Lượng sucrose làm giảm khả năng thụ thể μ-opioid và dopamine D2 / 3 trong não lợn (2020)

Tiêu thụ sucrose quá mức gợi ra sự thèm muốn giống như nghiện có thể làm nền tảng cho dịch bệnh béo phì. Opioids và dopamine làm trung gian cho các tác dụng bổ ích của các loại thuốc lạm dụng và các phần thưởng tự nhiên từ các kích thích như thực phẩm hợp khẩu vị. Chúng tôi đã nghiên cứu tác động của sucrose bằng hình ảnh PET với [¹¹C] carfentanil (chất chủ vận thụ thể-opioid) và [¹¹C] raclopride (chất đối kháng thụ thể dopamine D2 / 3) trong bảy minipigs gây mê của phụ nữ. Sau đó, chúng tôi đã cho minipigs truy cập vào dung dịch sucrose trong một giờ trong 12 ngày liên tiếp và thực hiện lại hình ảnh sau 24 giờ kể từ lần truy cập sucrose cuối cùng. Trong một mẫu nhỏ hơn gồm năm minipigs, chúng tôi đã thực hiện thêm [¹¹C] carfentanil PET phiên sau khi tiếp xúc với sucrose đầu tiên. Chúng tôi đã tính toán các tiềm năng ràng buộc khôn ngoan của voxel (BP_ND) sử dụng tiểu não làm vùng liên kết không thể di chuyển, phân tích sự khác biệt với ánh xạ không tham số thống kê và thực hiện phân tích vùng. Sau 12 ngày truy cập sucrose, HA_ND của cả hai tracers đã giảm đáng kể ở striatum, nhân accumbens, thalamus, amygdala, vỏ não và vỏ não trước trán, phù hợp với sự điều chỉnh giảm mật độ thụ thể. Sau một lần tiếp xúc với sucrose, chúng tôi thấy giảm ràng buộc của [¹¹C] carfentanil trong nhân accumbens và vỏ não, phù hợp với giải phóng opioid. Sự sẵn có thấp hơn của các thụ thể opioid và dopamine có thể giải thích tiềm năng gây nghiện liên quan đến việc sử dụng sucrose.

Năm phần trăm dân số thế giới bị béo phì lâm sàng¹. Là một dấu hiệu của hội chứng chuyển hóa, béo phì có liên quan đến bệnh tiểu đường loại 2, bệnh tim mạch, các vấn đề về hô hấp và nguy cơ trầm cảm và có thể mất trí nhớ². Việc tiêu thụ thực phẩm đậm đặc năng lượng ngày càng tăng đã làm tăng sự khác biệt về sinh lý giữa cơn đói cân bằng sau khi thiếu thức ăn, và cơn đói khoái lạc, hay cơn thèm ăn, xảy ra trong trường hợp thiếu thốn^3,4. Vì một mình quy định cân bằng nội môi không thể giải thích cho sự gia tăng béo phì hiện nay, nên bắt buộc phải kiểm tra tác động lên cơ chế thưởng của não và niềm vui của các đặc tính gây nghiện của thực phẩm có vị giác cao.

Tiêu thụ Sucrose có liên quan đến béo phì và sucrose ngày càng được coi là một chất gây nghiện⁵. Một số phát hiện không phù hợp với tuyên bố này do những khó khăn trong việc tách tiêu thụ thực phẩm không hợp khẩu vị khỏi phản ứng thực phẩm khoái lạc và xác định thành phần gây nghiện trong thực phẩm chế biến, cũng như các cơ chế khác nhau để thực phẩm thay đổi mạch não qua con đường tự nhiên⁶. Tuy nhiên, trong các bối cảnh cụ thể, việc sử dụng sucrose không tạo ra phần thưởng và sự thèm muốn, có thể so sánh với mức độ gây ra bởi các loại thuốc gây nghiện, dẫn đến tình trạng thừa và béo phì cuối cùng^6,7.

Đói có liên quan đến Hồi muốn có liên quan chặt chẽ đến tác động của dẫn truyền thần kinh dopaminergic trong một số trường hợp khen thưởng⁸, nhưng vẫn chưa rõ làm thế nào hành động của dopamine (DA) được điều biến để đáp ứng với việc ăn uống bắt buộc. Tiêu thụ thực phẩm hợp khẩu vị được liên kết với các món ăn thích của người Hồi giáo, được trung gian chủ yếu bởi hệ thống opioid nội sinh, đặc biệt là thụ thể μ-opioid (μOR)^9,10, có thể thúc đẩy quá mức khi bãi bỏ quy định. Trong báo cáo hiện tại, chúng tôi kiểm tra tuyên bố rằng sucrose dẫn đến giải phóng opioid và dopamine làm giảm sự sẵn có của các thụ thể μOR và DA D2 / 3. Tính khả dụng là một chỉ số về số lượng thụ thể không có sẵn để liên kết theo dõi và về nguyên tắc không phân biệt giữa chiếm chỗ phối tử và mật độ thụ thể¹¹.

Sự khởi đầu của việc ăn uống bắt buộc phụ thuộc vào nhiều yếu tố và các nghiên cứu nguyên nhân ở người nêu ra các vấn đề đạo đức. Do đó, phần lớn các nghiên cứu tập trung vào hành vi cho ăn ở chuột¹². Mặc dù chuột có răng ngọt, nhưng cơ chế cân bằng nội môi quan trọng đối với việc tăng cân, trao đổi chất và loại tích tụ chất béo, khác biệt đáng kể so với con người. Minipig của Gottingen là một loài động vật ăn tạp lớn với bộ não phát triển tốt, có thể được chụp ở độ phân giải đủ. Vùng vỏ não và vỏ não trước trán được xác định rõ của nó¹³ cho phép một bản dịch trực tiếp hơn đến chức năng não của con người. Ở đây, chúng tôi sử dụng hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) để kiểm tra trong cơ thể Sẵn có μOR và DA D2 / 3 trong mô hình minipig phơi nhiễm sucrose cận lâm sàng. Trong một mẫu nhỏ hơn, chúng tôi đã nghiên cứu các tác động ngay lập tức đối với chiếm μOR sau lần tiếp xúc đầu tiên với sucrose. Cuối cùng, chúng tôi đã thử nghiệm mối quan hệ giữa những thay đổi về tính khả dụng của thụ thể của hai bộ theo dõi.

