执行控制和大脑奖励区域之间的结构完整性预测慢性节食者的体脂百分比（2016）

认知神经科学
 

Pin-Hao Andy Chen, 罗伯特S.查韦斯 & Todd F. Heatherton

页数1-5 | 收到19 Apr 2016，接受05 Sep 2016，在线发布的接受作者版本：23 Sep 2016，在线发布：11 Oct 2016

抽象

未能保持健康的体重可能反映了大脑的执行控制和奖励系统之间的长期不平衡。 目前的研究检查了这两个系统之间的解剖学连接是否预测了实现健康体重的个体差异，特别是在慢性节食者中。 36名女性慢性节食者在扫描仪中完成了食物提示反应任务。 从反应性任务中定义了两个感兴趣区域（ROI）：下额回（IFG），其参与认知控制和眶额皮质（OFC），其代表奖励价值。 使用弥散张量成像（DTI）和概率纤维束成像技术在参与者中确定连接这两个ROI的白质道。 结果显示，在确定的区域内，体脂百分比与白质完整性之间存在负相关关系。 这表明OFC和IFG之间结构完整性的降低可能与那些长期饮食控制体重的人的自我调节问题有关。

关键词： 自我控制, 扩散张量成像, 连接, 功能磁共振成像, 个体差异, 肥胖

介绍

肥胖和节食在最近几十年中已大大增加，许多节食者无法长期减肥并成为长期节食者（Andreyeva，Long，Henderson和Grode， 2010 Andreyeva，T.，Long，MW，Henderson，KE，＆Grode，GM（2010）。 尝试减肥：1996年和2003年美国超重或肥胖者的饮食策略。 美国饮食协会杂志，110（4），535-542。 DOI：10.1016 / j.jada.2009.12.029[期刊论文], [搜索PubMed]）。 在这些人中，有些人经过多年的节食后体重会增加（van Strien，Herman和Verheijden， 2014 van Strien，T.，Herman，CP和Verheijden，MW（2014）。 饮食限制和体重变化。 在一个具有代表性的荷兰样本中进行了为期3年的随访研究。 食欲，76，44-49。 DOI：10.1016 / j.appet.2014.01.015[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]），从而从事破坏其目标的行为。 对肥胖症的全面研究表明，不仅对食物提示的奖励敏感性提高，而且自我调节的失败也会在肥胖症中起作用（Volkow，Wang，Tomasi和Baler， 2013 Volkow，ND，Wang，G.-J.，Tomasi，D.，＆Baler，RD（2013）。 肥胖和成瘾：神经生物学重叠。 肥胖评论, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 同样，实现或维持长期节食成功的个体差异可能反映出自我监管能力的差异（Heatherton， 2011 Heatherton，TF（2011）。 自我和自我调节的神经科学。 心理学年度回顾，62（1），363-390。 DOI：10.1146 / annurev.psych.121208.131616[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 根据平衡模型，这种自我调节的结果反映了参与执行控制的大脑区域（例如下额回（IFG））和代表奖励值的区域（例如眶额皮质（OFC））之间平衡的个体差异（希瑟顿和瓦格纳， 2011 Heatherton，TF和Wagner，DD（2011）。 自我调节失败的认知神经科学。 认知科学的趋势，15（3），132-139。 DOI：10.1016 / j.tics.2010.12.005[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 奖励与控制之间的平衡取决于IFG与OFC之间的沟通（Wagner，Altman，Boswell，Kelley和Heatherton， 2013 Wagner，DD，Altman，M.，Boswell，RG，Kelley，WM，and Heatherton，TF（2013）。 自我调节消耗会增强神经对奖赏的反应，并损害自顶向下的控制能力。 心理科学，24（11），2262-2271。 DOI：10.1177 / 0956797613492985[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]），这反映在它们之间的连通性上。 这些解剖学途径的结构完整性的个体差异可以预测慢性节食的长期结果，例如体脂百分比。

