J. N. Darling

1 Институт по неврология, Държавен университет в Джорджия, Атланта, Джорджия

А. П. Рос

1 Институт по неврология, Държавен университет в Джорджия, Атланта, Джорджия

T. J. Bartness

1 Институт по неврология, Държавен университет в Джорджия, Атланта, Джорджия

2 Катедра по биология, Държавен университет в Джорджия, Атланта, Джорджия

М. Б. Родител

1 Институт по неврология, Държавен университет в Джорджия, Атланта, Джорджия

Резюме

Обективен

При гризачите диетите, надвишаващи хранителните нужди (т.е. високоенергийни диети; HED), влошават зависимостта на хипокампалната памет. Нашите изследвания показват, че ефектите вероятно включват индуцирано от HED повишаване на чернодробните липиди. В този експеримент ние предоставихме на плъхове избор на диета и тествахме дали доброволната консумация на HED влошава пространствената памет, дали разликите в първоначалното наддаване на тегло предсказват дефицити в паметта и дали увеличаването на чернодробните липиди е свързано с дефицитите на паметта.

Дизайн и методи

Възрастни мъжки плъхове Sprague-Dawley получиха контролна диета или HED в стил кафене за 8 седмици. Повишаването на теглото през първите 5 дни от диетата се използва за разделяне на плъхове в HED-Lean група и HED-Затлъстела група. Пространствената памет на водния лабиринт беше тествана 8 седмици по-късно и постмертовите чернодробни липидни концентрации бяха количествено определени.

Резултати

В сравнение с HED-Lean и контролните плъхове, HED-затлъстелите плъхове са с нарушена пространствена памет и отговарят на критерия за диагностика на човека за безалкохолна мастна чернодробна болест (> 5% чернодробни липиди спрямо чернодробното тегло). Нещо повече, чернодробните липиди са свързани с дефицит на паметта.

Заключения

Тези открития показват, че доброволната консумация на HED влошава паметта, че първоначалното наддаване на тегло предсказва затлъстяване на черния дроб и дефицити в паметта и че затлъстяването на черния дроб може да допринесе за влошаващите паметта ефекти на затлъстяването.

Въведение

През последните няколко десетилетия се наблюдава тревожно нарастване на разпространението на затлъстяването. Понастоящем повече от 60% от възрастното население в САЩ се счита за наднормено тегло или затлъстяване (1) и свръхконсумацията на храни с високо съдържание на мазнини и високо съдържание на захар е основен фактор, допринасящ за тази епидемия. Данните сочат, че свръхконсумацията на високоенергийни храни влияе негативно на мозъчната функция. Например при хората затлъстяването е свързано с нарушено познание (2, 3). При гризачите консумацията на високоенергийна диета (HED) влошава хипокампалното обучение и памет (4–7).

Наскоро показахме, че влошаващите паметта ефекти от консумирането на гранулирана 60% фруктозна диета са свързани с повишени чернодробни липиди (7). Приблизително 70% от хората с наднормено тегло и затлъстяване отговарят на диагностичните критерии за безалкохолна мастна чернодробна болест (NAFLD, 8). NAFLD е най-честата форма на чернодробно заболяване и е разпространена сред 15–30% от нормалната популация (9). Повишаването на концентрациите на липиди в черния дроб при плъхове причинява метаболитни дисфункции като инсулинова резистентност (10), оксидативен стрес (11) и промени в липидната хомеостаза (12). Няколко реплики показват, че повишените плазмени липиди (4, 13) и инсулиновата резистентност (5, 14) допринасят за влошаващите паметта ефекти на HED и затлъстяването. По този начин, метаболитните нарушения, предизвикани от затлъстяване на черния дроб, могат да допринесат за хипокампално-зависим дефицит на паметта.

Ограничение на предишни проучвания, изследващи ефектите от ефектите на HED върху паметта, е, че диетите съдържат мазнини и/или захари в една гранула и не са предвидени хранителни алтернативи (напр. 4). Следователно изследователят, а не гризачът, определи състава на макроелементите на консумираните калории. Следователно физиологичното значение на тези диети за доброволния прием на храна от хора е под въпрос. Добре установено е, че гризачите показват променлива реакция на високоенергийни диети, така че само подгрупа от плъхове, които консумират високоенергийна диета, ще затлъстее (15–20) В резултат на това предположихме, че доброволната консумация на HED би влошила паметта само при онези плъхове, които затлъстяват. За да тестваме това, използвахме тертилно разделяне за разделяне на плъхове въз основа на процентна промяна в телесната маса през първите 5 дни от избраната диета. Това разделяне е извършено въз основа на предишни констатации, които показват, че след 5 дни при избор на диета плъховете в горния тертил ще затлъстят 4–6 седмици по-късно; тези в долната плоча няма (15). Това също би ни позволило да определим дали може да се предвидят някакви дефицити в паметта.

