Субекти

Резюме

Въведение

Затлъстяването е свързано с дисфункции в централната хомеостатична регулация, които също могат да играят ключова роля в неговата патогенеза 1,2. Енергийната хомеостаза (т.е. балансът между приема на храна и разхода на енергия) зависи от сигналните пътища в хипоталамуса, малка диенцефална мозъчна област, състояща се от различни подядра 3,4. Тук отделни субпопулации на неврони интегрират циркулиращи хормони, които сигнализират за ситост (напр. Лептин, инсулин) и глад (напр. Грелин) 5 .

Животинските модели подкрепят хипотезата, че диетата с високо съдържание на мазнини (HFD) предизвиква възпалителна реакция в хипоталамуса, което от своя страна нарушава усещането за анорексигенни сигнали, като по този начин допринася за непрекъснат прием на храна и наддаване на тегло 6,7. Например, гризачи, хранени с HFD, показват повишаващи се нива на възпалителни цитокини като интерлевкин-6 (IL-6) и фактор на туморна некроза алфа (TNF \ (\ alpha \)) в хипоталамуса 8, дори преди значително увеличаване на теглото 9. Този имунологичен отговор също е придружен от бързо натрупване на микроглия и набиране на астроцити 7,10. Освен това хипоталамусните неврони показват признаци на токсичен стрес и са претърпели апоптоза след HFD 11. Докато някои проучвания съобщават, че този подобен на възпаление отговор намалява след няколко дни на прекомерно хранене, което предполага компенсаторен механизъм за предотвратяване на увреждане на невроните 12, други показват, че глиозата и астроцитозата се появяват отново след няколко седмици, което сочи към продължителни промени в хипоталамусната тъкан и микроструктурните свойства на затлъстели животни 9 .

В обобщение, експериментите с животни и първите, но не всички проучвания върху хора подкрепят хипотезата, че централните хомеостатични промени, отразени в нарушена (микро) структура на хипоталамуса, са налице при затлъстяване. Досега обаче методологията в изследванията върху хора остава неубедителна 18,20,21,22. Следователно ние прилагаме усъвършенствани вокселни MRI техники 23,24, за да определим дали по-големият обем на хипоталамуса и по-високата дифузивност на хипоталамуса (MD), получени чрез дифузионно тензорно изображение (DTI) и често интерпретирани като по-малко непокътната клетъчна микроструктура 25,26, са положително свързани със затлъстяване, измерено с помощта на ИТМ в добре характеризирана голяма популационна проба. Също така изследвахме дали хипоталамусният MD е свързан с по-висок обем на висцералната мастна тъкан (ДДС), като се има предвид повишеният профил на възпалителен риск на това депо на телесните мазнини 27. Освен това внедрихме сегментация на етикети, базирана на няколко атласа, за да потвърдим резултатите си в друга независима извадка.

Резултати

Обем на хипоталамуса

В извадка от 338 участници (48% жени, на възраст 21–78 години, ИТМ от 18–43 kg/m²), ние очертахме левия и десния хипоталамус на T1-претеглена анатомична ЯМР, използвайки най-съвременното полуавтоматизиран алгоритъм за сегментиране, водещ до отделни хипоталамусни маски на ниво воксел (фиг. 1А, вижте Методи за подробности).

свързан

Хипоталамусът при мултимодален ЯМР. (A) Двустранният хипоталамус (вдясно: червен, вляво: оранжев) на представителен участник според полуавтоматизирано сегментиране върху анатомични изображения. (Б.) Coregistration на T1-претеглената (T1w) маска на хипоталамуса, получена чрез средно дифузионно (MD) изображение, получено чрез дифузионно претеглено изображение. Обърнете внимание на пестенето на хипоталамусните воксели, които са засегнати от ефектите на частичен обем върху MD изображението (стрелки). Изображенията са показани в радиологична конвенция.

