Схильність до надмірної ваги впливає на навчальну поведінку Товариства Макса Планка

вступ

За даними Федерального статистичного управління, більше половини всіх німців мають надлишкову вагу, а діабет 2 типу також різко зростає. Цукровий діабет 2 типу - типове вторинне захворювання, пов’язане з переїданням та відсутністю фізичних вправ. Кельнські вчені вивчають, як виникає ожиріння і як організм підтримує баланс (гомеостаз) між споживанням їжі та споживанням енергії. Важливими є не тільки жирова тканина та м’язи, а й мозок.

Ожиріння (ожиріння) в даний час розглядається як складний поведінковий синдром, який виникає внаслідок девіантної поведінки людей, що мають різну схильність. Цей підхід робить необхідним розуміння взаємодії між так званою гедонічною (орієнтованою на задоволення) поведінкою та гомеостатичним контролем. Дослідження цієї взаємодії вимагає встановлення біолого-математичних моделей, що поєднують фізіологію нервової системи винагороди з гормональними чинниками впливу та поведінковими моделями. Зокрема, використовуються комп’ютерні методи моделювання, які на основі даних процесів візуалізації передбачають окремі вираження поведінкових моделей. Метою є досягнення механічно витлумачуваного твердження замість використання чисто феноменологічної класифікації.

Сучасні теорії переїдання, включаючи сучасні концепції харчової залежності, визначають імпульсивну поведінку як ключовий фактор ризику. Однак, оскільки ожиріння є гетерогенною хворобою, розлад контролю імпульсів і пов'язана з ним поведінка, схожа на залежність, впливають лише на деяких пацієнтів. Тому дуже важливо для розвитку патофізіологічних теорій розвитку хвороби, діагностичних критеріїв і, зокрема, терапевтичних підходів для розуміння основних механізмів цієї неоднорідності.

Для того, щоб переслідувати ці ідеї, спочатку було створено метод аналізу імпульсивної поведінки на основі моделі [1]. Тут імпульсивність обчислюється як збільшення ризикованих рішень, спричинених невизначеністю можливих наслідків рішення. По суті, ми отримуємо індекс імпульсивності, який - у порівнянні з класичними анкетами - не є результатом самоаналізу, а описує фактичну поведінку. Ця модель зараз використовується у поведінкових дослідженнях з пацієнтами з ожирінням.

З біологічної точки зору, мінливість імпульсивності може базуватися на індивідуальних відмінностях у нейромодуляторних механізмах. Тут допамінергічні нейрони в центральних структурах так званої системи винагороди відіграють вирішальну роль. Ідея тут полягає в тому, що харчові подразники змушують мозок жадати винагороди. За це відповідає мезокортиколімбічна система, широко розгалужена мережа областей мозку. Ця система винагороди працює як ланцюг: у корі головного мозку виникає бажання. Якщо ви поступаєтесь йому, сигнали надходять до лімбічної системи, гіпокампу і, нарешті, до кори головного мозку - як зворотний зв'язок про те, що команда виконана. Найважливішою речовиною, що передає інформацію, є дофамін. Він передає бажання та очікування винагороди, а тому є важливим мотиватором.

Щоб зрозуміти це в контексті розладів контролю імпульсів, необхідно визначити, які компоненти дофамінергічної регуляції нервової системи винагороди пов’язані з індивідуальними відмінностями у вираженні імпульсивної поведінки. Також слід враховувати гедонічну цінність винагороди, оскільки це дуже впливає на нашу мотивацію та харчові звички. Іншими ключовими чинниками впливу є гормони, що регулюють енергетичний гомеостаз, наприклад, інсулін, лептин та грелін. Нещодавно було показано, що вони також безпосередньо модулюють активність дофамінергічних нейронів. Ця модуляція знаходиться під генетичним контролем, тому генетичні фактори також відіграють центральну роль у мінливості контролю імпульсів.

Генетична регуляція сильних нейронних зв’язків при ожирінні

Варіації так званого гена FTO (маса жиру та асоційований з ожирінням ген) є в даний час найбільш відомими генетичними факторами, які схиляють людей до немоногенного ожиріння. Цікаво, що варіації гена FTO також тісно пов’язані з широким спектром поведінкових проблем, деякі з яких є патологічними, такі як дефіцит уваги, афективні симптоми та зловживання речовинами [2]. Точні механізми, за допомогою яких ці генетичні варіації спричиняють поведінкові зміни або впливають на масу тіла, незрозумілі.

У мишей ген Fto має вирішальне значення для регуляції рецепторів дофаміну 2 та 3 [3]. На цій підставі дослідники досліджували, чи взаємодіють варіанти гена FTO з варіантами додаткового гена (ANKK1-Taq1A) у людини, який впливає на щільність смугастих рецепторів дофаміну-2, а також пов’язаний із розвитком ожиріння був. У поведінкових тестах та за допомогою функціональної магнітно-резонансної томографії можна було показати, що варіанти гена FTO впливають на навчання підкріплення: Носії гена FTO менше вчаться на основі негативних результатів, особливо якщо щільність рецепторів дофаміну 2 також зменшується.

Рис. 1: Варіації гена FTO впливають на дофамінергічну нервову активність середнього мозку та вивчення негативних результатів. Зокрема, варіації FTO модулюють зв'язки в основних регіонах системи винагород у мозку; це впливає як на функціональну, так і на структурну міцність з'єднання. mPFC = медіальна префронтальна кора; VTA/SN = дофамінергічний середній мозок: VTA = вентральна тегментальна область, SN = чорна субстанція; NAcc = nucleus accumbens.

Крім того, підходи математичного моделювання для аналізу зв’язку нейромережевих зв’язків підтвердили, що варіанти FTO модулюють нейронні зв’язки в частині системи винагороди, регульованої дофамінергічним процесом (Рис. 1, [4]). Це передбачає механізм, за допомогою якого генетична схильність до ожиріння впливає на обробку винагороди в мозку. Оскільки така модуляція пов'язана з дуже загальними результатами навчання, такий механізм може бути також важливим для інших розладів D2R-залежного контролю імпульсів, наприклад, щодо залежності.

Для подальшого розуміння загального впливу ожиріння, опосередкованого FTO, на мозок та дієту, ми досліджували генотип-специфічні відмінності в структурі мозку та реакції нейронів на їжу. Відмінності в структурі мозку можна отримати за допомогою так званих методів класифікації з анатомічних зображень магнітно-резонансної томографії; різниця зображень між окремими записами окремих випробуваних по суті аналізується та статистично оцінюється за допомогою методів машинного навчання. Реакційну здатність їжі можна визначити за допомогою функціональної магнітно-резонансної томографії для завдання зорового сприйняття їжі.

Наші результати свідчать, що носії варіанту FTO, який сприяє схильності до ожиріння у досліджуваних, можуть зазнати невдачі через їх особливу структуру мозку [5]. Тут вирішальними є зміни морфології мозку у вузько обмеженій гетеромодальній зоні чутливої кори (задня веретеноподібна звивина), яка зазвичай призначається для обробки зорового контексту. Цікаво, що носії цього генетичного варіанту також демонструють підвищену нервову реакцію на харчові подразники в тій же кортикальній області. Підводячи підсумок, висновки забезпечують нейронну основу для підвищення харчової реактивності при ожирінні, що підтримує концепцію розвитку залежності. Крім того, результати свідчать про те, що одна ділянка кори головного мозку може бути особливо важливою для формування візуального досвіду в області їжі - це раніше було відомо переважно в контексті розпізнавання обличчя.