Субекти

Резюме

Картофеният чипс за закуска предизвиква прием на храна при плъхове, хранени по желание, което е свързано с модулация на системата за възнаграждение на мозъка и други вериги. Тук показваме, че приемът на храна при сити плъхове се предизвиква от оптимално съотношение мазнини/въглехидрати. Подобно на картофения чипс, смес от изокалорична мазнина/въглехидрати повлиява цялостния модел на мозъчна активност на плъхове, засягайки вериги, свързани напр. за възнаграждение/пристрастяване, но броят на модулираните зони и степента на модулация са по-ниски в сравнение със самата закуска.

Въведение

Неотдавнашно поведенческо проучване разкри, че мазнините и въглехидратите са основните молекулни определящи фактори за вкуса на закуската 13. Освен това енергийното съдържание на картофения чипс се определя главно (94%) от съдържанието на мазнини и въглехидрати. Следователно може да се приеме, че енергийното съдържание е движещата сила на хедоничната хиперфагия в случая на картофени чипове. Следователно проведохме тестове за поведенчески предпочитания, за да изследваме приема на храни с различно съдържание на мазнини/въглехидрати и извършихме измервания с ядрено-магнитен резонанс (ЯМР), за да изследваме модулацията на цялостната мозъчна активност, индуцирана при плъхове.

Резултати и дискусия

За тестове за предпочитание към всяка тестова храна се добавя прахообразна стандартна чау (STD) (1: 1), за да се изключи влиянието на органолептичните свойства (фиг. 1а) 13. Преди беше показано, че редът и продължителността на тестовите епизоди не влияят на резултата 13. Отначало относителният прием се увеличава с увеличаване на мазнините и, следователно, енергийното съдържание на тестваните храни с максимум при състав от 35% мазнини и 45% въглехидрати. По-високото съдържание на мазнини обаче доведе до намален прием на храна (фиг. 1а). Тъй като мазнините имат по-висока енергийна плътност от въглехидратите, тези констатации показват, че енергийното съдържание не е единственият определящ фактор за приема на храна при необградени плъхове. Забележително е, че средното съотношение мазнини/въглехидрати на най-атрактивните тестови храни почти точно отговаря на състава на картофения чипс (фиг. 1а). Остава да се проучи дали горното заключение може да се разшири и върху други хранителни продукти с подобно съотношение мазнини/въглехидрати като шоколад или друга закуска.

въглехидрати

(а) Активност на тестваните храни с различни съотношения мазнини/въглехидрати, за да се предизвика допълнителен прием на храна по време на краткосрочно представяне на тестовата храна (10 минути) в тестове за избор на избор.

(а) Значително различно активирани мозъчни области (смес от 35% мазнини/65% въглехидрати (FCH) спрямо стандартна чау (STD) и картофен чипс срещу STD 3) чрез вокселен морфометричен анализ, илюстриран за три филийки, показани в средна мозъчна повърхност на плъх.

Средните данни за хранителната група мазнини/въглехидрати (FCH, лява колона) се сравняват с промените в модела на мозъчна активност, индуцирани от картофени чипове при същите условия (прегледани от Hoch и др. 2013 3, дясна колона). (б) 3D разпределение на значително различно активирани мозъчни области, показани в аксиален и сагитален изглед (35% мазнини/65% въглехидрати, тествана храна FCH срещу ППБ, лява колона и картофени чипове срещу ППБ, дясна колона, прегледано от Hoch и др. 2013 3). Сините сфери символизират мозъчни области с по-ниски, червени сфери, мозъчни региони с по-висока активност след приема на съответната тестова храна FCH или картофен чипс 3, всеки в сравнение със STD. Размерът на сферите символизира нивата на значимост (малки: p ≤ 0,05, средни: p ≤ 0,01, големи: p ≤ 0,001, n = 16).

Мозъчни региони, разпределени към функционалните групи (а) „награда и пристрастяване“, (б) „прием на храна“, (в) „сън“ и (г) „двигателна активност“ на схематичен сагитален изглед на мозъка на плъх със значително различни (стр. 3, втора колона).

