A nők és a férfiak elhízással kapcsolatos különbségei az agy felépítésében és a célirányos magatartásban

Annette Horstmann

1 Neurológiai Tanszék, Max Planck Humán Kognitív és Agytudományi Intézet, Lipcse, Németország

2 Integrált Kutató- és Kezelőközpont Adiposity Diseases, Lipcsei Egyetem Orvosi Központ, Lipcse, Németország

Franziska P. Busse

3 Orvosi Osztály, Lipcsei Egyetemi Kórház, Lipcse, Németország

David Mathar

1 Neurológiai Tanszék, Max Planck Humán Kognitív és Agytudományi Intézet, Lipcse, Németország

2 Integrált Kutató- és Kezelőközpont Adiposity Diseases, Lipcsei Egyetem Orvosi Központ, Lipcse, Németország

Karsten Müller

1 Neurológiai Tanszék, Max Planck Humán Kognitív és Agytudományi Intézet, Lipcse, Németország

Jöran Lepsien

1 Neurológiai Tanszék, Max Planck Humán Kognitív és Agytudományi Intézet, Lipcse, Németország

Haiko Schlögl

3 Orvosi Osztály, Lipcsei Egyetemi Kórház, Lipcse, Németország

Stefan Kabisch

3 Orvosi Osztály, Lipcsei Egyetemi Kórház, Lipcse, Németország

Jürgen Kratzsch

4 Laboratóriumi Orvosi, Klinikai Kémiai és Molekuláris Diagnosztikai Intézet, Lipcsei Egyetemi Kórház, Lipcse, Németország

Jane Neumann

1 Neurológiai Tanszék, Max Planck Humán Kognitív és Agytudományi Intézet, Lipcse, Németország

2 Integrált Kutató- és Kezelőközpont Adiposity Diseases, Lipcsei Egyetem Orvosi Központ, Lipcse, Németország

Michael Stumvoll

2 Integrált Kutató- és Kezelőközpont Adiposity Diseases, Lipcsei Egyetem Orvosi Központ, Lipcse, Németország

3 Orvosi Osztály, Lipcsei Egyetemi Kórház, Lipcse, Németország

Arno Villringer

1 Neurológiai Tanszék, Max Planck Humán Kognitív és Agytudományi Intézet, Lipcse, Németország

2 Integrált Kutató- és Kezelőközpont Adiposity Diseases, Lipcsei Egyetem Orvosi Központ, Lipcse, Németország

5 Kognitív Neurológiai Klinika, Lipcsei Egyetemi Kórház, Lipcse, Németország

6 Elme és Brain Intézet, Berlini Elme és Brain Iskola, Humboldt-Egyetem, Berlin, Németország

Burkhard Pleger

1 Neurológiai Tanszék, Max Planck Humán Kognitív és Agytudományi Intézet, Lipcse, Németország

2 Integrált Kutató- és Kezelőközpont Adiposity Diseases, Lipcsei Egyetem Orvosi Központ, Lipcse, Németország

5 Kognitív Neurológiai Klinika, Lipcsei Egyetemi Kórház, Lipcse, Németország

6 Elme és Brain Intézet, Berlini Elme és Brain Iskola, Humboldt-Egyetem, Berlin, Németország

Absztrakt

Bevezetés

A testtömeg és az energiafelvétel szabályozása komplex folyamat, amely humorális, valamint központi homeosztatikus és hedonikus rendszereket foglal magában. Az e területekre kiterjedő testtömeg-szabályozás nemi alapú eltéréseiről az irodalom számol be. Az elhízás prevalenciája valamivel magasabb a nőknél (Németországban, ahol ezt a vizsgálatot elvégezték, nők 20,2%, férfiak = 17,1%, Egészségügyi Világszervezet, 2010), és a nemek közötti különbségeket a testtömeg biológiai szabályozásában írták le emésztőrendszeri hormonok (Carroll és mtsai, 2007; Beasley és mtsai, 2009; Edelsbrunner és mtsai, 2009) és az étkezéssel kapcsolatos társadalmi és környezeti tényezők, valamint az étkezési magatartás szempontjából (Rolls és mtsai, 1991; Provencher és mtsai. al., 2003).