Bản đồ tham số trung bình của [¹¹C] carfentanil và [¹¹C] tiềm năng liên kết raclopride (BP_ND) được hiển thị trong hình. 1. Để phân tích những thay đổi xảy ra sau lần tiếp xúc sucrose đầu tiên trong năm minipigs so với đường cơ sở và một ngày sau ngày 12^th truy cập sucrose trong bảy minipigs so với đường cơ sở, chúng tôi đã sử dụng lý thuyết hoán vị và phân tích toàn bộ não không giới hạn khu vực, phương pháp ưa thích cho các mẫu có kích thước này¹⁴.

Trung bình tiềm năng ràng buộc không thể di chuyển voxel-khôn ngoan (BP_ND) ánh xạ chồng lên hình ảnh MRI trong chế độ xem sagittal. Dữ liệu được trình bày cho [¹¹C] carfentanil_ND trong số 5 minipigs được chụp tại đường cơ sở, sau khi tiếp xúc ban đầu với sucrose và sau 12 ngày tiếp xúc với sucrose (hàng trên cùng). [¹¹C] carfentanil_ND của tất cả 7 minipigs được chụp ở đường cơ sở và sau 12 ngày truy cập sucrose được trình bày ở hàng giữa. [¹¹C] raclopride HA_ND của tất cả 7 minipigs được chụp ở đường cơ sở và sau 12 ngày truy cập sucrose được hiển thị ở hàng dưới cùng. Lưu ý rằng thang màu là theo cấp số nhân để làm nổi bật [¹¹C] raclopride HA_ND ở vùng ngoại sinh.

Hình ảnh kích thước đầy đủ

Tiếp xúc sucrose ban đầu

Trong năm minipigs được chụp bằng [¹¹C] carfentanil tại đường cơ sở và ngay sau khi tiếp xúc với sucrose đầu tiên, chúng tôi đã tìm thấy sự giảm liên kết chất đánh dấu ở vỏ não trước và vỏ hạt nhân khi phản ứng với sucrose, được thể hiện bằng màu trong hình. 2, chỉ ra p <0.05. Chúng tôi đã phát hiện thấy giảm 14% liên kết dấu vết ở cả hai khu vực so với ban đầu.

Giảm đáng kể trong [¹¹C] carfentanil_ND sau khi tiếp xúc với nước sucrose đầu tiên so với đường cơ sở (n = 5). Chỉ voxels có ý nghĩa (p <0.05) giảm được thể hiện khi các vùng màu được chiếu trên các vết cắt MRI có trọng số T1 ở mức vỏ não trước (bên trái) và vùng nhân (giữa) từ tập bản đồ não minipig lập thể. Lưu ý rằng mức ý nghĩa lớn nhất có thể đạt được với 5 con vật là 2^-5 0.031 (xem thanh màu). Dữ liệu được trình bày trên các phần vành của não lợn ở các mức được chỉ định trên hình ảnh sagittal (phải).

Hình ảnh kích thước đầy đủ

12 ngày truy cập sucrose

Sau đó, chúng tôi đã thực hiện phân tích bảy minipigs được chụp bằng [¹¹C] carfentanil tại đường cơ sở và sau 12 ngày tiếp cận sucrose và thấy giảm đáng kể sự gắn kết chất đánh dấu ở động vật tiếp xúc với sucrose so với đường cơ sở. Các khu vực bị ảnh hưởng đáng kể nhất được thể hiện bằng màu đỏ trong hình. 3 (p <0.01) và bao gồm các phần của cấu trúc khứu giác, u hạch nhân / thể vân bụng và vỏ não thái dương / thùy, tiếp theo là các vùng có màu vàng (p <0.015) bao gồm các phần của vỏ não trước trán, vỏ não, hạch hạnh nhân và thân não . Để có được BP_ND giá trị và đánh giá phần trăm thay đổi, chúng tôi đã thực hiện phân tích khu vực và thu được giá trị trung bình ở từng khu vực tại đường cơ sở và sau khi tiêu thụ sucrose (Hình. 4).

Giảm đáng kể trong [¹¹C] tiềm năng liên kết carfentanil (BP_ND) giữa đường cơ sở và sau 12 ngày tiếp xúc với nước sucrose (n = 7). Các voxels có ý nghĩa (p <0.05) giảm được thể hiện khi các vùng màu được chiếu trên các hình cắt MRI có trọng số T1 từ bản đồ não minipig lập thể. Dữ liệu được trình bày trên các phần não phía sau ở các mức được chỉ ra trên hình ảnh sagittal (phía dưới bên phải). Lưu ý rằng mức ý nghĩa lớn nhất có thể đạt được với 7 con vật là 2^-7 0.0078 (xem thanh màu).

Hình ảnh kích thước đầy đủ

Phân tích khu vực của [¹¹C] tiềm năng liên kết carfentanil (BP_ND) giữa đường cơ sở và sau 12 ngày tiếp xúc với nước sucrose (n = 7). Dữ liệu được trình bày như là phương tiện sai số chuẩn.

Hình ảnh kích thước đầy đủ

Chúng tôi đã sử dụng [¹¹C] raclopride là chất đánh dấu các thụ thể DA D2 / 3 ở các vùng não ngoại sinh và ngoại sinh ở minipigs tại đường cơ sở và sau 12 ngày tiếp cận sucrose (Hình. 1). Chúng tôi nhận thấy sự liên kết chất đánh dấu giảm ở động vật tiếp xúc với đường sucrose, so với lúc ban đầu có tác động lớn nhất (p <0.01) ở các vùng của vỏ não trước, vùng nhân / thể vân bụng, vùng vỏ não, hạch hạnh nhân, đồi thị, màng não, vùng hải mã và vùng khứu giác (Quả sung. 5). Dữ liệu từ phân tích khu vực được trình bày trong hình. 6.

