djupare reflektion avslöjar elegansen i denna lösning. Alla organismer måste skaffa energi för att överleva, och de flesta saknar högre ordningens hjärnfunktioner som stödjer medvetandet. Således återspeglar mekanismen sannolikt ett konserverat system utformat för att vidarebefordra matens näringsegenskaper till centrala kretsar i hjärnan som reglerar matning oberoende av medvetandet, så att maten är lika förstärkande som den är en användbar energikälla. Följaktligen är en högtrogen överföring av näringsinformation från tarmen till hjärnan avgörande för en korrekt uppskattning av värdet.
Även om det är tydligt att den moderna matmiljön främjar fetma och diabetes, omger kontroverser de exakta mekanismerna genom vilka detta händer. Moderna bearbetade livsmedel tenderar att vara energitäta, är konstruerade för att vara så oemotståndliga som möjligt och erbjuda näringsämnen i doser och kombinationer som man inte har stött på tidigare. Eftersom energiska signaler driver förstärkning, kan ökade doser öka den förstärkande och därmed "beroendeframkallande" potentialen hos bearbetade livsmedel. Dessa kanske inte är de enda faktorerna som bidrar till ökad diabetes och fetma.
För att öka smakligheten tillsätts ofta icke-närande sötningsmedel (ämnen utan kaloriinnehåll) till livsmedel och drycker som också innehåller näringsrika sockerarter och stärkelse. Till exempel innehåller sockersötade drycker de näringsrika sockerarna glukos och fruktos, samt icke-närande sötningsmedel sukralos och acesulfam K. Yoghurter innehåller ofta näringsrika sockerarter och icke-närande sötningsmedel som steviabladextrakt. En kort genomgång av livsmedelsetiketter i en livsmedelsbutik kommer att avslöja många exempel på livsmedel och drycker som innehåller både näringsrika sockerarter och icke-närande sötningsmedel. Däremot i obearbetade livsmedel är sötman proportionell mot sockerhalten, och därför kaloriinnehållet (energi) i maten. Nya bevis tyder på att produkter som innehåller en kombination av näringsrika sockerarter och icke-närande sötningsmedel ger överraskande metaboliska och förstärkande effekter. Till exempel kommer att konsumera en dryck på 115 kcal inducera större termogena effekter om sötman "matchas" till kalorimängden jämfört med om den är för söt eller inte tillräckligt söt (4). Eftersom dietinducerad termogenes (DIT) är en markör för näringsämnesmetabolism och metabolisk respons driver förstärkning genom MNA, kan en "matchad" dryck med lägre kalorier betinga bättre smak och striatal respons än en "felmatchad" dryck med högre kalorier (4). Viktigt är att denna effekt uppstår även om plasmaglukos stiger. Detta visar att hos människor, liksom hos djur, är det inte närvaron av näringsämnet i tarmen eller blodet som driver förstärkningen utan snarare genereringen av en MNA när näringsämnet används som bränsle som är avgörande. Mekanismen bakom denna "mismatch"-effekt hos människor är okänd och kräver ytterligare studier. I synnerhet är förståelsen för det ometaboliserade glukosens öde, och att avgöra om det finns konsekvenser för diabetes och fetma, en kritisk framtida riktning. Det som är tydligt är att det energirika värdet av drycker som innehåller näringsrika sockerarter och icke-närande sötningsmedel inte kommuniceras korrekt till hjärnan, åtminstone under vissa omständigheter, och detta kan leda till generering av felaktiga signaler, inte bara för att reglera belöning utan även processer som energilagring och uppdelning av näringsämnen.
Förstärker metaboliska signaler till hjärnan
I denna föreslagna modell för att förstärka metaboliska neurala afferenta (MNA) signaler, beror signalen för fett på PPARα-medierad aktivering av vagala sensoriska afferenter som projicerar till höger nodosganglion, bakhjärnan, substantia nigra och dorsala striatum. Signalen för kolhydrater genereras under glukosoxidation och aktiverar en okänd portalvensensor, som inducerar en signal som aktiverar mellanhjärnans dopaminneuroner som skjuter ut mot striatum. Ett oberoende kortikalt nätverk integrerar MNA-signaler med medvetet värde.
