Strukturell integritet mellan verkställande kontroll och belöningsregioner i hjärnan förutsäger kroppsfettprocent i kroniska dieters (2016)

Kognitiv neurovetenskap
 

Pin-Hao Andy Chen, Robert S. Chavez & Todd F. Heatherton

Sidorna 1-5 | Mottaget 19 apr 2016, Godkänd 05 Sep 2016, Godkänd författarversion publicerad online: 23 Sep 2016, Publicerad online: 11 Okt 2016

Abstrakt

Underlåtenhet att upprätthålla en hälsosam kroppsvikt kan återspegla en långsiktig obalans mellan den verkställande kontroll- och belöningssystemen i hjärnan. Den aktuella studien undersökte huruvida den anatomiska anslutningen mellan dessa två system förutspådde individuell variabilitet när det gäller att uppnå en hälsosam kroppsvikt, särskilt hos kroniska dieter. Trettiosex kvinnliga kroniska bantare slutförde en mat-cue-reaktivitetsuppgift i skannern. Två områden av intresse (ROI) definierades från reaktivitetsuppgiften: den inferior frontala gyrusen (IFG), som engagerar kognitiv kontroll och den orbitofrontala cortex (OFC), som representerar belöningsvärde. En vit substans som förbinder dessa två ROI identifierades över deltagare med användning av diffusionstensoravbildning (DTI) och probabilistisk traktografi. Resultaten visade ett negativt samband mellan kroppsfettprocent och vit substans integritet inom det identifierade området. Detta tyder på att minskad strukturell integritet mellan OFC och IFG kan vara relaterad till självreglerande problem för dem som kroniskt dieter för att kontrollera kroppsvikten.

NYCKELORD: Självkontroll, diffusionstensoravbildning, anslutning, funktionell magnetisk resonansbildning, individuella skillnader, fetma

Beskrivning

Fetma och bantning har ökat avsevärt under de senaste decennierna, med många dietare som misslyckats med att gå ner i vikt under långa perioder och blivit kroniska bantare (Andreyeva, Long, Henderson, & Grode, 2010 Andreyeva, T., Long, MW, Henderson, KE, & Grode, GM (2010). Att försöka gå ner i vikt: Dietstrategier bland amerikaner med övervikt eller fetma 1996 och 2003. Journal of the American Dietetic Association, 110(4), 535-542. doi:10.1016/j.jada.2009.12.029[CrossRef], [PubMed]). Bland dessa individer går en del upp ännu mer i vikt efter år av bantning (van Strien, Herman, & Verheijden, 2014 van Strien, T., Herman, CP, & Verheijden, MW (2014). Dietmässig återhållsamhet och kroppsmassaförändring. En 3-årig uppföljningsstudie i ett representativt holländskt urval. Aptit, 76, 44 – 49. doi: 10.1016 / j.appet.2014.01.015[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), och därmed engagerar sig i beteenden som undergräver deras mål. En omfattande genomgång av fetma tyder på att inte bara den ökade belöningskänsligheten för matsignaler utan brister i självreglering också spelar en roll vid fetma (Volkow, Wang, Tomasi, & Baler, 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D., & Baler, RD (2013). Fetma och beroende: Neurobiologiska överlappningar. Fetma recensioner, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). På liknande sätt kan individuella skillnader när det gäller att uppnå eller bibehålla långvarig dietframgång återspegla skillnader i självreglerande förmåga (Heatherton, 2011 Heatherton, TF (2011). Neurovetenskap om själv- och självreglering. Årlig översyn av psykologi, 62(1), 363-390. doi:10.1146/annurev.psych.121208.131616[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Enligt balansmodellen återspeglar sådana självreglerande resultat individuella skillnader i balansen mellan hjärnregioner som är involverade i exekutiva kontroll, t.ex. den nedre frontala gyrusen (IFG) och regioner som representerar belöningsvärde, t.ex. orbitofrontal cortex (OFC) (Heatherton) & Wagner, 2011 Heatherton, TF, & Wagner, DD (2011). Kognitiv neurovetenskap om självregleringsfel. Trends in Cognitive Sciences, 15(3), 132–139. doi:10.1016/j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). En balans mellan belöning och kontroll är beroende av kommunikationen mellan IFG och OFC (Wagner, Altman, Boswell, Kelley, & Heatherton, 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2013). Självreglerande utarmning förbättrar neurala svar på belöningar och försämrar kontrollen uppifrån och ned. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), vilket återspeglas i kopplingen mellan dem. Individuella skillnader i den strukturella integriteten hos dessa anatomiska vägar kan förutsäga det långsiktiga resultatet av kronisk diet, såsom kroppsfettprocent.

