Am J Clin Nutr。 Sep 2013; 98（3）：641-647。
在线发布Jun 26，2013。 DOI： 10.3945 / ajcn.113.064113
PMCID：PMC3743729
Belinda S Lennerz, David C Alsop, 劳拉·M·霍尔森, 艾米丽斯特恩, 拉斐尔·罗哈斯, Cara B Ebbeling, Jill M Goldstein及 大卫·路德维希
这篇文章已经 被引用 PMC的其他文章。
抽象
背景： 饮食的定性方面影响饮食行为，但这些与卡路里无关的影响的生理机制仍然是推测性的。
目的： 我们研究了血糖指数（GI）对典型的间期间隔后餐后期脑活动的影响。
设计： 通过使用随机，盲法，交叉设计，12超重或肥胖男性18-35 y消耗高GI和低GI膳食，在2场合控制卡路里，常量营养素和适口性。 主要结果是脑血流量作为静息大脑活动的量度，其通过在测试餐后使用动脉自旋标记功能磁共振成像4 h来评估。 我们假设在参与饮食行为，奖励和渴望的预先指定的区域中，高GI饮食后大脑活动会更大。
结果： 增加的静脉血浆葡萄糖（曲线下的2-h面积）在高GI低于膳食后高出2.4倍（P = 0.0001）。 血浆葡萄糖较低（平均值±SE：4.7±0.14与5.3±0.16 mmol / L相比; P = 0.005）并且报告的饥饿感更大（P = 0.04）高于低GI膳食后的4 h。 此时，高GI膳食引起更大的脑活动集中在右伏核（一个预定的区域; P = 0.0006，可进行多次比较调整），扩散到右侧纹状体的其他区域和嗅觉区域。
结论： 与等热量的低GI膳食相比，高GI膳食降低血浆葡萄糖，增加饥饿感，并选择性地刺激与餐后期的奖赏和渴望相关的大脑区域，这对于下一次的饮食行为具有特殊意义。膳食。 该试验在 clinicaltrials.gov 作为NCT01064778。
引言
大脑的中脑边缘多巴胺能系统会聚在伏核（纹状体的一部分）上，在奖赏和渴望中发挥核心作用，这种系统似乎介导了享乐食物的反应（1–3）。 在啮齿动物研究中，伏度核中多巴胺及其代谢物的细胞外浓度在摄入高度可口食物后比标准啮齿动物饲料颗粒增加更多（4）。 此外，阿片类药物微量注射伏核可增加食物摄入量和食物的奖赏价值（5）。 使用功能性脑成像的临床研究表明，在观察或消费可口的高热量食物后，肥胖人群中伏隔核或纹状体其他区域的激活程度大于瘦人。6–11）。 特别感兴趣的是纹状体多巴胺D.2 肥胖个体的受体可用性显着低于非肥胖个体（11），这提高了暴饮暴食可能补偿低多巴胺能活性的可能性。 然而，这些精益和肥胖人群之间的横断面比较无法评估因果关系。
关于血糖指数（GI）的生理学观察5 提供一种机制，以了解除适口性之外的特定饮食因素如何引起食物渴望和暴饮暴食。 GI描述了含碳水化合物的食物如何影响餐后血糖（12, 13）。 如前所述，肥胖青少年（13, 14），与低GI膳食相比，高消费导致餐后早期血糖和胰岛素升高（0-2 h），随后是餐后期血糖降低（3-5 h） ）。 在高GI餐后，血糖通常低于禁食浓度4 h，可能导致过度饥饿，暴饮暴食，并且偏爱快速恢复血糖至正常的食物（即高GI）（15–17），传播暴饮暴食的周期。 事实上，在对瘦弱和肥胖成人的研究中，平均胰岛素诱导的血糖浓度从4.9降至3.7 mmol / L，增加了纹状体的食物刺激活化和对高热量食物的需求（18）。 为了探索这些机制，我们通过使用涉及食物动机和能量平衡的奖励电路的功能性脑成像，比较了在餐后期间控制的高GI和低GI测试餐的效果，包括热量，常量营养素含量，成分来源和适口性。
主题和方法
我们对健康超重和肥胖的年轻男性进行了一项随机，盲法，交叉研究，并比较了2-2 wk分离的8对高GI和低GI试验餐的影响。 主要结果是脑血流量作为静息脑活动的量度，其通过在测试餐后使用动脉自旋标记（ASL）fMRI 4 h来确定。 我们假设高GI膳食会增加纹状体，下丘脑，杏仁核，海马，扣带回，眶额皮质和岛状皮质的活动，这些皮质是参与饮食行为，奖赏和成瘾的大脑区域（6–11）。 次要终点包括血浆葡萄糖，血清胰岛素和整个5-h餐后期间报告的饥饿。 还通过使用10-cm视觉模拟评分（VAS）评估测试餐的适口性。 统计学处理包括感兴趣的脑区域的预先规定和多重比较的校正。 该协议在Beth Israel Deaconess医疗中心（马萨诸塞州波士顿）进行并接受了伦理审查。 该试验在clinicaltrials.gov注册为NCT01064778，参与者提供了书面知情同意书。 在24 April 2010和25 February 2011之间收集数据。
