A MAGAS ENERGIAÉPÍTÉS HATÁSAINAK ELŐREJELZÉSE A ZSÍROS MÁJRA ÉS A HIPPOKAMPÁLTÓL FÜGGŐ EMLÉKRE FÉRFI Patkányokban

J. N. Darling

1 Idegtudományi Intézet, Georgia State University, Atlanta, GA

A. P. Ross

1 Idegtudományi Intézet, Georgia State University, Atlanta, GA

T. J. Bartness

1 Idegtudományi Intézet, Georgia State University, Atlanta, GA

2 Biológiai Tanszék, Georgia State University, Atlanta, GA

M. B. Szülő

1 Idegtudományi Intézet, Georgia State University, Atlanta, GA

Absztrakt

Célkitűzés

Rágcsálóknál a táplálékigényt meghaladó étrendek (azaz nagy energiájú étrendek; HED) rontják a hippokampus-függő memóriát. Kutatásunk szerint a hatások valószínűleg a máj lipidjeinek HED által indukált növekedését vonják maguk után. Ebben a kísérletben patkányoknak választottunk étrendet, és megvizsgáltuk, hogy a HED önkéntes fogyasztása rontja-e a térbeli memóriát, megjósolják-e a kezdeti súlygyarapodás különbségei a memóriahiányt, és hogy a máj lipidjeinek növekedése összefügg-e a memória hiányával.

Tervezés és módszerek

Felnőtt hím Sprague-Dawley patkányoknak kontroll étrendet vagy cafeteria-stílusú HED-t kaptak 8 hétig. Az étrend első 5 napjának súlygyarapodását használtuk fel a patkányok HED-Lean és HED-elhízott csoportokra osztására. 8 héttel később teszteltük a térbeli vízlabirintus memóriáját, és a postmortem máj lipidkoncentrációit meghatároztuk.

Eredmények

A HED-Lean és a kontroll patkányokkal összehasonlítva a HED-elhízott patkányok térbeli memóriája romlott, és megfeleltek az alkoholmentes zsíros májbetegség humán diagnosztikai kritériumának (a máj súlyához viszonyítva a máj lipidjei> 5%). Sőt, a máj lipidjei korreláltak a memóriahiánnyal.

Következtetések

Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a HED önkéntes fogyasztása rontja a memóriát, hogy a kezdeti súlygyarapodás megjósolja a zsírmáj és a memóriahiányt, és hogy a zsírmáj hozzájárulhat az elhízás memóriazavaros hatásaihoz.

Bevezetés

Az elhízás prevalenciája riasztóan növekedett az elmúlt évtizedekben. Jelenleg az Egyesült Államokban a felnőtt lakosság több mint 60% -a túlsúlyos vagy elhízott (1), és a magas zsírtartalmú és magas cukortartalmú ételek túlfogyasztása a járvány fő tényezője. A bizonyítékok arra utalnak, hogy a nagy energiájú ételek túlzott fogyasztása negatívan befolyásolja az agy működését. Például az embereknél az elhízás a megismerés károsodásával jár (2, 3). Rágcsálóknál a nagy energiájú étrend (HED) fogyasztása rontja a hippokampus-függő tanulást és memóriát (4–7).

Nemrégiben kimutattuk, hogy a pelletált 60% -os fruktóz-diéta fogyasztásának memória-károsító hatása a máj lipidszintjének emelkedésével jár (7). A túlsúlyos és elhízott emberek körülbelül 70% -a megfelel az alkoholmentes zsírmájbetegség diagnosztikai kritériumainak (NAFLD, 8). A NAFLD a májbetegség leggyakoribb formája, és a normális népesség 15–30% -ában fordul elő (9). A máj lipidkoncentrációjának növekedése patkányokban olyan metabolikus diszfunkciókat okoz, mint az inzulinrezisztencia (10), az oxidatív stressz (11) és a lipid homeosztázis változásai (12). Számos bizonyíték azt sugallja, hogy az emelkedett plazma lipidszint (4, 13) és az inzulinrezisztencia (5, 14) hozzájárul a HED-ek és az elhízás memóriazavaros hatásaihoz. Így a zsírmáj által kiváltott anyagcserezavarok hozzájárulhatnak a hippocampus-függő memóriahiányok kialakulásához.

