生物学精神病学。 作者手稿; 可在PMC 2014 May 1中找到。
以最终编辑形式发布为:
生物精神病学。 2013 May 1; 73(9):877-886。
在线发布2013 Feb 23。 DOI: 10.1016 / j.biopsych.2013.01.014
PMCID:PMC3686098
NIHMSID:NIHMS466498
抽象
背景
肥胖研究中的一个重要步骤涉及识别肥胖个体特定亚群特有的非食品奖励处理的神经生物学基础。
方法
将寻求暴食症(BED)治疗的19名肥胖个体与19非BED肥胖个体(OB)和19瘦对照受试者(LC)进行比较,同时执行金钱奖励/损失任务,解析功能磁共振期间的预期和结果成分成像。 在奖励/损失前景,预期和通知期间,在BED,OB和LC组中调查区域激活的差异。
成果
相对于LC组,OB组在预期阶段表现出增加的腹侧纹状体和腹内侧前额叶皮层活动。 相比之下,相对于OB组的BED组在预期奖励/损失处理期间表现出双侧腹侧纹状体活动减少。 在腹侧纹状体中BED和LC组之间未观察到差异。
结论
在奖赏/损失处理的神经相关性方面,肥胖个体存在异质性。 可分离组与肥胖的神经差异表明,多种不同的干预可能对优化肥胖的预防和治疗策略很重要。
神经奖励系统 - 通过调节食欲,体重调节和治疗反应 - 与肥胖有关(1–3)。 然而,对肥胖人群的研究表明,对食物线索的反应过度和低反应性都会奖励神经回路(4–8)。 这些看似不一致的发现可能与肥胖个体的异质性有关(9)。 肥胖与不同形式的无序饮食行为有关。 例如,肥胖和暴食症(BED)的群体与许多行为和心理维度上的非暴食相关肥胖群体不同(10)。 目前关于“食物成瘾”对饮食行为的适用性存在争议; 虽然一些调查人员认为缺乏证据(11),其他人提出该构建体似乎与某些肥胖亚群特别相关,例如BED(12,13).
看似不和谐的调查结果也可能反映出未能充分消除与预期和结果处理相关的阶段(14)。 奖励预期与腹侧纹状体(VS)活动相关,而更大的内侧前额叶皮层活动与奖励通知或奖励处理的结果阶段相关联(15–18)。 相对于健康个体的奖励处理的完成阶段,进行预期 - 完成区分的食物线索研究报告VS,中脑,杏仁核和丘脑的预期反应性更强(19,20)。 可口的食物消耗与眶额皮质(OFC)和脑岛的活动增加有关,肥胖个体的反应性增强(19,21,22)。 在肥胖症中,预期 - 完成性区分尤为重要,因为能量摄入似乎受到预期信号而非实际食物消费的强烈影响(23)。 对食物奖励的高度期待被认为是肥胖个体暴饮暴食的诱因(20,24).
迄今为止,神经影像学研究区分了饮食失调人群的预期/完成性加工,提供了复杂的发现。 肥胖,相对于瘦肉,个体在食物预期期间显示出岛叶和额下回(IFG)活动增加(22)。 然而,在神经性贪食症中,一种以暴食为特征的疾病,相对于非暴食者而言,食物预期与前额叶和脑岛活动减少相关(25)。 纹状体活动与奖励处理任务相关(15–18,26,27)和改变的纹状体反应与肥胖和体重增加有关; 然而,尽管一些研究显示肥胖个体在食用可食物后活动减少,但其他研究表明纹状体反应增加(6,22,28,29).
同样,成瘾文献包括奖励处理中看似模棱两可的发现,即使在区分预期/完成组成部分时也是如此。 例如,据报道,在预期处理过程中可卡因依赖性增加了纹状体活动(30),而在酒精依赖中已经注意到减少的预期VS反应(31)和病态赌博(32)。 这些差异可能与特定疾病,方法/分析考虑,治疗寻求状态或VS的解剖学描述有关; 其他差异可能与强化者的类型有关(例如,成瘾相关/不相关)。
尽管许多神经影像学研究都在研究与肥胖人群食物线索范式相关的奖励过程,但对肥胖中非食物奖励处理的研究却很少(33,34)。 了解肥胖症中的广义奖励处理很重要,因为奖励回路的改变可能代表紊乱饮食的脆弱性。 目前的研究使用功能性磁共振成像(fMRI)来检查在有和没有BED和精益比较(LC)组的肥胖个体的预期和接受获胜/损失期间的金钱奖励处理。 暴食症与许多行为,身体形象,心理和精神疾病标志物中的其他形式的肥胖和饮食失调有显着差异(10,35,36)。 然而,迄今为止,只有两项神经影像学研究检查了这种疾病相对于其他肥胖症状的生物行为相关性。 在腹内侧前额叶皮层(vmPFC)对食物线索的反应中,首次观察到超重BED参与者相对于没有BED的超重和瘦组的差异(37)。 最近,我们在认知控制任务期间观察了有和没有BED的肥胖个体之间的脑激活差异,其中BED组在IFG,vmPFC和岛叶中表现出相对减少的激活(38).