Egy nemrégiben készült tanulmány kimutatta, hogy a nők és a férfiak elhízási kockázati tényezői alaposan különböznek annak ellenére, hogy ugyanolyan hatással vannak a testsúlyra: a férfiak esetében a magas és alacsony egészségi kockázattal rendelkező csoportok közötti különbség nagy részét az étkezési kompetencia változékonysága magyarázta (pontszám az étkezési attitűdök, az ételek elfogadása, a belső szabályozás és a kontextusbeli készségek, például az étkezés megtervezése) és az étkezés bevitelének tudatos korlátozása. A nők esetében az érzelmi jelzésekkel szembeni képtelenség ellenállni és az ellenőrizetlen étkezés magyarázta a legtöbb csoport-különbséget (Greene és mtsai, 2011).

Ezek a megfigyelések arra utalnak, hogy a nők és a férfiak alapvető különbségeket mutatnak be az élelmiszerekkel kapcsolatos információk feldolgozásában és a táplálékbevitel ellenőrzésében, amit alátámasztanak az élelmiszerre adott válaszként elkülönített idegi mechanizmusok és az ivási viselkedés ellenőrzésének mindkét nem esetében bizonyítékai (Parigi et al, 2002; Smeets és mtsai, 2006; Uher és mtsai, 2006; Wang és mtsai, 2009). Mivel azonban a férfiak és a nők egyaránt elhízhatnak, úgy tűnik, hogy ezek a módszerek sem védenek a túlsúlyos növekedéstől.

Ebben a tanulmányban az elhízás nemi vonatkozásainak két aspektusát vizsgáltuk. Először a voxel-alapú morfometriát (VBM) használva értékeltük a sovány és elhízott férfiak és nők agyi szerkezetének különbségeit. Másodszor az Iowa Szerencsejáték Feladat módosított változatának felhasználásával vizsgáltuk az étkezési magatartás kognitív kontrolljának lehetséges nemi különbségeit (Bechara et al., 1994).

Egy nemrégiben végzett funkcionális MRI-vizsgálattal a nemek közötti különbségeket tapasztaltak az ad libitum energiafogyasztásában a 6 napos eukalorikus táplálás után, valamint az étellel kapcsolatos agyi aktivációban normál testsúlyú alanyoknál (Cornier et al., 2010). Ebben a tanulmányban az aktiváció a dorsolaterális prefrontális kéregben (DLPFC) negatívan korrelált az energiafogyasztással, de a nőknél magasabb volt az aktivációs szint a férfiakhoz képest. A szerzők azt javasolták, hogy ezek a nagyobb prefrontális neurális válaszok a nőkben a végrehajtó funkcióval kapcsolatos megnövekedett kognitív feldolgozást tükrözzék, mint például az étkezési viselkedés útmutatása vagy értékelése. Elhízás esetén azonban ezeknek a szabályozási mechanizmusoknak a károsodása hozzájárulhat a túlzott energiafogyasztáshoz.

Az elhízásban az étkezési magatartás kognitív kontrolljában a nemekkel kapcsolatos lehetséges különbségek vizsgálatához az IGT módosított változatát használtuk. Ez a feladat mind az azonnali jutalom, mind a hosszú távú eredmények értékelését megköveteli, és ez tükrözi az kompromisszumot az evésből származó azonnali jutalom és a túlfogyasztás testtömegre gyakorolt hosszú távú hatása között. Feltételezve, hogy az elhízott alanyok még a hosszú távú negatív eredmények ellenére is előnyben részesítik a magas azonnali jutalmakat, vizsgálatainkat a B kártyafedélzetre összpontosítottuk. Ebben a pakliban a magas azonnali jutalom ritka, de magas büntetésekkel jár, amelyek negatív hosszú távú eredményhez vezetnek. Annak érdekében, hogy a többi paklit külön-külön szembeállítsuk a B paklival, négy alternatív kártyacsomag helyett bármikor csak kettőt mutattunk be. Az a hipotézis, hogy az elhízás differenciáltan befolyásolja a férfiak és nők viselkedése feletti kognitív kontrollt, azt vártuk, hogy mind az ivar, mind az elhízás hatásait megtaláljuk az IGT viselkedési intézkedéseiben.