Въз основа на прегледаните по-горе доказателства, ние тествахме: 1) дали доброволната консумация на HED уврежда паметта, зависима от хипокампала, 2) дали индивидуалните разлики в отговорите на наддаването на тегло на диетата предсказват дефицит на паметта и 3) дали са свързани повишени концентрации на липиди в черния дроб с дефицит на паметта. За целта възрастните мъжки плъхове се поддържат на стандартна лабораторна диета или се поставят на HED с избор на захароза, мазнини, стандартна чау и вода от чешмата (21). След 8 седмици в пространствения воден лабиринт бяха тествани обучението и паметта, зависими от хипокампа. Количествено се определят масите на мастните възли след смъртта и концентрациите на липиди в черния дроб.

Методи и процедури

Животни

Деветдесет и седем възрастни мъжки плъхове Sprague Dawley (Чарлз Ривър, Уилмингтън, Масачузетс), на възраст 52–53 дни след пристигането им и бяха аклиматизирани в съоръжението за 7 дни. Плъховете бяха настанени поотделно във вентилирани клетки OptiRat ® с метални подови вложки (Animal Care Systems, Centennial, CO). Всички процедури бяха в съответствие с институционалния комитет по грижа и употреба на животните в държавния университет на Джорджия и политиката на PHS.

Диети

Плъховете се претеглят в деня на пристигане и 7 дни по-късно. След това те бяха съпоставени с процентната промяна в телесната маса и абсолютната телесна маса и бяха поставени или на контролната диета, или на HED. На групата HED (n = 71) беше дадена чау от гризачи Purina 5001 (3.01 kcal/g; Gray Summit, MO), стъклена чаша на Петри, съдържаща свинска мас (9.0 kcal/g; Armor; Omaha, NE), една бутилка вода от чешмата, и една бутилка, съдържаща 32% разтвор на захароза (3.75kcal/g захароза) ad libitum (21). Контролната група (n = 26) беше снабдена с гризач за гризачи Purina 5001, две бутилки с чешмяна вода ad libitum и празна чашка на Петри беше поставена в клетката. Телесната маса и приема на чау, свинска мас, чешмяна вода и захароза се измерват на редовни интервали. Приемът на чау е коригиран за разлив. През деня се осигуряваше прясна свинска мас, а през 3 дни през цялото време на изследването се осигуряваше прясна чау и вода.

Вземане на опашната кръв

За да се определят количествено in vivo плазмените концентрации на TG, кръвта от опашката се събира 1 ден преди и след това 49 дни след започване на диетата. Времето от 49 дни, което се случи 1 седмица преди поведенческото обучение, беше избрано да се доближава във времето до поведенческото обучение, без потенциално да позволява стресът на манипулацията да повлияе на поведението. В продължение на 2 дни преди двете вземания на кръв, с плъховете се манипулира, като се поставят в сгъната кърпа и се гали откритата опашка за 2 минути. За събиране на кръв плъховете се поставят в кърпата, дъното на опашката се почиства с бетадин и се прави малък разрез на около 15 mm от върха. Опашката се поглажда внимателно и кръвта се събира в обработени с хепарин епруветки (StatSampler, Westwood, MA) и се поставя върху лед. След това пробите се центрофугират и се съхраняват при -80 ° C за по-късен анализ.

Пространствен воден лабиринт

Камера, монтирана над басейна, записва поведение за по-късен анализ. Латентността за достигане до платформата за всяко изпитване беше използвана като мярка за придобиване. Времето, прекарано в целевия квадрант, латентността към целевия квадрант, латентността до местоположението на платформата, средната близост до предишното местоположение на платформата и дължината на пътя през 20-тестовия тест на сондата бяха използвани като мерки за памет. Освен това се измерва и скоростта на плуване.

Мерки след смъртта

Четиридесет и осем часа след сондата с памет, плъховете се гладуват 4 часа и след това се анестезират (5% изофлуран; 95% кислород) преди обезглавяване. Събира се кръв в багажника за измерване на крайните плазмени концентрации на TG. Черният дроб беше отстранен и бързо замразен за бъдещо измерване на чернодробните липиди. За потвърждаване на затлъстяването се събират и претеглят депа от бяла мастна тъкан [епидидимални (EWAT), ингвинални (IWAT), ретроперитонеални и периренални (RWAT)]. Концентрациите на TG в плазмата се измерват с помощта на наличен в търговската мрежа колориметричен комплект (Sigma, St. Louis, MO). Анализът се провежда съгласно препоръките на производителя. Чернодробните липиди бяха извлечени по метода на Folch (23).