为了研究有和没有BED的肥胖个体的进一步差异,我们采用了广泛使用的货币激励延迟任务(MIDT)来检查奖励/损失处理(16,17,32,39,40)。 我们假设BED组在预期阶段会显示VS的反应减弱,而OB组相对于LC组显示VS活性增加。 我们假设,与贪食症的fMRI研究一致(25),在结果阶段,BED组将显示相对于非BED组的vmPFC,岛叶,丘脑和IFG活性降低。 考虑到奖励处理的神经相关性中肥胖个体之间的潜在相似性,检查了BED和OB组的相似性。
方法和材料
参与者成员
参与者包括57成人19-64年龄(平均年龄:38.9,34女性),其中64.9%(n = 37)被确定为高加索人,29.0%(n = 17)被确定为非洲裔美国人,5.3%(n = 3)被确定为美国原住民,和1.8%(n = 1)被确定为亚裔美国人; 5.3%(n = 3)认定自己是西班牙裔,和94.7%(n = 54)被确定为非西班牙裔。 人口统计信息在 表1 和补充1。 在所有组对比分析中包括年龄作为协变量,给出组年龄差异和控制潜在的年龄相关效应。 BED组的体重指数(BMI)范围从30.1到44.1。 OB组包括19个体,其BMI范围从30.4到41.6,LC组由19个体组成,BMI范围从20.4到24.6。 BED和OB组的平均BMI没有差异,正如预期的那样,这些组的BMI高于LC组。
肥胖的BED组由19治疗寻求参与者组成,参加随机安慰剂对照试验,单独或联合测试西布曲明和认知行为 - 自我干预的4月治疗。 根据此处描述的基线测量,参与者在开始治疗之前接受了fMRI方案,这些方案是在4月份进行的。 建议的BED DSM-5标准(www.dsm5.org)用于验证BED组中的所有个体均符合标准,但OB或LC组中没有个体具有暴食或其他无序饮食行为的历史或当前表达。
措施
fMRI获取和分析
使用Siemens TIM Trio 3T MRI系统(Siemens,Malvern,Pennsylvania)获得图像。 补充1中详细介绍了图像采集和分析方法。 功能性图像用SPM5(Welcome Functional Imaging Laboratory,London,UK)预处理,标准化为Montreal-Neurological-Institute模板,并用6-mm内核全宽半最大值进行平滑。 使用稳健回归进行一级建模(41)减少异常值的影响(42)。 包括运动和高通滤波器参数作为不感兴趣的额外回归量。 神经自我分析包(www.neuroelf.net)用于二级随机效应分析。 使用蒙特卡罗模拟(例如,AlphaSim)进行多重比较的校正,其具有组合的体素方式和簇阈值,以导致5%的家族错误率。 为了检查与任务相关的大脑激活,我们对比:1)对货币收益的预期与对潜在客户(A1)和通知预期(A2)阶段(分别为A1Win和A2Win)的预期没有货币结果的预期; 2)对A1和A2阶段(A1Loss和A2Loss)的预期货币损失与预期没有货币结果的预期; 3)“胜利”与“中立”结果试验(OCWin); 和4)“损失”与“中性”结果试验(OCLoss)。 有关更多信息,请参阅补充1和Balodis 等。 (32)描绘试验结构。 为了检查组间差异,我们比较了A1Win,A2Win,OCWin,A1Loss,A2Loss和OCLoss期间BED,OB和LC组的活动。 t 试验。 除了全脑对比外,还进行了2感兴趣区域分析。 这些分析侧重于VS,在预期货币激励期间招募的大脑回路的元分析坐标(图2)(43和包含伏隔核的坐标(图3)(26).