A Voxel-alapú morfometria értékes eszköz az agy szürkeállományának (GM) struktúrájában mutatkozó különbségek azonosításában, nemcsak a betegségekkel, hanem a feladatok teljesítésével kapcsolatban is (Sluming et al., 2002; Horstmann et al., 2010). Ezenkívül a közelmúltban kimutatták, hogy a fehéranyag GM-sűrűsége és szerkezeti paraméterei gyorsan változnak a megváltozott viselkedés, például egy új készség elsajátításának eredményeként, más szóval megmutatják, hogy az agy plasztikus szerv (Draganski et al., 2004; Scholz és mtsai., 2009; Taubert és mtsai., 2010). Ezért a funkcionális áramkörökben a megváltozott viselkedés, például a tartós túlevés miatt bekövetkező adaptációk tükröződhetnek az agy GM struktúrájában.

Az első úttörő tanulmányok, amelyek az agy elhízásbeli struktúráját vizsgálták, elhízással kapcsolatos különbségeket mutattak ki a különböző agyi rendszerekben (Pannacciulli et al., 2006, 2007; Taki et al., 2008; Raji et al., 2010; Schäfer et al., 2010; Walther és mtsai., 2010; Stanek és mtsai., 2011) Noha nagyon éleslátóak az elhízásban különböző agyi struktúrák azonosításában, ezek a tanulmányok nem vizsgálták a nemekkel kapcsolatos lehetséges hatásokat. Egy tanulmány beszámolt mind a nem, mind az elhízás hatásáról a fehér anyag diffúziós tulajdonságaira (Mueller et al., 2011).

Megvizsgáltuk az agy szerkezetének és az elhízásnak a kapcsolatát [a testtömeg-index (BMI), valamint a leptin által mérve] a VBM segítségével mind férfiaknál, mind nőknél normális idős, egészséges mintában, nem és BMI megoszlás alapján. Tekintettel a fent említett nemi különbségekre az élelmiszerekkel kapcsolatos információk feldolgozása során, feltételeztük, hogy az agyi elhízás nemtől független összefüggései mellett nemtől függenek is.

Anyagok és metódusok

Tárgyak

122 egészséges kaukázusi alanyot vettünk fel. A hímeket és nőstényeket a BMI megoszlásának és tartományának, valamint az életkornak megfelelően hasonlítottuk össze [61 nő (premenopauzában), BMI (f) = 26,15 kg/m 2 (SD 6,64, 18–44), BMI (m) = 27,24 kg/m 2 (SD 6,13, 19–43), χ 2 = 35,66 (25), p = 0,077; életkor (f) = 25,11 év (SD 4,43, 19–41), életkor (m) = 25,46 év (SD 4,25, 20–41), χ 2 = 11,02 (17), p = 0,856; lásd a BMI és az életkor mindkét csoporton belüli megoszlását az 1. ábrán]. A felvételi kritériumok 18 és 45 év közöttiek voltak. A kizárási kritériumok a magas vérnyomás, a dyslipidaemia, a metabolikus szindróma, a depresszió (Beck-féle depressziós jegyzék, 18. határérték), a kórtörténet neuropszichiátriai betegségei, dohányzás, diabetes mellitus, az MR képalkotás és rendellenességek a T1-súlyozott MR-vizsgálatban. A tanulmányt a Helsinki Nyilatkozattal összhangban hajtották végre, és a Lipcsei Egyetem helyi etikai bizottsága jóváhagyta. Valamennyi alany írásos tájékozott beleegyezést adott, mielőtt részt vett a tanulmányban.

A testtömeg-index [kg/m 2 (A)] és az életkor [B (években)] megoszlása női és férfi résztvevők esetében.

