Abstract

Cortexul orbitofrontal lateral (lOFC) primește informații senzoriale despre alimente și integrează aceste semnale cu rezultatele așteptate pentru a ghida acțiunile viitoare și, astfel, poate juca un rol cheie într-o rețea distribuită de circuite neuronale care reglează comportamentul de hrănire. Aici, dezvăluim un rol nou pentru lOFC în controlul cognitiv al comportamentului la obezitate. Comportamentul orientat spre obiective este influențat de obezitate, astfel încât la animalele obeze acțiunile nu mai sunt influențate de valoarea percepută a rezultatului. Obezitatea este asociată cu scăderea inhibiției inhibitoare a lOFC, iar reducerea chimiogenetică a neurotransmisiei GABAergice în lOFC induce tulburări asemănătoare obezității în comportamentul orientat spre obiectiv. Dimpotrivă, restaurarea farmacologică sau optogenetică a neurotransmisiei inhibitorii la lOFC a șoarecilor obezi reinstaurează un comportament flexibil, orientat spre obiective. Rezultatele noastre indică faptul că obezitatea împiedică capacitatea unui individ de a face reprezentări valorice despre recompense, care la rândul lor pot influența modul în care indivizii iau decizii într-un mediu obezogen.

cortexului

Introducere

Obezitatea indusă de dietă este o problemă majoră de sănătate cu care se confruntă mulți indivizi din întreaga lume. Obezitatea este definită ca având un indice de masă corporală mai mare de 30 kg/m 2 și este asociată cu boli comorbide multiple, inclusiv diabet de tip 2, accident vascular cerebral, cancer și depresie 1. Numeroase forțe determină obezitatea pandemică, inclusiv schimbări complexe de mediu și societale 2. Mai mult, tranziția de la consumul de alimente nutriționale tradiționale la alimente extrem de comercializate, ieftine, cu conținut ridicat de energie, gustabile, a exacerbat supraalimentarea 3. Aceste alimente preambalate sunt adesea consumate în ciuda cerințelor energetice deja îndeplinite 4, deoarece ne ademenesc gusturile înnăscute de zaharuri, săruri și grăsimi 5 .

Modele cantitative au fost utilizate pentru a calcula eficiența eforturilor de prevenire a obezității, inclusiv impactul comportamentelor individuale, intervențiilor de sănătate publică și politicilor guvernamentale. Individului îi revine sarcina de a „face alegeri personale sănătoase și de a face activități” 6, totuși complexitatea mediului alimentar modern și alegerile pe care le oferă sunt părtinitoare luarea deciziilor pentru a influența alegerile alimentare. Literatura anterioară propune că alimentele ușor disponibile, plăcute și cu densitate energetică, uzurpează capacitatea individului de a lua decizii și de a-și controla aportul caloric, ducând la supra-consum și obezitate 7. Rămâne neclar modul în care accesul la alimentele obezogene modifică circuitele neuronale pentru a influența comportamentul spre consumul dincolo de sațietate.

În timpul comportamentului orientat spre obiective, deciziile și strategiile comportamentale sunt flexibile, deoarece urmăresc relația dintre acțiuni și rezultate. Indivizii își vor regla comportamentul după o modificare a valorii unui rezultat asociat anterior acțiunii. O recompensă alimentară poate fi devalorizată prin sațietate sau prin asocierea mâncării cu indicii care prezic boala, ca în evitarea gustului condiționat. Dezvoltarea unui comportament hrănitor insensibil la schimbarea valorilor recompensei a fost implicată în obezitate, astfel încât oamenii cu obezitate 8 și rozătoarele obeze 9 prezintă deficite în devalorizarea recompensei.

