Az elhízás, az orbitofrontális szerkezet és a funkció összefüggésben áll az étel választott keresztmetszetével

A végrehajtó funkció, a figyelem és a koncentráció, valamint az orbitofrontális kéreg (OFC) mennyiségének különbségeinek vizsgálata sovány és túlsúlyos/elhízott (o/o) felnőtteknél.

Az ételválasztás, a neuropszichológiai teszteken végzett teljesítmény és az OFC térfogata közötti lehetséges összefüggés feltárása sovány és o/o felnőtteknél.

Kulcsüzenetek

Az o/o csoport nem teljesített olyan jól a végrehajtó funkció, a figyelem és a koncentráció kognitív mértékein, mint a lean csoport.

Az o/o csoportnak kisebb volt az OFC mennyisége, mint a lean csoportnak.

Pozitív összefüggés volt a kiváló minőségű élelmiszerek fogyasztása és az OFC mennyiség között az o/o csoportban.

A tanulmány erősségei és korlátai

Részletes nyilvántartást nyertünk az élelmiszer-fogyasztásról.

Ez egy keresztmetszeti vizsgálat volt, amelynek célja az ételválasztás és az agy közötti lehetséges kapcsolat feltárása volt; további longitudinális vizsgálatok szükségesek az ok-okozati összefüggések bemutatásához.

További vizsgálatokra van szükség nagyobb mintamérettel a testtömeg-index, az ételválasztás és az agy közötti összefüggés további tisztázása érdekében.

Bevezetés

Az elmúlt évtizedekben az Egyesült Államokban drámaian megnőtt a túlsúlyos (testtömeg-index; BMI 25–30 kg/m 2) és az elhízott (BMI> 30 kg/m 2) 1 felnőttek száma. A Centers for Disease Control adatai szerint 2009-től 49 államban az elhízás prevalenciája 20% vagy annál nagyobb, kilenc államban pedig 30% feletti. Az elhízás a 2-es típusú cukorbetegség, a szív- és érrendszeri betegségek és a rák számos formájának megnövekedett kockázatával jár együtt.2 Az Egyesült Államokat „obezogén” társadalomnak tekintik, ahol az egészségtelen ételek fogyasztása és az alacsonyabb fizikai aktivitás mindennapos. Bár a magas kalóriatartalmú/alacsony tápértékű ételek, mint például a gyorsétterem és a finomított szénhidrátok, könnyen hozzáférhetők, önmagában ez nem jelenti azt, hogy az emberek miért nem egyformán elérhető, kiváló minőségű ételeket választanak, például halat és teljes kiőrlésű gabonát. Az egyik hipotézis szerint az ételválasztásnak erős hedonikus összetevője van, és részben az agy jutalomközpontjai befolyásolják. Patkányokban a magas zsírtartalmú ételek túlzott fogyasztása pozitívan kapcsolódik a jutalmazási rendszerhez3; ezek a tanulmányok azonban nem koncentráltak kifejezetten az ételválasztásra. Egy másik hipotézis az étkezési magatartás, például a túlfogyasztás és az opportunista evés 4 gátlására vonatkozik, amelyet régóta leírtak az elhízott fiatalok és felnőttek körében.5

Egyre több szakirodalom utal az elhízás és a kognitív zavarok közötti kapcsolatra, különösen a végrehajtó funkció, a figyelem és a koncentráció területén.6 7 A gátló kontroll hiányosságai az impulzivitási rendellenességek középpontjában állnak. A viselkedésgátlás hiányai negatívan befolyásolhatják a végrehajtó funkciókat (pl. Tervezés és prioritások meghatározása), az affektus és a motiváció szabályozását.8 A végrehajtó funkciók hozzájárulnak a viselkedés önszabályozásához, és késleltetést hoznak létre, amely alatt gondolkodni lehet a cselekvés előtt; így a válasz gátlásának hiánya társulhat impulzív viselkedéssel. Egyes tanulmányok azt sugallják, hogy az elhízott egyének impulzívabbak lehetnek, és a megnövekedett impulzivitás megnehezítheti számukra az ízletes ételek csábításának való ellenállást. 9 10 Ezért az étkezés összefüggésében az impulzivitást vagy a gátlást az oportunisztikus táplálkozásra való hajlandóságként határozzák meg. a környezeti jelekre reagálva várhatóan szerepet játszik mind az elhízás kialakulásában, mind fenntartásában.11