A HED memóriára gyakorolt hatásainak vizsgálatát vizsgáló korábbi tanulmányok korlátozása az, hogy az étrendek egyetlen pelletben tartalmazzák a zsírt és/vagy cukrokat, és táplálkozási alternatívákat nem nyújtottak be (pl. 4). Ezért a rágcsáló helyett a kutató határozta meg az elfogyasztott kalóriák makroelem-összetételét. Következésképpen ezen étrendek fiziológiai relevanciája az emberi önkéntes táplálékfelvétel szempontjából kérdéses. Megalapozott, hogy a rágcsálók változó választ mutatnak a magas energiájú étrendre, így csak a magas energiájú étrendet fogyasztó patkányok egy része fog elhízni (15–20). Ennek eredményeként feltételeztük, hogy a HED önkéntes fogyasztása rontja a memóriát csak azoknál a patkányoknál, amelyek elhíznak. Ennek tesztelésére tercilis hasítást alkalmaztunk a patkányok elosztására a testtömeg százalékos változása alapján az első 5 nap során a választott étrenden. Ezt a felosztást korábbi megállapítások alapján hajtották végre, amelyek azt mutatták, hogy a választott diéta után 5 nap elteltével a felső tertilis patkányok 4–6 hét múlva elhíznak; az alsó tertilisban lévők nem fognak (15). Ez azt is lehetővé tenné számunkra, hogy megjósolhassunk-e valamilyen memóriahiányt.

A fent áttekintett bizonyítékok alapján teszteltük: 1) vajon a HED önkéntes fogyasztása rontja-e a hippocampus-függő memóriát, 2) hogy az étrendre adott súlygyarapodási válaszok egyéni különbségei előre jelzik-e a memóriahiányt, és 3) összefügg-e a megemelkedett máj lipidkoncentráció memóriahiánnyal. Ehhez a felnőtt hím patkányokat standard laboratóriumi étrenden tartották, vagy HED-re helyezték szacharóz, zsír, standard chow és csapvíz választásával (21). 8 hét elteltével a hippokampustól függő tanulást és memóriát tesztelték a térbeli vízlabirintusban. A postmortem zsírpárna tömegét és a máj lipid koncentrációit meghatároztuk.

Módszerek és eljárások

Állatok

Kilencvenhét felnőtt hím Sprague Dawley patkány (Charles River, Wilmington, MA), érkezésükkor 52–53 napos volt, és 7 napig akklimatizálták őket a létesítménybe. A patkányokat egyenként OptiRat ® szellőző ketrecekben helyezték el, fém padlóbetétekkel (Animal Care Systems, Centennial, CO). Minden eljárás összhangban volt a Georgia Állami Egyetem Intézményi Állattenyésztési és Felhasználási Bizottságának és a PHS politikájával.

Fogyókúrák

A patkányokat az érkezés napján és 7 nappal később lemértük. Ezután illesztették őket a testtömeg és az abszolút testtömeg százalékos változásához, és vagy a kontroll étrendre, vagy a HED-re helyezték őket. A HED-csoport (n = 71) Purina 5001 rágcsáló-chow-t (3,01 kcal/g; Grey Summit, MO) kapott egy zsírsavat (9,0 kcal/g; Armor; Omaha, NE) tartalmazó üveg petri csészében, egy üveg csapvízzel és egy palack 32% -os szacharóz-oldatot (3,75 kcal/g szacharóz) tartalmaz ad libitum (21). A kontroll csoportot (n = 26) Purina 5001 rágcsáló chow-val, két üveg csapvízzel láttuk el szabadon, és egy üres Petri-csészét tettünk a ketrecbe. A testtömeget és a chow-, sertészsír-, csapvíz- és szacharóz-bevételt rendszeres időközönként mértük. A chow bevitelét korrigálták a kiömlés szempontjából. A vizsgálat teljes időtartama alatt minden második nap friss sertészsírt, 3 óránként pedig friss chow-t és vizet adtak.