För att isolera regioner i hjärnan som är kända för att vara involverade i att bearbeta matens aptitliga värde, använde vi en food-cue-reaktivitetsuppgift för att lokalisera IFG- och OFC-regionerna av intresse (ROI) med hjälp av funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) . Recensioner av denna forskning tyder på att kroniska bantare tenderar att visa överdriven aktivitet till aptitretande matsignaler i både belöningsregioner och regioner som är involverade i verkställande kontroll efter att ha blivit utsatta för tillstånd associerade med dietmisslyckande i den verkliga världen, som att konsumera kaloririk mat eller vara uttömda i sin kognitiva kontroll (Kelley, Wagner, & Heatherton, 2015 Kelley, WM, Wagner, DD, & Heatherton, TF (2015). På jakt efter ett mänskligt självregleringssystem. Årlig granskning av neurovetenskap, 38(1), 389–411. doi:10.1146/annurev-neuro-071013-014243[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Volkow et al., 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D., & Baler, RD (2013). Fetma och beroende: Neurobiologiska överlappningar. Fetma recensioner, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Sålunda använde vi en food-cue-reaktivitetsuppgift för att lokalisera omfattningen av IFG- och OFC-regionerna som är involverade i food-cue-bearbetning, och vi använde sedan dessa två regioner som frömasker för probabilistisk traktografi i en diffusionstensor imaging (DTI) analys för att beräkna vit substans integritet mellan dessa två regioner. Syftet med denna studie var att använda ett multimodalt tillvägagångssätt för att isolera vita substanser mellan funktionellt definierade regioner av IFG och OFC. Detta tillvägagångssätt erbjuder ett målinriktat sätt att undersöka huruvida strukturell integritet i detta område förutsäger kroniska dieters variation i kroppsfettprocent. Vi antog att kroniska bantare som hade den högsta kroppsfettprocenten skulle visa lägst strukturell integritet i kanalen som förbinder IFG och OFC.

Metoder

Fyrtio högerhänta kvinnliga kroniska bantare som fick högre poäng än 15 på Restraint Scale, ett mått på kronisk bantning (Heatherton, Herman, Polivy, King, & McGree, 1988 Heatherton, TF, Herman, CP, Polivy, J., King, GA, & McGree, ST (1988). The (fel)mätning av återhållsamhet: En analys av konceptuella och psykometriska frågor. Journal of Abnormal Psychology, 97(1), 19–28. doi:10.1037/0021-843X.97.1.19[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), rekryterades i denna studie från ett stort urval av högskolestudenter. Deltagarna screenades för att inte ha någon historia av metaboliska, psykologiska eller neurologiska abnormiteter. Fyra deltagare uteslöts på grund av överdrivna huvudrörelser (mer än 3 mm i antingen x-, y- eller z-riktning) under skanning, vilket resulterade i en provstorlek på 36 kroniska dietare. Dieter vägdes med hjälp av en Tanita-våg (modell TBF-300A Arlington Heights), som har bevisats tillförlitligt mäta kroppsfettprocent. Bland dessa kroniska bantare var den genomsnittliga kroppsfettprocenten 29.6 % (SD = 5.5 %; intervall = 16.6–38.2 %) och medelkroppsmassaindex (BMI) var 23.9 (SD = 3.1 %, intervall = 17.2–33.7, tabell 1) .

Tabell 1. Befolkningens demografiska och dietegenskaper.