Подобни заключения могат да бъдат направени от анализа на мозъчните вериги, които са свързани с приема на храна. Например, дорзомедиалният хипоталамус, преградата, както и паравентрикуларното таламусно ядро, които са се активирали по време на приема на FCH и картофен чипс, могат да бъдат свързани с контрола на приема на храна 21,22. Но отново, FCH не успя да модулира други структури на веригите за засищане, които бяха дезактивирани от картофени чипове, като дъгообразното хипоталамусно ядро ​​или усамотения тракт. В допълнение, интензитетът на активиране е по-нисък от FCH, отколкото от картофения чипс, което се отразява, например, от 2,3 пъти значително по-високо активиране на паравентрикуларното таламусно ядро ​​отпред (Фиг. 3b). Тези данни предполагат, че FCH модулира мозъчните структури, свързани с приема на храна, по различен начин от STD, ефект, който може да бъде отразен от по-високия енергиен прием чрез FCH (Фиг. 1b).

Приемът на FCH също доведе до силно дезактивиране на мозъчните структури, свързани със съня. Някои мозъчни области се деактивират само от FCH като zona incerta (фиг. 3в), докато други области се деактивират само от картофени чипове, като тегменталните ядра. Въпреки че осем структури, свързани със съня, са модулирани от FCH и единадесет от картофени чипове, ефектът и на двете тествани храни изглежда е в сходни граници. Тъй като този резултат не се очакваше, продължителността на съня не беше измерена в настоящото проучване, така че не е ясно дали FCH-индуцираната модулация на сънните вериги корелира с модулация на поведението на съня.

Мозъчните региони, отговорни за двигателната активност и движението като цяло, не са били значително повлияни от приема на FCH в сравнение със STD (Фиг. 3d, първа колона). Това е едновременно с поведенческите наблюдения, че FCH индуцира само леко, но не значително по-висока свързана с храната локомоторна активност в сравнение със STD (фиг. 1б). За разлика от това беше показано, че активирането на структурите на двигателната система в мозъка на плъхове с достъп до картофени чипове е придружено от повишена свързана с храненето локомоторна активност 3 .

Към днешна дата не е ясно кои молекулярни компоненти на картофения чипс са отговорни за по-силните ефекти на мозъчната модулация на тази тестова храна. Тъй като беше използван осолен, но несезонен продукт без добавка на подобрител на вкуса, освен основните компоненти мазнини и въглехидрати присъстваха сол, аромат и малки количества протеини. Освен това трябва да се вземат предвид молекулярните промени, които настъпват по време на обработката. По-рано беше показано, че вкусът на солта индуцира експресията на Fos в ядрото акуменс на лишени от сол плъхове. Приемът на сол при неизчерпани животни, за разлика от това, не е довел до активиране на тази структура на системата за възнаграждение 26. Освен това се съобщава, че приемът на сол в твърда храна по-скоро предизвиква неприятен ефект при плъхове 27. Следователно не изглежда вероятно солта да е основен модулатор на системата за възнаграждение на мозъка в настоящите експерименти. Въведеният преди това тест за предпочитание с два избора сега може да послужи за допълнително изследване на влиянието на други компоненти на картофения чипс върху приема на храна.

От нашите поведенчески данни заключаваме, че съотношението на мазнини и въглехидрати, но не и абсолютната енергийна плътност, е основният определящ фактор за вкуса и приема на закуска по време на краткосрочни тестове за предпочитания с два избора при плъхове. Нещо повече, приемът на FCH смес, която е почти изокалорична за картофения чипс, индуцира максималния енергиен прием при плъхове, хранени ad libitum, което е придружено със значително различно активиране на мозъчните структури, свързани с възнаграждението, приема на храна и съня. Приемът на картофен чипс при същите условия доведе до много по-голям брой различно активирани мозъчни структури в тези вериги, а също и до значително по-висока фракционна промяна в сравнение със STD. По този начин, от подхода за изобразяване, може да се заключи, че енергийната плътност е само умерена детерминанта на полезните свойства на закуската. Въпреки че съотношението на мазнини и въглехидрати на картофения чипс изглежда изключително привлекателно, може да се предположи, че в тази закуска има и други молекулярни детерминанти, които модулират дейността на мозъчните вериги, особено системата за възнаграждение, дори по-силни и водят до увеличаване на храната търсещо поведение.