为了隔离已知与加工食物的价值有关的大脑区域，我们使用功能提示磁共振成像（fMRI），通过食物提示反应任务来定位IFG和OFC感兴趣区域（ROI）。 。 这项研究的评论表明，在现实世界中，与饮食失调相关的条件（例如食用高热量食物或食用高热量食物）后，长期节食者倾向于在奖励地区和参与执行控制的区域中，对食性食物线索表现出夸张的活动。失去了他们的认知控制能力（凯利，瓦格纳和希瑟顿， 2015 Welle的Kelley，DD的Wagner和TF的Heatherton（2015）。 寻找人类的自我调节系统。 神经科学年度回顾, 38(1), 389–411. doi:10.1146/annurev-neuro-071013-014243[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]; Volkow等人， 2013 Volkow，ND，Wang，G.-J.，Tomasi，D.，＆Baler，RD（2013）。 肥胖和成瘾：神经生物学重叠。 肥胖评论, 14(1), 2–18. doi:10.1111/j.1467-789X.2012.01031.x[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 因此，我们使用食物线索反应性任务来定位参与食物线索处理的IFG和OFC区域的范围，然后我们使用这两个区域作为扩散张量成像（DTI）分析中的概率纤维束成像的种子掩模。计算这两个地区之间的白质完整性。 本研究的目的是使用多模式方法分离IFG和OFC的功能定义区域之间的白质束。 这种方法提供了一种有针对性的方法来检查该区域的结构完整性是否可预测慢性节食者体脂百分比的变异性。 我们假设具有最高体脂百分比的慢性节食者在连接IFG和OFC的管道中显示出最低的结构完整性。

方法

四十位惯用右手的女性长期节食者，在“约束量表”上得分高于15，该量表是一项长期节食的量度（希瑟顿，赫尔曼，波利维，金和麦格里， 1988 Heatherton，TF，Herman，CP，Polivy，J.，King，GA，＆McGree，ST（1988）。 约束的（错误）度量：对概念和心理计量问题的分析。 “心理学杂志”, 97(1), 19–28. doi:10.1037/0021-843X.97.1.19[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]），是从大量大学生中招募的。 筛选参与者没有代谢，心理或神经系统异常的病史。 由于扫描过程中头部过度运动（x方向，y方向或z方向超过3毫米）而导致四名参与者被排除在外，导致样本量为36位慢性节食者。 减肥者使用Tanita秤（TBF-300A Arlington Heights型号）称重，该秤已被证明可以可靠地测量体内脂肪百分比。 在这些慢性节食者中，平均体脂百分比为29.6％（SD = 5.5％；范围= 16.6–38.2％），平均体重指数（BMI）为23.9（SD = 3.1％，范围= 17.2–33.7，表1） 。

表1。 人口的人口和节食特征。

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为了定位参与食品线索处理的IFG和OFC ROI，我们使用食品线索反应范例作为定位器任务。 在此定位器任务之前，我们使用耗尽的抑制控制任务，因为此任务有助于引发强大的奖励活动（Wagner等， 2013 Wagner，DD，Altman，M.，Boswell，RG，Kelley，WM，and Heatherton，TF（2013）。 自我调节消耗会增强神经对奖赏的反应，并损害自顶向下的控制能力。 心理科学，24（11），2262-2271。 DOI：10.1177 / 0956797613492985[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 在这项耗竭的抑制控制任务中，要求参与者观看7分钟的有关加拿大大角山绵羊的视频，其中一系列干扰词在3秒钟内从屏幕底部移动到屏幕中央（总共40个单词）。 指示参与者避免阅读干扰词，而仅专注于观看视频。 紧随消耗性抑制控制任务之后，参与者就收到了食物提示反应性任务。 该任务包括90张美味的食物图像和另外180张涉及人或自然场景的图像作为控制图像。 在与事件相关的设计中，每个图像的显示时间为2000毫秒，然后再固定500毫秒。 指示参与者通过按按钮对每个图像进行室内/室外判断。 这项判断任务使参与者将注意力集中在这项任务上，而没有意识到我们的研究目的是定位对食物线索做出反应的大脑区域。