Capacitatea de a atribui valoare alegerilor alimentare și de a ghida comportamentul depinde de cortexul orbitofrontal (OFC). Câteva linii de dovezi sugerează că este necesar un OFC intact pentru comportamentul orientat spre obiectiv, întrucât întreruperea OFC de către leziuni sau inactivare afectează devalorizarea recompensei prin sațietate 10, boală 11 și degradarea contingenței 12. În plus, OFC este situat anatomic și funcțional pentru a influența consumul de alimente, deoarece este conectat reciproc la senzorul 13, motor 10,14,15 și limbic 16,17 regiuni ale creierului și se crede că integrează informații din aceste regiuni pentru a ghida luarea deciziilor. . O ipoteză actuală este că reprezentările valorice ale alimentelor și mecanismele de luare a deciziilor pentru a controla consumul de alimente sunt perturbate în obezitate 18, cu toate acestea, nu se știe dacă obezitatea influențează funcția OFC și cum se produce acest lucru. Aici, am testat ipoteza că o dietă obezogenă afectează comportamentul îndreptat către obiective prin perturbarea funcției OFC.

Rezultate

Obezitatea afectează devalorizarea recompensei

Am adaptat trei paradigme de devalorizare a recompenselor utilizate în mod obișnuit pentru a examina modificările comportamentului orientat spre obiectiv 19 pentru a aborda întrebările noastre de cercetare la șoareci obezi. Expunerea pe termen lung la o dietă bogată în grăsimi a condus la dezvoltarea obezității induse de dietă, remarcată prin creșterea greutății corporale, hiperglicemie, precum și scăderea clearance-ului glucozei, care reflectă afectarea semnalizării insulinei. (Figura 1a-b).

a) În devalorizarea recompensei prin sarcina de satietate selectivă, șoarecii cu expunere pe termen lung la o dietă bogată în grăsimi de 60% (obezi n = 31) au câștigat mai multă greutate decât șoarecii cu expunere pe termen lung la o scădere de grăsimi de 10% (slab n = 35) dieta. T-test nepereche: t (64) = 10,88, apăsați pârghia (Date extinse Figura 1a). Odată ce șoarecii au prezentat niveluri stabile de răspuns, am devalorizat rezultatul recompensei (zaharoză) pre-hrănindu-i până la sațietate folosind aceeași soluție de zaharoză înainte de o sesiune de test instrumental neîntărită. (Date extinse Figura 1b, Figura 1c).

Șoarecii slabi au prezentat devalorizarea recompensei (Figura 1d-g), indexat prin răspuns redus atunci când este hrănit în prealabil cu zaharoză în stare devalorizată, în raport cu condițiile nepreferate (evaluate). Acest efect a fost observat atunci când am normalizat apăsarea pârghiei fiecărui animal și când am calculat indicele de reevaluare (Figura 1f). Indicele de reevaluare (pârghia apasă starea evaluată - pârghia apasă starea devalorizată)/(pârghia apasă starea evaluată + stânga apasă starea devalorizată) indică gradul de direcționare a obiectivului în timpul reevaluării rezultatului, astfel încât un indice de reevaluare pozitiv relevă forța devalorizării. În schimb, șoarecii obezi au fost impermeabili la efectele modificării valorii zaharozei, deoarece au prezentat niveluri comparabile de răspuns atât în ​​condiții valoroase, cât și în condiții devalorizate. (Figura 1d-f). Acest lucru a fost evident atunci când am analizat presele de pârghie totale și normalizate și indicele de reevaluare.

Important, acest lucru nu s-a datorat diferențelor în apăsarea generală a pârghiei (Figura 1g). Am confirmat în continuare acest lucru reanalizând datele noastre de devalorizare la șoareci slabi și obezi care se potriviseră cu apăsările totale ale pârghiilor (30 sau mai puțin total, valorat + devalorizat). Chiar și în conformitate cu aceste criterii de includere mai stricte, șoarecii slabi prezintă devalorizare a recompensei, în timp ce șoarecii obezi nu (Date extinse Figura 1c-f). Într-o cohortă separată de șoareci, am examinat apoi cantitatea de efort slab sau șoarecii obezi vor cheltui pentru a obține zaharoză. Șoarecii slabi și obezi au prezentat niveluri comparabile de răspuns la zaharoză pe un program progresiv de întărire, sugerând că se află într-o stare motivațională similară (Figura 1h-k). În cele din urmă, când răspunsurile din timpul sesiunii de devalorizare au fost întărite, șoarecii slabi au continuat să devalorizeze zaharoza, în timp ce șoarecii obezi nu au (Figura de date extinse 1g-h). Luate împreună, aceste date indică faptul că, în timp ce șoarecii slabi își reduc acțiunile pentru zaharoză atunci când sunt saturați, șoarecii obezi nu.