Giảm đáng kể trong [¹¹C] tiềm năng liên kết raclopride (BP_ND) giữa đường cơ sở và sau 12 ngày tiếp xúc với nước sucrose (n = 7). Các voxels có ý nghĩa (p <0.05) giảm được thể hiện khi các vùng màu được chiếu trên các hình cắt MRI có trọng số T1 từ bản đồ não minipig lập thể. Dữ liệu được trình bày trên các phần thân của não lợn ở các cấp độ được chỉ ra trên hình ảnh sagittal (phía dưới bên phải). Lưu ý rằng mức ý nghĩa lớn nhất có thể đạt được với 7 con vật là 2^-7 0.0078 (xem thanh màu).

Hình ảnh kích thước đầy đủ

Phân tích khu vực của [¹¹C] tiềm năng liên kết raclopride (BP_ND) giữa đường cơ sở và sau 12 ngày tiếp xúc với nước sucrose (n = 7). Dữ liệu được trình bày như là phương tiện sai số chuẩn.

Hình ảnh kích thước đầy đủ

Mối tương quan giữa [¹¹C] raclopride và [¹¹C] dữ liệu carfentanil

Chúng tôi đã thử nghiệm mối tương quan tiềm năng giữa [¹¹C] raclopride và [¹¹C] giá trị carfentanil của HA_ND trong các khu vực tiền sản và không có thai trong minipigs lúc ban đầu và sau 12 ngày uống sucrose, không có mối liên quan nào được quan sát. Sau đó, chúng tôi đã kiểm tra xem sự suy giảm của liên kết theo dõi có tương quan hay không và chúng tôi đã so sánh các thay đổi của HA_ND cho [¹¹C] raclopride với những thay đổi của BP_ND cho [¹¹C] carfentanil chỉ trong minipigs có HA thấp hơn_ND của cả hai tracers sau khi uống sucrose (n = 6). Chúng tôi đã tìm thấy mối tương quan tiêu cực đáng kể trong sinh sản trung bình (r² = 0.91, p <0.01), nhưng không ở vùng vân, (Hình. 7).

Mối tương quan giữa tiền trừ sau giảm¹¹C] raclopride và [¹¹C] tiềm năng liên kết carfentanil (BP_ND) trong minipigs với liên kết tracer giảm sau khi uống sucrose (n = 6). Dữ liệu từ các khu vực ngoại sinh trung bình (trên cùng) và striatum (dưới cùng) được trình bày. Hệ số xác định (r²) và các giá trị p được hiển thị cho mỗi biểu đồ.

Hình ảnh kích thước đầy đủ

Chúng tôi đã xác định những ảnh hưởng của việc tiếp cận không liên tục đến sucrose đối với sự dẫn truyền thần kinh opioid và DA trong não động vật có vú. Theo chiều dọc trong cơ thể Hình ảnh PET của các thụ thể μOR và DA D2 / 3 cho thấy giảm khả năng thụ thể trong toàn bộ mạch thưởng, bao gồm cả nhân accumbens, vỏ não trước trán và vỏ não trước. Kết quả chứng minh rõ ràng rằng sucrose ảnh hưởng đến các cơ chế khen thưởng theo cách tương tự như các loại thuốc lạm dụng.

Việc tiêu thụ sucrose như một chất có thể ăn được được biết là giải phóng DA và gây ra sự phụ thuộc vào loài gặm nhấm¹⁵, với sucrose được chứng minh là thậm chí còn dễ chịu hơn cocaine trong các loài gặm nhấm trong các bối cảnh nhất định. Do đó, loài gặm nhấm hoạt động mạnh mẽ hơn để thu được sucrose hơn cocaine, ngay cả khi không thiếu thức ăn⁵. Tuy nhiên, ảnh hưởng của sucrose được quy định bởi cả hệ thống cân bằng nội môi và mạch thưởng^16,17 điều đó có thể làm trung gian cho sự phân biệt giữa các khía cạnh dinh dưỡng và khoái lạc của hành động sucrose¹⁸. Chúng tôi đã chọn lịch trình một giờ mỗi ngày để quảng bá cho trò chơi bẻ khóa, vì các nghiên cứu trước đây trên chuột đã cho thấy mức tiêu thụ cao hơn trong giờ đầu tiên truy cập hàng ngày trong một lịch trình không liên tục^15,19. Các nghiên cứu hành vi về lượng thức ăn thường nhắm vào động vật bị hạn chế thực phẩm, nhưng thiết kế có thể không nhất thiết phản ánh các cơ chế thần kinh tương tự hoạt động trong bệnh béo phì. Lợn trong nghiên cứu hiện tại không bị hạn chế thức ăn và được cho ăn một lượng thông thường trong chế độ ăn bình thường của chúng ngoài việc tiếp cận với sucrose.

Các thụ thể opioid (OR) được thể hiện rộng rãi trong não, đặc biệt là trong các cấu trúc được biết đến để điều chỉnh quá trình ăn uống và khen thưởng²⁰. OR đã được chứng minh là rất quan trọng trong các tác dụng bổ ích và tái phát của cocaine^21,22,23,24. Sự thay đổi trong ràng buộc cũng có liên quan đến các phản ứng cân bằng nội môi đối với việc ăn uống và niềm vui liên quan đến thực phẩm hợp khẩu vị²⁵. Đặc biệt, thức ăn của người Hồi giáo được liên kết với hệ thống opioid nội sinh, đặc biệt là μOR^9,10 trong vỏ của hạt nhân accumbens và pallidum của bụng²⁶. Truyền chất chủ vận μOR vào các phần riêng biệt của accumbens hạt nhân và pallidum tăng cường mạnh mẽ các hành vi thích của các hành vi, bao gồm lồi lưỡi và liếm chân, sau khi tăng lượng thức ăn^27,28,29. Bằng chứng nữa cho tín hiệu opioid trong quá trình điều chỉnh hedonic đến từ các chất đối kháng μOR làm giảm tiêu thụ chow ngon miệng ở cả hai quảng cáo tự dođộng vật bị hạn chế và thức ăn, nhưng với tác dụng hạn chế hơn đối với việc ăn các viên tiêu chuẩn không ngon miệng^30,31. Ở người, chất đối kháng μOR làm giảm lượng thức ăn ngắn hạn và giảm độ dễ chịu của thức ăn^32,33,34. Tín hiệu opioid trong amygdala cơ bản cũng góp phần vào thực phẩm, ông muốn muốn thông qua điều chế tìm kiếm phần thưởng và giá trị khuyến khích của thực phẩm³⁵.