Средно мъжете показват с 4,4% по-големи коригирани обеми на целия хипоталамус, отколкото жените (н1 = 338; 48% жени, на възраст 21–78 години, ИТМ обхват 18–43 kg/m²; Фиг. 2). Разликата беше статистически значима (стандартизиран β = -0,18, p 2 = 0,24, F4 333 = 26,9, p Фигура 2

Когато разследвахме полукълбите поотделно, наблюдавахме по-голям обем за лявото, отколкото за десния хипоталамус, ефект, който беше малко по-слабо изразен при жените и независим от възрастта и оценяващия (модел на линеен смесен ефект, страна: β = −40,9, p 25, 28. Внимателно проектиран тръбопровод за обработка гарантира, че свързаните с DTI изкривявания, съседни на областта на хипоталамуса, не отклоняват хипоталамусните MD оценки (фиг. 1В, вижте Методи за подробности).

Според линейната регресия, BMI значително прогнозира хипоталамусния MD (стандартизиран β = 0,14, p = 0,008), показвайки, че по-високият BMI е свързан с по-високия MD (Фиг. 3А). Моделът на регресия (F5,305 = 19,95, p 2 = 0,23), коригиран за потенциални ефекти от секса (стандартизиран β = −0,39, p Фигура 3

Затлъстяване и хипоталамусна микроструктура. По-високият индекс на телесна маса (ИТМ) значително предсказва по-висока средна дифузивност на хипоталамуса (MD), обикновено интерпретирана като по-малко непокътната клетъчна микроструктура, в първия (A, n1 = 311, сравнение с възрастта, коригиран по пол модел, F1,306 = 7,1, p = 0,008) и втора независима извадка (Б., n2 = 236, сравнение с възрастта, коригиран по пол модел, F1,232 = 4,2, p = 0,041). Линията показва пригодност на регресията с 95% доверителен интервал.

За да се изключи, че по-високият ИТМ е свързан с общо увеличение на МД в подкорковото сиво вещество (напр. Поради образни артефакти), тествахме дали ИТМ също прогнозира МД в хипокампуса. Тук не открихме връзка между ИТМ и хипокампус MD (F-тест, сравняващ модели на линейна регресия със и без ИТМ, коригиран за възраст и пол, F = 0,13, p = 0,72, n = 291). При добавяне на MD на хипокампус като ориентир към модела на хипоталамусния MD, положителната асоциация на BMI и хипоталамусния MD остава значителна, макар и отслабена (стандартизирана β = 0,096, p = 0,05, n = 291). Освен това, за да се отчетат ефектите на частичен обем между хипоталамусната и нехипоталамусната тъкан, ние включихме обема на 3-та камера и хипоталамусния обем като ковариати в този модел. Това не отслабва допълнително положителната връзка на ИТМ и хипоталамусния МД (стандартизиран β = 0,09, р = 0,05, n = 291), което показва, че свързаното с ИТМ увеличение на МД не се дължи на замърсяване на MD сигнала поради цереброспинална течност.

Потвърдителен анализ

За да потвърдим откритията си в независима проба, ние разработихме нов многоетимен атлас за сливане, базиран на първоначалните сегментации, който автоматично генерира отделни хипоталамусни сегментации (фиг. 4; вижте Методи за подробности). Използването на този атласен подход във втора група от 236 участници потвърждава значителна връзка между по-висок ИТМ и по-висок хипоталамус MD в подобна величина (стандартизиран β = 0,14, p = 0,04, фиг. 3В; регресионен модел: F3,232 = 15,5, p 2 = 0,16), коригиран за възрастта (стандартизиран β = 0,30, p 0,87) между полуавтоматизираните и напълно автоматизираните процедури за сегментиране за хипоталамус MD.