Azt javasolják, hogy a releváns agyi régiók közötti nem hatékony kapcsolat a neuronális markert jelentse a kóros viselkedés, beleértve az étvágyat és a túlevést is, kialakulásának sebezhetőségére. 12 Az orbitofrontális kéreg (OFC) részt vesz az impulzusszabályozás, az önellenőrzés és a célirányos viselkedés szabályozásában., amelyek mindegyike szerepet játszhat az étkezési magatartásban.13–16. Az OFC egészsége befolyásolhatja az egyén képességét az étkezési magatartás önszabályozására, valamint az ételválasztásra és a táplálkozással kapcsolatos tervezésre. 13 Nemrégiben beszámoltunk arról, hogy az elhízott serdülőknél az étkezési magatartás csökkenése az orbitofrontális térfogat csökkenésével jár. 19 Ezenkívül az OFC a jutalmazási rendszer egyik eleme, és pozitív visszacsatolási ciklusban vesz részt, ha ízletes ételeket fogyasztanak.20 Például: Volkow és mtsai21 azt találták, hogy az elhízott személyeknél csökkent a dopaminerg aktivitás és csökkent a glükózfelhasználás a dorsolaterális prefrontális és OFC reg ionok, a gátló kontroll és az ékesség hozzárendelésében fontos területek.

Feltételeztük, hogy a túlsúlyos és elhízott felnőttek (azok, akiknek a BMI-je 25 kg/m 2 vagy nagyobb) több alacsony minőségű és kevésbé jó minőségű ételt fogyasztanak, mint a sovány BMI-vel rendelkező felnőttek. Továbbá az étkezési magatartásban és az impulzus gátlásában szerepet játszó áramkörökről ismertek alapján feltételeztük, hogy az ételválasztás különbségei összefüggésben lehetnek az OFC térfogatával, valamint a magasabb rendű kognitív funkciók integritásával, amelyekről ismert, hogy részben egy ép OFC. Ezen hipotézisek tesztelésére két egyéncsoport, karcsú felnőttek, valamint túlsúlyos és elhízott (o/o) felnőttek 3 napos étkezési naplóit, MRI és kognitív értékelését vizsgáltuk. A tanulmány célja annak meghatározása volt, hogy a jövőbeni longitudinális vizsgálatok indokoltak-e az ételválasztás és az ügyvezető működés közötti okozati összefüggés feltárására. Tudomásunk szerint ez az első tanulmány annak megvizsgálására, hogy az ételválasztás, bármilyen beavatkozástól függetlenül, hogyan kapcsolódik az MR-eredetű OFC mennyiségekhez és az OFC egészségétől függő standard neurokognitív tesztek teljesítményéhez.

Módszerek és eljárások

Tárgyak

Összesen 139 felnőtt (98 karcsú és 41 túlsúlyos és elhízott) vett részt a vizsgálatban, életkor, nem és faj alapján (1. táblázat). Az alanyokat egymást követő esetekben értékelték az NYU Orvostudományi Iskola Agy-, Elhízás- és Diabétesz Laboratóriumában (BODyLab), az Országos Egészségügyi Intézet által támogatott, az elhízás és a 2-es típusú cukorbetegség agyi hatásainak vizsgálatának részeként. A résztvevőket internetes hirdetések útján toborozták, együttműködő orvosok utalták őket vagy a normális öregedés folyamatban lévő tanulmányából toboroztak. A tanulmányt a helyi IRB jóváhagyta. Valamennyi résztvevő aláírta a tájékozott írásbeli beleegyezést, és kompenzációt kapott az idejéért és a kellemetlenségekért. A résztvevőket megvizsgálták a kizáró, már meglévő egészségügyi állapotok (a magas vérnyomás, a dyslipidaemia, az inzulinrezisztencia vagy a 2-es típusú cukorbetegség kivételével) és a pszichiátriai állapotok kizárása érdekében. Egyéb kizárási kritériumok voltak: a kórtörténetben jelentős fej trauma, stroke, hydrocephalus, lacunar infarktus, mentális retardáció vagy neurológiai rendellenességek voltak.

