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 .

човешко

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 непрекъснатия прием на храна и наддаване на тегло 6,7 Например, гризачи хранени с HFD показват нарастващи нива на възпалителни цитокини като интерлевкин-6 (IL-6) и тумор некрозис фактор алфа (TNFα) в хипоталамуса 8, дори преди значително увеличаване на теглото 9 Този имунологичен отговор е придружен и от бързо натрупване на микроглия и набиране на астроцити 7,10 Освен това хипоталамусните неврони показват признаци на токсичен стрес и претърпяват 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 18,20–22. 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 проучихме 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 сегментиране на етикети на базата на много атласи, за да потвърдим резултатите си в друга независима проба.

Резултати

Обем на хипоталамуса

В извадка от 338 участници (48% жени, на възраст 21-78 години, ИТМ диапазон 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 (Фигура 1А, вижте Методи за детайли).

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.

Анализът на обема на хипоталамуса разкрива по-големи стойности за мъжете, отколкото за жените участници (стр. 25,28. Внимателно проектиран тръбопровод за обработка гарантира, че свързаните с DTI изкривявания, съседни на хипоталамусния регион, не отклоняват хипоталамусните MD оценки (Фигура 1В, вижте Методи за детайли).

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, модел, коригиран по пол, F1,306 = 7,1, p = 0,008) и втора независима извадка (B, 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.

Потвърдителен анализ

За да потвърдим констатациите си в независима проба, разработихме нов многоетимен атлас за сливане, базиран на първоначалните сегментации, който автоматично генерира отделни хипоталамусни сегментации (Фиг. 4; вижте Методи за детайли). Използването на този подход на атлас във втора група от 236 участници потвърди значителна връзка между по-висок ИТМ и по-висок хипоталамус MD в подобна величина (β = 0,14, p = 0, 04, Фигура 3В; регресионен модел: F3,232 = 15,5, p 2 = 0,41), коригиран за възрастта (β = 0,37, p 0,87) между полуавтоматизираните и напълно автоматизираните процедури за сегментиране за хипоталамус MD.

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 на разпространение на етикета всички трансформации бяха обединени и атласните хипоталами бяха пренесени в естественото пространство на целевото изображение (горни изображения, жълто: разпространен етикет, червено: ръчен етикет, оранжево: 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 допълнителни отклонения в хипоталамусния MD, добавихме ДДС, коригирано с височина, като допълнителен предиктор в модела на регресия (F5,300 = 19,8, p 2 = 0,24). ДДС се изчислява от Т1-претеглена абдоминална ядрено-магнитен резонанс в подгрупа на първоначалната проба (n = 306, виж Методи за детайли). Контролиране на въздействието на възрастта (β = 0,37, p 9,20,22,29,30 За разлика от това, DTI, получено в области на сивото вещество, както се използва в настоящото проучване, отразява количеството, плътността или целостта на невронните мембрани, дендрити, аксони или глиални отделения, които ограничават дифузията на вода в тъканите както при животни, така и при хора 25,26,29 Предишна работа показа, че по-високата степен на MD, например в хипокампуса, корелира с по-лошата функция на паметта 28 Това може да означава, че свързаното със затлъстяването по-високият MD в хипоталамуса се съчетава с микроструктурни промени, които могат да доведат до дисфункционални резултати. Също така установихме по-високи стойности на хипоталамусния MD при мъжете, отколкото при жените, както и свързано с възрастта увеличение на MD. Последното се подкрепя от широк спектър от проучвания, които постоянно установяват положителни връзки между дифузионните показатели (като MD и FA) и възрастта в различни ГМ структури, често в съответствие с по-лошо когнитивно представяне 31,32 .

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 продължаващото недохранване при хората, тъй като те също така откриват признаци на глиоза и микроглиална дистрофия при хора хипоталамус, оценен чрез посмъртна 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 съда 34 В момента се провеждат нови подходи, които имат за цел да разграничат промените в дифузионните показатели, задвижвани от перфузия на кръвта с произход 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 до момента проба от хипоталамусни обеми, получени чрез полуавтоматизирана сегментация, добавя към предишни доклади, че целият обем на хипоталамуса, оценен чрез MRI техники, е около 1 cm 3 [ 49]. 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 регулационна система 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 при извадка от 84 субекта. 24 По този начин някои хипоталамусни функции са описани като латерализирани вляво. 39 Последни проучвания също предполагат, че хипоталамусът е включен в латерализирана мозъчна верига, която посредничи при храненето поведение и хомеостатична 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 Независимо от това, ИТМ е показано, че е свързано 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.