参与者成员
参与者被招募了在波士顿大都市区和互联网列表中分发的传单和海报。 纳入标准是男性，18和35之间的年龄，以及BMI（kg / m2）≥25。 为避免月经周期可能引起的混淆，女性未被纳入这项初步研究（19）。 排除标准为任何重大医学问题，使用食欲或体重受到影响的药物，吸烟或娱乐性药物使用，高水平的体育活动，当前参加的减重计划或体重变化大于5％ 6个月，对试验餐点过敏或不耐受以及MRI程序的任何禁忌症（例如，禁忌的金属植入物，体重> 300磅（136千克））。 通过电话筛选和随后的现场评估来评估资格。 在评估会议上，我们获得了人体测量学指标并进行了口服葡萄糖耐量测试。 此外，参与者还对测试餐进行了采样，并进行了MRI序列检查以确定耐受该程序的能力。
通过使用随机排列的4块，按顺序将已录入的参与者输入到随机分配的列表（由波士顿儿童医院临床研究中心准备）中按测试餐的顺序排列。研究人员在纸杯中向参与者提供了液态测试餐。 。 两种测试餐的外观，气味和味道均相似。 参与数据收集的所有参与者和研究人员都被屏蔽了干预顺序。 参加者因完成该协议而获得250美元。
测试餐
从Botero等人修改了测试餐（20）在参与研究人员的口味测试中实现类似的甜味和适口性。 如图所示 表1两种测试餐都由相似的成分组成，并具有相同的常量营养素分布（ProNutra软件，版本3.3.0.10; Viocare Technologies Inc）。 通过使用葡萄糖作为参考标准，高GI和低GI测试膳食的预测GI分别为84％和37％。 测试膳食的卡路里含量是根据静息能量消耗的估计单独确定的，以便为每个参与者提供每日能量需求的25％（21）和1.2的活动因子。
程序
在评估期间，测量身高和体重，收集基线描述性数据（包括自我报告的种族和种族），并获得血清促甲状腺激素（以筛选甲状腺功能减退症）。 参与者接受75-g口服葡萄糖耐量试验（饮料10-O-75; Azer Scientific），其中0，30，60，90和120 min的血浆葡萄糖和血清胰岛素取样。
测试会话由2-8 wk分隔。 指导参与者在每次测试之前避免2 d的习惯性饮食和身体活动水平的变化，并在整个研究期间将体重维持在基线的2.5％之内。 参加者在0800和0930之间进行了两次测试，他们禁食≥12h并且从前一天晚上开始戒酒。 在每个疗程开始时，评估间隔健康，确认快速持续时间，并测量体重和血压。 放置20-gauge静脉导管用于连续血液取样。 在30-min适应期后，随机确定的测试餐在5 min内完全消耗。 在30-h餐后期间测试餐开始之前和之后每个5分钟获得血样和饥饿等级。 我们无法使用金属手部加热装置来使fMRI机器附近的静脉血动脉化，并且反复用手指刺入毛细血管血液所带来的压力可能会使主要研究结果混乱。 静脉血的使用可能导致测量高于和低于空腹浓度的动脉血糖浓度的误差，特别是对于高GI膳食，其包括研究限制（22）。 在测试餐完成后评估适口性，并在4 h后进行神经成像。
测量
在医院礼服和轻质内衣中用校准的电子秤（Scaletronix）测量重量。 用校准的测距仪（Holtman Ltd）测量高度。 通过将体重（千克）除以以米为单位的身高的平方来计算BMI。 使用自动化系统（IntelliVue监测器; Phillips Healthcare）获得血压，参与者静静地坐在5分钟。 用临床实验室改进修正案批准的方法（Labcorp）测量血浆葡萄糖和促甲状腺激素。 通过离心制备血清并在-80℃下储存以在研究结束时（Harvard Catalyst Central Laboratory）在一批中测量胰岛素。
通过“这顿饭有多美味？”的问题评估适口性。参与者被要求在10-cm VAS上做一个垂直标记，其口头锚点从“一点都不好吃”（0 cm）到“非常好吃”（ 10厘米）。 对亨格进行了类似的评估，问题是“你现在有多饿？”和口头上的锚点，从“根本不饿”到“极度饥饿”（14).
