A zsír/szénhidrát arány, de az energiasűrűség nem, meghatározza az ételek fogyasztását és aktiválja az agy jutalomterületeit

Tárgyak

Absztrakt

A snack étel burgonya chips táplálékfelvételt indukál ad libitum táplált patkányokban, ami összefügg az agy jutalmazási rendszerének és más áramkörök modulációjának. Itt megmutatjuk, hogy a jóllakott patkányok táplálékfelvételét az optimális zsír/szénhidrát arány váltja ki. A burgonya chipshez hasonlóan az izokaloros zsír/szénhidrát keverék befolyásolta a patkányok teljes agyi aktivitási mintázatát, befolyásolva az áramköröket pl. jutalomra/függőségre, de a modulált területek száma és a moduláció mértéke alacsonyabb volt, mint maga a snack.

Bevezetés

Egy nemrégiben végzett magatartási tanulmány kimutatta, hogy a zsírok és a szénhidrátok jelentik a fő molekuláris meghatározót az snackek ízében 13. Ezenkívül a burgonya chips energiatartalmát főleg (94%) a zsír- és szénhidráttartalom határozza meg. Ezért feltételezhető, hogy az energiatartalom a hedonikus hiperphágia hajtóereje a burgonya chips esetében. Következésképpen viselkedési preferencia teszteket hajtottunk végre a különböző zsír/szénhidrát tartalmú élelmiszerek bevitelének vizsgálatára, és mágneses rezonancia képalkotás (MRI) méréseket végeztünk a patkányok által kiváltott teljes agyi aktivitás modulációjának vizsgálatára.

Eredmények és vita

A preferenciális vizsgálatokhoz porított standard chow-t (STD) adtak minden egyes tesztelembe (1: 1), hogy kizárják az érzékszervi tulajdonságok hatását (1a. Ábra) 13. Korábban kimutatták, hogy a teszt epizódok sorrendje és időtartama nem befolyásolta az eredményt 13. Eleinte a relatív bevitel a növekvő zsír- és ennélfogva az energiatartalom növekedésével nőtt, a teszt élelmiszerek maximális értéke 35% zsír- és 45% szénhidrát-összetétel mellett volt. A magasabb zsírtartalom azonban csökkent táplálékfelvételt eredményezett (1a. Ábra). Mivel a zsírnak nagyobb az energiasűrűsége, mint a szénhidrátoknak, ezek a megállapítások azt mutatják, hogy az energiatartalom nem az egyedüli meghatározó a táplálékbevitel szempontjából a nélkülözhetetlen patkányokban. Figyelemre méltó, hogy a legvonzóbb tesztételek átlagos zsír/szénhidrát aránya majdnem pontosan megfelelt a burgonya chips összetételének (1a. Ábra). Meg kell még vizsgálni, hogy a fenti következtetés kiterjeszthető-e más hasonló zsír/szénhidrát arányú élelmiszer-ipari termékekre, például csokoládéra vagy más snackre.

a) Különböző zsír/szénhidrát arányú teszt élelmiszerek aktivitása további táplálékbevitel előidézésére a rövid távú tesztételek bemutatása során (10 perc) két választási lehetőséggel rendelkező tesztekben.

(a) Jelentősen eltérő módon aktivált agyterületek (35% zsír/65% szénhidrát (FCH) és standard chow (STD) és burgonya chips) és STD 3 keveréke) egy voxel-alapú morfometrikus elemzéssel, amelyet a átlagos patkány agyfelszín.

Az élelmiszercsoport zsír/szénhidrát (FCH, bal oldali oszlop) átlagos adatait összehasonlítjuk az agyi aktivitás mintázatának burgonya chips által azonos körülmények között bekövetkezett változásaival (áttekintve: Hoch et al. 2013 3, jobb oldali oszlop). (b) Az axiális és a sagittális nézetben megjelenített, jelentősen eltérően aktivált agyterületek 3D eloszlása (35% zsír/65% szénhidrát teszt étel FCH vs. STD, bal oszlop és burgonya chips, STD, jobb oszlop, áttekintve Hoch-tól et al. 2013 3). A kék gömbök az agyi területeket szimbolizálják, az alacsonyabb, a vörös gömbök agyi régiói nagyobb aktivitással rendelkeznek az adott vizsgálati élelmiszer FCH vagy burgonya chips 3 bevétele után, mindegyik az STD-hez képest. A gömbök mérete a szignifikancia szinteket szimbolizálja (kicsi: p ≤ 0,05, közepes: p ≤ 0,01, nagy: p ≤ 0,001, n = 16).

