Структурна цілісність між виконавчим контролем та областями винагороди мозку прогнозує відсоток жирової маси тіла в хронічних дієтах (2016)

Когнітивна неврологія
 

Пін-Хао Енді Чен, Роберт С. Чавес & Тодд Ф. Хітертон

Сторінки 1-5 | Отримано 19 Apr 2016, Прийнято 05 Sep 2016, Прийнято авторська версія, опублікована в Інтернеті: 23 Sep 2016, Опубліковано в Інтернеті: 11 Oct 2016

абстрактний

Нездатність підтримувати здорову масу тіла може відображати довгостроковий дисбаланс між виконавчим контролем і системами винагороди мозку. Нинішнє дослідження вивчило, чи передбачала анатомічна зв'язок між цими двома системами індивідуальна мінливість у досягненні здорової маси тіла, особливо в хронічних дієтах. Тридцять шість жіночих хронічних дієт завершили роботу по реагуванню їжі на сканер. Дві області інтересу (ROI) були визначені з завдання реактивності: нижня лобова звивина (IFG), яка бере участь у когнітивному контролі і орбітофронтальній корі (OFC), що представляє винагороду. Тракт білої речовини, що з'єднує ці два ROI, був ідентифікований серед учасників з використанням диффузійного тензора (DTI) і ймовірнісного трактографії. Результати показали негативну залежність між процентним вмістом жиру в організмі та цілістю білої речовини в межах ідентифікованого тракту. Це свідчить про те, що знижена структурна цілісність між OFC і IFG може бути пов'язана з проблемами саморегуляції для тих, хто хронічно дієта для контролю ваги тіла.

Ключові слова: Самоконтроль, Тензор дифузії томографа, підключення, функціональна магнітно-резонансна томографія, індивідуальні відмінності, ожиріння

Вступ

Ожиріння та дієта значно зросли за останні десятиліття, і багато людей, які дотримуються дієти, не втрачають вагу протягом тривалих періодів часу і стають хронічними дієтами (Андрєєва, Лонг, Хендерсон та Гроде, 2010 Андрєєва Т., Лонг, М.В., Хендерсон, К.Є., Гроде, Г.М. (2010). Спроба схуднути: дієтичні стратегії серед американців із зайвою вагою або ожирінням у 1996 та 2003 роках. Журнал Американської дієтичної асоціації, 110 (4), 535 – 542. doi: 10.1016 / j.jada.2009.12.029[CrossRef], [PubMed]). Серед цих людей деякі продовжують набирати більше ваги після багаторічних дієт (ван Стріен, Герман та Верхайден, 2014 ван Стріен, Т., Герман, КП, і Верхайден, штат Мексика (2014). Обмеження у харчуванні та зміна маси тіла. Трирічне подальше дослідження на репрезентативній голландській вибірці. Апетит, 76, 44 – 49. doi: 10.1016 / j.appet.2014.01.015[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), тим самим беручи участь у поведінці, яка підриває їх цілі. Всебічний огляд ожиріння свідчить про те, що не тільки підвищена чутливість до винагороди до харчових ознак, але і збої в саморегуляції також відіграють роль при ожирінні (Волков, Ванг, Томасі та Балер, 2013 Volkow, ND, Wang, G.-J., Tomasi, D., & Baler, RD (2013). Ожиріння та звикання: нейробіологічне накладання. Ожиріння Огляди, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Аналогічно, індивідуальні відмінності у досягненні або підтримці довгострокового успіху дієти можуть відображати відмінності у здатності до саморегуляції (Heatherton, 2011 Heatherton, TF (2011). Неврологія самоконтролю і саморегуляції. Щорічний огляд психології, 62 (1), 363 – 390. doi: 10.1146 / annurev.psych.121208.131616[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Відповідно до моделі балансу, такі результати саморегуляції відображають індивідуальні відмінності в балансі між регіонами мозку, що беруть участь у виконавчому контролі, наприклад, нижньою лобовою звивиною (IFG) та регіонами, що представляють цінність винагороди, наприклад, орбітофронтальною корою (OFC) (Heatherton & Вагнер, 2011 Heatherton, TF, & Wagner, DD (2011). Когнітивна нейронаука з порушенням саморегуляції. Тенденції в когнітивних науках, 15 (3), 132 – 139. doi: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Баланс між винагородою та контролем залежить від спілкування між IFG та OFC (Вагнер, Альтман, Босуелл, Келлі та Хізертон, 2013 Вагнер, Д.Д., Альтман, М., Босуелл, Р.Г., Келлі, В.М., і Хізертон, штат Техас (2013). Саморегуляційне виснаження посилює нейронні реакції на нагороди та погіршує контроль зверху вниз. Психологічна наука, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), що відображається у зв'язку між ними. Індивідуальні відмінності в структурній цілісності цих анатомічних шляхів можуть передбачати довгостроковий результат хронічної дієти, такий як відсоток жиру в організмі.