A sovány és túlsúlyos/elhízott (o/o) résztvevők jellemzői

A vizsgálat első napján elvégezték a magasság és a súly mérését. A BMI-t a következő képlet segítségével számoltuk ki: súly (kg)/magasság (m) 2. A 19 és 24,9 kg/m 2 közötti BMI-vel rendelkező résztvevőket a sovány csoportba helyezték. A 25 kg/m 2 vagy annál nagyobb BMI-vel rendelkező résztvevőket a túlsúlyos/elhízott (o/o) csoportba sorolták. Tekintettel a vizsgált alanyok szerény számára, valamint a releváns biológiai paraméterek (inzulinrezisztencia, koleszterin és vérnyomás) hasonlóságaira, a túlsúlyos és elhízott résztvevőket egy csoportba egyesítették.

Háromnapos étkezési napló

Inter-rater megbízhatóság 3 napos étkezési naplókhoz A magas és alacsony minőségű ételválasztást két független minősítő értékelte. Az osztályok közötti korrelációs együtthatók a magas és az alacsony minőségű ételválasztáshoz 0,97, illetve 0,86 voltak.

Az MRI vizsgálatokat 1,5 T-os GE Vision vagy 1,5 T-os Siemens Avanto rendszeren készítették, ekvivalens szekvenciák alkalmazásával. A GE Vision képei háromdimenziós koronális T1-súlyozott elrontott gradiens-visszahívott (SPGR) szekvenciák voltak (TR 30 ms; TE 2 ms; 124 szelet, szelet vastagsága 1,5 mm, hézag nélkül; FOV 250 × 250 mm; elfordítási szög 60 °). További részletekért lásd Gold és mtsai25. A Siemens rendszerhez egy strukturális T1-súlyozott mágnesezéssel előkészített gyors felvételi gradiens visszhang (MPRAGE) szekvenciák (TR 1300 ms; TE 4,38 ms; TI 800 ms; NEX 1; FOV 250 × 250 mm; 196 koronaszelet, szelet vastagsága 1,2; elfordulási szöge 15 °). Bár az érzékenységi kérdések nagy jelentőséggel bírnak az echo-planar felvásárlásokban, mint például az fMRI vagy a DTI, különösen az alsóbbrendű frontális régiókban, mint például az orbitofrontális terület, ezek az itt közölt strukturális képek (SPGR és MPRAGE) szempontjából nem jelentenek nagy gondot. Sőt, a két szerkezeti képalkotó szekvenciánk nagyon egyenértékű. A két szkenner közötti megfelelés formális teszteléséhez azonban 10 vizsgálati alanyot szkenneltünk mindkét szkenneren, szoros időközben, majd mindkét eszközön koponyán belüli boltozat térfogatot kaptunk. A kapott térfogatok megkülönböztethetetlenek voltak (páros t teszt: t = 0,029, p = 0,977) .26