Методи

Декларация за етика

Това проучване е проведено в строго съответствие с препоръките на Ръководството за грижа и употреба на лабораторни животни от Националните здравни институти. Протоколът е одобрен от Комитета по етика на опитите с животни към Университета на Фридрих-Александър Ерланген-Нюрнберг (Regierung Mittelfranken, Номер на разрешение: 54-2532.1-28/12).

Тест за предпочитание

Енергийният прием, зависим от съответната тествана храна, се изчислява чрез умножаване на погълнатото количество от тестваната храна със съответното й енергийно съдържание. Относителният принос на една тествана храна към сумата на погълнатата тестова храна и референтната стойност се изчислява чрез разделяне на количеството на съответната тестова храна на общия прием на тестваната храна и референтната.

Записване на поведенческите данни за енергиен прием и свързана с храненето локомоторна активност

Данните за поведението са записани, както е описано по-рано 3. Накратко, ежедневно се измерва приемът на тестова храна и енергийният прием се изчислява чрез умножаване на масата на поетата тестова храна със съответното енергийно съдържание. Локомоторната активност, свързана с храненето, се определя количествено чрез снимки от уебкамерата, които се правят на всеки 10 секунди над клетката. Един брой се определя като „един плъх показва локомоторна активност в близост до един дозатор за храна“. За статистическа оценка t-тестовете на Student (двустранни) бяха извършени, използвайки средната стойност (енергиен прием или свързана с храненето локомоторна активност) през 7 дни (TP или MnP) на клетка (n = 4 клетки, с общо 16 плъха всяка група).

Записване на цялостен модел на мозъчна активност чрез MEMRI

Мъжките плъхове Wistar (първоначално тегло 261 ± 19 g, закупени от Charles River, Sulzfeld, Германия), държани в цикъл 12/12 h тъмно/светло, бяха разделени на случаен принцип в две групи. И двете групи имаха ad libitum достъп до стандартни пелети от чау (Altromin 1324, Altromin, Lage, Германия) през целия курс на проучването.

Едната група (n = 16, първоначално телесно тегло 256 ± 21 g) получава STD на прах (Altromin 1321), а другата група (n = 16, първоначално телесно тегло 266 ± 16 g) получава смес от 35% F (слънчогледово масло, закупен от местен супермаркет) и 65% СН (малтодекстрин, декстрин 15 от царевично нишесте, Fluka, Taufkirchen, Германия) в допълнение към стандартните пелети от чау. Настоящото проучване беше проведено успоредно с публикуваното преди това проучване върху картофени чипове 3, така че да може да се използва същата контролна група, позволяваща максимална съпоставимост на наборите от данни.

Допълнителна информация

Как да цитирам тази статия: Хох, Т. и др. Съотношението мазнини/въглехидрати, но не и енергийната плътност определя приема на закуска и активира зоните за възнаграждение на мозъка. Sci. Представител. 5, 10041; doi: 10.1038/srep10041 (2015).

Препратки

La Fleur, S. E., Luijendijk, M. C. M., van der Zwaal, E. M., Brans, M. A. D. & Adan, R. A. H. Снекинг плъхът като модел на човешкото затлъстяване: ефекти на диета с високо съдържание на мазнини с високо съдържание на мазнини върху схемите на хранене. Международна J. Obes. 38, 643–649 (2014).

Berthoud, H.-R. Хомеостатични и нехомеостатични пътища, участващи в контрола на приема на храна и енергийния баланс. Затлъстяване. 14 S8, 197S – 200S (2006).

