Анет Хорстман

1 Катедра по неврология, Институт за човешки когнитивни и мозъчни науки Макс Планк, Лайпциг, Германия

2 Интегриран център за изследвания и лечение на болестта на затлъстяването, Университетски медицински център в Лайпциг, Лайпциг, Германия

Франциска П. Бусе

3 Катедра по медицина, Университетска болница в Лайпциг, Лайпциг, Германия

Дейвид Матар

1 Катедра по неврология, Институт за човешки когнитивни и мозъчни науки Макс Планк, Лайпциг, Германия

2 Интегриран център за изследвания и лечение на затлъстяване, Лайпцигски университетски медицински център, Лайпциг, Германия

Карстен Мюлер

1 Катедра по неврология, Институт за човешки когнитивни и мозъчни науки Макс Планк, Лайпциг, Германия

Йоран Лепсиен

1 Катедра по неврология, Институт за човешки когнитивни и мозъчни науки Макс Планк, Лайпциг, Германия

Хайко Шльогъл

3 Катедра по медицина, Университетска болница в Лайпциг, Лайпциг, Германия

Стефан Кабиш

3 Катедра по медицина, Университетска болница в Лайпциг, Лайпциг, Германия

Юрген Крацш

4 Институт за лабораторна медицина, клинична химия и молекулярна диагностика, Университетска болница Лайпциг, Лайпциг, Германия

Джейн Нойман

1 Катедра по неврология, Институт за човешки когнитивни и мозъчни науки Макс Планк, Лайпциг, Германия

2 Интегриран център за изследвания и лечение на затлъстяване, Лайпцигски университетски медицински център, Лайпциг, Германия

Майкъл Щъмвол

2 Интегриран център за изследвания и лечение на болестта на затлъстяването, Университетски медицински център в Лайпциг, Лайпциг, Германия

3 Катедра по медицина, Университетска болница в Лайпциг, Лайпциг, Германия

Арно Вилрингер

1 Катедра по неврология, Институт за човешки когнитивни и мозъчни науки Макс Планк, Лайпциг, Германия

2 Интегриран център за изследвания и лечение на болестта на затлъстяването, Университетски медицински център в Лайпциг, Лайпциг, Германия

5 Клиника по когнитивна неврология, Университетска болница в Лайпциг, Лайпциг, Германия

6 Институт за ум и мозък, Берлинско училище за ум и мозък, Университет Хумболт, Берлин, Германия

Буркхард Плегер

1 Катедра по неврология, Институт за човешки когнитивни и мозъчни науки Макс Планк, Лайпциг, Германия

2 Интегриран център за изследвания и лечение на болестта на затлъстяването, Университетски медицински център в Лайпциг, Лайпциг, Германия

5 Клиника по когнитивна неврология, Университетска болница в Лайпциг, Лайпциг, Германия

6 Институт за ум и мозък, Берлинско училище за ум и мозък, Университет Хумболт, Берлин, Германия

Резюме

Въведение

Регулирането на телесното тегло и приема на енергия е сложен процес, включващ хуморални, както и централни хомеостатични и хедонични системи. В литературата се отчитат различия в регулирането на телесното тегло, обхващащи тези домейни, основани на пола. Разпространението на затлъстяването е малко по-високо при жените (в Германия, където е проведено това проучване, жените 20,2%, мъжете = 17,1%, Световната здравна организация, 2010 г.) и разликите между половете по отношение на биологичното регулиране на телесното тегло са описани за стомашно-чревни хормони (Carroll et al., 2007; Beasley et al., 2009; Edelsbrunner et al., 2009) и за свързаните с храненето социални и екологични фактори, както и за диетичното поведение (Rolls et al., 1991; Provencher et ал., 2003).

Неотдавнашно проучване показа, че рисковите фактори за затлъстяването при жените и мъжете се различават дълбоко, въпреки че имат еднакъв ефект върху телесното тегло: за мъжете по-голямата част от разликата между групите с висок и нисък риск за здравето се обяснява с променливост в компетентността за хранене (резултат обхващащи хранителни нагласи, приемане на храна, вътрешна регулация и контекстуални умения като планиране на хранене) и съзнателното ограничаване на приема на храна. За жените неспособността да се противопоставят на емоционалните сигнали и неконтролираното хранене обясняват повечето от разликите в групите (Greene et al., 2011).