MRI felvétel

A T1-súlyozott képeket egy teljes testű 3T TIM Trio szkenneren (Siemens, Erlangen, Németország) készítettük 12 csatornás fej-tömb tekercs segítségével MPRAGE szekvencia alkalmazásával [TI = 650 ms; TR = 1300 ms; pillanatkép FLASH, TRA = 10 ms; TE = 3,93 ms; alfa = 10 °; sávszélesség = 130 Hz/pixel (azaz összesen 67 kHz); képmátrix = 256 × 240; FOV = 256 mm × 240 mm; födémvastagság = 192 mm; 128 partíció; 95% -os szeletfelbontás; sagittalis orientáció; térbeli felbontás = 1 mm × 1 mm × 1,5 mm; 2 felvásárlás].

Képfeldolgozás

Az SPM5-öt (Wellcome Trust Center for Neuroimaging, UCL, London, Egyesült Királyság; http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) használták a T1-súlyozott kép előfeldolgozásához és statisztikai elemzéséhez. Az MR képeket a DARTEL módszerrel dolgoztuk fel (Ashburner, 2007), a MatLab 7.7 alatt futó VBM standard paramétereivel (Mathworks, Sherborn, MA, USA). Az összes elemzést torzítással korrigált, szegmentált, regisztrált (merev testtranszformáció), interpolált izotróp (1,5 mm × 1,5 mm × 1,5 mm) és simított (FWHM 8 mm) képeken végeztük. Az összes kép deformálódott a csoportspecifikus DARTEL-sablon transzformációja alapján az SPM5 által biztosított GM előzetes képpé, hogy megfeleljen a Montreali Neurológiai Intézet (MNI) standard sztereotaktikus terének. A GM szegmenseket a normalizálás által bevezetett deformációk jakobiai determinánsai modulálták (azaz skálázták), hogy figyelembe vegyék a transzformáció során fellépő helyi összenyomódást és tágulást.

statisztikai elemzések

A következő statisztikai modelleket értékelték: teljes faktorszámú tervezés, egy faktorral (nem) és két szinttel (nők és férfiak), beleértve a BMI-t is, mint kovariátust, amelynek középpontjában a faktor átlaga áll, interakció nélkül. További modellek tartalmazzák a BMI vagy a központi leptin szint és a nem közötti kölcsönhatásokat, hogy megvizsgálják ezeknek a kovariánsoknak a két csoporton belüli különbségeit. Valamennyi statisztikai modell tartalmazta a kor és a szürke- és fehérállomány térfogatának kovariátumait, figyelembe véve az életkor és az agy méretének zavaró hatásait. Az eredményeket szignifikánsnak tekintettük a p 2 voxel-küszöbértéknél (SD 6,67, 19–44), BMI (m) = 30,13 (SD 6,28, 20–43); életkor (f) = 25,33 év (SD 5,27, 19–41), életkor (m) = 25,19 év (SD 4,5, 20–41)].

Módosított iowai szerencsejáték-feladat

Résztvevők

65 egészséges résztvevőt teszteltünk a módosított Iowa Szerencsejáték Feladattal [34 nő, 15 sovány (átlagos BMI 21,9 kg/m 2 ± 2,2; átlagéletkor 24,1 év ± 2,8) és 19 elhízott (átlagos BMI 35,4 kg/m 2 ± 3,9) átlagéletkor 25,4 év ± 3,4); 31 férfi, 16 sovány (átlagos BMI 23,8 kg/m 2 ± 3,2; átlagéletkor 25,2 év ± 3,8) és 15 elhízott (átlagos BMI 33,5 kg/m 2 ± 2,4; átlagéletkor 26,7 év ± 4,0)]. Azokat az alanyokat, akiknek a BMI-je nagyobb vagy egyenlő, mint 30 kg/m 2, elhízottaknak minősítettek. A négy alcsoportot iskolai végzettségük szerint párosítottuk. Egy elhízott női alanyot kizártunk az elemzésből egy pajzsmirigy hipofunkció miatt.