A funkcionális csoportokhoz rendelt agyi régiók (a) „jutalom és függőség”, (b) „táplálékfelvétel”, (c) „alvás” és (d) „mozgásszervi aktivitás” a patkány agy sematikus szagittális képén, jelentősen eltérő (3. o., második oszlop).

Hasonló következtetéseket lehet levonni az élelmiszer-bevitelhez kapcsolódó agyi áramkörök elemzéséből. Például a dorsomedialis hypothalamus, a septum, valamint a paraventricularis thalamus mag, amely az FCH és a burgonya chips bevitele során aktiválódott, összekapcsolható a táplálékbevitel ellenőrzésével 21,22. De ismételten: az FCH nem tudta módosítani a jóllakottsági áramkörök más struktúráit, amelyeket burgonyaszirmok inaktiváltak, például az íves hipotalamusz magot vagy a magányos traktust. Ezenkívül az aktiváció intenzitása alacsonyabb volt az FCH-nál, mint a burgonya chipsnél, amit például a paraventrikuláris thalamus mag elülső részének 2,3-szor lényegesen magasabb aktiválása tükrözött (3b. Ábra). Ezek az adatok arra utalnak, hogy az FCH eltérően modulálja az élelmiszer-bevitelhez kapcsolódó agyi struktúrákat, mint az STD, ezt a hatást tükrözheti az FCH-n keresztüli nagyobb energiafogyasztás (1b. Ábra).

Az FCH bevitele az alváshoz kapcsolódó agyi struktúrák erős deaktiválódásához is vezetett. Néhány agyi területet csak az FCH deaktivált, például a zona incerta (3c. Ábra), míg más területeket csak a burgonya chips, például a tegmentális magok deaktiváltak. Bár nyolc alvással kapcsolatos struktúrát modulált az FCH, tizenegyet pedig burgonya chips, mindkét vizsgálati élelmiszer hatása hasonló tartományban van. Mivel ez az eredmény nem volt várható, az alvás időtartamát ebben a tanulmányban nem mérték meg, így nem világos, hogy az alvási áramkörök FCH által indukált modulációja korrelál-e az alvási viselkedés modulációjával.

A mozgásszervi aktivitásért és általában a mozgásért felelős agyi régiókat nem befolyásolta szignifikánsan az FCH bevitele az STD-vel összehasonlítva (3d. Ábra, első oszlop). Ez egybevág azzal a viselkedési megfigyeléssel, hogy az FCH csak kissé, de nem szignifikánsan magasabb táplálékhoz kapcsolódó mozgásszervi aktivitást váltott ki az STD-hez képest (1b. Ábra). Ezzel szemben kimutatták, hogy a motorrendszer struktúráinak aktiválása a patkányok agyában a burgonya chipshez való hozzáféréssel együtt emelkedett táplálkozással kapcsolatos mozgásszervi aktivitással 3 .

A mai napig nem világos, hogy a burgonyaforgács melyik molekulakomponensei felelősek ennek a tesztételnek az erősebb agyi modulációs hatásaiért. Mivel sózott, de nem ízesített terméket alkalmaztak ízfokozó hozzáadás nélkül, a zsír és a szénhidrát fő összetevőin kívül só, aroma és kisebb mennyiségű fehérje volt jelen. Figyelembe kell venni továbbá a feldolgozás során bekövetkező molekuláris változásokat. Korábban kimutatták, hogy a só íze Fos-expressziót váltott ki a sótól mentes patkányok magjában. A só bevitele nem kimerült állatokban ezzel ellentétben nem vezetett a jutalmazási rendszer ezen szerkezetének aktiválódásához 26. Sőt, arról számoltak be, hogy a szilárd táplálékban a só bevitele inkább averzív hatást váltott ki patkányokban 27. Ezért nem tűnik valószínűnek, hogy a só a kísérletekben az agy jutalmazási rendszerének fő modulátora volt. A korábban bevezetett kétválasztásos preferencia-teszt szolgálhat a burgonya chips egyéb összetevőinek az élelmiszer-bevitelre gyakorolt hatásának további vizsgálatához.