Для того, щоб виділити ділянки мозку, які, як відомо, беруть участь в обробці апетитної цінності їжі, ми використовували завдання реагування на їжу, щоб локалізувати цікаві області IFG та OFC (ROI) за допомогою функціональної магнітно-резонансної томографії (fMRI) . Відгуки про це дослідження вказують на те, що хронічні дієти, як правило, виявляють перебільшену активність до апетитних харчових сигналів як в регіонах винагороди, так і в регіонах, задіяних у виконавчому контролі, після того, як вони потрапляли в умови, пов'язані з порушенням дієти в реальному світі, наприклад, споживання висококалорійної їжі або виснажені в когнітивному контролі (Келлі, Вагнер та Хізертон, 2015 Келлі, Вікторія, Вагнер, Д.Д., і Хізертон, штат Техас (2015). У пошуках системи саморегуляції людини. Щорічний огляд неврології, 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). Ожиріння та звикання: нейробіологічне накладання. Ожиріння Огляди, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Таким чином, ми використовували задачу реактивності харчової проби для локалізації масштабів областей IFG і OFC, що беруть участь у обробці харчових сигналів, і тоді ми використовували ці дві області як маски насіння для ймовірнісного трактографії в аналізі дифузійного тензора (DTI). розрахувати цілісність білої речовини між цими двома регіонами. Метою даного дослідження було використання мультимодального підходу для виділення трактів білої речовини між функціонально визначеними областями IFG і OFC. Цей підхід пропонує цілеспрямований спосіб вивчення того, чи структурна цілісність цього тракту передбачає мінливість в організмі хронічної дієти в тілі. Ми припустили, що хронічні дієти, які мали найвищий відсоток жиру, показували б низьку структурну цілісність у тракті, що з'єднує IFG і OFC.

Методи

Сорок правильних жінок, які страждають на дієту, які набрали більше 15 балів за шкалою обмеження, мірою хронічної дієти (Heatherton, Herman, Polivy, King, & McGree, 1988 Heatherton, TF, Herman, CP, Polivy, J., King, GA, & McGree, ST (1988). (Неправильне) вимірювання стриманості: аналіз концептуальних та психометричних питань. Журнал аномальної психології, 97(1), 19–28. doi:10.1037/0021-843X.97.1.19[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), які були набрані в цьому дослідженні з великої вибірки студентів коледжів. Учасники пройшли обстеження, що не мали анамнезу метаболічних, психологічних та неврологічних відхилень. Четверо учасників були виключені через надмірні рухи головою (більше 3 мм у напрямку x-, y- або z-напрямку) під час сканування, в результаті чого вибірка склала 36 хронічних дієт. Дієти зважували за допомогою шкали Tanita (модель TBF-300A Arlington Heights), яка, як було доведено, надійно вимірює відсоток жиру в організмі. Серед цих хронічних дієтологів середній відсоток жиру в організмі становив 29.6% (SD = 5.5%; діапазон = 16.6–38.2%), а середній індекс маси тіла (ІМТ) - 23.9 (SD = 3.1%, діапазон = 17.2–33.7, таблиця 1) .

Таблиця 1. Демографічні та дієтні характеристики населення.

