Дана М. Смолл, Олександра Г. ДіФелічеантоніо
наука 25 січ 2019:
Вип. 363, випуск 6425, стор. 346-347
DOI: 10.1126 / science.aav0556
Сигнали, які передають інформацію про харчування від кишечника до мозку, регулюють зміцнення їжі та вибір їжі (1-4). Зокрема, хоча центральні нейронні обчислення здійснюють вибір, нервова система кишечника передає мозку інформацію про харчові результати вибору, щоб можна було оновити подання цінностей їжі. Тут ми обговорюємо останні результати, які дозволяють припустити, що вірність сигналу кишечника та мозку та представлена харчова цінність порушена переробленими продуктами харчування (3, 4). Розуміння цієї осі могло б повідомити про поведінку годування, пов’язане з обробленими продуктами харчування та ожирінням.
У дослідженні 1947 експерименти, в яких гризунів годували ізокалорійними дієтами, які відрізнялися за обсягом, показали, що гризуни точно титрують об’єм споживаної їжі, щоб підтримувати постійне споживання калорій протягом днів, вказуючи на те, що «щури харчуються калоріями» (5). Це означало, що для отримання споживання мозку повинен надходити сигнал для передачі мозку енергетичної цінності їжі. Пізніше інші підтвердили, що ці "післяприйомні" сигнали можуть бути підсилюючи, показуючи, що тварини здатні формувати переваги ароматизаторів, споживаних з калоріями, порівняно з тими, які споживаються без - форми навчання, що називається кондиціонуванням живильних речовин (FNC) (6). Важливо, що FNC виникає навіть за відсутності супутньої оральної сенсорної стимуляції, яка виділяє післяпоглинальні сигнали як ключовий підсилювач (7). Наприклад, тварини, яким не вистачає нейробіологічного механізму для передачі солодкого смаку, все-таки формують переваги води, що містить сахарозу, порівняно з водою, і така поведінка супроводжується підвищенням позаклітинного дофаміну в стриатумі, області мозку, яка необхідна для мотивації та навчання. Однак критично, вливання антиметаболічного агента 2-дезоксиглюкози, що блокує здатність клітин використовувати глюкозу в якості палива, послаблює позаклітинний дофамін і формує перевагу (1). Ці сигнали, швидше за все, є невральними, а не ендокринними (тобто гормональними), оскільки підвищення внутрішньоклітинного дофаміну відбувається швидко після внутрішньошлункової інфузії глюкози (8). Крім того, вливання глюкози, але не неметаболізуючої глюкози у ворітну вену збільшує позаклітинний дофамін (8). У сукупності це говорить про те, що у тварин безумовний стимул, який рухає підсилення цукру (вуглеводів), є метаболічним сигналом, що утворюється, коли клітини використовують для палива глюкозу; Потім цей сигнал відчувається механізмом у ворітній вені і згодом передається до мозку для регулювання дофамінової сигналізації (див. малюнок). Точна природа метаболічного сигналу, його датчик та спосіб передачі його мозку невідомі.
Є дані, що подібний механізм діє у людей. Нейровізуальні дослідження встановили, що харчові сигнали, які прогнозують калорії, активізують стриатум у людини і що величина цих реакцій регулюється метаболічними сигналами (9). Зокрема, підвищення рівня глюкози в плазмі крові після вживання напою, що містить вуглеводи, прогнозує величину умовної смугастої реакції на вигляд та смак напою. Оскільки глюкоза повинна бути присутнім для використання в якості палива, це говорить про те, що у людини, як і у тварин, посилення вуглеводів залежить від метаболічного сигналу, пов'язаного з наявністю глюкози. Крім того, спостереження у людей свідчать про те, що представлення мозку метаболічних сигналів у мозку не залежить від усвідомленого сприйняття, такого як подобається їжі. Такі ж смугасті відповіді на прогнозований калорійний смак, який був настільки щільно поєднаний із змінами глюкози в плазмі, не були пов'язані з номінальним сподобанням напоїв учасниками. Це узгоджується з додатковими нейровізуальними дослідженнями, які виявляють, що фактична щільність енергії, а не розрахункова щільність енергії чи оцінене сподобання фотографій їжі, прогнозують готовність платити за продукти харчування та відповіді на схему стриманої винагороди (3, 10). Ці спостереження свідчать про те, що нейронне представлення цих посилюючих харчових сигналів не залежить від свідомого уявлення про їжу. Інтригуюча можливість полягає в тому, що метаболічні сигнали є важливими генераторами стимулюючої значущості (як сигнали набувають мотиваційно значущого значення) і що окремі шляхи, ініційовані цими сигналами, відображаються на нейронних ланцюгах, що бажають їжі, та11).