Viselkedési adataink alapján arra a következtetésre jutunk, hogy a zsír és a szénhidrát aránya, de nem az abszolút energiasűrűség, a fő meghatározója a snackek ízének és bevitelének a rövid távú, kétválasztásos preferenciális vizsgálatok során patkányokon. Ezenkívül az FCH keverék bevitele, amely majdnem izokalorikus a burgonya chipshez, indukálta a maximális energiafogyasztást az ad libitum táplált patkányokban, ami a jutalomhoz, az étkezéshez és az alváshoz kapcsolódó agyi struktúrák jelentősen eltérő aktiválódásával járt. A burgonyaforgács azonos körülmények között történő bevitele sokkal nagyobb számú, eltérő módon aktivált agyi struktúrát eredményezett ezekben az áramkörökben, és egyértelműen magasabb frakcionális változáshoz vezetett az STD-hez képest. Így a képalkotó megközelítésből arra lehet következtetni, hogy az energia sűrűsége önmagában csak mérsékelten meghatározó tényező a snack elnyerő tulajdonságaiban. Bár a burgonya chips zsír- és szénhidrát-aránya nagyon vonzónak tűnik, feltételezhető, hogy ebben a snackben más molekuláris determinánsok is léteznek, amelyek még erősebben modulálják az agyi áramkörök, különösen a jutalmazási rendszer aktivitását, és megnövekedett ételhez vezetnek kereső viselkedés.

Mód

Etikai nyilatkozat

Ezt a vizsgálatot szigorúan az Országos Egészségügyi Intézet laboratóriumi állatok gondozására és felhasználására vonatkozó útmutatójának ajánlásaival összhangban végezték el. A protokollt a Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg állatkísérlet-etikai bizottsága hagyta jóvá (Regierung Mittelfranken, engedély száma: 54-2532.1-28/12).

Elsőbbségi teszt

Az adott tesztéleségtől függő energiafogyasztást kiszámítottuk a teszteledel bevitt mennyiségének és annak megfelelő energiatartalmának szorzatával. Egy vizsgált élelmiszer relatív hozzájárulását a bevitt teszteledel és a referenciaösszeg összegéhez úgy számítottuk ki, hogy az adott vizsgálati élelmiszer mennyiségét elosztottuk a teszt élelmiszer teljes bevitelével és a referenciaértékkel.

Az energiafogyasztás és az etetéssel kapcsolatos mozgásszervi aktivitás viselkedési adatainak rögzítése

A viselkedési adatokat a korábban leírt módon rögzítettük 3. Röviden: a vizsgálati táplálékfelvételt napi szinten mértük, és az energiafogyasztást kiszámítottuk a bevitt tesztélelmiszer tömegének a megfelelő energiatartalommal való szorzásával. Az etetéssel kapcsolatos mozgásszervi aktivitást webkamerás képeken keresztül számszerűsítettük, amelyeket 10 másodpercenként készítettek a ketrec tetejéről. Az egyik szám meghatározása szerint „egy patkány mozgásszervi aktivitást mutat egy élelmiszer-adagoló közelében”. A statisztikai értékeléshez a Student-féle t-teszteket (kétfarkú) ketrecenként (n = 4 ketrec, összesen 16 patkány) átlagosan (energiafogyasztással vagy táplálkozással kapcsolatos mozgásszervi aktivitással) végeztük 7 nap alatt (TP vagy MnP). mindegyik csoport).

A teljes agyi aktivitás mintájának rögzítése a MEMRI segítségével

A 12/12 órás sötét/világos ciklusban tartott hím Wistar patkányokat (kezdeti súlya 261 ± 19 g, Charles River, Sulzfeld, Németország) vásároltuk véletlenszerűen két csoportra. Mindkét csoport ad libitum hozzáféréssel rendelkezett standard chow pelletekhez (Altromin 1324, Altromin, Lage, Németország) a vizsgálat teljes ideje alatt.

Az egyik csoport (n = 16, kezdeti testtömeg 256 ± 21 g) porított STD-t (Altromin 1321), a másik csoport (n = 16, kezdeti testtömeg 266 ± 16 g) 35% F (napraforgóolaj, helyi szupermarketből vásárolt) és 65% CH (maltodextrin, dextrin 15 kukoricakeményítőből, Fluka, Taufkirchen, Németország) a szokásos chow-pelletek mellett. A jelen vizsgálatot párhuzamosan végeztük a burgonya chipsről szóló, korábban közzétett vizsgálattal 3, hogy ugyanazt a kontrollcsoportot lehessen használni, lehetővé téve az adatkészletek maximális összehasonlíthatóságát.

további információ

Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Hoch, T. et al. A zsír/szénhidrát arány, de az energiasűrűség nem, meghatározza az ételek fogyasztását és aktiválja az agy jutalomterületeit. Sci. ismétlés. 5., 10041; doi: 10.1038/srep10041 (2015).