CSVSkärmtabell

För att lokalisera IFG och OFC ROIs som är involverade i mat-cue-bearbetning, använde vi ett food-cue-reaktivitetsparadigm som en lokaliseringsuppgift. Före denna lokaliseringsuppgift använde vi en utarmande hämmande kontrolluppgift, eftersom denna uppgift hjälper till att framkalla robust belöningsaktivitet (Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2013). Självreglerande utarmning förbättrar neurala svar på belöningar och försämrar kontrollen uppifrån och ned. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). I denna utarmande hämmande kontrolluppgift ombads deltagarna att se en 7-minuters video om kanadensiska bighorn-bergsfår med en serie distraktionsord som rörde sig från botten till mitten av skärmen på 3 s (40 ord totalt). Deltagarna instruerades att undvika att läsa distraktionsorden och bara fokusera på att titta på videon. Omedelbart efter den utarmande hämmande kontrolluppgiften fick deltagarna mat-cue-reaktivitetsuppgiften. Denna uppgift bestod av 90 aptitretande matbilder och ytterligare 180 bilder som involverade människor eller naturliga scener som kontrollbilder. Varje bild presenterades i 2000 ms och följdes av fixering i ytterligare 500 ms i en händelserelaterad design. Deltagarna instruerades att göra en inomhus-/utomhusbedömning för varje bild genom att trycka på knappar. Denna bedömningsuppgift fick deltagarna att hålla fokus på denna uppgift utan att vara medvetna om vårt studiesyfte, som var att lokalisera hjärnregioner som svarade på matsignaler.

fMRI-data från mat-cue-reaktivitetsuppgiften förbehandlades och analyserades med SPM8 (Wellcome Department of Cognitive Neurology, London, England). Förbearbetningsprocedurerna inkluderade rörelsekorrigering, omjustering, unwarping, normalisering till standardutrymme och 6 mm full bredd vid halva maximala (FWHM) Gaussisk kärnutjämning (se tilläggsmaterialet för en detaljerad beskrivning av fMRI-skanningsparametrarna). För varje deltagare beräknades en generell linjär modell som innehåller uppgiftseffekter och kovariater utan intresse och konvolverades med en kanonisk hemodynamisk responsfunktion (HRF). Kontrastbilder mellan mat och kontroll skapades för varje deltagare och skickades sedan till en helhjärnaanalys med slumpmässig effekt, korrigerad för flera jämförelser med p < 0.05 med Monte Carlo-simuleringar med AFNI:s AlphaSim (Figur 1 (a)tabell S1). IFG och OFC ROI definierades baserat på denna helhjärnaanalys och användes som masker (Figur 1 (b)) i en tvåmaskssåningsmetod för DTI probabilistisk traktografi. DTI-data förbehandlades och analyserades med Diffusion Toolbox i FSL (Behrens et al., 2003 Behrens, T., Woolrich, MW, Jenkinson, M., Johansen-Berg, H., Nunes, RG, Clare, S., … Smith, SM (2003). Karakterisering och spridning av osäkerhet i diffusionsvägd MR-avbildning. Magnetresonans inom medicin, 50(5), 1077-1088. doi:10.1002/mrm.10609[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Vi använde en tvåmaskssåningsmetod för att säkerställa att traktografikartorna endast inkluderade strömlinjer som passerade genom båda frömaskerna. Cirka 5000 probabilistiska strömlinjer skickades från varje voxel inom båda frömaskerna och dessa resultat normaliserades till Montreal Neurological Institutes standardutrymme. För att bestämma en gemensam traktografikarta bland individer binariserades varje individs traktografiresultat och överlagrades med alla andra för att skapa en sannolikhetskarta över traktografi på gruppnivå. För att göra traktografikartan robust, tröskelades den sedan med en 50 % sannolikhet för kanalen för alla deltagare i standardutrymmet (Figur 1(c)). Denna gemensamma traktografikarta överlagrades sedan på varje deltagares bilder av fraktionerad anisotropi (FA) (ett allmänt mått på vit substans integritet eller koherens) och FA-värden extraherades från alla voxlar i denna traktografikarta. För varje deltagare beräknades ett genomsnittligt FA-poäng för att representera vit substans integritet. Deltagarnas ålder, BMI och FA-poäng togs sedan som oberoende variabler i multipel regressionsanalysen med kroppsfettprocent som beroende variabel, och undersökte om individuella skillnader i vit substans integritet återspeglade långsiktig självreglerande framgång i bantning.