A doua noastră paradigmă a examinat impactul obezității induse de dietă asupra devalorizării recompensei induse de boală. Înainte de manipularea dietei, șoarecii au fost condiționați pe parcursul a trei sesiuni pentru a asocia gelatina aromată cu clorura de litiu (LiCl) indusă de stare de rău (Figura 2a-c). Ambele grupuri au consumat semnificativ mai puțină aromă de gelatină asociată cu LiCl atunci când au fost testate la o zi după boală (Figura 2d-g). În schimb, după 3 luni de expunere la diete cu conținut scăzut sau ridicat de grăsimi, șoarecii slabi au menținut condiționarea evitării gustului la aroma asociată LiCl, în timp ce șoarecii obezi au consumat cantități comparabile din gelatina evaluată și devalorizată. (Figura 2h-k). Puterea devalorizării este reflectată de o diferență semnificativă în indicele de reevaluare între grupurile de dietă (Figura 2j). Când sunt saturați fie cu struguri, fie cu portocale Koolaid ™, atât șoarecii obezi, cât și șoarecii slabi au consumat cu ușurință o aromă nouă (Date extinse Figura 2a-d), indicând faptul că lipsa devalorizării LiCl nu s-a datorat modificărilor induse de obezitate în discriminarea aromelor. Astfel, șoarecii obezi au prezentat o devalorizare a recompensei afectată de evitarea gustului condiționat.

a) Procedura de devalorizare a degradării contingenței.

a) Schema înregistrărilor de electrofiziologie.

b) Obezitatea nu a modificat potențialul de membrană de repaus al neuronilor piramidali lOFC. Potențialul mediu al membranei (mV) al șoarecilor slabi (n = 10 celule/3 animale) și obezi (n = 8 celule/3 animale). Test nepereche: t (16) = 1,194, p = 0,25.

c) Înregistrări reprezentative ale potențialelor de acțiune observate la pași curenți de 100pA, 300pA și 500pA de la neuronii piramidali lOFC ai șoarecilor slabi și obezi.

d) Obezitatea indusă de dietă a crescut excitabilitatea neuronilor piramidali lOFC, așa cum este indicat de graficele potențiale de acțiune în frecvență-curent (FI) la injecțiile curente de la 0pA la 500pA de slab (n = 8 celule/3 animale) și obez (n = 8 celule/3 animale) șoareci. RM ANOVA bidirecțional: efectul pasului curent F (20.672) = 298,7 p cre) șoareci și și-a redus activitatea cu infuzie locală de inhibitori dependenți de creori Designer Receptor activat exclusiv de Designer Drug (DREADD; hM4D (Gi)), care este activat de ligandul inert clozapină n-oxid (CNO; Figura 5a, b și date extinse Figura 4a). CNO a scăzut rata de ardere a neuronilor lOFC GABAergici (Figura 5c, d). Apoi, am examinat dacă dezinhibarea LOFC a influențat devalorizarea recompensei. În timp ce șoarecii care exprimă un reporter de control în neuronii GABAergici lOFC au prezentat devalorizarea indusă de sațietate ca răspuns la CNO, șoarecii care exprimă hM4D (Gi) în neuronii lOFC GABAergici au arătat deprecierea recompensei indusă de sațietate (Figura 5e, f, date extinse Figura 4c-e). În concordanță cu aceste efecte, dezinhibarea lOFC a afectat și devalorizarea recompensei indusă de LiCl (Figura 5g-h, date extinse Figura 4f-h). Luate împreună, aceste date indică faptul că transmiterea lOFC GABAergică este necesară pentru un comportament orientat spre obiectiv.