在测试餐后4 h进行神经影像学检查，此时预计高GI餐后的血糖最低点（14），使用GE 3Tesla全身扫描仪（GE Healthcare）。 通过使用ASL确定脑血流量，ASL是基于MRI的方法，其使用外部施加的磁场来瞬时标记流入的动脉血液用作扩散示踪剂。 获得3平面定位器扫描，然后获得用于解剖相关的T1加权数据集（改进驱动平衡傅里叶变换）（23），重复时间为7.9 ms，3.2 ms的回波时间，32-kHz带宽冠状采集平面，24×19视野，1-mm面内分辨率和1.6-mm切片。 制备时间为1100 ms，在制备期开始时重复饱和，在成像前为绝热反转脉冲500 ms。 在这些序列之后，按照先前描述的方法获得ASL扫描（24）。 该序列使用具有背景抑制的伪连续标记以最小化运动伪影，螺旋成像的3维多重堆叠，平面中的3.8mm的图像分辨率以及每单个体积的四十四个4-mm切片。 1.5的伪连续标记在图像采集之前具有1.5-s后标记延迟（25）在小脑底部以下1 cm进行（标记和对照的4平均值和用于脑血流量化的2未抑制图像获得）。 如先前报道的那样，使用定制软件量化脑血流量（24–26).
统计分析
该研究旨在通过使用80％I型错误率来检测5％的脑血流量差异，假设11.8参与者的样本量，单次测量的12％残差SD和子对象，提供11％功率0.6的相关性。 获得的具有可用数据的11参与者样本提供80％功率以检测12.4％的差异，并保留所有其他假设。
在统计参数映射统计图像分析环境（SPM5; Wellcome Department of Cognitive Neurology）内进行神经成像数据的分析。 将脑血流图像重新调整到第一张图像并转换为标准解剖空间（蒙特利尔神经学研究所/国际脑图谱联盟）（27）通过使用从SPM5规范化算法派生的注册变量。 使用8-mm全宽半最大内核平滑图像以准备统计分析。
我们使用WFU Pickatlas工具包中的模板检查了立体定位空间（28）。 在整个大脑中的总334非冗余解剖区域中，预先指定的感兴趣区域包括25独立区域（看到 在线问题“补充数据”下的补充表1）。 为了测试我们的主要假设，我们通过使用配对的2尾部比较了平均区域血流量（高GI膳食减去低GI膳食）的差异 t 测试调整订单效果和Bonferroni校正多重比较（原始 P 值乘以25）。 为了描绘脑血流差异的空间分布，我们使用一般线性模型的算法进行体素逐体素分析（29）和统计阈值 P ≤0.002。
通过使用梯形法计算血浆葡萄糖（0-2 h），血清胰岛素（0-2 h）和饥饿（0-5 h）的增量AUC。 通过使用4双面分析这些结果在2 h（主要感兴趣的预定时间点）的这些结果和值以分析测试膳食效果 t 使用SAS软件（版本9.2; SAS Institute Inc）进行测试。 订单效应的调整并未对这些结果产生重大影响。 为了检查生理变量和大脑激活之间的关系，进行一般线性模型分析，右侧伏核中的血流作为因变量，参与者数量和各自的代谢变量作为独立变量。 数据表示为平均值，如果有指示，则表示为SE。
成果
研究参与者
在筛选的89个体中，我们招募了13男性，在施用第一次测试餐之前1辍学（图1）。 其余的12参与者包括2西班牙裔，3非西班牙裔黑人和7非西班牙裔白人。 平均年龄为29.1 y（范围：20-35 y），BMI为32.9（范围：26-41），空腹血浆葡萄糖浓度为4.9 mmol / L（范围：3.6-6.2 mmol / L）和空腹胰岛素浓度为10.3μU/ mL（范围：0.8-25.5μU/ mL）。 由于数据存储错误，一个参与者的成像数据不完整; 其他参与者完成了协议。
对测试膳食的主观和生化反应