Ліпіди - ще одне важливе джерело енергії, яке метаболізується по-різному від вуглеводів. Відповідно, шлях, яким енергетична цінність жиру передається мозку, відрізняється. Блокування окислення жиру збільшує апетит жиру, а блокування окислення глюкози підвищує апетит до цукру. Однак ваготомія (операція з розрізання блукаючого нерва) у мишей лише порушує підвищений апетит до жиру, залишаючи апетит глюкози не впливаючи (12). Послідовно, як і глюкоза, пряме вливання ліпідів у кишечник призводить до негайного збільшення позаклітинного смугастого дофаміну. Однак це відбувається через пероксисому-проліфератор-активований рецептор α (PPARα) –специфічний механізм (2). PPARα експресується дванадцятипалої та тонкої кишкою ентероцитами в тонкому кишечнику і передає до блукаючого нерва через ще невідомі механізми. Як і смугасте вивільнення дофаміну глюкозою, підвищення дофаміну відбувається швидко, що відповідає невральній, а не ендокринній сигналізації. Крім того, активація цих сенсорних нейронів у верхній кишці, які спрямовуються на правильний вузловий ганглій, задній мозок, субстанцію нігру та дорсальний стриатум, є достатньою для підтримки навчання нагородження (перевагу місця) та вивільнення смугастого дофаміну у мишей (13). Чи існує цей шлях у людини, незрозуміло, і чи існують такі метаболічні нейронно-аферентні (МНК) шляхи для інших ліпідів та поживних речовин.
Дивовижне відкриття, що безумовний стимул, що підтримує посилення їжі, є сигналом МНК, який, принаймні, часом не залежить від сенсорного задоволення. Однак глибші роздуми виявляють витонченість цього рішення. Усі організми повинні заряджати енергією, щоб вижити, а більшості не вистачає функцій мозку вищого порядку, які підтримують свідомість. Таким чином, механізм, ймовірно, відображає збережену систему, розроблену для передачі поживних властивостей їжі центральним ланцюгам мозку, які регулюють харчування незалежно від свідомості, так що їжа настільки ж підсилює, як і корисне джерело енергії. Відповідно, високоточна передача харчової інформації від кишечника до мозку є критично важливою для точної оцінки вартості.
Хоча зрозуміло, що сучасне харчове середовище сприяє ожирінню та діабету, суперечки оточують точні механізми, за допомогою яких це відбувається. Сучасна оброблена їжа, як правило, енергетично щільна, розроблена таким чином, щоб бути максимально непереборною, і надає поживні речовини в дозах та комбінаціях, які не зустрічалися раніше. Оскільки енергетичні сигнали рухають підкріплення, збільшені дози можуть збільшити посилюючий і, отже, "звикаючий" потенціал оброблених продуктів. Однак це можуть бути не єдиними чинниками, що сприяють підвищенню діабету та ожиріння.
Щоб підвищити смакові якості, до харчових продуктів і напоїв часто додають неживні підсолоджувачі (речовини без калорійності), які також містять поживні цукру та крохмаль. Наприклад, підсолоджені цукром напої містять поживні цукру глюкозу та фруктозу, а також неживні підсолоджувачі сукралоза та ацесульфам К. Йогурти часто містять поживні цукру та неживні підсолоджувачі, такі як екстракт листя стевії. Коротка ознайомлення з етикетками продуктів харчування в продуктовому магазині розкриє безліч прикладів продуктів та напоїв, які містять як поживні цукру, так і неживні підсолоджувачі. Навпаки, у необроблених продуктах солодкість пропорційна вмісту цукру, а отже, калорійності (енергії) їжі. Останні дані свідчать, що продукти, що містять поєднання поживних цукрів та неживних підсолоджувачів, викликають дивовижні метаболічні та підсилюючі ефекти. Наприклад, вживання напою 115-ккал призведе до більшого термогенного ефекту, якщо солодкість буде "підібрана" до калорійного навантаження порівняно з тим, якщо вона занадто солодка або недостатньо солодка (4). Оскільки термогенез, спричинений дієтою (ДІТ), є маркером метаболізму поживних речовин та посиленням метаболічної реакції через МНК, напій із «низьким вмістом калорій» може спричинити більший симпатію та реакцію на смугастий, ніж висококалорійний «невідповідний» напій (4). Важливо, що цей ефект виникає навіть при підвищенні глюкози в плазмі. Це свідчить про те, що в людині, як і у тварин, критичним є не наявність поживної речовини в кишечнику чи крові, а генерування МНК, коли поживна речовина використовується як паливо. Механізм цього ефекту «невідповідності» у людини невідомий і вимагає подальшого вивчення. Зокрема, важливим напрямком майбутнього є розуміння долі неметаболізованої глюкози та визначення того, чи є наслідки діабет та ожиріння. Ясна річ, що енергетична цінність напоїв, що містять поживні цукру та неживні підсолоджувачі, не надто точно повідомляється мозку, принаймні в деяких обставинах, і це може призвести до генерування неточних сигналів не лише для регулювання винагороди, але також такі процеси, як накопичення енергії та розподіл поживних речовин.
Підсилення метаболічних сигналів до мозку
У цій запропонованій моделі для посилення метаболічних нейронних афферентних (МНК) сигналів сигнал для жиру залежить від опосередкованої PPARα активації вагусних сенсорних аферентів, які виступають на правильний вузловий ганглій, задній мозок, субстанцію нігру та дорзальний смугатий. Сигнал для вуглеводів генерується під час окислення глюкози і активує невідомий датчик портальної вени, який індукує сигнал, який активує дофамінові нейрони середнього мозку, що виступають у смугу. Незалежна корова мережа інтегрує сигнали МНК зі свідомим значенням.