Với [¹¹C] carfentanil, chúng tôi đã thu được hình ảnh liên kết theo dõi nhạy cảm với cả mức độ μOR và việc giải phóng opioid nội sinh trong não^36,37. Chúng tôi đã phát hiện mất ngay lập tức μOR trong các khu vực của nhân accumbens và vỏ não trước, các vùng não cụ thể của con đường phần thưởng, sau khi tiêu thụ sucrose bởi năm minipigs, phù hợp với việc giải phóng opioid nội sinh. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng thực phẩm ngon miệng có thể dẫn đến cảm giác khoái cảm³⁸ bằng cách kích thích giải phóng opioid. Sau 12 ngày truy cập sucrose, chúng tôi quan sát thấy giảm [¹¹C] liên kết carfentanil, trong đó có một số giải thích có thể³⁹ bao gồm giải phóng opioid nội sinh và liên kết với μOR, OR nội bộ do tăng liên kết opioid và tăng kích hoạt thụ thể DA D2 / 3 dẫn đến giải mẫn cảm dị hợp của μOR⁴⁰.

Để hỗ trợ cho những phát hiện hiện tại, [¹¹C] nghiên cứu carfentanil của bệnh nhân bị chứng cuồng ăn⁴¹, béo phì^42,43,44và rối loạn ăn uống⁴⁵, cho thấy giảm khả năng thụ thể. Tuy nhiên, đây là những tình trạng mãn tính trong khi minipigs chỉ nhận được sucrose trong 12 ngày. Trong một nghiên cứu về hành vi cho ăn cấp tính ở những người đàn ông khỏe mạnh, cho ăn dẫn đến giải phóng opioid não nội sinh mạnh mẽ và lan rộng, cả khi có và không có hedonia, cho thấy giải phóng opioid phản ánh chuyển hóa và cân bằng nội môi, cũng như phản ứng khoái lạc²⁵. Nghiên cứu này, cùng với một nghiên cứu khác chụp ảnh bệnh nhân sau bữa ăn lỏng có hương vị sô cô la⁴⁴, có liên quan trực tiếp đến nghiên cứu cấp tính về năm minipigs sau lần phơi nhiễm sucrose đầu tiên, nhưng khác với nghiên cứu phơi nhiễm sucrose cận lâm sàng trong 12 ngày khi khả năng thụ thể giảm có nhiều khả năng phản ánh quá mức lặp đi lặp lại và điều hòa giảm quá mức của μOR.

Vỏ não trước rất quan trọng trong việc ra quyết định và xác định giá trị cho các mặt hàng và do đó, μOR trong vỏ não trước trán có thể chịu trách nhiệm cho việc đánh giá thay đổi độ mặn của thực phẩm, có thể làm tăng khả năng gây nghiện của thực phẩm. Chúng tôi đã tìm thấy giảm liên kết ở vỏ não trước trán, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy chế độ ăn nhiều chất béo làm giảm mức μOR mRNA ở vỏ não trước trán⁴⁶ và việc truyền chất chủ vận μOR vào vỏ não trước trán làm tăng lượng thức ăn ngọt⁴⁷. Tuy nhiên, một lần nữa, vấn đề đặt ra là chế độ ăn nhiều chất béo có phải là một tình trạng mãn tính hơn có khả năng làm trung gian điều hòa giảm thụ thể, so với thiết kế cho ăn sucrose ngắn hạn, cho thấy giải phóng opioid nội sinh liên tục thay thế tracer carfentanil liên kết với OR , thậm chí sau 12 ngày sucrose.

DA đã được liên quan đến phần thưởng cả từ thuốc và hành vi. Sử dụng cocaine mãn tính đã được tìm thấy để ức chế tín hiệu DA⁴⁸. Nồng độ thụ thể DA D1 và D2 ​​/ 3 bị thay đổi bởi nicotine trong não lợn⁴⁹và ở các loài linh trưởng không phải người có tiền sử lạm dụng cocaine⁵⁰, phù hợp với sự điều hòa của thụ thể D2 / 3 trong não của người nghiện cocaine ở người^51,52. Đối với các loại thuốc lạm dụng, sucrose đã được chứng minh là điều chỉnh tăng thụ thể DA D1¹⁹ và tăng phát hành DA⁵³, củng cố vai trò của DA trong việc mong muốn liên quan đến thực phẩm hợp khẩu vị. Các nghiên cứu trước đây về PET đã chứng minh sự giảm mức độ sẵn có của thụ thể DA D2 / 3 trong tình trạng béo phì so với cân nặng trung bình^54,55, tương tự như mức độ giảm ở bệnh nhân nghiện ma túy⁵⁶và ở động vật với mô hình béo phì⁵⁷. Trong các nghiên cứu động vật gặm nhấm, việc hạ gục thụ thể D2 / 3 ở vùng thượng thận thúc đẩy sự phát triển của việc tìm kiếm thức ăn bắt buộc ở chuột có quyền truy cập vào thức ăn ngon⁵⁷.