Тези наблюдения намекват за основните разлики в начина, по който жените и мъжете обработват информацията, свързана с храната, и контролират приема на храна, което се подкрепя от доказателства за частично разделени нервни механизми в отговор на храната и в контрола на хранителното поведение и за двата пола (Parigi et al ., 2002; Smeets et al., 2006; Uher et al., 2006; Wang et al., 2009). Тъй като обаче и мъжете, и жените могат да затлъстеят, изглежда, че нито един от тези начини не предпазва от наддаване на тегло.

В това проучване изследвахме два аспекта на свързаните с пола разлики в затлъстяването. Първо, използвайки морфометрия, базирана на воксел (VBM), оценихме разликите в структурата на мозъка при слаби и затлъстели мъже и жени. Второ, изследвахме възможни различия, свързани с пола, в когнитивния контрол върху хранителното поведение, използвайки модифицирана версия на задачата за хазарт в Айова (Bechara et al., 1994).

Неотдавнашно проучване, използващо функционално ЯМР, установи свързаните с пола разлики в енергийния прием ad libitum след 6 дни евкалорично хранене, както и в свързаната с храната мозъчна активация за субекти с нормално тегло (Cornier et al., 2010). В това проучване активацията в дорсолатералната префронтална кора (DLPFC) корелира отрицателно с енергийния прием, но с повишени нива на активиране при жените в сравнение с мъжете. Авторите предполагат, че тези по-големи префронтални нервни реакции при жените отразяват повишената когнитивна обработка, свързана с изпълнителната функция, като напътствие или оценка на хранителното поведение. При затлъстяване обаче нарушаването на тези контролни механизми може да допринесе за излишния енергиен прием.

За да разследваме възможни различия, свързани с пола, в когнитивния контрол върху хранителното поведение при затлъстяване, използвахме модифицирана версия на IGT. Тази задача изисква оценка както на незабавни награди, така и на дългосрочни резултати и по този начин отразява компромиса между непосредственото възнаграждение от ядене и дългосрочното влияние на преяждането върху телесното тегло. Ако приемем, че затлъстелите субекти предпочитат високи незабавни награди дори и при дългосрочен негативен резултат, ние фокусирахме нашите разследвания върху колода Б. В тази колода високите незабавни награди са придружени от редки, но високи наказания, водещи до отрицателен дългосрочен резултат. За да контрастираме всеки от другите колоди с колода Б поотделно, ние представихме само две вместо четири алтернативни колоди по всяко време. Предполагайки, че затлъстяването диференцирано влияе върху когнитивния контрол върху поведението при мъжете и жените, очаквахме да открием ефекти от двата пола и затлъстяването върху поведенческите мерки в IGT.

Вокселовата морфометрия е ценен инструмент за идентифициране на различията в структурата на сивото вещество на мозъка (ГМ), свързани не само със заболявания, но и с изпълнението на задачите (Sluming et al., 2002; Horstmann et al., 2010). Освен това наскоро беше показано, че плътността на ГМ и структурните параметри на бялото вещество се променят бързо в отговор на променено поведение, като овладяване на ново умение - с други думи, показващи, че мозъкът е пластичен орган (Draganski et al., 2004; Scholz et al., 2009; Taubert et al., 2010). Следователно адаптациите във функционалните вериги поради променено поведение като постоянно преяждане могат да се отразят в ГМ структурата на мозъка.

Първите пионерски проучвания, изследващи структурата на мозъка при затлъстяване, показват разлики, свързани със затлъстяването в различни мозъчни системи (Pannacciulli et al., 2006, 2007; Taki et al., 2008; Raji et al., 2010; Schäfer et al., 2010; Walther et al., 2010; Stanek et al., 2011) Въпреки че са много проницателни при идентифицирането на мозъчни структури, които се различават по отношение на затлъстяването, тези проучвания не изследват възможни ефекти, свързани с пола. Едно проучване съобщава за влияние както на пола, така и на затлъстяването върху дифузионните свойства на бялото вещество (Mueller et al., 2011).