ГРАФІКА: А. Кіттерман /НАУКА
Другий приклад компрометованої вірності сигналів кишечника та мозку - це дослідження, в якому порівнювали значення зміцнення продуктів, які містять насамперед жир, насамперед вуглеводи, або жир та вуглеводи (3). Їжа з високим вмістом жиру та вуглеводів не легко міститься в продуктах, що не переробляються, але часто є предметом їжі (наприклад, шоколад та пончики). Дослідження продемонструвало, що з вибору однаково калорійних та вподобаних продуктів, люди бажали продуктів, у яких жирів та вуглеводів більше, ніж продуктів, які мають лише жир чи вуглеводи, і це відбилося на наддобавкових смугастих реакціях (3). Це може сприяти тому, що деякі страви жадають або є більш непереборними, ніж інші, і тому грають роль у переїданні.
Ці результати, що з'являються, вказують на дві відокремлені системи, що сприяють вибору їжі. Одна система безпосередньо відображає харчову цінність продуктів і спирається на метаболічні сигнали, що надходять до мозку (МНК). Ця система зондування поживних речовин відіграє вирішальну роль у регуляції смугастого дофаміну, визначенні цінності продуктів харчування та рушійному виборі їжі. У другій системі свідоме сприйняття, таке як аромат і переконання щодо калорійності, вартості та здоровості продуктів харчування, також є важливими визначальними факторами вибору їжі (14, 15). Нейрові обчислення, пов'язані зі значеннями свідомих прихильників, схоже, відрізняються від тих, що стосуються сигналів, що підсилюють харчові речовини МНК, і залежать від ланцюгів у префронтальній корі та в островній корі (9). Визначення того, як взаємодіють дві системи для регулювання поведінки, що приймається, та метаболізму поживних речовин, є важливою темою дослідження.
Докази накопичують, що вміст поживних продуктів, що переробляються, не надто точно передається мозку. Це підвищує можливість того, що харчові продукти, що готуються та переробляються, перевищують їх енергетичну щільність або смакові якості, впливають на фізіологію непередбачуваними способами, які можуть сприяти переїданню та метаболічній дисфункції. Краще розуміння того, як властивості переробленої їжі взаємодіють з кишково-мозковим шляхом, є критичним, як і визначення того, чи впливають такі ефекти на сигналізацію про ситості, звиканні властивості харчових продуктів, здоров'я обміну речовин та ожиріння. Крім того, хоча ми зосереджуємось на жирі та вуглеводах, ймовірно, існує декілька сигнальних шляхів, щоб донести до мозку масив поживної інформації для керівництва вибором їжі - і ці шляхи можуть бути аналогічно вплинуті на оброблювані продукти.
http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse
Це стаття, розповсюджена за умовами Ліцензія за замовчуванням Science Journals.
Посилання та примітки
- ↵
- Л. А. Теллез та ін
., Ж. Фізіол. 591, 5727 (2013).
- ↵
- Л. А. Теллез та ін
., Наука 341, 800 (2013).
Анотація / БЕЗКОШТОВНО Повний текстGoogle Scholar
- ↵
- AG DiFeliceantonio та ін
., Клітинний метаб. 28, 33 (2018).
- ↵
- MG Veldhuizen та ін
., Curr. Біол. 27, 2476 (2017).
- ↵
- EF Adolph
, Am. Дж. Фізіол. 151, 110 (1947).
- ↵
- Г. Л. Холман
, Ж. Склад. Фізіол. Психол. 69, 432 (1969).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Scholar
- ↵
- X. Ren та ін
., Дж. Неврощі. 30, 8012 (2010).
Анотація / БЕЗКОШТОВНО Повний текстGoogle Scholar
- ↵
- Л. Чжан та ін
., Перед. Integr. Нуеросі. 12, 57 (2018).
- ↵
- IE de Araujo та ін
., Curr. Біол. 23, 878 (2013).
- ↵
- DW Tang та ін
., Психол. Наук. 25, 2168 (2014).
- ↵
- KC Berridge
, Neurosci. Біобехав. Преподобний 20, 1 (1996).
CrossRefPubMedWeb of ScienceGoogle Scholar
- ↵
- С. Ріттер,
- JS Taylor
, Am. Дж. Фізіол. 258, R1395 (1990).
- ↵
- W. Han та ін
., Комірка 175, 665 (2018).
- ↵
- Т. А. Заєць та ін
., Наука 324, 646 (2009).
Анотація / БЕЗКОШТОВНО Повний текстGoogle Scholar
- ↵
- H. Plassmann та ін
., Дж. Неврощі. 30, 10799 (2010).
Анотація / БЕЗКОШТОВНО Повний текстGoogle Scholar
підтвердження: Ми дякуємо І. де Арауджо, А. Дагер, С. Ла Флер, С. Луке, М. Шатцкеру та М. Тіттгейєру за допомогу у формуванні нашої перспективи. Ми визнаємо Б. Мілнер за її новаторську роботу з неявного навчання.
;