Szürke anyag térfogati adatok

Az SPGR és MPRAGE képek agykérgi rekonstrukcióját és volumetrikus szegmentálását a FreeSurfer képelemző csomag, V.4.0.2 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) végezte. A FreeSurfer teljesen automatizált, ezért nem használtak kézzel rajzolt érdeklődési körzetet (ROI), ami kiküszöböli az emberi elfogultságot. A FreeSurfer felosztja az agyat a temporális lebenyre, a frontális lebenyre, az OFC-re, a parietális lebenyre, az occipitalis lebenyre és a cinguláris gyrusra. Ezen területek mindegyikén a FreeSurfer több felosztást mér. Ennek a szoftvernek a fejlesztését és az egyes régiók azonosításának részleteit Desikan és munkatársai találják meg. 27 Az orbitofrontális ROI-t a priori a nagyon specifikus hipotéziseink és annak fontossága alapján választottuk meg, hogy milyen szerepet játszanak a válasz gátlásában és az ételek ízesítésében ( szaglás révén) és a jutalmazási rendszer fontos részeként. Figyelembe véve a FreeSurfer használatát, rendkívül fontosnak tartottuk, hogy szemléletünk és az elemzésre kiválasztott változók szempontjából nagyon célzottak legyünk.

A FreeSurfer eljárás magában foglalja a nem agyszövet eltávolítását, az automatizált Talairach-transzformációt, a szubkortikális fehérállomány szegmentálását és a kortikális szürke- és fehéranyag modellhatárának felépítését. Miután a kérgi modellek elkészültek, az agykéreg descellán parcellációs sémák alkalmazásával a girális és szulfa-struktúra alapján egységekre történő parcellázását hajtották végre.27 Az utolsó lépés kiszámítja az laterális és mediális OFC volumetrikus jelölését. Elemzéseinkhez kombináltuk az laterális és a mediális OFC-t. Ezenkívül megbízható manuális módszer25 alkalmazásával megmértük a koponyán belüli boltozat térfogatát, és ezt a számot használtuk az OFC-adatok kiigazítására (maradéktalanítására) a fej méretének egyéni változékonysága szempontjából. A rostralis középső frontális gyrus-t használtuk kontroll régióként. Ezt a régiót a következő okokból választották ki: mérete egyenértékű az OFC-vel, a homloklebenyben is van, és ami a legfontosabb, az élelmiszer-választás összefüggésében a döntéshozatalhoz kapcsolódik, 28–30, ami lehetővé teszi számunkra hogy kommentáljuk eredményeink anatómiai sajátosságait.

Neuropszichológiai értékelés

Statisztikai analízis

Az adatokat SPSS for Windows V.17.0 alkalmazással elemeztük. A normalitás tesztelésére Shapiro – Wilk tesztet használtak. Független t teszteket használtak az ételválasztás és a neuropszichológiai tesztek csoportbeli különbségeinek vizsgálatára. Feltáró elemzéseket végeztek a Pearson-féle korreláció segítségével annak megvizsgálására, hogy az OFC térfogata összefügg-e az étrendi választásokkal. Lineáris és hierarchikus regressziókat használtunk az esetleges zavaró tényezők, például az oktatás (1. lépés), az IQ (2. lépés) és a derék kerülete (3. lépés) figyelembevételére. Mivel mindkét csoportban azonos volt a magas vérnyomásban szenvedő alanyok aránya, elemzéseink során nem kontrolláltuk a magas vérnyomást. Amikor az elemzések során kontrolláltuk a cukorbetegséget, eredményeink lényegében változatlanok maradtak. Ennek oka lehet részben a mintánkban szereplő cukorbetegek kis száma (17 alany).

Eredmények

Étkezési szokások felmérése

A 13 élelmiszercsoport összeadása után nem találtunk különbséget a sovány és az o/o csoportok által elfogyasztott (magas és alacsony minőséget ötvöző) ételadatok teljes számában (az adatokat nem mutatjuk be). Az o/o csoport azonban lényegesen több alacsony minőségű és kevésbé jó minőségű ételt fogyasztott a sovány csoporthoz képest (2A. Ábra). A csoportkülönbségek nem csökkentek az oktatás és a hasi zsírosság kontrollálásakor, amelyet a derék kerülete határozott meg.