来自食物 - 线索反应性任务的fMRI数据被预处理并用SPM8（Wellcome Department of Cognitive Neurology，London，England）分析。 预处理程序包括运动校正，重新校准，不变形，标准化空间归一化和6-mm半高全宽（FWHM）高斯核平滑（有关fMRI扫描参数的详细说明，请参阅补充材料）。 对于每个参与者，计算包含任何不感兴趣的任务效应和协变量的一般线性模型，并与规范血液动力学响应函数（HRF）进行卷积。 为每个参与者创建食物对照对照图像，然后进行随机效应全脑分析，校正多重比较 p 使用AFNI的AlphaSim进行的蒙特卡洛模拟，<0.05（图1（a），表S1）。 IFG和OFC ROI是基于这种全脑分析定义并用作面具（图1（b））用于DTI概率纤维束成像的双面罩播种方法。 使用FSL中的Diffusion Toolbox对DTI数据进行预处理和分析（Behrens等， 2003 Behrens，T.，Woolrich，MW，Jenkinson，M.，Johansen-Berg，H.，Nunes，RG，Clare，S.，...... Smith，SM（2003）。 扩散加权磁共振成像中不确定度的表征和传播。 医学中的磁共振，50（5），1077-1088。 DOI：10.1002 / mrm.10609[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 我们使用双面罩播种方法来确保纤维束成像仅包括通过两个种子掩模的流线。 关于5000概率道流线是从两个种子掩模内的每个体素发送的，并且这些结果被标准化为蒙特利尔神经学研究所标准空间。 为了确定个体之间的共同纤维束成像图，每个人的纤维束成像结果被二值化并与所有其他人重叠以创建群组级别的概率图。 为了使纤维束成像图具有鲁棒性，然后以标准空间中所有参与者的50％道概率进行阈值处理（图1（c））。 然后将该共同纤维束成像图覆盖在每个参与者的分数各向异性（FA）图像（白质完整性或相干性的一般度量）上，并且从该纤维束成像图中的所有体素中提取FA值。 对于每个参与者，计算平均FA分数以表示白质完整性。 然后将参与者的年龄，BMI和FA评分作为多元回归分析中的独立变量，以体脂百分比作为因变量，检查个体白质完整性差异是否反映了节食中长期自我监管的成功。

图1。 （a）食物 - 线索反应性fMRI范例引起OFC和IFG区域的激活，与文献中先前的发现一致。 （b）然后将来自fMRI分析的OFC和IFG区域用作DTI概率纤维束成像分析的种子掩模。 （c）从DTI分析，我们然后描绘了IFG和OFC之间的白质通路，这在不同受试者之间是一致的。 然后将该途径中的白质完整性与每个受试者的体脂相关联。 （d）从IFG-OFC道提取的FA值显示与体脂百分比呈负相关（阴影区域代表95％置信区间）。

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成果

食物线索反应性任务的FMRI结果显示，IFG和OFC对食物的活性均高于对照图像（图1（a），表S1），与先前研究（洛佩兹，霍夫曼，瓦格纳，凯利和希瑟顿， 2014 洛佩兹（RB。 屈服于日常生活的神经预测因子。 心理科学，25（7），1337-1344。 DOI：10.1177 / 0956797614531492[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]; Wagner等人， 2013 Wagner，DD，Altman，M.，Boswell，RG，Kelley，WM，and Heatherton，TF（2013）。 自我调节消耗会增强神经对奖赏的反应，并损害自顶向下的控制能力。 心理科学，24（11），2262-2271。 DOI：10.1177 / 0956797613492985[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 来自fMRI分析的所得IFG和OFC簇用作DTI概率纤维束成像的种子区域（图1（b））。 跨受试者DTI概率纤维束成像分析揭示了将左IFG连接到左OFC的强大白质束（图1（c））。 该部位内的平均FA值与体脂百分比呈显着负相关（R₃₆ = −0.379， p = 0.023），表明脂肪含量较低的节食者的白质完整性更高（图1（d））。 在控制了年龄和BMI之后，该区域内的平均FA值继续与体脂百分比呈显着负相关（β= -0.247， t（35）= -2.862， p = 0.007）。

一般性讨论

我们的研究结果支持IFG之间的结构完整性这一假设，这是响应抑制的关键区域（Aron， 2011 Aron，AR（2011）。 从被动反应到主动和选择性控制：开发更丰富的模型以阻止不适当的反应。 生物精神病学，69（12），e55-68。 DOI：10.1016 / j.biopsych.2010.07.024[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）和OFC（代表食物的主观奖励价值的区域（van der Laan，de Ridder，Viergever和Smeets， 2011 范·德·兰（Van der Laan），LN，德·里德（DRidder），DTD，马萨诸塞州Viergever和＆Smeets，PAM（2011） 最初的味道总是伴随着眼睛：对加工视觉食物线索的神经相关性的荟萃分析。 “神经成像”，55（1），296-303。 DOI：10.1016 / j.neuroimage.2010.11.055[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）与体内脂肪百分比的个体差异有关，后者是饮食中长期成功的推定指标。 根据自我调节的平衡模型（Heatherton＆Wagner， 2011 Heatherton，TF和Wagner，DD（2011）。 自我调节失败的认知神经科学。 认知科学的趋势，15（3），132-139。 DOI：10.1016 / j.tics.2010.12.005[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]），自我监管失败是由于执行控制和奖励区域之间的不平衡造成的。 连接这些区域的道路内白质完整性降低的个体在这些区域之间的交流效率可能低于那些具有高完整性的区域（Madden等， 2012 Madden，DJ，Bennett，IJ，Burzynska，A.，Potter，GG，Chen，N.-K.和Song，AW（2012）。 脑白质完整性的扩散张量成像在认知衰老中。 Biochimica et Biophysica Acta（BBA） - 疾病的分子基础，1822（3），386-400。 DOI：10.1016 / j.bbadis.2011.08.003[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 由于执行控制和奖励区域之间的沟通效率低下，完整性降低的个体可能难以克服奖励诱惑，导致比具有更高结构完整性的人更有可能变得肥胖。