Farok vérvétel

Az in vivo plazma TG-koncentrációk számszerűsítése érdekében a diéta megkezdése előtt egy nappal, majd 49 nappal azután farokvért gyűjtöttünk. A 49 napos időpontot, amely egy héttel a viselkedési tréning előtt történt, úgy választottuk meg, hogy időben közel legyen a viselkedési tréninghez, anélkül hogy lehetővé tenné, hogy a manipuláció stresszessége befolyásolja a viselkedést. A patkányokat mindkét vérgyűjtést megelőző 2 napon át úgy kezeltük, hogy összehajtott törülközőbe helyeztük őket, és 2 percig simogattuk a kitett farokot. A vér összegyűjtése érdekében a patkányokat a törülközőbe helyezték, a farok fenekét betadinnal megtisztították, és egy kis bemetszést végeztek a hegytől körülbelül 15 mm-re. A farokot finoman megsimogattuk, és a vért heparinnal kezelt csövekbe gyűjtöttük (StatSampler, Westwood, MA), és jégre helyeztük. A mintákat ezután centrifugáltuk, és későbbi elemzés céljából -80 ° C-on tároltuk.

Téri Vízlabirintus

A medence fölé szerelt kamera rögzítette a viselkedést későbbi elemzés céljából. Az egyes próbák platformjának eléréséhez szükséges késést használtuk a megszerzés mérésére. A célnégyzetben eltöltött időt, a célnégyzet késleltetését, a peron helyének késleltetését, az előző platform helyének átlagos közelségét és a 20 mp-os próbateszt útvonalának hosszát használtuk memória mérőként. Ezen felül az úszási sebességet is mértük.

A halál utáni intézkedések

Negyvennyolc órával a memóriapróba után a patkányokat 4 órán át éheztettük, majd a lefejezés előtt altattuk (5% izoflurán; 95% oxigén). Törzsvért gyűjtöttünk a terminális plazma TG-koncentrációk mérésére. A májat eltávolították és gyorsan lefagyasztották a máj lipidjeinek későbbi mérésére. Az elhízás igazolására fehér zsírszövet-raktárakat [epididymal (EWAT), inguinalis (IWAT), retroperitonealis és perirenal (RWAT)] gyűjtöttünk és lemértünk. A plazma TG-koncentrációkat egy kereskedelemben kapható kolorimetriás készlet segítségével mértük (Sigma, St. Louis, MO). A vizsgálatot a gyártó ajánlásai szerint végezték. A máj lipidjeit Folch módszerrel extraháltuk (23).

Adatelemzés

Annak a hipotézisnek a tesztelésére, hogy a HED önkéntes fogyasztása csak az elhízott patkányokban rontja a memóriát, és annak eldöntésére, hogy előre lehet-e állítani valamilyen memóriahiányt, tertilis hasítást alkalmaztunk a HED patkányok elosztására a testtömeg százalékos változása alapján. az első 5 nap a diétán. Az alsó tertilisben lévő patkányokat (vagyis azokat, amelyek testtömegének változása a legkevesebb százalékos) HED-Lean-nak definiáltuk (n = 18). A felső tertilisben lévő patkányokat (vagyis azokat, amelyeknél a testtömeg százalékos változása volt a legnagyobb) HED-elhízottnak jelölték (n = 17). A középső tertilitásból 35 patkányt eltávolítottunk a vizsgálatból, és kizártuk a további elemzésből.

A területi vízi labirintus adatait a viselkedési kiugró értékek elemzéséhez elemeztük az egyes csoportok z-pontszámainak kiszámításával, és kizártuk azokat a patkányokat, amelyeknél két vagy több viselkedési intézkedésnél a z-pontszám nagyobb volt, mint 2. Ennek eredményeként négy kontrollt, egy HED-Lean és két HED-elhízott patkányt eltávolítottunk a következő elemzésekből. Ezenkívül 2 HED-Lean patkányt kizártunk, mivel a szonda felvételeit nem lehetett elemezni. Végül egy HED-elhízott patkányt eltávolítottak minden elemzésből agyi rendellenességek (azaz megnagyobbodott kamrák, látszólagos hippocampus hiánya és fejletlen kéreg) miatt. Így a patkányok végső száma minden csoportban kontroll n = 22, HED-Lean = 15 és HED-elhízott = 15 volt.