a) Strategia de direcționare chimiogenetică a neuronilor inhibitori ai lOFC.

b) Reprezentări schematice ale expresiei hM4D (Gi) în lOFC. Numerele corespund distanței anterioare de Bregma (mm).

c) Schema experimentelor de electrofiziologie cu patch-clamp pe neuroni cre VGAT care exprimă hM4D (Gi) în lOFC.

d) Aplicarea CNO (10 µM) a redus declanșarea neuronilor inhibitori LOFC Inserare: Răspuns mediu înainte și după CNO. N = 6 celule/3 celule. Testul Wilcoxon t: p = 0,0312 *.

e) Șoarecii cre VGAT care exprimă mCherry (n = 7) afișează devalorizarea recompensei în urma VEH și CNO (IP, 2 mg/kg) indicată prin apăsări reduse ale pârghiei în stare devalorizată. RM ANOVA bidirecțional, mCherry: interacțiune de devalorizare CNO x: F (1,6) = 0,156 p = 0,7069. În concordanță cu ipoteza noastră a priori că ambele grupuri s-ar deprecia, a existat un efect principal de devalorizare F (1,6) = 26,18 p = 0,0022 **, testul de comparații multiple al lui Sidak mCherry VEH p = 0,0209 *, mCherry CNO p = 0,0111 *. Șoarecii cre VGAT care exprimă hM4D (Gi) (n = 9) afișează devalorizarea recompensei după injectarea de VEH, dar nu și CNO. RM ANOVA bidirecțională: interacțiune de devalorizare CNO x: F (1,16) = 1,077, p = 0,3147, efect de devalorizare: F (1, 16) = 2,524, p = 0,1317; efect medicamentos: F (1, 16) = 8,794 p = 0,0091 **. Ipoteza noastră a priori a fost că grupul VEH, dar nu grupul CNO, ar fi devalorizat. Testele de comparații multiple ale lui Sidak hM4D (Gi) VEH p = 0,024 *, hM4D (Gi) CNO p = 0,3467.

f) Presele cu pârghie normalizată ale șoarecilor cre VGAT care exprimă mCherry (n = 7) sau hM4D (Gi) (n = 9) în lOFC după vehiculul IP sau CNO în condițiile evaluate sau devalorizate. T-teste asociate: Control + vehicul: t (6) = 6.305, p = 0.0007 ***, Control + CNO: t (6) = 5.324, p = 0.0018 **, hM4D (Gi) + vehicul: t) = 6.816, p = 0.0001 ***, hM4D (Gi) + CNO: t (8) = 0.1889, p = 0.8549.

g) Șoarecii cre VGAT care exprimă mCherry (n = 12) afișează devalorizarea recompensei după VEH și CNO (IP, 2mg/kg) indicată de consumul scăzut de gelatină în condiții devalorizate. RM ANOVA bidirecțional, mCherry: interacțiune de devalorizare CNO x: F (1,11) = 0,0008, p = 0,97. În concordanță cu ipoteza noastră a priori că ambele grupuri s-ar deprecia, a existat un efect de devalorizare: F (1,11) = 19,72 p = 0,001 ***, testul de comparații multiple al lui Sidak mCherry VEH p = 0,0004 ***, mCherry CNO p = 0,0004 * **. Șoarecii cre VGAT care exprimă hM4D (Gi) (n = 13) afișează devalorizarea recompensei după injectarea de VEH, dar nu și CNO. RM ANOVA bidirecțional: hM4D (Gi): VEH vs CNO, F (1,12) = 5,664 p = 0,0348 *, interacțiunea devalorizare medicament x F (1,12) = 9,492 p = 0,0095 **, testul de comparație multiplă al lui Sidak: hM4D (Gi ) VEH: p = 0,008 **, hM4D (Gi) CNO: p = 0,6784.

a) Reprezentări schematice ale expresiei ChR2 în lOFC pentru experimente de electrofiziologie. Numerele corespund distanței anterioare de Bregma (mm).