尽管以前的研究已经使用DTI来检查肥胖与白质完整性之间的关系（Kullmann，Schweizer，Veit，Fritsche和Preissl， 2015 Kullmann，S.，Schweizer，F.，Veit，R.，Fritsche，A.，＆Preissl，H.（2015年）。 肥胖患者的白质完整性受损。 肥胖评论，16（4），273-281。 DOI：10.1111 / obr.12248[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]），这项研究采用多模式方法系统地针对涉及调节食物欲望的特定区域是新颖的。 最近的一项研究表明，IFG和OFC都参与调节日常生活中的食物消费（Lopez等， 2014 洛佩兹（RB。 屈服于日常生活的神经预测因子。 心理科学，25（7），1337-1344。 DOI：10.1177 / 0956797614531492[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 使用这个fMRI范例，我们复制了之前的发现，甚至发现当慢性节食者暴露于食欲食物暗示时，IFG和OFC都表现出强大的活动，这表明奖励和执行控制处理可能在提示暴露期间自发参与（Wagner等， 2013 Wagner，DD，Altman，M.，Boswell，RG，Kelley，WM，and Heatherton，TF（2013）。 自我调节消耗会增强神经对奖赏的反应，并损害自顶向下的控制能力。 心理科学，24（11），2262-2271。 DOI：10.1177 / 0956797613492985[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 食物提示反应性定位器任务提供了比基于图谱的掩蔽更有针对性地定义IFG和OFC区域的方法，并确保纤维束成像结果基于与同一样品中的食物提示处理相关的功能相关区域。 该fMRI定位器任务可以帮助研究人员识别与控制饮食行为相关的关键白质束。

目前尚不清楚是否通过重复节食导致白质完整性的个体差异。 尽管先前的研究发现，反复执行某项任务可能会导致特定纤维束中的FA增加（Scholz，Klein，Behrens和Johansen-Berg， 2009 Scholz，J.，Klein，MC，Behrens，TEJ和Johansen-Berg，H.（2009）。 培训引起了白人组织架构的变化。 “自然神经科学”，12（11），1370-1371。 DOI：10.1038 / nn.2412[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]），节食失败也可能导致肥胖和肥胖相关因素，如炎症和血脂异常，这可能导致白质完整性的改变（Shimoji等， 2013 Shimoji，K.，Abe，O.，Uka，T.，Yasmin，H.，Kamagata，K.，Asahi，K。，... Aoki，S。（2013）。 代谢综合征的白质改变：弥散张量分析。 糖尿病护理, 36(3), 696–700. doi:10.2337/dc12-0666[期刊论文], [搜索PubMed], [Web ofScience®]）。 需要进行未来的纵向研究，以确定白质完整性的改变是否是由节食或肥胖相关因素的反复实践引起的。 还需要纵向研究来检查慢性节食者中白质完整性与体脂百分比之间的关系。 虽然女性节食者的独家招募可以防止性别差异带来的混杂影响，但仍需要进一步的研究来比较白质完整性是否会对男性和女性节食者的节食结果产生不同的影响。

总之，目前的研究提供的证据表明，白质完整性与连接食物线索反应性区域的大片中脂肪百分比的个体差异有关。 这些结果与自我调节的平衡模型一致，并表明连接执行控制和奖励区域的通路的结构完整性可能在实现节食的长期自我调节成功中起关键作用。

新的研究表明，节食的成功可能会被硬连接到大脑中

2016 年 10 月 25 日