A különböző szubindexekkel kapcsolatos adatok szignifikáns különbséget mutatnak p 1. táblázat] és a chow kalóriabevitelét illetően [F (2, 49) = 223.413, p 1. táblázat], a HED-Lean és a HED-elhízott csoportok lényegesen több összes kalóriát fogyasztanak naponta, de kevesebb kalória a chow-ból, mint a kontroll patkányokból (mindegyik p 1. táblázat], de lényegesen több kalória szacharózból [t (28) = 2,5900, p 1. táblázat], de több az összes kalória, mint a kontrollokban [F (2, 49) = 136,085, p 0,05]. A 8 hetes étrend utáni súlygyarapodás az első 5 nap során nem volt teljesen párhuzamos a súlygyarapodással (p 1. táblázat) A HED-elhízott patkányok testtömeg-változása továbbra is magasabb volt, mint a kontroll és a HED-Lean patkányoké F (2,37) = 21,268, p. 1. ábra]. A HED-elhízott patkányok IWAT-tömege nagyobb volt, mint a kontrolloké, és szignifikánsan magasabb EWAT- és RWAT-tömeg volt mind a kontroll, mind a HED-Lean csoportokhoz képest (mindegyik p 2. ábra), oly módon, hogy a platform elérésének késleltetése minden csoportban jelentősen csökkent a kísérletek során.

Átlagos (+/−) SEM várakozási idő a menekülési platform eléréséhez 3 napos vízi labirintus edzés során. A diéta nem gyakorolt jelentős hatást a megszerzésre.

Ezzel szemben a 48 órával későbbi próbateszten a HED szignifikánsan befolyásolta a cél kvadráns látenciáját, a cél kvadránsban töltött idő [F (2,49) = 3,811, p 2 (2, N = 33) = 8,122, p 2 (2, N = 33) = 7,739, p 3A – D ábra]. Pontosabban, összehasonlítva a kontroll és a HED-Lean patkányokkal, a HED-elhízott patkányoknál lényegesen hosszabb időre volt szükség ahhoz, hogy elérjék a peron helyét [U = 19,00, p. 3E. Ábra], és a post-hoc elemzésből kiderült, hogy a HED-elhízott csoport lényegesen messzebbre úszott távol a peron helyétől a 20 másodperces teszt során, mint a kontrollcsoport (p. 3F ábra).

Átlagos (+/−) SEM A) máj lipidkoncentráció, B) plazma TG koncentráció 1 nappal a kontroll vagy a HED fogyasztása előtt és 49 nappal, és C) a terminális plazma TG koncentráció 8 hét után (* p 4B ábra) 49 napos étrend után mind a HED-Lean, mind a HED-elhízott csoportoknál szignifikánsan magasabb volt a plazma TG-koncentrációja, mint a kontroll csoportnál (mindkettő 4C. Ábra), így a TG-koncentráció mind a HED-Lean, mind a HED- Az elhízott csoportok szignifikánsan emelkedtek a kontroll csoporthoz képest (mindkettő p 2. táblázat). Pontosabban, az első 5 nap és a 8 hét alatt az összes kalóriabevitel pozitívan korrelált a késleltetéssel a cél kvadráns eléréséhez, a platform közelségéhez és a platform latenciájához A disznózsír bevitele az első 5 napban és a 8 hét alatt pozitívan korrelált a pályahosszal (mindkét p 2. táblázat).

2. táblázat

Pearson r összefüggés az első 5 nap és a 8 hét kalória-bevitele és a többszörös memória mértéke között a térbeli labirintusban.