Magas és alacsony minőségű élelmiszer-fogyasztás sovány és túlsúlyos/elhízott (o/o) felnőtteknél. (A) Megszámolták a napi magas (mezőgazdasági termékek, halak, teljes kiőrlésű gabonák és diófélék) és alacsony minőségű (hús, finomított szénhidrátok, sült ételek, gyorsételek, gyorsétel és alkohol) ételek teljes számát. Az értékek átlagot jelentenek ± SEM. A (*) értékek jelentősen eltérnek az azonos sáv színű többi csoporttól, p Tekintse meg ezt a táblázatot:

Soron belüli megtekintése
Felugró ablak megtekintése

Pontszámok a neuropszichológiai teszteken

Hasonlóan a kiválasztott végrehajtó működési intézkedések teljesítményéhez, a figyelem/koncentráció, a munkamemória és a pszichomotoros/feldolgozási sebesség mértéke is lényegesen jobb eredményeket hozott a sovány csoportban az o/o csoporthoz képest. A sovány csoport jobban teljesített mind a számjegyes előre és hátra, mind a vizuális memória előre és hátra, mind a DSST-nél az o/o csoporthoz képest (2. táblázat). Néhány intézkedés a BMI-hez volt társítva (Digit Symbol Substitution Test r = −0.170, p = 0.04; a számfesztávolság visszafelé r = −0.164, p = 0.05; vizuális memória fesztávolság előre r = −0.172, p = 0.04), míg mások az OFC térfogatához társítva (számjegyes távolság előre = r = 0,182, p = 0,04; BA nyomvonalak r = 0,166, p = 0,04).

Demográfiai adat

A csoport hozzárendeléséből elvárható, hogy az o/o csoport súlya, derékbősége és BMI-je szignifikánsan nagyobb volt a sovány csoporthoz képest (1. táblázat). Bár mindkét csoport rendelkezik valamilyen főiskolai végzettséggel, statisztikailag szignifikáns különbséget észleltek a sovány és az o/o csoport között az oktatásban és az IQ-ban, a sovány csoport több éves oktatással és összességében magasabb becsült IQ-val rendelkezett. Amikor azonban elemzéseink során kontrolláltuk az oktatást és az IQ-t, eredményeink változatlanok voltak, ami arra utal, hogy az étkezési szokások, a megismerés és az agy csoportos különbségei nem az oktatás vagy az IQ különbségein alapultak. Ezenkívül a két csoport egyikében sem volt nemi különbség.

Vita

Megállapítottuk, hogy a 25 kg/m 2-nél nagyobb vagy azzal egyenlő BMI-vel rendelkező alanyok arról számoltak be, hogy több alacsony minőségű és kevésbé jó minőségű ételt fogyasztanak, mint a 25 kg/m 2 alatti BMI-vel rendelkező alanyok. Az o/o csoportban a magas színvonalú ételválasztás pozitívan és szignifikánsan összefüggött a koponyán belüli boltozattal korrigált (maradék) OFC térfogattal. Összességében a sovány csoport jobban teljesített a végrehajtó funkció, a gátlás, a figyelem/koncentráció és a pszichomotor/feldolgozási sebesség neurokognitív tesztjein, mint az o/o csoport. Ezek az adatok együttvéve azt sugallják, hogy a frontális lebeny-alapú kognitív károsodások és az OFC-mennyiség csökkenése összefüggésbe hozható az ételválasztással. Ez egy feltáró tanulmány, és az eredményeket későbbi vizsgálatokkal kell megerősíteni, amelyek nagyobb adatkészleteket használnak, és szélesebb körű feltárással vizsgálják a lehetséges agyi területeket és kognitív doméneket, miközben többszörös összehasonlításokat kontrollálnak. Nem ismert, hogy az OFC térfogatának csökkenése megelőzi-e vagy túlzott súlygyarapodás következménye.