CSVТаблиця відображення

Для локалізації IFG та OFC ROI, що беруть участь у обробці харчових сигналів, ми використовували парадигму реактивності харчових проби як завдання локалізатора. Перед цією задачею локалізатора ми використовували задачу керування виснажливим гальмуванням, оскільки це завдання допомагає виявити надійну винагороду (Wagner et al., 2013 Вагнер, Д.Д., Альтман, М., Босуелл, Р.Г., Келлі, В.М., і Хізертон, штат Техас (2013). Саморегуляційне виснаження посилює нейронні реакції на нагороди та погіршує контроль зверху вниз. Психологічна наука, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). У цьому завданні, що стримує виснаження, учасникам було запропоновано переглянути 7-хвилинне відео про канадських гірських вівцях з гірськими вівцями із серією відволікаючих слів, що рухаються знизу до центру екрану за 3 с (загалом 40 слів). Учасникам було наказано уникати читання слів, що відволікають увагу, та зосередитись лише на перегляді відео. Відразу після виконання завдання, що регулює інгібуючий рівень виснаження, учасники отримали завдання реактивності на їжу. Це завдання складалося з 90 апетитних зображень їжі та ще 180 зображень із залученням людей або природних сцен як контрольних зображень. Кожне зображення було представлене протягом 2000 мс з наступною фіксацією ще 500 мс у дизайні, пов’язаному з подіями. Учасникам було доручено скласти судження про приміщення / зовні для кожного зображення, натискаючи кнопки. Це суджене завдання змусило учасників зосередитись на цьому завданні, не знаючи про мету нашого дослідження, яка полягала в локалізації областей мозку, що реагують на харчові сигнали.

Дані fMRI з задачі реактивності харчової проби були попередньо оброблені та проаналізовані за допомогою SPM8 (відділ когнітивної неврології Wellcome, Лондон, Англія). Процедури попередньої обробки включали корекцію руху, перегрупування, розгортання, нормалізацію до стандартного простору, а 6-мм повну ширину на половину максимального (FWHM) згладжування ядра Гауса (див. Додаткові матеріали для докладного опису параметрів сканування fMRI). Для кожного учасника обчислювалися загальні лінійні моделі, що включають ефекти завдання і ковариати, що не представляють інтересу, і була згорнута з функцією канонічної гемодинаміки (HRF). Для кожного учасника були створені контрастні зображення, порівняно з харчовими продуктами та контролем, а потім були представлені в аналізі цілого мозку з випадковим ефектом, скоригованим для множинних порівнянь з p <0.05 при моделюванні Монте-Карло за допомогою AlphaSim AFNI (Малюнок 1 (a), Таблиця S1). ІФГ та OFC ROI були визначені на основі цього аналізу всього мозку і використані як маски (Рисунок 1 (b)) у методі висіву двома масками для імовірнісного трактографії DTI. Дані DTI попередньо обробляли і аналізували за допомогою Diffusion Toolbox в FSL (Behrens et al., 2003 Behrens, T., Woolrich, MW, Jenkinson, M., Johansen-Berg, H., Nunes, RG, Clare, S.,… Smith, SM (2003). Характеристика і поширення невизначеності в дифузійно-зваженому МР-зображенні. Магнітний резонанс у медицині, 50 (5), 1077 – 1088. doi: 10.1002 / mrm.10609[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Ми використовували метод засіву двох масок, щоб гарантувати, що картки трактографії включали тільки лінії потоку, що проходять через обидві маски насіння. Про 5000 ймовірнісні шляхи потоку були відправлені з кожного вокселя в межах обох масок насіння, і ці результати були нормалізовані до стандартного простору Монреальського неврологічного інституту. Для того, щоб визначити загальну трактографічну карту серед індивідуумів, результати трактографії кожної окремої людини були бінаризовані та накладені на всі інші, щоб створити карту ймовірності тракту групи на рівні групи. Щоб зробити карту трактографії надійною, вона була встановлена ​​на рівні 50% вірогідності трактування для всіх учасників стандартного простору (Малюнок 1 (c)). Ця загальна карта трактографії була потім накладена на зображення фракційної анізотропії кожного учасника (ФА) (загальний показник цілісності або когерентності білої речовини), а значення ФА були витягнуті з усіх вокселів на цій карті трактографії. Для кожного учасника розраховували усереднений показник ФА для представлення цілісності білої речовини. Оцінки віку учасників, ІМТ і ФА були взяті як незалежні змінні в аналізі множинної регресії з часткою жирової маси як залежної змінної, вивчаючи, чи індивідуальні відмінності в цілісності білої речовини відображали довгостроковий успіх саморегуляції в дієті.

Малюнок 1. (а) Парадигма fMRI реактивності харчових продуктів показала активацію в областях OFC і IFG, що узгоджується з попередніми висновками в літературі. (b) Області OFC і IFG з аналізу fMRI потім використовували в якості масок насіння для імовірнісного трактографічного аналізу DTI. (c) З аналізу DTI ми потім окреслили шлях білої речовини між IFG і OFC, який був узгоджений між суб'єктами. Цілісність білої речовини в цьому шляху потім корелювали з жировими відкладеннями кожного суб'єкта. (d) Значення FA, виділеного з тракту IFG-OFC, показало негативну кореляцію з процентним вмістом жиру в тілі (заштрихована область представляє довірчий інтервал 95%).