kísérleti eljárás

A módosított IGT verzió és a viselkedési adatgyűjtés a 14.1-es prezentációban valósult meg (Neurobehavioral Systems Inc., Albany, Kalifornia, USA). Módosított feladatváltozatunk általános fedélzeti összetételében hasonló volt az eredeti IGT-hez (Bechara et al., 1994). Az A és B fedélzet hátrányos volt, ami hosszú távú veszteséghez vezetett, a C és D fedélzet pedig hosszú távon pozitív eredményt hozott. A feladat módosítása csak az egyidejűleg bemutatott különféle kártyacsomagok számára, valamint az egyes pakli nyereség/veszteség gyakoriságára és nyereség/veszteség nagyságára vonatkozott. A résztvevőknek minden blokkban két alternatív kártyacsomag közül kellett választaniuk (pl. B + C pakli). Az A és C fedélzet nyereség/veszteség gyakorisága 1: 1 volt, azonnali nyereség +100 (+70, ill. +70), azonnali veszteség pedig -150 (−20). A B és a D fedélzet nyereség/veszteség gyakorisága 4: 1 volt, azonnali hozam +100 (+50), veszteség pedig -525 (−75) volt. Ennélfogva az A és B pakli teljes nettó veszteséghez, míg a C és D pakli nettó nyereséghez vezetett.

Minden próba során két olyan kártyacsomagot mutattak ki a képernyőn, amelyek között kérdőjel volt, jelezve, hogy az alanyoknak egy kártyát kell választaniuk. A kérdőjelet fehér kereszt váltotta fel, miután a résztvevők döntöttek. Minden kísérletben a résztvevőknek kevesebb, mint 3 másodperc alatt kellett meghozniuk a döntést. Ha az alanyok nem választhattak ki egy kártyát ezen a határon belül, megjelent egy kérdőjeles szájú smiley, és elkezdődött a következő próba. Ezeket a kísérleteket elvetették.

A résztvevők 90 vizsgálatot végeztek, 3 randomizált blokkra (AB/BC/BD) felosztva, amelyek mindegyike 30 kísérletből állt. Minden blokk után 30 másodperces szünetet vezettek be, amelyben az alanyokat arról tájékoztatták, hogy a bemutatott kártyacsomagok a következő blokkban különböznek. Az eredeti IGT-hez hasonlóan az alanyoknak azt mondták, hogy előnyös fedélzeti döntések révén maximalizálják eredményüket.

Motivációs kérdések esetén a résztvevőknek az alapfizetésen felül legfeljebb 6 € bónuszt fizettek a feladatban elért teljesítményük szerint.

Adatelemzés

Az összes eredményt a PASW Statistics 18.0 (IBM Corporation, Somers, NY, USA) segítségével számítottuk ki. A B pakliból kihúzott kártyák számát elemeztük az elhízás és a nemek közötti különbségek figyelembevételével, beleértve az életkorot kovariátorként az általános lineáris modellben. Ezenkívül a tanulási görbéket ismételt ANOVA módszerrel vizsgálták. További ANOVA-kat kaptunk, hogy mindkét nem esetében külön csoportos hatásokat kapjunk az elhízás tekintetében. A BMI és a B fedélzet preferenciája közötti összefüggést lineáris modell segítségével számoltuk ki.