Мултиатласно сливане на сегменти за автоматизирано сегментиране на хипоталамуса. (A) В стъпката за регистрация и атласът, и целевите изображения бяха нелинейно регистрирани в изображение на шаблон. В това общо пространство беше извършена друга нелинейна регистрация на изображения на атлас към целевото изображение. (Б.) В стъпката за разпространение на етикета всички трансформации бяха обединени и атласните хипоталами бяха пренесени в естественото пространство на целевото изображение (горните изображения показват различни разпространения на етикети за един и същ обект, жълт: разпространен етикет, червен: ръчен етикет, оранжев: припокриване ). Сливането на интересуващата област беше извършено с помощта на СТЪПКИ (долно изображение, жълто: разтопен етикет, червено: ръчен етикет, оранжево: припокриване вижте текста за подробности).

Изследователски анализ на висцералната мастна тъкан

За да проучим дали висцералното затлъстяване обяснява повече вариации в хипоталамусния МД, отколкото ИТМ, сравнихме два модела на линейна регресия, които включваха ИТМ (Модел 1) и ДДС с коригиран височина (Модел 2) заедно с възрастта, пола и оценката. ДДС се изчислява от Т1-претеглена абдоминална ядрено-магнитен резонанс в подмножество на първоначалната проба (n = 306, вижте Методи за подробности). Установихме, че връзката между ДДС и хипоталамусния MD (стандартизиран β = 0,14, p = 0,029, прил. R 2 = 0,232) е с подобна величина, отколкото връзката между ИТМ и хипоталамусния MD (стандартизиран β = 0,14, p = 0,007, прил. R 2 = 0,238) при коригиране на възраст, пол и оценител. Заключваме, че в тази проба ДДС е имал подобна чувствителност при прогнозиране на хипоталамусния MD, отколкото BMI.

Дискусия

Използвайки мултимодално невроизобразяване в две големи проби от здрави възрастни, ние показахме, че по-високият ИТМ е свързан с по-висока дифузия на протоните в хипоталамуса, което показва хипоталамусни микроструктурни промени при затлъстяването. Успоредно с това, докато мъжете имат по-високи обеми на хипоталамуса от жените и обемът на лявото полукълбо хипоталамус е по-голям от десния, ИТМ не е свързан с обема на хипоталамуса.

ИТМ и хипоталамусна микроструктура

И все пак, въпреки че могат да открият промени на клетъчно ниво, DTI показателите като MD страдат от неспецифичност и са объркани от геометрията на тъканите. Съответно, MD е свързан с различни неврологични разстройства, както и с неспецифични мозъчни аномалии като оток, некроза, демиелинизация или увеличена клетъчност 25. Следователно, различни основни механизми могат да обяснят свързаното със затлъстяването повишаване на хипоталамусния MD в нашето проучване.

Първо, както се обсъжда в концепцията за възпаление на хипоталамуса, промените в МД могат да се отдадат на продължителна глиоза като последица от индуцираното затлъстяване. Това се подкрепя от констатации при мишки, показващи, че микроглиозата и астроцитозата се завръщат за постоянно при мишки, хранени с HFD, въпреки че временно отслабват 9. В допълнение, друго проучване предлага микроглиални отговори поради продължаващо недохранване при хората, тъй като те също така откриват признаци на глиоза и микроглиална дистрофия в човешкия хипоталамус, оценени от post mortem стереология 12 .

Второ, възпалението на хипоталамуса при мишки също е свързано със загуба на хипоталамусни неврони, претърпели апоптоза като последица от HFD 11. Следователно, наблюдаваната дифузионна промяна може да се дължи и на засилено количество извънклетъчна течност, което е придружено от невронална загуба или невро възпаление като цяло 33 .

Друго възможно обяснение за увеличаването на MD се отнася до целостта на съдовете, тъй като е показано, че HFD предизвиква хипоталамусна ангиопатия при мишки с увеличена плътност и дължина на съдовете 34. В момента са в ход нови подходи, които имат за цел да разграничат промените в дифузионните показатели, задвижвани от кръвна перфузия, произхождаща от извънклетъчното пространство 35 .