Hivatkozások

La Fleur, S. E., Luijendijk, M. C. M., van der Zwaal, E. M., Brans, M. A. D. & Adan, R. A. H. A nassoló patkány mint az emberi elhízás modellje: A szabadon választott, magas zsírtartalmú, magas cukortartalmú étrend hatása az étkezési mintákra. Int. J. Obes. 38, 643–649 (2014).

Berthoud, H.-R. A táplálékfelvétel és az energiamérleg szabályozásában részt vevő homeosztatikus és nem homeosztatikus utak. Elhízottság. 14 S8, 197S – 200S (2006).

Volkow, N. D. & Wise, R. A. Hogyan segíthet a kábítószer-függőség az elhízás megértésében? Nat. Neurosci. 8, 555–560 (2005).

Berthoud, H.-R. Anyagcsere és hedonikus hajtóerő az étvágy idegi kontrolljában: ki a főnök? Curr. Opin. Neurobiol. 21, 888–896 (2011).

Gearhardt, A. N., Grilo, C. M., DiLeone, R. J., Brownell, K. D. & Potenza, M. N. Lehet, hogy az étel addiktív? Közegészségügyi és politikai következmények. Függőség. 106., 1208–1212 (2011).

Hebebrand, J. és mtsai. Az „étkezési függőség” az „ételfüggőség” helyett jobban megragadja az addiktív szerű étkezési magatartást. Neurosci. Biobehav. Rev. 47, 295–306 (2014).

Epstein, D. H. és Shaham, Y. Sajttortát fogyasztó patkányok és az ételfüggőség kérdése. Nat. Neurosci. 13., 529–531 (2010).

DiLeone, R. J., Taylor, J. R. & Picciotto, M. R. Az étkezési hajlandóság: összehasonlítások és megkülönböztetések az ételjutalom és a kábítószer-függőség mechanizmusai között. Nat. Neurosci. 15, 1330–1335 (2012).

Kenny, P. J. Gyakori sejtes és molekuláris mechanizmusok az elhízásban és a kábítószer-függőségben. Nat. Neurosci tiszteletes. 12, 638–651 (2011).

Rolls, B. J. & Bell, E. A. Zsír és szénhidrát bevitele: az energiasűrűség szerepe. Eur. J. Clin. Nutr. 53 (1. kiegészítés), S166–173 (1999).

Shafat, A., Murray, B. & Rumsey, D. A cafeteria étrendben az energia sűrűsége hiperfágiát váltott ki patkányban. Étvágy. 52, 34–38 (2009).

Lin, Y. J. és Koretsky, A. P. A mangánion fokozza a T1-súlyozott MRI-t az agy aktiválása során: megközelítés az agy működésének közvetlen leképezéséhez. Magn. Reson. Med. 38, 378–388 (1997).

Koretsky, A. P. & Silva, A. C. Mangánnal fokozott mágneses rezonancia képalkotás (MEMRI). NMR Biomed. 17, 527–531 (2004).

Berridge, K. C. Az agy örömei. Brain Cogn. 52, 106–128 (2003).

Haber, S. N. & Knutson, B. A jutalomkör: a főemlősök anatómiájának és az emberi képalkotás összekapcsolása. Neuropsychopharmacology 35, 4–26 (2010).

Epping-Jordan, M. P., Markou, A. & Koob, G. F. Az SCH 23390 dopamin D-1 receptor antagonista, amelyet a stria terminalis dorsolaterális ágyamjába injektáltak, csökkentette a kokain megerősítését patkányban. Brain Res. 784, 105–115 (1998).

Martin-Fardon, R., Ciccocioppo, R., Aujla, H. & Weiss, F. A dorzális subiculum közvetíti a kokainkeresés feltételes visszaállításának megszerzését. Neuropszichofarmakológia. 33, 1827–1834 (2008).

Bellinger, L. L. & Bernardis, L. L. A dorsomedialis hipotalamusz mag és szerepe a befogadó magatartásban és a testsúly szabályozásában: a léziós vizsgálatok tanulságai. Physiol. Viselkedés 76, 431–442 (2002).

Stratford, T. R. és Wirtshafter, D. A muszimol injekciói a paraventricularis thalamus magba, a mediodorsalis thalamus magokba azonban nem, patkányokban történő táplálást indukálnak. Brain Res. 1490, 128–133 (2013).