根据对10-cm VAS的响应，高GI和低GI测试餐的适口性没有差异（5.5±0.67分别与5.3±0.65 cm相比; P = 0.7）。 与预测的GI一致（表1），在高GI低测试餐后，2-2.4分别与2.9±0.36 mmol·h / L相比，葡萄糖的增量1.2-h AUC大于0.27倍; P = 0.0001）（图2）。 胰岛素的增量2-h AUC（127.1±18.1与72.8±9.78μU·h / mL相比; P = 0.003）和增量5-h饥饿的AUC（0.45±2.75与-5.2±3.73 cm·h相比; P 在高GI低测试餐后，0.04也分别更高。 在4 h进入餐后期，血糖浓度较低（4.7±0.14与5.3±0.16 mmol / L相比， P = 0.005），饥饿从基线的变化更大（1.65±0.79与-0.01 cm±0.92相比; P 在高GI和低GI试验餐后分别为= 0.04）。
脑成像
右侧伏隔核中高GI和低GI餐后的脑血流量4 h更大（平均差异：4.4±0.56 mL·100 g - 1 ·分钟 - 1; 范围：2.1-7.3 mL·100 g - 1 ·分钟 - 1; 8.2％相对差异）。 在对于25预先指定的感兴趣解剖区域进行Bonferroni校正后，这种差异仍然显着（P 所有0.0006非冗余脑区校正后（334）P = 0.009）。 基于图像的分析显示蒙特利尔神经病学研究所/国际脑部图谱联盟的右侧伏核中的单个区域坐标8，8，-10（峰值） t = 9.34）和坐标12，12，2处的另一个局部最大值（t = 5.16），其扩散到右侧纹状体（尾状，壳核和苍白球）和嗅觉区域的其他区域（图3）。 我们没有观察到对侧纹状体或其他预定的感兴趣区域的差异。
右侧伏隔核中代谢变量和血流量之间的关系如图所示 表2。 与血浆葡萄糖，血清胰岛素和饥饿相关的所有变量与右伏核中的血流量显着相关，而膳食的适口性则不然。
讨论
食物摄入受快感和稳态系统的调节（3）历史上有助于在广泛变化的环境条件下将平均BMI维持在健康范围内。 然而，与肥胖流行同时发生的是，随着主要来自粮食商品的高度加工食品的消费量迅速增加，食品供应发生了根本性的变化。 因此，血糖负荷（胃肠道和碳水化合物量的乘积）（30）在过去的半个世纪里，美国饮食大幅增加，这种长期趋势可能会对调节食物摄入量的两种系统产生不利影响。 血糖（和其他代谢燃料）的下降（13, 14）在高GI后餐后的餐后期，不仅会构成强大的稳态饥饿信号（15）但也通过纹状体激活增加食物的享乐价值（18）。 这种生理事件的组合可能会促进对高GI碳水化合物的特殊偏好的食物渴望（16, 17），从而传播暴饮暴食的循环。 此外，纹状体的反复激活可能会下调多巴胺受体的可用性，并进一步加剧过度饮食的驱动力（11).
这项研究有几个优点。 首先，我们使用ASL，这是一种新颖的成像技术，可提供脑血流量的定量测量。 常规方法（血氧水平依赖性fMRI）评估大脑活动的急剧变化，而不是绝对差异，这通常将观察限制在生理扰动后几分钟。 通过ASL，我们能够检查测试餐的持续影响而不会叠加刺激（例如，高卡路里食物的图片）。 其次，我们使用交叉干预而不是组间的横断面比较（例如，瘦与肥胖相比），这提供了增加的统计效力和因果方向的证据。 第三，我们通过控制卡路里含量，常量营养素成分，成分来源和食物形式来关注特定的饮食因素，而不是比较完全不同的食物（例如，芝士蛋糕与蔬菜相比）（6, 10, 31, 32）。 第四，2测试餐的设计和记录具有相似的适口性，这有助于从直接的享乐反应中解开代谢效应。 第五，我们检查了餐后期，这是对下一餐的饮食行为具有特殊意义的时间。 以前的研究通常将观察的持续时间限制在食物摄入后≤1h，此时葡萄糖吸收峰值和高GI膳食可能暂时显示为脑功能提供益处（33）。 第六，我们使用含有常量营养素成分和膳食血糖负荷的混合膳食。 因此，这些发现与美国常用的高GI早餐有关（例如，百吉饼和无脂奶油干酪）（12).