成果
鉴于空间限制以及A1和OC阶段与成瘾过程的相关性,A1对比度,行为和情感响应结果位于补充2中。 此外,列出了在肥胖组(BED + OB组合)中列出重叠激活的联合分析 补充2中的表S1。 所有组别差异都列在 表1。 在下文中,结果突出显示和描述与我们的假设(即额纹 - 纹状体区域)相关的组差异。 感兴趣区域分析的结果描述于 数字2 和 and33.
OB与LC
A2Loss
在A2Loss期间,OB-LC对比证明左侧IFG的活动增加,双侧延伸至右侧IFG,OFC和vmPFC; 右侧内侧额叶回横向延伸至额中回和IFG; 左中脑黑质向内侧延伸至红核和豆状核。
OCWin
在OCWin期间,OB-LC对比显示左中央前回的活动相对减少,背侧延伸至中额叶和中央后回。
OCLoss
在OCLoss期间,OB-LC对比显示左中央前回的活动减少,延伸至内侧额叶和中央后回。
BED与LC
A2Win
在A2Win期间,BED-LC对比表明背侧尾状肌延伸至中额回,脑岛和胼and体以及左侧扣带回延伸至尾状核的活动相对增加(图2D)。 在背侧内侧额回中观察到活动减少。
A2Loss
在A2Loss期间,BED-LC对比证明右尾状腺延伸至IFG的活动相对增加。 在右侧中额回到背侧内侧回中观察到相对减少的活动。
OCWin
在OCWin期间,BED-LC对比表明右颞上回的活动相对减少,延伸至岛叶,扣带回和后扣带; 左下顶叶延伸至岛叶,后扣带,上/中颞回,VS,尾状核,中央回,前躯,楔形,上/中枕叶和culmen; 双侧前扣带向右侧延伸至右侧IFG,尾状和髌骨; 双侧内侧额回; 和对了VS.
OCLoss
在OCLoss期间,BED-LC对比显示左中央前回的活动相对减少,延伸至右扣带回,双侧前扣带,左侧旁中叶,右侧中央回和右侧旁小叶; 右颞上回延伸至横颞回,中央回和脑岛; 左脑岛延伸至中央前回和中央后回; 左后扣带延伸至舌回,双侧前缘和楔形; 和右中脑延伸到丘脑和culmen。
BED与OB
A2Win
在A2Win期间,BED-OB对比显示豆状核的活动相对减少,双侧向VS延伸(图2B, 图3B),下丘脑,丘脑,尾状核,壳核和中脑红核; 在右侧扣带回双侧延伸到内侧/上额叶回; 右岛叶延伸至颞上回; 并且在左中央前回延伸到IFG。
A2Loss
在A2Loss期间,BED-OB对比表明中脑红核的活动相对减少,延伸至丘脑,双侧VS和黑质; 内侧额回延伸至中央后回,扣带回,下顶叶小叶,中央后回和额上回; 左岛叶延伸至颞上回; 额中回延伸至前扣带回和内侧额回; 左中央前回延伸至中央后回。
OCWin
在OCWin期间,BED-OB对比表明在岛叶,豆状核,海马回,楔形,丘脑和颞上回的活动相对减少; 右颞上回延伸至脑岛,中央前回和IFG; 右侧内侧额回延伸至前扣带,双侧VS和尾状; 并留下尾状。
OCLoss
在OCLoss期间,BED-OB对比证明在纹状体区域没有组间差异(表1 列出所有组别差异)。
讨论
以部分证实我们假设的方式观察到BED,OB和LC组之间的显着差异:在BED-OB(但不是BED-LC)对比的A2获胜/失败阶段期间观察到VS的显着预期差异; 在这些阶段进行BED-OB比较显示BED中的预期VS反应减弱,而OB-LC对比显示OB中的VS反应增强。 这些模式也适用于中脑,丘脑和杏仁核的群体差异,表明情感和/或激励电路的差异性招募(44,45)。 与非BED组相比,BED参与者的结果处理与前额叶和脑岛活动减少有关。 这里讨论了生物和临床意义,涉及预期和结果奖励阶段的群体对比之间的差异。
预期处理