Взети заедно, MD е положително свързан с ИТМ в две големи проби. Въпреки че това предполага малки, но надеждни промени в хипоталамусната микроструктура при затлъстели хора, основните хистологични механизми остават неуловими. Ние насърчаваме бъдещите проучвания да свържат нашите невроизображения с усъвършенстван анализ на клетъчно ниво (напр. Следкланична стереология) за по-нататъшно изследване на основните механизми.

Обем на хипоталамуса

Нашите вокселни оценки на хипоталамусния обем при общо 338 участници, което е най-голямата досега извадка от хипоталамусни обеми, получени чрез полуавтоматизирана сегментация, добавят към предишни доклади, че целият обем на хипоталамуса, оценен чрез MRI техники, е около 1 cm 3 23 . Анализът на надеждността разкрива приемлива за отлична надеждност на обема на хипоталамуса и пространственото припокриване на получените маски при използване на този метод. Това подчертава чувствителността и специфичността на нашата процедура и се сравнява с предишните висококачествени протоколи за сегментиране, приложени в по-малки размери на пробите 13,19,36 .

Също така открихме, че обемите на хипоталамуса са по-високи за мъжете в сравнение с жените, независимо от размера на главата, възрастта и ИТМ. Тази констатация може да се дължи на известни полови различия в метаболитната дисрегулация 37 и невроендокринната система за регулиране 38. Освен това открихме значителна ляво-дясна асиметрия в обема на хипоталамуса с по-големи обеми за левия, отколкото за десния хипоталамус, което е в съответствие с предишна публикация, която описва тенденция в същата посока в извадка от 84 субекта 24. По този начин някои функции на хипоталамуса са описани като латерализирани вляво 39. Последните проучвания също предполагат, че хипоталамусът е включен в латерализирана мозъчна верига, която медиира поведението на хранене и хомеостатичната регулация 40. Бъдещите проучвания трябва да изследват дали тези процеси също могат да допринесат за обемна асиметрия в обема на хипоталамуса.

Не открихме значителна връзка между обема на хипоталамуса и ИТМ, контролиращ въздействието на възрастта, пола и различните оценители. Въпреки че широк спектър от литература показва, че по-високият ИТМ е свързан с по-ниски обеми на ГМ в различни мозъчни области 41, доказателствата за значителни промени в обемите на хипоталамуса, свързани със затлъстяването, са по-малко наблюдавани 42,43. Въпреки това е доказано, че ИТМ е свързан с функционални промени в няколко мозъчни вериги, които включват хипоталамуса 44. Интересното е, че докато свързаната с възрастта атрофия в различни подкоркови структури обикновено се наблюдава 45, възрастта не е свързана с обема на хипоталамуса в настоящата кохорта.

Ограничения и силни страни

Заключение

Използвайки нов мултимодален ЯМР подход в две големи проби от здрави възрастни от общата популация, успяхме да покажем, че по-високият ИТМ се отнася конкретно до по-високата МД в хипоталамуса, независимо от объркващи фактори като възрастта, пола и свързаното със затлъстяването съпътстващо заболеваемост. По този начин това откритие сочи към продължаващи микроструктурни промени в ключова регулаторна област на енергийната хомеостаза, настъпващи с прекомерно тегло. Основните механизми могат да включват възпалителна активност, невронална дегенерация или ангиопатия в хипоталамуса поради свързано със затлъстяването прекомерно хранене и метаболитни промени. Бъдещите проучвания трябва да проверят функционалната значимост на тези микроструктурни промени и ако интервенциите, целящи намаляване на затлъстяването, могат ефективно да обърнат наблюдаваните промени в хипоталамусния МД.

Материали и методи

Участници

Блок-схема на изследването, илюстрираща критериите за изключване, размерите на подпробите и различните подходи за анализ на данните.