GRAFIK: A. KITTERMAN/VETENSKAP
Ett andra exempel på komprometterad trohet för tarm-hjärnsignalering kommer från en studie där förstärkningsvärdet för livsmedel som innehåller primärt fett, primärt kolhydrater eller både fett och kolhydrater jämfördes (3). Livsmedel med högt innehåll av både fett och kolhydrater finns inte lätt i icke-bearbetade livsmedel men är ofta föremål för matsug (till exempel choklad och munkar). Studien visade att från ett urval av lika kaloririka och omtyckta livsmedel ville människor ha mat som hade fett och kolhydrater mer än de med fett eller enbart kolhydrater, och detta återspeglades i supra-additiva striatala svar (3). Detta kan bidra till att vissa livsmedel är sugna eller mer oemotståndliga än andra och därför spelar en roll vid överätande.
Dessa nya fynd pekar på två separerbara system som driver matvalet. Ett system reflekterar direkt näringsvärdet av livsmedel och är beroende av metaboliska signaler som når hjärnan (MNA). Detta näringsavkännande system verkar spela en avgörande roll för att reglera striatalt dopamin, bestämma matens värde och driva valet av mat. I det andra systemet är medvetna uppfattningar som smak och övertygelser om kaloriinnehåll, kostnad och hälsosamhet hos livsmedel också viktiga bestämningsfaktorer för val av mat (14, 15). Neurala beräkningar relaterade till medvetna bidragsgivare till värde verkar skilja sig från de som är relaterade till näringsförstärkande signaler från MNA och att vara beroende av kretsar inom den prefrontala cortex och insulära cortex (9). Att bestämma hur de två systemen interagerar för att reglera intagsbeteende och näringsämnesmetabolism är ett viktigt forskningsämne.
Bevis samlas på att näringsinnehållet i bearbetade livsmedel inte förmedlas korrekt till hjärnan. Detta ökar möjligheten att hur livsmedel tillagas och bearbetas, utöver deras energitäthet eller smaklighet, påverkar fysiologin på oväntade sätt som kan främja överätande och metabolisk dysfunktion. En bättre förståelse för hur egenskaperna hos bearbetade livsmedel interagerar med tarm-hjärnans väg är avgörande, liksom att avgöra om sådana effekter påverkar mättnadssignalering, matens beroendeframkallande egenskaper, metabol hälsa och fetma. Dessutom, även om vi fokuserar på fett och kolhydrater, finns det sannolikt flera signalvägar för att förmedla en mängd näringsinformation till hjärnan för att vägleda val av mat – och dessa vägar kan påverkas på liknande sätt av bearbetade livsmedel.
http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse
Detta är en artikel som distribueras under villkoren i Science Journals standardlicens.
Referenser och anteckningar
- ↵
- LA Tellez et al
., J. Physiol. 591, 5727 (2013).
- ↵
- LA Tellez et al
., Science 341, 800 (2013).
Sammanfattning / GRATIS Fullständig textGoogle Scholar
- ↵
- AG DiFeliceantonio et al
., Cell Metab. 28, 33 (2018).
- ↵
- MG Veldhuizen et al
., Curr. Biol. 27, 2476 (2017).
- ↵
- EF Adolph
, Am. J. Physiol. 151, 110 (1947).
- ↵
- GL Holman
J. Comp. Physiol. Psychol. 69, 432 (1969).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Scholar
- ↵
- X. Ren et al
., J. Neurosci. 30, 8012 (2010).
Sammanfattning / GRATIS Fullständig textGoogle Scholar
- ↵
- L. Zhang et al
., Front. Integr. Nuerosci. 12, 57 (2018).
- ↵
- IE de Araujo et al
., Curr. Biol. 23, 878 (2013).
- ↵
- DW Tang et al
., Psychol. Sci. 25, 2168 (2014).
- ↵
- KC Berridge
Neurosci. Biobehav. Rev. 20, 1 (1996).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Scholar
- ↵
- S. Ritter,
- JS Taylor
, Am. J. Physiol. 258, R1395 (1990).
- ↵
- W. Han et al
., Cell 175, 665 (2018).
- ↵
- TA Hare et al
., Science 324, 646 (2009).
Sammanfattning / GRATIS Fullständig textGoogle Scholar
- ↵
- H. Plassmann et al
., J. Neurosci. 30, 10799 (2010).
Sammanfattning / GRATIS Fullständig textGoogle Scholar
Tack: Vi tackar I. de Araujo, A. Dagher, S. La Fleur, S. Luquet, M. Schatzker och M. Tittgemeyer för deras hjälp med att forma vårt perspektiv. Vi tackar B. Milner för hennes banbrytande arbete med implicit lärande.
;