Слайд PowerPointОригінал jpg (93.00KB)Показати повний розмір

результати

Результати FMRI, отримані в результаті реактивності, показали, що як IFG, так і OFC демонструють більшу активність для харчових продуктів, ніж контрольні зображення (Малюнок 1 (a), Таблиця S1), що узгоджується з результатами попередніх досліджень (Лопес, Хофманн, Вагнер, Келлі та Хізертон, 2014 Лопес, Р.Б., Гофманн, В., Вагнер, Д.Д., Келлі, В.М., і Хізертон, штат Техас (2014). Нейронні провісники поступки спокусі в повсякденному житті. Психологічна наука, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]; Wagner et al., 2013 Вагнер, Д.Д., Альтман, М., Босуелл, Р.Г., Келлі, В.М., і Хізертон, штат Техас (2013). Саморегуляційне виснаження посилює нейронні реакції на нагороди та погіршує контроль зверху вниз. Психологічна наука, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Отримані кластери IFG і OFC з аналізу fMRI використовувалися в якості насіннєвих регіонів для ймовірнісного трактографії DTI (Рисунок 1 (b)). Вірогідний трактографічний аналіз крос-предметної DTI виявив міцний тракт білої речовини, що зв'язує лівий IFG з лівим OFC (Малюнок 1 (c)). Середні значення FA у цьому тракті показали значну негативну кореляцію з відсотками жиру в організмі (R₃₆ = −0.379, p = 0.023), що вказує на те, що дієти з меншим відсотком жиру в організмі демонстрували більшу цілісність білої речовини (Малюнок 1 (d)). Після контролю за віком та ІМТ середні значення FA у тракті продовжували демонструвати суттєво негативну кореляцію з відсотком жиру в організмі (бета = -0.247, t(35) = -2.862, p = 0.007).

Загальна дискусія

Наші висновки підтверджують гіпотезу про те, що структурна цілісність між IFG, ключовим регіоном у пригніченні реакції (Aron, 2011 Арон, AR (2011). Від реактивного до активного та селективного контролю: розробка більш насиченої моделі для припинення невідповідних відповідей. Біологічної психіатрії, 69 (12), e55 – 68. doi: 10.1016 / j.biopsych.2010.07.024[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) і OFC, регіон, що представляє суб'єктивну цінність винагороди (van der Laan, de Ridder, Viergever, & Smeets, 2011 ван дер Лаан, LN, de Ridder, DTD, Viergever, MA, & Smeets, PAM (2011). Перший смак завжди припадає на очі: мета-аналіз нервових корелятів обробки візуальних сигналів їжі. NeuroImage, 55 (1), 296 – 303. doi: 10.1016 / j.neuroimage.2010.11.055[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), пов’язана з індивідуальними відмінностями у відсотках жиру в організмі, передбачуваного індексу довгострокового успіху в дієтах. На основі балансової моделі саморегуляції (Heatherton & Wagner, 2011 Heatherton, TF, & Wagner, DD (2011). Когнітивна нейронаука з порушенням саморегуляції. Тенденції в когнітивних науках, 15 (3), 132 – 139. doi: 10.1016 / j.tics.2010.12.005[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]) невдачі в саморегулювання виникають внаслідок дисбалансу між виконавчим контролем та регіонами винагородження. Особи з зниженою цілісністю білої речовини в тракті, що з'єднує ці області, можуть мати більш низьку ефективність у зв'язку між цими областями, ніж ті з високою цілісністю (Madden et al., 2012 Madden, DJ, Bennett, IJ, Burzynska, A., Potter, GG, Chen, N.-K., & Song, AW (2012). Дифузійне тензорне зображення цілісності мозкової білої речовини при когнітивному старінні. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - молекулярна основа захворювання, 1822 (3), 386 – 400. doi: 10.1016 / j.bbadis.2011.08.003[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). З неефективною комунікацією між виконавчим контролем та регіонами винагороди, люди з обмеженою цілісністю можуть відчувати труднощі у підпорядкуванні спокуси, що призводить до більшої ймовірності ожиріння, ніж ті з більш високою структурною цілісністю.