主要研究限制包括体积小，专注于超重和肥胖男性。 小型研究限制了普遍性并增加了假阴性（但不是假阳性）发现的风险。 我们的研究尽管规模庞大，但仍具有强大的力量来测试先验假设，并进行多重比较调整。 在减肥前后，精益控制受试者，女性和肥胖个体的其他研究将提供信息。 我们没有直接评估对膳食或食物渴望的快感反应，因此，我们无法探索这些主观价值与大脑激活之间的关系。 此外，试验餐的液体形式限制了发现对固体膳食的普遍性。
其他几个解释性问题值得考虑。 我们没有预料到GI对大脑的影响仅限于右半球，尽管偏侧性先前已涉及涉及奖励回路的神经行为障碍。 事实上，一项比较胰岛素敏感性与胰岛素抵抗男性相比的研究显示全身胰岛素给药对右侧但不是左侧腹侧纹状体的葡萄糖代谢的不同影响（34）。 我们也没有观察到其他预先指定的大脑区域的差异，要么是因为我们的研究缺乏看到不太强烈的效果的能力，要么因为这种效应在4-h时间点没有发生。 然而，对大鼠伏核的化学操作导致了对生殖神经元的刺激和对下丘脑中厌食症神经元的抑制（35），说明了纹状体对其他涉及喂养的大脑区域的影响。
除了奖励和渴望之外，伏核对于物质滥用和依赖至关重要（36–38），提出某些食物是否会上瘾的问题。 事实上，食物成瘾的概念已经通过饮食书籍和轶事报道受到广泛关注，并且越来越成为学术调查的主题。 最近使用常规血氧水平依赖性功能磁共振成像的研究显示，与瘦人相比，肥胖的伏隔核和相关脑区有选择性过度活动，这表明想象中有高度可口的食物（6–11）和在一定程度的食物成瘾得分高的受试者（39）。 然而，可能有人认为，这种涉及食物的愉悦反应并没有从高尔夫球手观看果岭或听音乐听觉美妙音乐的乐趣中获得乐趣（40）。 与之前的研究相反，我们的研究使用了具有相似适口性和ASL方法的测试餐来检查4 h后未刺激的大脑活动。 尽管如此，食物成瘾概念的有效性仍然存在激烈争论（41–47）。 与滥用药物不同，食物是生存所必需的，有些人可以习惯性地食用大量高GI（和高热量，高度加工）的食品，而且没有明显的身体或心理不良后果。 因此，对食物成瘾概念的应用保证了额外的机械导向的介入和观察研究。
总之，我们发现，与低GI试验餐相比，高消费增加了与餐后期间食物摄入，奖励和渴望相关的大脑区域的活动，这与低血糖和更高血糖相符。饥饿。 这些神经生理学发现，以及更长时间的减肥维持喂养研究（48, 49），表明减少高GI碳水化合物（特别是高度加工的谷物产品，马铃薯和浓缩糖）的消费可以改善暴饮暴食并促进超重和肥胖个体的健康体重的维持。
致谢
我们感谢Dorota Pawlak，Simon Warfield和Phillip Pizzo激发了讨论和建议; Joanna Radziejowska帮助测试配方和提供; 和Henry Feldman提供统计建议。 这些人中没有一人因其捐款而获得赔偿。
作者的职责如下 - DCA，CBE，JMG，LMH，BSL，DSL和ES：提供研究概念和设计; DCA和BSL：获取数据并提供统计专业知识; DCA，JMG，LMH，BSL和DSL：分析和解释数据; BSL和DSL：起草了手稿; DCA，CBE，JMG，LMH，RR和ES：对手稿进行了严格修订; RR：提供技术支持; DCA，BSL和DSL：获得资金; DCA和DSL：提供监督; 和DSL：作为首席研究员，可以完全访问研究中的所有数据，并负责数据的完整性和数据分析的准确性。 DCA从NIH和GE Healthcare获得了资助，这是一家MRI供应商，通过其现有和以前的学术机构进行成像技术开发和应用以及版税，用于本研究中使用的ASL技术相关的发明。 DSL从NIH获得资助，并从一本关于儿童肥胖的书中获得与肥胖有关的研究，指导，患者护理和版税的基础。 BSL，LMH，ES，RR，CBE和JMG报告没有利益冲突。
参考文献：
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