Idő a cél quadrantLatency to target quadrantProximityPathlengthLatency a platform helyére

Zsírbevitel (kcal)
Az első 5 napban	n.s.	n.s.	n.s.	r (19) = 468 p = 0,043	n.s.
8 hétig	n.s.	n.s.	n.s.	r (19) = 470 p = 0,040	n.s.
Cukorbevitel (kcal)
Az első 5 napban	n.s.	n.s.	n.s.	n.s.	n.s.
8 hétig	n.s.	n.s.	n.s.	n.s.	n.s.
Teljes bevitel (kcal)
Az első 5 napban	r (52) = −.303 p = 0,029	n.s.	r (52) =. 294 p = 0,035	r (33) = 511 p = 0,002	r (33) = 490 p = 0,004
8 hétig	r (52) = −.307 p = 0,027	n.s.	r (52) =. 294 p = 0,034	r (33) = 565 p = 0,001	r (33) = 519 p = 0,001

A nem szignifikáns összefüggéseket n.s jelzéssel látjuk el.

A máj lipidjeinek emelkedése szignifikánsan korrelált a memóriahiánnyal (5A – D. Ábra). A májlipidek százaléka pozitívan korrelált a késleltetéssel a célnegyed eléréséhez [r (40) =, 353, p x ̄ = 4,05 ± 0,22%; HED-Lean: x ̄ = 4,87 ± 0,43%; HED-elhízott: x ̄ = 5,90 ± 0,63%). Ez az értelmezés összhangban áll a memóriazavarok bizonyítékaival a NAFLD-ben szenvedő betegek önjelentéseiben (31). Fontos, hogy az elhízás helyett a zsírmáj is szerepet játszhat a HED-ek agyra gyakorolt negatív hatásában, mivel a magas fruktóz-tartalmú étrend zsírmájat termel (7, 32) és rontja a hippokampus-függő memóriát (4, 7), de nem okoz jelentős súlyt nyereség (7, 33).

Jelen tanulmány nem azonosította azokat a mechanizmusokat, amelyek révén a HED-ek és a zsírmáj károsítják a hippocampus-függő memóriát. A magas zsírtartalmú étrend és a zsíros máj metabolikus és endokrin diszfunkciókat vált ki, mint például a glükóz tolerancia (28), az inzulin és a leptin reakciókészségének megváltozása (10, 14, 28, 34, 35) és a hipotalamusz-hipofízis-mellékvese reakciókészsége (35). Sőt, a HED-ek és a NAFLD összefüggésbe hozhatók perifériás (36) és központi gyulladással (37) és oxidatív stresszel (38). Mindezek a változások negatívan befolyásolják a memóriát, és ezáltal közvetíthetik a zsírmáj káros hatásait a kognitív funkciókra.

Összefoglalva, a jelenlegi tanulmány azt mutatja, hogy a HED első 5 napjának súlygyarapodása 8 héttel később megjósolja a máj lipidfelhalmozódását és a hippocampus-függő memóriahiányt. Legjobb tudomásunk szerint ez az első tanulmány, amely megmutatja, hogy a HED önkéntes fogyasztása patkányok által meghatározott koncentrációban rontja a memóriát, és hogy a HED memória-károsító hatásai megjósolhatók. A jelenlegi megállapítás, miszerint a májzsír-felesleg hozzájárulhat a memóriahiányhoz, jelentős, tekintve, hogy a NAFLD a becslések szerint a lakosság 30% -ában elterjedt, és ez a májbetegség leggyakoribb formája (9). Végül a hippocampus elváltozásai növelik az étkezés mennyiségét (39, 40), ami felveti annak lehetőségét, hogy a HED által kiváltott hippocampus diszfunkció túlzott táplálkozáshoz vezethet. Ezért az a megállapításunk, hogy a HED önkéntes fogyasztása károsítja a hippocampus-függő memóriát, fontos következményekkel járhat mind a megismerés, mind az elhízás és a zsírmáj kialakulása és fenntartása szempontjából.

Köszönetnyilvánítás

Köszönetet szeretnénk mondani Richard Austin Filitornak, Courtney Giffordnak és Jenine Ampudiának a segítségükért. Ezt a munkát a Georgia State University Brain and Behavior Program magtámogatása támogatta az MBP-nek és az NIH R01 DK35254 a TJB-nek. Versenyző érdekek: a szerzőknek nincsenek versengő érdekeik.