Những quan sát của chúng tôi về sự giảm khả năng thụ thể D2 / 3 của lợn có thể cho thấy mức độ DA tăng lên để đáp ứng với mức độ khuyến khích liên quan đến lượng sucrose kể từ khi DA được phát hành như một phần của việc lạm dụng thuốc và các hoạt động vui thú khác^52,58,59,60. Vì lợn đã được gây mê trong quá trình chụp ảnh và không nhận được sucrose trong 24 giờ, nên giảm D2 / 3 HA_ND nhiều khả năng phản ánh sự giảm số lượng thụ thể để đáp ứng với sự gia tăng phát hành DA kéo dài ở mỗi 12 ngày truy cập sucrose. Việc giảm có thể tăng ngưỡng thưởng cho não, liên quan đến việc điều chỉnh giảm các thụ thể DA D2 xuất hiện. Điều này có thể giải thích sự tăng tính nhạy cảm đối với các loại thuốc lạm dụng được thấy trong các nghiên cứu trước đây về việc chuột ăn quá nhiều sucrose dẫn đến nhạy cảm chéo với cocaine, tăng động sau khi dùng amphetamine liều thấp, tăng lượng rượu khi kiêng sucrose và dung nạp thuốc giảm đau.⁶.

Một nghiên cứu trước đây về bệnh béo phì ở minipig của Gottingen đã xác định giảm lưu lượng máu não trong vùng tụ nhân, vùng não thất (VTA) và vỏ não trước trán, với chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT) của não⁶¹. Phù hợp với những phát hiện này, chúng tôi đã quan sát thấy giảm liên kết DA D2 / 3 ở vùng ventroforebrain có chứa các hạt nhân accumbens và trong vỏ não trước trán. Nồng độ DA ngoại bào tăng gấp 3 lần trong nhân tế bào sau khi ăn sucrose ở chuột di chuyển tự do trải qua quá trình vi phân⁶². Ở động vật phụ thuộc sucrose, lượng sucrose lặp đi lặp lại có thể dẫn đến giải phóng DA khỏi vỏ của hạt nhân accumbens⁶³. Động vật được cho ăn chế độ ăn hạn chế với khả năng tiếp cận hạn chế với sucrose có liên kết với thụ thể DA D2 thấp hơn trong vỏ accumbens hạt nhân và vây lưng⁶⁴. Chế độ ăn kiêng chất béo và sucrose hạn chế có thể dẫn đến sự điều hòa giảm bền vững của mRNA thụ thể D1 và D2 ​​trong nhân accumbens⁶⁵. Một nghiên cứu vi phân về tác dụng của thực phẩm có thể ăn được đã tiết lộ sự giải phóng DA tăng lên trong nhân accumbens và vỏ não trước trán khi thực phẩm vẫn được coi là mới lạ; một khi những con chuột đã quen với thức ăn mới, sự giải phóng tăng lên đã bị cùn trong các hạt nhân, nhưng không phải ở vỏ não trước trán⁶⁶. Sự nhạy cảm khác biệt đối với thói quen và điều hòa hoạt động ở hai vùng có thể giải thích sự gia tăng lớn hơn quan sát thấy ở vỏ não trước trán so với các hạt nhân của minipigs tiếp xúc với cùng một chất có thể ăn được sau XNUMX ngày. Tuy nhiên, vì chúng tôi không hình ảnh minipigs với [¹¹C] raclopride sau lần quản trị sucrose đầu tiên, lời giải thích này chỉ mang tính đầu cơ.

Vỏ não trước điều chỉnh chức năng điều hành, ra quyết định và tự kiểm soát⁶⁷. Rối loạn chức năng dẫn truyền thần kinh DA ở vỏ não trước trán điều chỉnh quá trình xử lý phần thưởng, cho thấy chức năng điều hành bị suy giảm và kỹ năng ra quyết định ở những người béo phì^68,69. Hơn nữa, một nghiên cứu PET ở người có liên quan đến giảm chuyển hóa vỏ não phía trước với giảm liên kết với D2 trong bệnh béo phì⁷⁰. Ở đây, chúng tôi tìm thấy sự sẵn có của thụ thể D2 / 3 giảm ở vỏ não trước trán bao gồm cả vỏ orbitofrontal của lợn tiếp xúc với chế độ sucrose.

Các tế bào thần kinh Dopaminergic của VTA gửi dự đoán đến vùng hải mã và amygdala, nơi chúng hỗ trợ các hành vi giống như thói quen⁷¹ và làm trung gian mã hóa và thu hồi điều hòa vào thuốc^72,73 và tín hiệu thức ăn^74,75. Hình ảnh não người đã cho thấy kích hoạt hồi hải mã để đáp ứng với sự thèm ăn và nếm thức ăn⁷⁶. Phù hợp với những phát hiện của chúng tôi về sự giảm khả năng thụ thể của hippocampal và amygdalar D2 / 3 để đáp ứng với sucrose, lập bản đồ não người với [¹⁸F] fallypride cho thấy phát hành DA do cocaine cue gây ra ở amygdala và đồi hải mã⁷⁷. Trong não của loài gặm nhấm, tiếp xúc với cocaine cue đã kích hoạt giải phóng DA ở vùng amygdala⁷⁸và sự thay đổi nồng độ DA của amygdala ảnh hưởng đến hành vi tìm kiếm cocaine do cue gây ra⁷⁹.