Volkow, N. D. & Wise, R. A. Как наркоманията може да ни помогне да разберем затлъстяването? Нат. Невроски. 8, 555–560 (2005).

Berthoud, H.-R. Метаболитни и хедонични двигатели в невронния контрол на апетита: кой е шефът? Curr. Становище. Невробиол. 21, 888–896 (2011).

Gearhardt, A. N., Grilo, C. M., DiLeone, R. J., Brownell, K. D. & Potenza, M. N. Може ли храната да пристрастява? Последици за общественото здраве и политика. Пристрастяване. 106, 1208–1212 (2011).

Hebebrand, J. et al. „Пристрастяването към хранене“, а не „пристрастяването към храната“, по-добре улавя пристрастяващо хранително поведение. Невроски. Биобехав. Rev. 47, 295–306 (2014).

Epstein, D. H. & Shaham, Y. Плъхове, които ядат чийзкейк и въпросът за пристрастяването към храната. Нат. Невроски. 13, 529–531 (2010).

DiLeone, R. J., Taylor, J. R. & Picciotto, M. R. Стремежът към ядене: сравнения и разграничения между механизмите на награждаване с храна и пристрастяване към наркотици. Нат. Невроски. 15, 1330–1335 (2012).

Kenny, P. J. Общи клетъчни и молекулярни механизми при затлъстяване и наркомания. Нат. Преподобни Невроски. 12, 638–651 (2011).

Rolls, B. J. & Bell, E. A. Прием на мазнини и въглехидрати: роля на енергийната плътност. Евро. J. Clin. Nutr. 53 (Suppl 1), S166–173 (1999).

Shafat, A., Murray, B. & Rumsey, D. Енергийна плътност при индуцирана от кафенето хиперфагия при плъхове. Апетит. 52, 34–38 (2009).

Lin, Y. J. & Koretsky, A. P. Мангановият йон подобрява T1-претеглената ЯМР по време на активиране на мозъка: Подход за директно изобразяване на мозъчната функция. Магн. Ресън. Med. 38, 378–388 (1997).

Koretsky, A. P. & Silva, A. C. Манган-усилен магнитен резонанс (MEMRI). ЯМР Biomed. 17, 527–531 (2004).

Berridge, K. C. Удоволствия на мозъка. Мозъчен когн. 52, 106–128 (2003).

Haber, S. N. & Knutson, B. Награждаващата верига: свързваща анатомията на приматите и изобразяването на хора. Невропсихофармакология 35, 4–26 (2010).

Epping-Jordan, M. P., Markou, A. & Koob, G. F. Допаминовият D-1 рецепторен антагонист SCH 23390, инжектиран в ядрото на дорзолатералното легло на stria terminalis, намалява подсилването на кокаина при плъховете. Brain Res. 784, 105–115 (1998).

Martin-Fardon, R., Ciccocioppo, R., Aujla, H. & Weiss, F. Дорзалният субикулум посредничи при придобиването на условно възстановяване на търсенето на кокаин. Невропсихофармакология. 33, 1827–1834 (2008).

Bellinger, L. L. & Bernardis, L. L. Дорзомедиалното ядро ​​на хипоталамуса и неговата роля в поглъщащото поведение и регулиране на телесното тегло: уроци, научени от проучвания за лезии. Физиол. Behav. 76, 431–442 (2002).

Stratford, T. R. & Wirtshafter, D. Инжекциите на мусцимол в паравентрикуларното таламусно ядро, но не и на медиодорзалните таламусни ядра, предизвикват хранене при плъхове. Brain Res. 1490, 128–133 (2013).

Harrold, J. A., Dovey, T. M., Blundell, J. E. & Halford, J. C. G. Регулиране на апетита от страна на ЦНС. Неврофармакология 63, 3–17 (2012).

Berthoud, H.-R. Невронен контрол на апетита: кръстосано говорене между хомеостатични и нехомеостатични системи. Апетит. 43, 315–317 (2004).

Berridge, K. C. Награда за храна: Мозъчни субстрати на желанието и харесването. Невроски. Биобехав. Rev. 20, 1–25 (1996).