Изследвахме връзката между мозъчната структура и затлъстяването [измерено чрез индекс на телесна маса (ИТМ), както и лептин], използвайки VBM както при мъжете, така и при жените в нормална възраст, здрава проба, съобразена с пола и разпределението на ИТМ. Предвид гореспоменатите различия между половете при обработката на информация, свързана с храната, ние предположихме, че ще намерим зависими от пола в допълнение към независимо от пола корелати на затлъстяването в мозъчната структура.

Материали и методи

Субекти

Включихме 122 здрави кавказки субекти. Сравнихме мъжете и жените според разпределението и обхвата на ИТМ, както и възрастта [61 жени (пременопауза), ИТМ (f) = 26,15 kg/m 2 (SD 6,64, 18–44), ИТМ (m) = 27,24 kg/т2 (SD 6.13, 19-43), х 2 = 35,66 (25), р = 0,077; възраст (f) = 25,11 години (SD 4,43, 19–41), възраст (m) = 25,46 години (SD 4,25, 20–41), χ 2 = 11,02 (17), p = 0,856; вижте Фигура Фигура1 1 за разпределение на ИТМ и възрастта в двете групи]. Критериите за включване бяха възраст между 18 и 45 г. Критериите за изключване бяха хипертония, дислипидемия, метаболитен синдром, депресия (Инвентаризация на депресията на Бек, гранична стойност 18), анамнеза за невропсихични заболявания, тютюнопушене, захарен диабет, състояния, които са противопоказания за MR- изображения и аномалии при Т1-претеглено MR сканиране. Изследването е проведено в съответствие с Декларацията от Хелзинки и одобрено от местната комисия по етика на университета в Лайпциг. Всички участници са дали писмено информирано съгласие преди да участват в проучването.

разлики

Разпределение на индекса на телесна маса [в kg/m 2 (A)] и възраст [в години (B)] за жени и мъже.

Придобиване на ЯМР

Изображения, претеглени с T1, са получени на скенер 3T TIM Trio за цялото тяло (Siemens, Erlangen, Германия) с 12-канална спирала на главата, използвайки MPRAGE последователност [TI = 650 ms; TR = 1300 ms; моментна снимка FLASH, TRA = 10 ms; TE = 3,93 ms; алфа = 10 °; честотна лента = 130 Hz/пиксел (т.е. общо 67 kHz); матрица на изображението = 256 × 240; FOV = 256 mm × 240 mm; дебелина на плочата = 192 mm; 128 дяла; 95% разделителна способност на среза; сагитална ориентация; пространствена разделителна способност = 1 mm × 1 mm × 1,5 mm; 2 придобивания].

Обработка на изображение

SPM5 (Wellcome Trust Center for Neuroimaging, UCL, Лондон, Великобритания; http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) беше използван за T1-претеглена предварителна обработка на изображения и статистически анализ. MR изображенията бяха обработени с помощта на подхода DARTEL (Ashburner, 2007) със стандартни параметри за VBM, работещи под MatLab 7.7 (Mathworks, Sherborn, MA, USA). Всички анализи бяха извършени върху коригирани пристрастия, сегментирани, регистрирани (трансформация на твърдо тяло), интерполирани изотропни (1,5 mm × 1,5 mm × 1,5 mm) и изгладени (FWHM 8 mm) изображения. Всички изображения бяха изкривени въз основа на трансформацията на специфичния за групата шаблон DARTEL в GM предишното изображение, предоставено от SPM5, за да отговарят на стандартното стереотактично пространство на Монреалския неврологичен институт (MNI). GM сегментите са модулирани (т.е. скалирани) от якобианските детерминанти на деформациите, въведени чрез нормализиране, за да се отчете локалното компресиране и разширяване по време на трансформацията.