Trong một nghiên cứu về những người béo phì, sự liên quan giữa khả năng sẵn có của D2 / 3 và μOR, được biết là tồn tại ở những vùng nạc của những người gầy, đã bị phá vỡ ở vùng bụng⁸⁰. Chúng tôi đã so sánh các giá trị của BP_ND của hai bộ theo dõi để kiểm tra nếu dữ liệu tái tạo hiệu ứng này. Không giống như người gầy, bộ não hiện tại của lợn không có mối tương quan giữa các giá trị của HA_ND của hai tracers, tại đường cơ sở hoặc sau khi tiếp xúc với sucrose. Sau đó, chúng tôi đã kiểm tra xem các động vật có sự suy giảm liên kết raclopride tracer lớn nhất cũng sẽ có sự giảm liên kết tracer carfentanil lớn nhất hay không, nhưng thay vào đó chúng tôi đã tìm thấy một mối tương quan tiêu cực ở các vùng ngoại sinh trung bình, cho thấy rằng các động vật có khả năng thay đổi lớn nhất của khả năng liên kết tracer raclopride có sự thay đổi thấp nhất về tiềm năng ràng buộc của tracer carfentanil. Mối quan hệ nghịch đảo giữa các thay đổi cho thấy rằng ảnh hưởng của lượng sucrose lên tính khả dụng của các thụ thể tương ứng được điều chỉnh theo hướng ngược lại. Người ta biết rằng tiêu thụ quá nhiều thực phẩm, hoặc thuốc, có thể được điều khiển bằng cách muốn hoặc thích, hoặc cả hai^60,81. Có thể là mức độ muốn điều khiển bởi dopamine phủ nhận mức độ thích được điều khiển bởi opioids, hoặc ngược lại. Bằng chứng gần đây cho thấy vai trò của GABA_A Các thụ thể trong VTA và các đầu nối cholinergic trong striatum và có thể vỏ não đóng vai trò chuyển đổi giữa các cơ chế phụ thuộc dopamine và độc lập với dopamine của opioid^82,83 điều đó có thể giải thích cho sự tương hỗ của các hiệu ứng dopamine và opioid ở các vùng ngoại sinh của lợn được xác định ở đây.

Một thiếu sót của PET, cũng ở động vật tương đối lớn, là độ phân giải không gian hạn chế của chụp cắt lớp ảnh hưởng đến kết quả từ các vùng não nhỏ liên quan đến các hành vi liên quan đến thực phẩm. Tuy nhiên, bất chấp những lo ngại này, [¹¹C] ràng buộc raclopride trước đây đã được ghi nhận ở cả hai vùng ngoại sinh và ngoại sinh^84,85,86,87. Việc sử dụng [¹¹C] raclopride để dán nhãn cùng loại thụ thể làm tăng mối lo ngại về sự khác biệt mối quan hệ tiềm năng có thể ảnh hưởng đến việc sử dụng các bộ theo dõi riêng biệt cho cùng một thụ thể ở các khu vực khác nhau. Các nghiên cứu gần đây bao gồm các hồ sơ về ràng buộc ngoại sinh của [¹¹C] raclopride. Alakurtti et al. tìm thấy khả năng tái tạo tốt của các biện pháp liên kết raclopride trong giai đoạn đầu, chỉ có khả năng tái tạo tốt đến trung bình ở vỏ não⁸⁵. Trong một nghiên cứu sau này, Svensson et al. thảo luận về một số vấn đề ảnh hưởng đến việc sử dụng [¹¹C] raclopride như một dấu hiệu của thụ thể D2 / 3 ngoại sinh trong một nghiên cứu ở người khỏe mạnh, bao gồm khả năng sinh sản kém ở vỏ não và hạn chế sự liên kết ngoại sinh ở vỏ não trước để đáp ứng với tác nhân ngăn chặn D2 / 3⁸⁸. Các so sánh kiểm tra thử lại cho thấy mức độ khác nhau của 4 Thay7% ở giai đoạn cuối và 13 Thay59% ở các vùng vỏ não, nhưng thời gian giữa các lần kiểm tra trung bình là 20 ngày, không giống như 1 ngày 2 thông tin của hầu hết các nghiên cứu. Một số yếu tố trong cuộc sống của những đối tượng này có thể đã có thời gian để ảnh hưởng đến những phát hiện. Thật vậy, chúng tôi chỉ ra rằng việc chỉ thêm tiêu thụ sucrose vào thói quen buổi sáng trong 12 ngày có thể đã ảnh hưởng đến các biện pháp ràng buộc thu được hai tuần sau đó. Các yếu tố phổ biến khác như chơi trò chơi điện tử, mua sắm, tham gia các mối quan hệ lãng mạn và hoạt động tình dục mới, sử dụng thuốc hoặc thay đổi chế độ ăn uống và tập thể dục có thể ảnh hưởng đến mức độ dopamine ngoại sinh có khả năng thay đổi lớn các bộ dữ liệu. Nghiên cứu hiện tại ở minipigs đã giới thiệu một thiết lập được kiểm soát tốt với biến số duy nhất là sự vắng mặt hoặc sự hiện diện của sucrose trong chế độ ăn uống. Trong bối cảnh này, dữ liệu từ bảy động vật có độ biến thiên đủ thấp ở các vùng ngoại sinh có liên quan để xác định sự giảm đáng kể về mặt thống kê của phản ứng với sucrose.

Một hạn chế của nghiên cứu hiện tại là việc sử dụng thuốc gây mê cần thiết để đảm bảo sự bất động trong suốt quá trình trong cơ thể hình ảnh của động vật. Tác dụng của thuốc gây mê cụ thể và tương tác của chúng với thuốc hoặc các biện pháp can thiệp khác có thể làm rối loạn sự ràng buộc của thuốc phóng xạ^89,90. Ketamine là một loại thuốc chống glutamatergic với tác dụng chống trầm cảm nhanh ở liều gây mê^91,92,93, điều đó không làm giảm tình trạng [¹¹C] ràng buộc raclopride ở người⁹⁴. Tuy nhiên, S-ketamine đã được tìm thấy để làm giảm sự sẵn có của các thụ thể dopamine D2 / 3 trong sự xuất hiện của các loài linh trưởng không có ý thức⁹⁵. Isoflurane là một chất gây mê phổ biến trong PET động vật. Trong các nghiên cứu trước đây, chúng tôi đã tìm thấy sự tích lũy nổi bật của [¹¹C] SCH23390, một chất phóng xạ của thụ thể dopamine D1 cao hơn đáng kể trong minipigs được gây mê bằng isoflurane chứ không phải propofol, cho thấy sự nhạy cảm của dẫn truyền thần kinh dopaminergic đối với tác dụng gây mê⁹⁶. Trong nghiên cứu hiện tại, tất cả các minipigs được chụp ảnh ở cả hai mốc thời gian dưới thuốc trước ketamine và gây mê bằng isoflurane, làm cho các so sánh hiện tại có hiệu lực.