Хоча попередні дослідження використовували DTI для вивчення зв'язку між ожирінням та цілісністю білої речовини (Kullmann, Schweizer, Veit, Fritsche, & Preissl, 2015 Kullmann, S., Schweizer, F., Veit, R., Fritsche, A., & Preissl, H. (2015). Порушення цілісності білої речовини при ожирінні. Ожиріння Огляди, 16 (4), 273 – 281. doi: 10.1111 / obr.12248[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]), це дослідження є новим у застосуванні мультимодального підходу для систематичного націлювання на певний тракт, пов'язаний з регулюванням харчових бажань. Недавнє дослідження показало, що як IFG, так і OFC займаються регулюванням споживання їжі в повсякденному житті (Lopez et al., 2014 Лопес, Р.Б., Гофманн, В., Вагнер, Д.Д., Келлі, В.М., і Хізертон, штат Техас (2014). Нейронні провісники поступки спокусі в повсякденному житті. Психологічна наука, 25 (7), 1337 – 1344. doi: 10.1177 / 0956797614531492[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Використовуючи цю парадигму fMRI, ми відтворили попередній висновок і навіть виявили, що як IFG, так і OFC демонструють міцну активність, коли хронічні дієти піддавалися апетитним сигналам харчування, що припускає, що обробка винагороди та виконавчого контролю може спонтанно втручатися протягом періоду експозиції (Wagner et al., 2013 Вагнер, Д.Д., Альтман, М., Босуелл, Р.Г., Келлі, В.М., і Хізертон, штат Техас (2013). Саморегуляційне виснаження посилює нейронні реакції на нагороди та погіршує контроль зверху вниз. Психологічна наука, 24 (11), 2262 – 2271. doi: 10.1177 / 0956797613492985[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Завдання локалізатора реактивності ґрати-кий пропонує більш цілеспрямований підхід до визначення регіонів IFG і OFC, ніж маскування на основі атласу, і гарантує, що результати трактографії базуються на функціонально відповідних регіонах, пов'язаних з обробкою харчових сигналів в межах одного зразка. Це завдання fMRI локалізатора може допомогти дослідникам визначити основні тракти білої речовини, що мають відношення до контролю харчової поведінки.

Залишається незрозумілим, чи є індивідуальні відмінності в цілісності білої речовини наслідком багаторазових дієт. Хоча попереднє дослідження показало, що багаторазове виконання завдання може призвести до збільшення ФА, зокрема, волоконних шляхів (Шольц, Кляйн, Беренс та Йохансен-Берг, 2009 Scholz, J., Klein, MC, Behrens, TEJ, & Johansen-Berg, H. (2009). Навчання викликає зміни в архітектурі білої речовини. Nature Neuroscience, 12 (11), 1370 – 1371. doi: 10.1038 / nn.2412[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]також можливо, що невдачі в дієті призводять до ожиріння і факторів, пов'язаних з ожирінням, таких як запалення і дисліпідемія, які можуть викликати зміни в цілісності білої речовини (Shimoji et al., 2013 Shimoji, K., Abe, O., Uka, T., Yasmin, H., Kamagata, K., Asahi, K.,… Aoki, S. (2013). Зміна білої речовини при метаболічному синдромі: аналіз тензора дифузії. Diabetes Care, 36(3), 696–700. doi:10.2337/dc12-0666[CrossRef], [PubMed], [Web of Science ®]). Необхідні майбутні довгострокові дослідження, щоб визначити, чи зміна цілісності білої речовини обумовлена ​​неодноразовою практикою дієти чи факторів, пов'язаних з ожирінням. Довгі дослідження також необхідні для вивчення взаємозв'язку між цілісністю білої речовини і відсотковим вмістом жирової тканини в хронічних дієтах. Незважаючи на те, що ексклюзивний набір жінок-дієт може запобігти змішаному ефекту від ґендерних відмінностей, майбутні дослідження все ще потрібні для порівняння того, чи цілісність білої речовини по-різному впливає на результати дієти між дітьми чоловічої та жіночої статі.

На закінчення, поточне дослідження надає докази того, що цілісність білої речовини пов'язана з індивідуальними відмінностями у відсотках жирової тканини в трактах, які з'єднують регіони, що беруть участь у реактивності харчових продуктів. Ці результати узгоджуються з балансовою моделлю саморегулювання і припускають, що структурна цілісність шляхів, що зв'язують виконавчий контроль і винагороду регіонів, може відігравати важливу роль у досягненні довгострокового успіху саморегулювання в дієті.

Нові дослідження показують, що успіх у дієті може бути жорстким у мозку

Жовтень 25, 2016