Eredmények

Szürke anyag szerkezete

Az elhízás összefüggéseinek feltárásához az agy struktúrájában DARTEL-t használtunk az egész agy VBM-jéhez (Ashburner, 2007) T1-súlyozott MRI alapján. A részletes eredményeket a 2. ábra és a 2. táblázat mutatja. 1. Pozitív korrelációt találtunk a BMI és a szürkeállomány térfogata (GMV) között a mediális posterior orbitofrontális kéregben (OFC), a nucleus accumbens (NAcc) bilaterálisan, a hipotalamuszban és a bal putamenben (azaz a dorsalis striatum, a csúcs voxelek p 2. ábra). ). 2). Ugyanezt az elemzést elvégezve a nők és a férfiak azonos nagyságú csoportjaiban (n = 61) külön-külön, összehasonlítható eredményeket kaptunk a nők esetében, a férfiak esetében azonban nem: Különösen szignifikáns pozitív korrelációt találtunk az OFC/NAcc GMV és BMI között csoportok (ábra (3. ábra: 3. felső sor, nőstények r = 0,48, p (3. ábra: 3. középső sor, nők: r = 0,51, p (3. ábra: 3. sor)). Csak a nők mutatnak további leptinnel kapcsolatos strukturális különbségeket a bal oldali putamenben és a fornix (ábra (3. ábra, 3. ábra, a harmadik sorban piros színnel jelölt területek). Az NAcc és a putamen klaszterei jelentős átfedést mutatnak a BMI és a GMV korrelációjával azonosított régiókkal (ábra (3. ábra, 3. és 3. sor) Ezenkívül csak a nők esetében találtunk inverz (azaz negatív) összefüggést a jobb l DFC-ben a leptinszint és a GMV között (r = −0,62, p 3., 3. ábra, alsó sor).

Kapcsolat a szerencsejátékkal kapcsolatos magatartás, a nem és az elhízás között

Az IGT-ben a B fedélzet minden kártyával nagy azonnali jutalmat, de alacsony frekvenciájú, magas veszteségeket közvetít, ami végül negatív hosszú távú eredményt eredményez. Ennélfogva a B fedélzet opciói tükrözik a nagyon szembetűnő azonnali jutalmak és a hosszú távú célok elérése közötti konfliktust. Az Iowa Szerencsejáték Feladat jelenlegi változatában az elhízott nők lényegesen több kártyát választottak a B pakliból, összehasonlítva minden előnyös paklival (azaz C vagy D), mint a karcsú nők minden kísérlet során (F1,32 = 8,68, p = 0,006). Nem találtunk különbséget a sovány és az elhízott nők között, amikor a két hátrányos helyzetű fedélzetet (azaz A és B) ellentétben állítottuk össze. Ezenkívül szignifikáns összefüggés volt a BMI és a nők számára a B pakliból kiválasztott összes kártya száma között (ábra (4A ábra). 4 A). A sovány és az elhízott férfiak összehasonlításával sem a B pakliból kiválasztott kártyák teljes számában (F1,29 = 0,51, p = 0,48) nem találtunk szignifikáns különbséget, és nem találtunk szignifikáns korrelációt a BMI-vel.

Különbségek a sovány és elhízott nőkben abban, hogy képesek-e a hosszú távú célokhoz igazítani a választási magatartást. (A) A B fedélzet előnyben részesítése az összes vizsgálat felett korrelál a BMI-vel a nők csoportján belül. Szürke vonal: lineáris regresszió. (B) A sovány és elhízott nők közötti különbség a tanulás során alkalmazott választási magatartásban. A sovány nők megtanulják fokozatosan kevesebb kártyát kiválasztani a B pakliból. Ezzel szemben az elhízott nők továbbra is a B pakliból válogatnak kártyákat. Minden blokk öt próbából áll. (C) A tanulás során nem figyelhető meg különbség a karcsú és elhízott férfiak között a választási viselkedésben. Minden blokk öt próbából áll.

Annak érdekében, hogy teszteljük a karcsú és elhízott résztvevők közötti tanulási viselkedésbeli különbségeket, elemeztük a B fedélzet időbeli választásait. A tanulás során az elhízott nők nem igazodtak a választási magatartáshoz. Ezzel szemben a karcsú nők esetében a B pakliból származó kártyák preferenciájának fokozatos csökkenését figyeltük meg (lásd a 4B ábrát). 4 B). Így az elhízott nők nem alkalmazkodtak viselkedésükhöz a karcsú nőkhöz képest általánosan előnyös eredményhez. A tanulási magatartás elemzése csak nőknél mutatott ki szignifikáns hatást az elhízásra (F1,30 = 6,61, p = 0,015), férfiaknál azonban nem.