Figur 1. (a) Food-cue-reaktiviteten fMRI-paradigmet framkallade aktivering i regioner av OFC och IFG, i överensstämmelse med tidigare fynd i litteraturen. (b) OFC- och IFG-regioner från fMRI-analysen användes sedan som frömasker för DTI-probabilistisk traktografianalys. (c) Från DTI-analysen avgränsade vi sedan en väg för vit substans mellan IFG och OFC, som var konsekvent över ämnen. Vit substansens integritet inom denna väg korrelerades sedan med varje individs kroppsfett. (d) FA-värde extraherat från IFG-OFC-kanalen visade en negativ korrelation med kroppsfettprocent (skuggat område representerar 95 % konfidensintervall).

PowerPoint-bildrutaOriginal jpg (93.00KB)Visa full storlek

Resultat

FMRI-resultat från mat-cue-reaktivitetsuppgiften visade att både IFG och OFC visade större aktivitet för mat än kontrollbilder (Figur 1 (a), Tabell S1), överensstämmer med resultat från tidigare studier (Lopez, Hofmann, Wagner, Kelley och Heatherton, 2014 Lopez, RB, Hofmann, W., Wagner, DD, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2014). Neurala prediktorer för att ge efter för frestelser i det dagliga livet. Psychological Science, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2013). Självreglerande utarmning förbättrar neurala svar på belöningar och försämrar kontrollen uppifrån och ned. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). De resulterande IFG- och OFC-klustren från fMRI-analysen användes som fröregioner för DTI probabilistisk traktografi (Figur 1 (b)). Cross-subject DTI probabilistisk traktografianalys avslöjade ett robust vitt ämnesområde som länkar vänster IFG till vänster OFC (Figur 1(c)). Genomsnittliga FA-värden inom detta område visade en signifikant negativ korrelation med kroppsfettprocent (R₃₆ = −0.379, p = 0.023), vilket indikerar att dietare med lägre kroppsfettprocent visade större integritet av vit substans (Figur 1(d)). Efter kontroll för ålder och BMI fortsatte genomsnittliga FA-värden i kanalen att visa en signifikant negativ korrelation med kroppsfettprocent (beta = -0.247, t(35) = −2.862, p = 0.007).

Allmän diskussion

Våra resultat stöder hypotesen att den strukturella integriteten mellan IFG, en nyckelregion i svarshämning (Aron, 2011 Aron, AR (2011). Från reaktiv till proaktiv och selektiv kontroll: Utveckla en rikare modell för att stoppa olämpliga svar. Biologisk psykiatri, 69(12), e55–68. doi:10.1016/j.biopsych.2010.07.024[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) och OFC, en region som representerar subjektivt belöningsvärde för mat (van der Laan, de Ridder, Viergever, & Smeets, 2011 van der Laan, LN, de Ridder, DTD, Viergever, MA, & Smeets, PAM (2011). Den första smaken är alltid med ögonen: En metaanalys av de neurala korrelaten för bearbetning av visuella matsignaler. Neuroimage, 55(1), 296-303. doi:10.1016/j.neuroimage.2010.11.055[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), är relaterat till individuella skillnader i kroppsfettprocent, ett förmodat index för långsiktig framgång i bantning. Baserat på balansmodellen för självreglering (Heatherton & Wagner, 2011 Heatherton, TF, & Wagner, DD (2011). Kognitiv neurovetenskap om självregleringsfel. Trends in Cognitive Sciences, 15(3), 132–139. doi:10.1016/j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), misslyckanden i självreglering beror på obalansen mellan den verkställande kontroll- och belöningsregionen. Individer med reducerad vit substans integritet i kanalen som förbinder dessa regioner kan ha lägre effektivitet i kommunikationen mellan dessa regioner än de med hög integritet (Madden et al., 2012 Madden, DJ, Bennett, IJ, Burzynska, A., Potter, GG, Chen, N.-K., & Song, AW (2012). Diffusionstensoravbildning av cerebral vit substans integritet vid kognitivt åldrande. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Molecular Basic of Disease, 1822(3), 386–400. doi:10.1016/j.bbadis.2011.08.003[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Med en ineffektiv kommunikation mellan den verkställande kontroll- och belöningsregionen kan individer med nedsatt integritet ha svårt att överstyra givande frestelser, vilket leder till en större chans att bli överviktiga än de med högre strukturell integritet.