与我们的假设一致,预期处理与BED相对于OB参与者的双侧VS活动减少相关。 相反,OB-LC对比显示OB期间双侧VS补充增加。 此外,在中脑,杏仁核和丘脑区域中证实了不同的BED-OB信号,这些区域之前在食物线索范例中被识别为在相对于完成奖励过程的预期期间更具响应性(19,20)。 因此,这些结果提供了对肥胖中看似模糊的低 - 过度活动奖励 - 处理发现的一些澄清,并强调了区分肥胖亚型和预期 - 结果奖励阶段的重要性。 VS,特别是伏隔核,与奖励处理密切相关,特别是因为它与情感状态和目标导向行为的变化有关(46–48)。 我们发现BED组中相对于OB组的纹状体反应在整个A2获胜/失去阶段都符合其他人群的MIDT发现,其特征是脉冲控制问题,包括病理性赌博,注意力缺陷/多动障碍,酒精依赖和酗酒的积极家族史(31,32,39,49,50)。 与病态赌博相关的发现相似(37),BED参与者的相对前纹状体减少活动的相位特异性低于假设。 额外减少的额纹 - 纹状体活动发生在预期和结果阶段以及输赢状态(图1),在BED中表明减少额纹状体处理奖励和损失的广义模式。 此外,BED-LC和BED-OB对比在MIDT的结果阶段产生了类似的差异模式,特别是在岛状和纹状体区域。 然而,在BED-LC对比预期阶段期间额褶纹状体区域的差异很少表明BED组可能最好通过在结果阶段期间的改变来表征,而OB组通过在预期阶段期间的活动过度来区分。
与成瘾理论的相关性
减少的预期处理可能是BED发展的重要前提。 “奖励缺乏综合症”假定具有低基线奖励神经电路活动的个体可能在补偿性努力中消耗食物或参与成瘾行为以刺激这些区域的活动(51)。 改变的中脑反应包括BED-OB中的A2W和A2L阶段的黑质和OB-LC对比表明多巴胺能神经通路的改变。 实际上,VS,下丘脑,丘脑和前额叶皮层代表了中脑皮质边缘多巴胺系统的主要投射区域,与此神经递质在奖励处理中的作用一致(52,53)。 虽然功能磁共振成像不能明确地将活动变化与多巴胺联系起来,但联合功能磁共振成像和正电子发射断层扫描研究表明,随着个体预期并获得金钱奖励,前额皮质区域的多巴胺能活性增加(54)。 在BED中注意到多巴胺能改变(55–57)和食物刺激过程中纹状体多巴胺释放与饮食控制正相关(58)。 尽管如此,BED-低活性/ OB-活动多巴胺能模型可能过度简化了潜在的过程; 改变可能与特定的疾病阶段有关,因此这种系统的最初超敏反应可能会因间歇性暴饮暴食的高脂肪或含糖食物而下调(59–61)。 与激励显着性理论一致,在过度消费后,完成性处理的享乐影响(即“喜欢”)可能会减少,而激励显着性(即“缺乏”)成分则会提高。 在目前的研究中,BED参与者表明相对于OB组的预期处理减少了货币线索; 接触食物线索(即特定疾病刺激物)可能会增加额纹状网络中的活动(37).
与BED组相比,OB-LC组的差异主要包含在预期阶段。 OB(相对于LC)组在预期处理过程中内侧/外侧OFC,纹状体,杏仁核和海马激活增加的结果与食物提示过程中注意到的类似反应模式一致(7并支持在这个群体中获得更大奖励预期的想法。
结果处理
与我们的假设一致,BED参与者表明,相对于OB和LC组,在结果期间前额叶和岛前区域的活动相对减少。 这些发现与完全和亚阈值贪食症的报告一致,其中个体在可食用食物期间表现出左中额叶回,脑岛和右前中回的活动减少(25)。 此外,vmPFC和右岛叶萎缩与强迫性暴食病因有关(62)。 在BED-OB和BED-LC对比中,在BED参与者中明显减少了延伸到IFG的双侧脑岛活动。 岛叶构成原始味道皮层,但也与稳态信号传导有关(63–65)。 因此,结果支持在BED中改变广义奖励处理的想法。 通过钝化的岛屿活动改变的内部感知意识,特别是在结果处理期间,表明整合与个体当前状态相关的奖励信息的能力受损。 此外,IFG与抑制控制过程中认知和动机处理之间的相互作用有关(66–68); 因此,集体减少的IFG和岛叶信号可能对测量饥饿/饱腹感信号有影响。
优势,局限和未来方向
据我们所知,目前的研究是第一次针对特殊奖励阶段和肥胖亚组(包括BED患者)之间的广义奖励处理的fMRI调查。 在显示不同饮食行为的肥胖组中应用奖励处理范例提供了对每种表型的潜在生物标志物的更深入了解。 通过这种方式,目前的研究解析了与肥胖相关的饮食行为模式相关的特定神经相关性。 此外,fMRI任务提供了检查与可能促进特定饮食模式的奖励/损失过程相关的神经功能模式的机会。