Harrold, J. A., Dovey, T. M., Blundell, J. E. és Halford, J. C. G. CNS étvágyszabályozás. Neuropharmacology 63, 3–17 (2012).

Berthoud, H.-R. Az étvágy idegi kontrollja: keresztbeszélgetés a homeosztatikus és a nem homeosztatikus rendszerek között. Étvágy. 43, 315–317 (2004).

Berridge, K. C. Élelmiszerjutalom: A vágyakozás és tetszés agyi szubsztrátjai. Neurosci. Biobehav. Rev. 20, 1–25 (1996).

Voorhies, A. C. & Bernstein, I. L. A só étvágyának kiváltása és kifejezése: hatások a Fos expressziójára a nucleus accumbens-ben. Viselkedés Brain Res. 172, 90–96 (2006).

Beauchamp, G. K. & Bertino, M. Patkányok (Rattus norvegicus) nem kedvelik a sózott szilárd ételeket. J. Comp. Psychol. 99, 240–247 (1985).

Eschenko, O. és mtsai. A funkcionális agyi aktivitás feltérképezése szabadon viselkedő patkányokban önkéntes futás közben, mangánnal fokozott MRI segítségével: implikáció longitudinális vizsgálatokhoz. Neuroimage 49, 2544–2555 (2010).

Denbleyker, M., Nicklous, D. M., Wagner, P. J., Ward, H. G. & Simansky, K. J. A mu-opioid receptorok aktiválása az oldalsó parabrachialis magban növeli a c-Fos expressziót az előagyi területeken, amelyek a kalóriaszabályozással, jutalommal és megismeréssel társulnak. Neuroscience 162, 224–233 (2009).

Hernandez, L. & Hoebel, B. G. Az ételjutalom és a kokain mikrodialízissel mérve növeli az extracelluláris dopamint a nucleus accumbens-ben. Life Sci. 42, 1705–1712 (1988).

Zahm, D. S. és mtsai. Fos a kokain és a sóoldat egyszeri és ismételt önadagolása után patkányban: hangsúly a bazális előagyra és az expresszió újrakalibrálására. Neuropsychopharmacology 35, 445–463 (2010).

Oliveira, L. A., Gentil, C. G. és Covian, M. R. A septum területének szerepe a patkány laterális hipotalamuszának elektromos stimulációjával kiváltott táplálkozási magatartásban. Braz. J. Med. Biol. Res. 23, 49–58 (1990).

Chase, M. H. A konszenzus megerősítése arról, hogy a glicerinerg posztszinaptikus gátlás felelős a REM alvás atóniájáért. Alvás. 31, 1487–1491 (2008).

Trepel, M. Neuroanatomie. Struktur und Funktion 3. kiadás Urban & Fischer, München, 2003).

Miller, A. M., Miller, R. B., Obermeyer, W. H., Behan, M. & Benca, R. M. Az pretectum a szemmozgás gyors alvásszabályozását közvetíti a fény által. Viselkedés Neurosci. 113, 755–765 (1999).

Léger, L. és mtsai. Patkányban ébrenlét és paradox alvás közben expresszáló dopaminerg neuronok. J. Chem. Neuroanat. 39, 262–271 (2010).

Köszönetnyilvánítás

A tanulmány a Neurotrition projekt része, amelyet a FAU Emerging Fields Initiative támogat. Továbbá köszönetet mondunk Christine Meissner-nek a kézirat lektorálásáért.

Szerzői információk

Hovatartozások

Élelmiszerkémiai egység, Kémiai és Gyógyszerészeti Tanszék, Emil Fischer Központ, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Németország

Tobias Hoch és Monika Pischetsrieder

Kísérleti és Klinikai Farmakológiai és Toxikológiai Intézet, Emil Fischer Központ, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Németország

Silke Kreitz és Andreas Hess

Mintafelismerő laboratórium, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Németország

Fejlett Optikai Technológiák Iskolája (SAOT), Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Németország

A PubMed Google Scholar alkalmazásban is kereshet erre a szerzőre

Hozzájárulások

A kísérletek megtervezése és megtervezése: T.H. M.P. A.H. Végezte a kísérleteket: T.H. A.H. Elemezte az adatokat: T.H. S.K. S.G. A.H. értelmezte az adatokat T.H. M.P. Hozzájáruló reagensek/anyagok/elemző eszközök: A.H. M.P. Írta a dolgozatot: T.H. M.P. A.H.

Etikai nyilatkozatok

Versenyző érdekek

A szerzők kijelentik, hogy nincsenek versengő pénzügyi érdekeik.