Även om tidigare studier har använt DTI för att undersöka sambandet mellan fetma och vit substans integritet (Kullmann, Schweizer, Veit, Fritsche, & Preissl, 2015 Kullmann, S., Schweizer, F., Veit, R., Fritsche, A., & Preissl, H. (2015). Äventyrad vit substans integritet vid fetma. Fetma recensioner, 16(4), 273-281. doi:10.1111/obr.12248[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), är denna studie ny genom att använda ett multimodalt tillvägagångssätt för att systematiskt rikta in sig på ett specifikt område som är inblandat i att reglera matönskningar. En nyligen genomförd studie har visat att både IFG och OFC engagerar sig i att reglera matkonsumtionen i det dagliga livet (Lopez et al., 2014 Lopez, RB, Hofmann, W., Wagner, DD, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2014). Neurala prediktorer för att ge efter för frestelser i det dagliga livet. Psychological Science, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Med hjälp av detta fMRI-paradigm replikerade vi det tidigare fyndet och fann till och med att både IFG och OFC visade robust aktivitet när kroniska dietare exponerades för aptitliga matsignaler, vilket tyder på att belönings- och exekutiva kontrollbearbetning kan båda spontant engagera sig under cue-exponeringsperioden (Wagner et al., 2013 Wagner, DD, Altman, M., Boswell, RG, Kelley, WM, & Heatherton, TF (2013). Självreglerande utarmning förbättrar neurala svar på belöningar och försämrar kontrollen uppifrån och ned. Psychological Science, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Lokaliseringsuppgiften för food-cue-reaktivitet erbjuder ett mer riktat tillvägagångssätt för att definiera IFG- och OFC-regioner än atlasbaserad maskering och säkerställer att traktografiresultaten var baserade på funktionellt relevanta regioner relaterade till food-cue-bearbetning inom samma prov. Denna fMRI-lokaliseringsuppgift kan hjälpa forskare att identifiera viktiga vita substanser som är relevanta för kontroll av ätbeteende.

Det är fortfarande oklart om individuella skillnader i den vita substansens integritet beror på upprepad bantning. Även om en tidigare studie fann att upprepad övning av en uppgift kan leda till ökad FA i speciella fiberkanaler (Scholz, Klein, Behrens, & Johansen-Berg, 2009 Scholz, J., Klein, MC, Behrens, TEJ, & Johansen-Berg, H. (2009). Träning inducerar förändringar i vit-materia-arkitekturen. Nature Neuroscience, 12(11), 1370-1371. doi:10.1038/nn.2412[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), är det också möjligt att misslyckanden i diet leder till fetma och fetmarelaterade faktorer, såsom inflammation och dyslipidemi, vilket kan orsaka förändringar i den vita substansens integritet (Shimoji et al., 2013 Shimoji, K., Abe, O., Uka, T., Yasmin, H., Kamagata, K., Asahi, K., … Aoki, S. (2013). Vit substans förändring i metabolt syndrom: Diffusionstensoranalys. Diabetes Care, 36(3), 696–700. doi:10.2337/dc12-0666[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Framtida longitudinella studier behövs för att avgöra om förändringar i vit substans integritet orsakas av upprepad övning i diet eller fetmarelaterade faktorer. Longitudinella studier behövs också för att undersöka sambandet mellan vit substans integritet och kroppsfettprocent hos kroniska dieter. Även om den exklusiva rekryteringen av kvinnliga bantare kan förhindra den förvirrande effekten av könsskillnader, behövs det fortfarande framtida studier för att jämföra huruvida integriteten av vit substans på olika sätt påverkar bantningsresultaten mellan manliga och kvinnliga bantare.

Sammanfattningsvis ger den aktuella studien bevis för att vit substans integritet är relaterad till individuella skillnader i kroppsfettprocent i områden som förbinder regioner som är involverade i mat-cue-reaktivitet. Dessa resultat överensstämmer med balansmodellen för självreglering och tyder på att strukturell integritet hos vägar som förbinder exekutiva kontroll- och belöningsregioner kan spela en avgörande roll för att uppnå långsiktig självreglerande framgång i bantning.

Ny forskning visar att dietframgång kan kopplas in i hjärnan

Oktober 25, 2016