Tiêu thụ quá nhiều thực phẩm hợp khẩu vị có thể vừa gây ra, vừa trở thành kết quả của việc nghiện gây hậu quả trực tiếp đến sức khỏe do béo phì. Chúng tôi đã thử nghiệm tuyên bố rằng các phần thưởng trung gian opioids và dopamine, quan trọng đối với sự sống còn cũng như lạm dụng thuốc. Minipigs tiếp cận không liên tục với dung dịch sucrose trong 12 ngày liên tiếp đã chứng minh giảm khả năng sử dụng thụ thể dopamine D2 / 3 và XNUMX io opioid ở các vùng não ngoại sinh và ngoại sinh, ngụ ý rằng các loại thực phẩm có hàm lượng sucrose ảnh hưởng đến mạch tương tự như các thuốc gây nghiện được tiêu thụ. Tiếp xúc ban đầu với sucrose phù hợp với việc giải phóng opioid ở các vùng não hoạt động trong phần thưởng. Những thay đổi của opioid và dopamine có sẵn giải thích tiềm năng gây nghiện của sucrose tiêu thụ vượt mức.

Đạo đức động vật

Nghiên cứu này đã được phê duyệt và điều chỉnh bởi Thanh tra thí nghiệm động vật Đan Mạch và tất cả các thí nghiệm được thực hiện theo chỉ thị 2010/63 / EU của Nghị viện châu Âu và của Hội đồng bảo vệ động vật được sử dụng cho mục đích khoa học và hướng dẫn ARRIVE. Chúng tôi đã sử dụng bảy minipigs nữ mười bốn tháng tuổi (Ellegaard, Dalmose, Đan Mạch). Minipigs được cho ăn chế độ ăn viên (6 dL, 2 lần mỗi ngày, Dịch vụ ăn kiêng đặc biệt, Aarhus, Đan Mạch) với nước máy có sẵn quảng cáo tự do. Nhiệt độ môi trường là 20 nhiệt22 ° C, độ ẩm tương đối 50 Lỗi55% và không khí được thay đổi tám lần mỗi giờ.

Tiêu thụ sucrose không liên tục

Chúng tôi bắt chước bảy minipigs với [¹¹C] raclopride và [¹¹C] carfentanil tại đường cơ sở, và một ngày nữa sau 12 ngày tiếp xúc với nước sucrose. Tiếp xúc với Sucrose bao gồm một giờ sucrose (sucrose, Dansukker, Copenhagen, Đan Mạch) tiếp cận nước (500 gram sucrose trong 2 lít nước), hàng ngày trong khoảng thời gian 12 ngày. Lượng sucrose được ghi nhận và tất cả các minipigs tiêu thụ 2 lít mỗi ngày. Chúng tôi cũng bắt chước năm minipigs tương tự với [¹¹C] carfentanil, 30 phút sau lần tiếp cận sucrose đầu tiên, để nghiên cứu giải phóng opioid cấp tính.

Những con minipigs tăng trung bình 13.6% trọng lượng cơ thể từ 25.4 kg (± 0.73 SEM) lúc ban đầu lên 28.9 kg (± 0.69 SEM) sau 12 ngày tiếp xúc với sucrose, cao hơn đáng kể (thử nghiệm t một bên, p < 0.001) so với sự gia tăng được quan sát thấy trong một mẫu đối chứng nhỏ con thu được trong các nghiên cứu trước đó, trong đó trọng lượng chỉ tăng trung bình 4.9%, trong cùng giai đoạn phát triển.

Chụp não PET

Chúng tôi nhịn ăn qua đêm với nước miễn phí trước khi chụp ảnh. Chúng tôi minipigs tiền thuốc và gây mê như mô tả trước đây⁹⁷ và đặt chúng nằm ngửa trong một thiết bị PET / CT (Siemens Biograph 64 Truepoint PET). Chúng tôi đã thực hiện chụp CT liều thấp trước mỗi lần lấy PET để xác định giải phẫu và điều chỉnh suy giảm dữ liệu phát thải PET. Chúng tôi tiêm tĩnh mạch [¹¹C] raclopride tại đường cơ sở (360 ± 18 MBq, hoạt động cụ thể 77 ± 76 GBq / μmol, tiêm khối lượng 0.12 ± 0.08 g / kg) và sau 12 ngày sucrose (374 ± 54 MBq, hoạt động cụ thể 127 ± 85 GBq / mol, khối lượng tiêm 0.06 ± 0.05 g / kg) và [¹¹C] carfentanil tại đường cơ sở (377 ± 43 MBq, hoạt động cụ thể 311 ± 195 GBq / μmol, tiêm khối lượng 0.03 ± 0.02 g / kg) và sau 12 ngày sucrose (337 ± 71 MBq, hoạt động cụ thể 177 ± 157 GBq / μmol, tiêm khối lượng 0.06 ± 0.08 g / kg) qua tĩnh mạch tai, trong 10 ml nước muối, trong phút đầu tiên của 90 phút quét. Chúng tôi đã xây dựng lại dữ liệu PET bằng TrueX 3D OSEM (3 lần lặp, 21 tập con), ma trận 256 × 256 × 109 và bộ lọc Gauss 2 mm, sử dụng cấu trúc khung thời gian 5 × 60, 3 × 300, 4 × 600 , 2 × 900 giây (tổng cộng 14 khung hình, 90 phút). Lúc ban đầu và sau 12 ngày sucrose, minipigs được chụp bằng cả hai tracers được tiêm cách nhau ít nhất 100 phút, do thời gian bán hủy của [¹¹C] Bộ theo dõi PET. Sau khi hoàn thành phiên PET cuối cùng, chúng tôi đã tiêu hủy các minipigs dưới gây mê sâu bằng cách sử dụng quá liều tiêm tĩnh mạch pentobarbital (100 mg / kg).