Korábbi tanulmányok a BMI és a szürkeállomány mennyisége közötti negatív összefüggésekről számolnak be, különösen az agy prefrontális és frontális területein.7 35 Ezenkívül a legfrissebb bizonyítékok arra utalnak, hogy az elhízás károsítja a kognitív folyamatokat6 36, és hogy a végrehajtó funkciók a leginkább fogékonyak a túlsúly negatív hatásaira. 7 A megállapítások, amelyek a túlnyomórészt frontális lebeny funkcióit tükröző tesztek csökkenését mutatják, összhangban állnak ezekkel a vizsgálatokkal. Amellett, hogy csökkent az OFC mennyisége, az o/o csoport nem olyan jól teljesített, mint a lean csoport olyan teszteken, amelyek megkövetelik a viselkedés megtervezését, kezdeményezését, váltását, monitorozását és gátlását, amelyek mind elengedhetetlenek a célirányos viselkedéshez. Ezek a megállapítások azt sugallják, hogy az OFC mennyisége hozzájárulhat a csoport kognitív különbségeihez.

Az oktatás és az IQ következetesen megállapítható, hogy pozitívan korrelál a kognitív tesztek teljesítményével.37 Míg lean csoportunk szignifikánsan magasabb végzettséggel és IQ-val rendelkezett (1. táblázat), fontos, hogy sem az oktatás, sem az IQ nem járult hozzá az ételválasztás, a kognitív teljesítmény vagy OFC kötetek. Valószínű, hogy mivel mindkét csoport jól képzett volt, és az átlagos IQ jóval a normálnak tekintett tartományba esett, az oktatás és/vagy az IQ nem járult hozzá jelentősen a kognitív teszt teljesítményének két csoport közötti eltéréséhez.

Az étkezési magatartás diszinkciójának konstrukcióját a túlevés és az opportunista evés felé való hajlamként határozzák meg.4 Vizsgálatunk megállapította, hogy sovány társaikhoz képest a túlsúlyos és elhízott felnőttek több alacsony minőségű és kevésbé jó minőségű ételt ettek. Ezenkívül nem teljesítettek olyan jól a frontális lebeny működését tükröző kognitív teszteken, amelyek szintén rosszabb impulzusszabályozással járhatnak. Nemrégiben hasonló kognitív diszfunkciót figyeltünk meg elhízott serdülőknél, 19 amelyet szerencsejáték-függőségben szenvedő felnőtteknél is megfigyeltek.38 A szenvedélybeteg játékosokat alacsonyabb impulzuskontroll képességekkel osztályozzák.39 Fontos megjegyezni, hogy míg több kognitív intézkedésünk OFC térfogat, mások a BMI-hez kapcsolódtak. Ez rávilágít arra, hogy további kutatásokra van szükség annak tisztázása érdekében, hogy a BMI, az agy és a kognitív funkció hogyan kapcsolódik egymáshoz. Adataink alátámasztják a túlfogyasztás és a csökkent impulzusszabályozás közötti összefüggéseket mind gyermekeknél, mind felnőtteknél.11 17 Ráadásul a funkcionális MRI-vizsgálatok összefüggést hoztak létre a szerencsejáték-magatartás és az OFC között is. 40 Ezek az adatok együttvéve azt sugallják, hogy az evés és a az impulzusszabályozás zavara hasonló idegi szubsztrátokon osztozik.

Tudomásunk szerint ez az első jelentés, amely szemlélteti a mindennapi ételválasztás, a kognitív teszteken nyújtott teljesítmény és az MRI-eredetű regionális agytérfogatok közötti lehetséges összefüggést. Míg a korábban publikált munka összefüggéseket hozott létre az elhízás és a kognitív teljesítmény között, 7 ez az első tanulmány, amely bemutatja, hogy a csökkent OFC-mennyiség hozzájárulhat az ételválasztáshoz. Longitudinális vizsgálatokra van szükség annak megállapításához, hogy a kognitív tesztek gyengébb teljesítménye és a kisebb OFC-mennyiség okozza-e vagy eredményezi-e a rossz ételválasztást. Fontos továbbá megvizsgálni, hogy a fogyás javíthatja-e a kognitív teljesítményt és az ételválasztást.

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük Sweat Viktóriának a kézirathoz fűzött észrevételeit.