Voorhies, A. C. & Bernstein, I. L. Индукция и експресия на солевия апетит: ефекти върху експресията на Fos в nucleus accumbens. Behav. Brain Res. 172, 90–96 (2006).

Beauchamp, G. K. & Bertino, M. Плъховете (Rattus norvegicus) не предпочитат осолена твърда храна. J. Comp. Психол. 99, 240–247 (1985).

Eschenko, O. et al. Картографиране на функционалната мозъчна активност при свободно поведени плъхове по време на доброволно бягане с използване на ЯМР с усилен манган: Импликация за надлъжни изследвания. Neuroimage 49, 2544–2555 (2010).

Denbleyker, М., Nicklous, D. M., Wagner, P. J., Ward, H. G. & Simansky, K. J. Активирането на му-опиоидни рецептори в страничното парабрахиално ядро ​​увеличава експресията на c-Fos в областите на предния мозък, свързани с калоричната регулация, възнаграждението и познанието. Neuroscience 162, 224–233 (2009).

Hernandez, L. & Hoebel, B. G. Хранителното възнаграждение и кокаинът увеличават извънклетъчния допамин в nucleus accumbens, измерено чрез микродиализа. Life Sci. 42, 1705–1712 (1988).

Zahm, D. S. et al. Fos след единично и многократно самостоятелно приложение на кокаин и физиологичен разтвор при плъхове: акцент върху базалния преден мозък и повторно калибриране на експресията. Невропсихофармакология 35, 445–463 (2010).

Oliveira, L. A., Gentil, C. G. & Covian, M. R. Роля на преградната област в поведението на хранене, предизвикано от електрическа стимулация на страничния хипоталамус на плъх. Браз. J. Med. Biol. Рез. 23, 49–58 (1990).

Чейс, М. Х. Потвърждение на консенсуса, че глицинергичното постсинаптично инхибиране е отговорно за атонията на REM съня. Спете. 31, 1487–1491 (2008).

Трепел, М. Невроанатомия. Struktur und Funktion 3-то изд. Urban & Fischer, München, 2003).

Miller, A. M., Miller, R. B., Obermeyer, W. H., Behan, M. & Benca, R. M. Претектумът посредничи за бързо регулиране на съня при движение на очите чрез светлина. Behav. Невроски. 113, 755–765 (1999).

Léger, L. et al. Допаминергични неврони, експресиращи Fos по време на събуждане и парадоксален сън при плъхове. J. Chem. Невроанат. 39, 262–271 (2010).

Благодарности

Изследването е част от проекта за невротриция, който се подкрепя от инициативата FAU Emerging Fields. Освен това благодарим на Кристин Майснер за корекцията на ръкописа.

Информация за автора

Принадлежности

Отдел по химия на храните, Катедра по химия и фармация, Център "Емил Фишер", Университет Фридрих-Александър Ерланген-Нюрнберг (FAU), Ерланген, Германия

Tobias Hoch & Monika Pischetsrieder

Институт по експериментална и клинична фармакология и токсикология, Център Емил Фишер, Университет Фридрих-Александър Ерланген-Нюрнберг (FAU), Ерланген, Германия

Силке Крейц и Андреас Хес

Лаборатория за разпознаване на образци, Университет Фридрих-Александър Ерланген-Нюрнберг (FAU), Ерланген, Германия

Училище за усъвършенствани оптични технологии (SAOT), Университет Фридрих-Александър Ерланген-Нюрнберг (FAU), Ерланген, Германия

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Вноски

Замислил и проектирал експериментите: T.H. М.П. A.H.Извършва експериментите: T.H. A.H. Анализира данните: T.H. S.K. S.G.AH Интерпретира данните T.H. М.П. Реагенти/материали/инструменти за анализ: A.H. M.P. Написа хартията: T.H. М.П. А.Х.

Етични декларации

Конкуриращи се интереси

Авторите не декларират конкуриращи се финансови интереси.