目前的研究受到几个因素的限制。 BED组的男性参与者人数较少,因此无法检查性别差异; 所有群体的饮食问卷管理也可能已经确定了其他重要的饮食特征。 以前的研究报告了临床与社区样本中BED严重程度的相关差异(69); 因此,寻求治疗的性质可能将BED与OB和LC组区分开来。 一些全脑发现不能通过保守的Bonferroni校正来进行多重比较,这与MIDT的六个阶段和所检查的三个诊断组相关。
未来的研究可以进一步研究BED和OB组之间的共性; 在目前的研究中,联合分析确定了更多背侧和后侧区域的重叠(补充2中的表S1)。 此外,在BED-LC和OB-LC对比中,肥胖组之间几乎没有观察到重叠。 一致区域主要出现在结局阶段和更多背侧后区,包括在两个结果阶段期间扣带后扣带,前躯和前中回活动减少。 这些领域涉及奖励期望和注意力的控制; 例如,后扣带回在环境变化信号中起作用,包括奖励结果,活动增加与内部状态或环境变量的变化相对应(70)。 肥胖组中这些区域的活动减少表明在结果阶段的反馈期间注意力和动机的改变。
未来的研究还应该检查与肥胖个体的性别,吸烟状况和寻求治疗行为相关的可能差异。 另一个重要步骤将涉及了解这些神经系统如何与稳态机制相互作用(71,72并且另外将这些与肥胖和/或BED的慢性/持续时间联系起来。 纵向研究可以进一步提供体重变化和奖励系统处理之间的时间关联,并识别与肥胖发展之前的食物摄入相关的生物学标记。 尽管目前的实验设计不能区分这些差异是肥胖或暴食的原因还是后果,但它们对肥胖的治疗具有重要意义。 专注于刺激皮质纹状体边缘活动的疗法可能是BED的重要治疗策略。 更广泛地说,这些研究结果表明,健康政策在调节高脂肪,高糖食物方面具有潜在的相关性,这些食物可能会改变那些有暴食和肥胖风险的人的奖励响应度(73).
结论
目前的研究代表了检查肥胖人群和非食物奖励处理的大脑相关人群的重要一步。 相对于OB和LC组,预期和结果奖励阶段的BED参与者皮质 - 纹状体处理减少的结果表明,奖励处理和自我调节涉及的网络招募减少。 这些数据还提供了类似神经电路改变的证据,这些改变介导了其他脉冲控制障碍中的奖励处理,例如病态赌博和酒精依赖。 包含BED和OB组是考虑复杂行为如何导致肥胖的关键步骤。 总而言之,目前的研究结果表明,抽象奖励处理中的不同神经基质区分了肥胖个体的特定亚群。 这些数据可能提供对肥胖研究中VS活动看似模棱两可的发现的见解。
致谢
以下资助提供支持:美国国立卫生研究院(NIH)授予R01-DA019039,P20-DA027844,P50-AA012870,R01-DA020908,R01-AA016599,RL1-AA017539,K12-DA00167,R01 DK073542,PL1-DA024859和2K24 DK070052。 我们非常感谢Scott Bullock,Jessica Montoya,Naaila Panjwani,Monica Solorzano,Jocelyn Topf,Katie VanBuskirk,Rachel Barnes和Robin Masheb对这个项目的帮助。 稿件的内容完全由作者负责,并不一定代表任何资助机构的官方观点。
Potenza博士曾为勃林格殷格翰公司提供咨询和建议; 在Somaxon咨询并拥有财务利益; 获得了NIH,退伍军人管理局,Mohegan Sun赌场,国家负责任游戏中心及其下属的赌博疾病研究所,森林实验室,Psyadon,Ortho-McNeil,Oy-Control / Biotie和GlaxoSmithKline制药公司的研究支持; 参加了有关吸毒,冲动控制障碍或其他健康主题的调查,邮件或电话咨询; 就与冲动控制障碍有关的问题向律师事务所和联邦公设辩护律师事务所咨询; 在康涅狄格州心理健康和成瘾服务部问题赌博服务计划中提供临床护理; 对NIH和其他机构进行了拨款审查; 在大回合中进行学术讲座,继续医学教育活动以及其他临床或科学场所; 并为心理健康文章的出版商生成了书籍或书籍章节。
参考资料