статистически анализи

Бяха оценени следните статистически модели: пълен факториален дизайн с един фактор (пол) и две нива (жени и мъже), включително ИТМ като ковариация, центрирана върху средната фактор без взаимодействие. Допълнителните модели включват взаимодействия между ИТМ или централно ниво на лептин и пола, за да се изследват диференциалните ефекти на тези ковариати в двете групи. Всички статистически модели включват ковариати за възрастта и общите обеми на сивото и бялото вещество, за да се отчетат объркващите ефекти на възрастта и размера на мозъка. Резултатите се считат за значими при праг на воксел от р 2 (SD 6.67, 19–44), ИТМ (m) = 30.13 (SD 6.28, 20–43); възраст (f) = 25,33 години (SD 5,27, 19–41), възраст (m) = 25,19 години (SD 4,5, 20–41)].

Модифицирана задача за хазарт в Айова

Участници

Шестдесет и пет здрави участници бяха тествани с модифицираната задача за хазарт в Айова [34 жени, 15 слаби (среден ИТМ 21,9 кг/м 2 ± 2,2; средна възраст 24,1 години ± 2,8) и 19 затлъстели (среден ИТМ 35,4 кг/м 2 ± 3,9; средна възраст 25,4 години ± 3,4); 31 мъже, 16 слаби (среден ИТМ 23,8 кг/м 2 ± 3,2; средна възраст 25,2 години ± 3,8) и 15 затлъстели (среден ИТМ 33,5 кг/м 2 ± 2,4; средна възраст 26,7 години ± 4,0)]. Субектите с ИТМ по-голям или равен на 30 kg/m 2 са класифицирани като затлъстели. Четирите подгрупи бяха съпоставени според образованието им. Една затлъстела жена е била изключена от анализа поради хипофункция на щитовидната жлеза.

Експериментална процедура

Модифицираната версия на IGT и събирането на поведенчески данни са внедрени в презентация 14.1 (Neurobehavioral Systems Inc., Albany, CA, USA). Нашата модифицирана версия на задачата беше подобна по общия си състав на палубата на оригиналния IGT (Bechara et al., 1994). Палубите A и B бяха в неизгодно положение, което доведе до дългосрочна загуба, а палубите C и D доведоха до положителен дългосрочен резултат. Нашите модификации на задачата се отнасяха само до броя на различни колоди, представени едновременно, и до честотата на печалба/загуба и размера на печалбата/загубата във всяка колода. Участниците трябваше да избират между две алтернативни колоди от карти във всеки блок (напр. Колода B + C). Палубата А и С имаха честота на печалба/загуба 1: 1 с незабавна печалба от +100 (+70 съответно) и незабавна загуба от -150 (съответно -20). Палубите B и D имаха честота на печалба/загуба 4: 1 и даваха незабавни награди от +100 (+50 съответно) и загуби в размер на -525 (-75 съответно). Следователно, палубата А и В доведе до обща нетна загуба, докато палубата С и D доведе до нетна печалба.

Във всяко изпитание на екрана бяха показани две тестета карти с въпросителна между тях, което показва, че субектите трябва да изберат една карта. Въпросният знак беше заменен с бял кръст, след като участниците направиха своя избор. Във всяко изпитание участниците трябваше да вземат решение за по-малко от 3 секунди. Ако субектите не успеят да изберат карта в рамките на тази граница, се появява усмивка с въпросителна уста и започва следващото изпитание. Тези изпитания бяха отхвърлени.

Участниците са завършили 90 проучвания, разделени на 3 рандомизирани блока (AB/BC/BD) от по 30 опита. След всеки блок беше въведена пауза от 30 s, в която субектите бяха информирани, че представените тестета карти ще бъдат различни в следващия блок. Аналогично на оригиналния IGT, на субектите беше казано да максимизират резултата си чрез изгоден избор на палубата.

За мотивационни въпроси на участниците е изплатен бонус до 6 € в допълнение към базовото плащане според изпълнението им в задачата.

Анализ на данни

Всички резултати бяха изчислени с PASW Statistics 18.0 (IBM Corporation, Somers, NY, USA). Броят на картите, изтеглени от тесте Б, беше анализиран по отношение на затлъстяването и разликите между половете, включително възрастта като ковариация в общия линеен модел. В допълнение, кривите на обучение бяха изследвани с помощта на ANOVA с повтарящи се мерки. Допълнителни ANOVA за получаване на отделни групови ефекти и за двата пола по отношение на затлъстяването. Корелацията между ИТМ и предпочитанията за палуба В беше изчислена с помощта на линеен модел.