Phân tích và thống kê định lượng

Chúng tôi đã thực hiện các bước tiền xử lý bằng PMOD 3.7 (PMOD Technologies Ltd, Zurich, Thụy Sĩ). Để xác định các tham số biến đổi lập thể từ hình ảnh PET trung bình theo thời gian, chúng tôi đã sử dụng các mẫu dành riêng cho phối tử. Chúng tôi đã áp dụng các ma trận biến đổi được tạo ra và các trường cong vênh vào chuỗi thời gian PET động tương ứng. Chúng tôi tạo ra hình ảnh tham số của [¹¹C] tiềm năng liên kết raclopride (BP_ND) bằng phương pháp mô tham chiếu đa tuyến của Ichise và đồng nghiệp⁹⁸. Chúng tôi đã tạo ra một mặt nạ tùy chỉnh của tiểu não loại trừ lớp hạ bì để thu được phóng xạ mô tiểu não theo thời gian trong một khu vực có mật độ thụ thể DA D2 / 3 không đáng kể. Chúng tôi tạo ra hình ảnh tham số của [¹¹C] carfentanil sử dụng mô hình mô tham chiếu Logan^99,100 với t * = 30 phút. Nghiên cứu về [¹¹C] liên kết carfentanil trong não người đã sử dụng vỏ não chẩm làm vùng tham chiếu³⁶; tuy nhiên, ở lợn, theo các đường cong hoạt động thời gian, liên kết không thể di chuyển ở tiểu não thấp hơn so với vỏ não chẩm, phù hợp với những phát hiện từ nghiên cứu tự động chuột¹⁰¹. Do đó, chúng tôi đã chọn tiểu não làm vùng tham chiếu trong nghiên cứu hiện tại.

Phân tích thống kê

Chúng tôi đã đưa ra các bản đồ cho một phân tích khôn ngoan về voxel với Ánh xạ không tham số thống kê (SnPM v13.01, http://warwick.ac.uk/snpm) Hộp công cụ SPM sử dụng lý thuyết hoán vị không tham số để cung cấp khung cho suy luận thống kê, một cách tiếp cận cho thấy hoạt động tốt đối với các mẫu nhỏ do kiểm soát chặt chẽ các kết quả dương tính giả¹⁴ và áp dụng như mô tả trước đây¹⁰². Một chuyên gia về phẫu thuật thần kinh lợn (DO) đã so sánh các hình ảnh thu được đạt mức ý nghĩa 5% với một bản đồ minipig có độ phân giải cao của Gottingen^103,104 để xác định và gắn nhãn các vùng giảm DA D2 / 3 và μOR BP_ND từ đường cơ sở đến điều kiện sau sucrose. Sau đó, chúng tôi đã thực hiện phân tích khu vực quan tâm (ROI) để trích xuất BP_ND các giá trị của các khu vực cụ thể được tìm thấy được quan tâm dựa trên phân tích SnPM, bao gồm cả vân, hạt nhân, thalamus, amygdala, vỏ não và vỏ não trước trán. Không có số liệu thống kê bổ sung nào được thực hiện trên phân tích ROI, vì các khu vực này đã được tìm thấy có ý nghĩa khi sử dụng SnPM.

Một phát triển dự án ý tưởng của Đại học Aarhus Grant AU cho AML tài trợ cho nghiên cứu. Chúng tôi rất biết ơn sự hỗ trợ kỹ thuật từ các nhân viên tại Trung tâm PET của Bệnh viện Đại học Aarhus và Trang trại của Đại học Aarhus đã giúp đỡ trong việc điều trị cho động vật. Chúng tôi cảm ơn Giáo sư Morten Kringelbach, Giáo sư Jørgen Scheel-Kruger và Phó Giáo sư Arne Møller đã giúp đỡ cho việc bắt đầu các nghiên cứu này.

Chi nhánh

1. Khoa Y học hạt nhân và Trung tâm PET, Đại học Aarhus, Aarhus, Đan Mạch
   • Michael Winterdahl
   • , Ove Noer
   • , Anna C. Schacht
   • , Steen Jakobsen
   • , Aage KO Alstrup
   • , Albert Gjedde
   •  & Anne M. Landau
2. Khoa Phẫu thuật Thần kinh và CENSE, Bệnh viện Đại học Aarhus, Aarhus, Đan Mạch
   • Dariusz Orleansowski
3. Khoa Y học hạt nhân, Đại học Nam Đan Mạch & Bệnh viện Đại học Odense, Odense, Đan Mạch
   • Albert Gjedde
4. Khoa Khoa học thần kinh, Đại học Copenhagen, Copenhagen, Đan Mạch
   • Albert Gjedde
5. Khoa Thần kinh và Phẫu thuật Thần kinh, Đại học McGill, Montreal, Canada
   • Albert Gjedde
6. Đơn vị phẫu thuật thần kinh tịnh tiến, Đại học Aarhus, Aarhus, Đan Mạch
   • Anne M. Landau

Đóng góp

MW và AML đã thiết kế nghiên cứu và phân tích; ACS và SJ đã tổng hợp các bộ theo dõi PET; MW, AKOA và AML đã xử lý các minipigs và thực hiện quét PET; MW, ON và AML đã thực hiện phân tích dữ liệu; DO cung cấp chuyên môn về giải phẫu, MW, AG và AML đã giải thích dữ liệu; MW và AML đã viết bản thảo với sự hỗ trợ của AG; tất cả các tác giả đã phê duyệt phiên bản cuối cùng của bản thảo.

Tác giả tương ứng

Tương ứng với Anne M. Landau.

Cạnh tranh quyền lợi

Các tác giả tuyên bố không có lợi ích cạnh tranh.

Ghi chú của nhà xuất bản Springer Nature vẫn giữ được tính trung lập trong các tuyên bố về quyền tài phán trong các bản đồ được xuất bản và các tổ chức liên kết.

In lại và Quyền