Анализ на данни

За да се провери хипотезата, че доброволното консумиране на HED би влошило паметта само при тези плъхове, които затлъстяват, и за да се определи дали може да се предвиди някакъв дефицит на паметта, се използва тертилно разделяне за разделяне на HED плъхове въз основа на процентната промяна в телесната маса по време на първите 5 дни на диетата. Плъховете в долната плоча (т.е. тези с най-малък процент на промяна в телесната маса) са определени като HED-Lean (n = 18). Плъховете в горния тертил (т.е. тези, които са имали най-голям процент промяна в телесната маса) са обозначени с HED-затлъстяване (n = 17). Тридесет и пет плъха от средния тертил бяха отстранени от изследването и изключени от по-нататъшен анализ.

Данните за пространствения воден лабиринт се анализират за поведенчески изключения, като се изчисляват z-резултати за всяка група и се изключват онези плъхове, които имат z-резултат по-голям от 2 при две или повече поведенчески мерки. В резултат от последващите анализи бяха отстранени четири контролни, един HED-постно и два HED-затлъстели плъха. Освен това бяха изключени 2 HED-Lean плъхове, тъй като записите на сондата не можеха да бъдат анализирани. И накрая, един плъх с HED-затлъстяване беше отстранен от всички анализи поради мозъчна аномалия (т.е. разширени вентрикули, без очевиден хипокампус и недостатъчно развита кора). По този начин, крайният брой плъхове във всяка група беше Control n = 22, HED-Lean = 15 и HED-Затлъстяване = 15.

Данните с различни индекси показват значителна разлика p Таблица 1] и прием на калории от чау [F (2, 49) = 223.413, p Таблица 1], като групите HED-Lean и HED-Затлъстяване консумират значително повече общи калории на ден, но по-малко калории от чау от контролните плъхове (всички p Таблица 1], но значително повече калории от захароза [t (28) = 2,5900, p Таблица 1], но повече общи калории от контролите [F (2, 49) = 136,085, p 0,05] .Повишаването на теглото след 8 седмици на диета не е напълно паралелно наддаване на тегло през първите 5 дни (p Таблица 1). Плъховете с HED-затлъстяване все още имат по-висок процент на промяна в телесната маса от контролните и HED-постните плъхове [ F (2,37) = 21,268, p Фиг. 1]. Плъховете с HED-затлъстяване са имали по-тежка маса на IWAT от контролите и значително повишени маси на EWAT и RWAT в сравнение както с контролните, така и с HED-Lean групи (всички p Фиг. 2], така че латентността за достигане до платформата значително намалява при опитите във всички групи.

висока

Средна (+/−) SEM латентност за достигане на евакуационната платформа по време на 3-дневно обучение във воден лабиринт. Няма значими ефекти от диетата върху придобиването.

За разлика от това, при теста на сондата 48 часа по-късно HED значително повлиява латентността към целевия квадрант, времето, прекарано в целевия квадрант [F (2,49) = 3,811, p 2 (2, N = 33) = 8,122, p 2 (2, N = 33) = 7.739, p Фиг. 3A – D]. По-конкретно, в сравнение с контролните и HED-Lean плъхове, на HED-затлъстелите плъхове им отне значително повече време, за да достигнат мястото на платформата [U = 19.00, p Фиг. 3E] и post-hoc анализ разкри, че групата на HED-затлъстелите плува значително по-далеч далеч от местоположението на платформата в продължение на 20 сек тест от контролната група (p Фиг. 3F).

Средни (+/−) SEM A) чернодробни липидни концентрации, B) плазмени концентрации на TG 1 ден преди и 49 дни след консумацията на контрола или HED и C) крайни плазмени концентрации на TG след 8 седмици (* p Фиг. 4В) След 49 дни на диета и двете групи с HED-постно и HED-затлъстяване имат значително по-високи плазмени концентрации на TG в сравнение с контролната група (и двете на фиг. 4C), така че концентрациите на TG както за HED-постно, така и за HED Затлъстелите групи бяха значително повишени в сравнение с контролната група (и двете p Таблица 2.) По-точно общият прием на калории през първите 5 дни и през 8-те седмици корелира положително с латентността за достигане на целевия квадрант, близостта на платформата и латентността до платформата местоположение и отрицателно корелира с количеството време, прекарано в целевия квадрант. Приемът на свинска мас през първите 5 дни и през 8-седмичната продължителност корелира положително с дължината на пътя (и двете p Таблица 2).