Резултати

Структура на сивото вещество

За да изследваме корелатите на затлъстяването в мозъчната структура, използвахме DARTEL за VBM на целия мозък (Ashburner, 2007) въз основа на T1-претеглена ЯМР. Подробни резултати са показани на Фигура Фигура2 2 и Таблица Таблица1. 1. Открихме положителна корелация между ИТМ и обема на сивото вещество (GMV) в медиалната задна орбитофронтална кора (OFC), двустранно ядро ​​(NAcc), хипоталамуса и левия путамен (т.е. дорзален стриатум, пикови воксели p Фигура2 ). 2). Извършвайки един и същ анализ в еднакво големи групи (n = 61) от жени и мъже поотделно, ние получихме сравними резултати за жените, но не и за мъжете: По-специално, открихме значителна положителна връзка между GMV в OFC/NAcc и ИТМ и при двете групи (Фигура (Фигура3 3 горен ред, жени r = 0,48, p (Фигура3 3 среден ред, жени r = 0,51, p (Фигура3 3 трети ред). Само жените показват допълнителни свързани с лептин структурни разлики в левия път и fornix (Фигура (Фигура 3, 3, области, показани в червено на трети ред). Клъстерите в NAcc и putamen показват значително припокриване с регионите, идентифицирани чрез корелация на ИТМ с GMV (Фигура (Фигура 3 3 от първи до трети ред) Освен това само при жените открихме обратна (т.е. отрицателна) корелация между нивата на лептин и GMV в дясната DLPFC (r = −0,62, p Фигура 3, 3, долния ред).

Връзка между хазартното поведение, пола и затлъстяването

В IGT, колода Б предава високи незабавни награди с всяка карта, но ниски честоти с големи загуби, в крайна сметка води до отрицателен дългосрочен резултат. Следователно опциите в палуба Б отразяват конфликта между много очевидни незабавни награди и постигането на дългосрочни цели. В настоящата версия на Задачата за хазарт в Айова, затлъстелите жени избраха значително повече карти от тесте Б, когато бяха контрастирани с всяка изгодна колода (т.е. C или D), отколкото слаби жени във всички опити (F1,32 = 8,68, p = 0,006). Не открихме разлика между слабите и затлъстелите жени, когато контрастирахме с двете неблагоприятни колоди (т.е. A и B). Освен това имаше значителна връзка между ИТМ и общия брой карти, избрани от тесте Б за жени (Фигура (Фигура 4А). 4 А). Сравнявайки слабите с мъжете със затлъстяване, не открихме нито значителна разлика за общия брой карти, избрани от тесте Б (F1,29 = 0,51, p = 0,48), нито значителна корелация с ИТМ.

Разлики в слабите и затлъстели жени в способността им да коригират поведението на избор, за да отговарят на дългосрочните цели. (А) Предпочитанието за палуба В пред всички опити корелира с ИТМ в групата жени. Сива линия: линейна регресия. (Б) Разлика между слабите и затлъстелите жени в поведението на избор по време на обучение. Слабите жени се научават постепенно да избират по-малко карти от тесте Б. За разлика от това затлъстелите жени продължават да избират карти от тесте Б. Всеки блок се състои от пет опита. (° С) По време на ученето не се забелязва разлика между слабите и затлъстелите мъже в поведението им. Всеки блок се състои от пет изпитания.

За да тестваме разликите в поведението на учене между слаби и затлъстели участници, анализирахме избора на палуба Б с течение на времето. По време на ученето затлъстелите жени не показаха никакви корекции в поведението при избор. За разлика от това, при слабите жени наблюдавахме постепенно намаляване на предпочитанията към картите от тесте Б (вж. Фигура 4В). 4 Б). По този начин затлъстелите жени не приспособяват поведението си към общ изгоден резултат в сравнение с слабите жени. Анализът на учебното поведение разкрива само значителен ефект за затлъстяването при жените (F1,30 = 6,61, p = 0,015), но не и при мъжете.