Таблица 2

Корелации на Pearson r между приема на калории за първите 5 дни и за 8 седмици и множество мерки за памет в пространствения воден лабиринт.

Време в целевия квадрант Латентност към целевия квадрант ProximityPathlengthLatency до местоположението на платформата
Прием на свинска мас (kcal)
За първите 5 дниn.s.n.s.n.s.r (19) =. 468
р = 0,043		n.s.
В продължение на 8 седмициn.s.n.s.n.s.r (19) =. 470
р = 0,040		n.s.
Прием на захар (kcal)
За първите 5 дниn.s.n.s.n.s.n.s.n.s.
В продължение на 8 седмициn.s.n.s.n.s.n.s.n.s.
Общ прием (kcal)
За първите 5 дниr (52) = −.303
р = 0,029		n.s.r (52) =. 294
р = 0,035		r (33) =. 511
р = 0,002		r (33) =. 490
р = 0,004
В продължение на 8 седмициr (52) = −.307
р = 0,027		n.s.r (52) =. 294
р = 0,034		r (33) =. 565
р = 0,001		r (33) =. 519
р = 0,001

Незначителните корелации са обозначени ns.

Повишаването на чернодробните липиди значително корелира с дефицита на паметта (Фиг. 5A-D). Процентът на чернодробните липиди корелира положително с латентността за достигане на целевия квадрант [r (40) = .353, p x ̄ = 4,05 ± 0,22%; HED-Lean: x ̄ = 4,87 ± 0,43%; HED-затлъстяване: x ̄ = 5,90 ± 0,63%). Това тълкуване е в съответствие с доказателства за нарушения на паметта в самоотчетите от пациенти с NAFLD (31). Важното е, че затлъстяването на черния дроб, а не затлъстяването, може да бъде включено в отрицателното въздействие на HED върху мозъка, тъй като диетите с високо съдържание на фруктоза произвеждат мастен черен дроб (7, 32) и влошават зависимата от хипокампала памет (4, 7), но не причиняват значително тегло печалба (7, 33).

Настоящото проучване не идентифицира механизмите, чрез които HEDs и мастният черен дроб увреждат паметта, зависима от хипокампала. Диетите с високо съдържание на мазнини и затлъстяването на черния дроб индуцират метаболитна и ендокринна дисфункция, като промени в толерантността към глюкозата (28), реакцията на инсулин и лептин (10, 14, 28, 34, 35) и реакцията на хипоталамус-хипофиза-надбъбреци (35). Освен това, HED и NAFLD могат да бъдат свързани с периферно (36) и централно възпаление (37) и оксидативен стрес (38). Доказано е, че всички тези промени влияят негативно на паметта и по този начин могат да медиират вредните ефекти на мастния черен дроб върху когнитивната функция.

В обобщение, настоящото проучване показва, че наддаването на тегло през първите 5 дни от HED предсказва натрупване на липиди в черния дроб и дефицит на паметта, зависим от хипокампала, 8 седмици по-късно. Доколкото ни е известно, това е първото проучване, което демонстрира, че доброволната консумация на HED при концентрации, определени от плъховете, влошава паметта и че ефектите на HED, които влошават паметта, могат да бъдат прогнозирани. Настоящата констатация, че излишните чернодробни липиди могат да допринесат за дефицитите на паметта, е значителна, като се има предвид, че NAFLD се оценява като преобладаваща при 30% от населението и е най-честата форма на чернодробно заболяване (9). И накрая, хипокампалните лезии увеличават приема на храна (39, 40), което увеличава възможността индуцираната от HED хипокампална дисфункция да доведе до прекомерно хранене. Следователно, нашите открития, че доброволната консумация на HED уврежда паметта, зависима от хипокампала, може да има важни последици както за познанието, така и за развитието и поддържането на затлъстяването и затлъстяването на черния дроб.

Благодарности

Искаме да благодарим на Ричард Остин Филитор, Къртни Гифорд и Дженин Ампудия за тяхното съдействие. Тази работа беше подкрепена от безвъзмездна финансова помощ от Държавната университетска програма за мозъци и поведение на Джорджия за MBP и NIH R01 DK35254 за TJB. Конкуриращи се интереси: авторите нямат конкуриращи се интереси.