b) Schema electrofiziologiei patch-clamp a neuronilor piramidali lOFC.

c) Înregistrări reprezentative ale potențialelor de acțiune la injecții curente de 100pA, 300pA și 500pA în neuroni piramidali lOFC de la șoareci obezi înainte și după fotostimulare (473nm) de interneuroni inhibitori.

a) Înregistrări reprezentative ale potențialelor de acțiune observate la injecții de 100pA, 300pA și 500pA în lOFC de la șoareci obezi în prezența aCSF sau NNC-711 (10 µM).

b) Obezitatea crește excitabilitatea neuronilor piramidali lOFC și îmbunătățirea neurotransmisiei inhibitoare prin aplicarea NNC-711 restabilește excitabilitatea. Graficul F-I al activității neuronale piramidale de la șoareci slabi (n = 8 celule/4 șoareci), obezi (n = 10 celule/4 șoareci) și obezi + NNC-711 (n = 10 celule/6 șoareci). RM în două direcții ANOVA: efectul pasului curent F (2.068,49.63) = 170,5, p 9 și oamenii 8, nu era clar dacă acest lucru se datora procesării alterate a sațietății, eșecului învățării asociative sau comportamentului inflexibil. Deficiențele în devalorizarea recompensei observate aici sunt puțin probabil să rezulte dintr-un eșec al învățării asociative. Deficitul de devalorizare indus de obezitate a fost observat în experimentul condiționat de evitare a gustului, unde condiționarea a avut loc înainte de expunerea la o dietă obezogenă. În plus, devalorizarea a fost restabilită la șoareci obezi cu un ton lOFC GABAergic îmbunătățit, sugerând că aceste asociații au fost inițial făcute.

Obezitatea reduce tonusul inhibitor în lOFC și dezinhibă principalii neuroni de ieșire

Devalorizarea recompensei necesită unitatea sinaptică GABAergică adecvată pe neuronii piramidali lOFC

Rezultatele noastre susțin ipoteza că devalorizarea recompensei necesită un ton inhibitor suficient în lOFC. Folosind chimiogenetica, inhibarea neuronilor lOFC GABAergici ai șoarecilor slabi perturbă atât devalorizarea recompensei indusă de sațietate, cât și devalorizarea prin evitarea gustului condiționat. Important, inactivarea OFC nu modifică gustul recompenselor alimentare 11, sugerând că deprecierea devalorizării este probabil legată de comportamentul modificat orientat spre obiectiv. Într-adevăr, interneuronii care conțin parvalbumină (PV +) din OFC facilitează flexibilitatea cognitivă, deoarece șoarecii cu expresie PV + redusă au afectat învățarea inversă 28. Dieta poate influența expresia netă perineuronală în jurul PV + interneuronilor OFC 29 și acest lucru ar putea influența transmiterea sinaptică a acestora 30. Prin urmare, PV + interneuronii sunt o țintă probabilă pentru modificările induse de obezitate în funcția OFC și lucrările viitoare ar trebui să investigheze subtipul interneuronului și mecanismele transmiterii sinaptice modificate influențate de obezitate.

Inactivarea chimiogenetică a OFC sau a rezultatelor sale striatale afectează devalorizarea recompensei indusă de sațietate la șobolani 14. Deși acest lucru poate părea să contrasteze rezultatele noastre care arată dezinhibarea OFC afectează devalorizarea, propunem că orice modificare a activității de declanșare asemănătoare rețelei a neuronilor de ieșire OFC, fie prin dezinhibare sau inhibare completă, va afecta capacitatea mouse-ului de a actualiza acțiunile pe baza valorii recompensei actuale. Acest lucru sugerează că acest circuit funcțional este sensibil la schimbările în modelele de tragere și că orice perturbare a activității în aceste căi cortico-striatale ar modifica comportamentul de devalorizare a recompensei și flexibilitatea cognitivă.

Creșterea tonusului GABAergic restabilește devalorizarea la șoarecii obezi

Aceste date propun că modificările induse de obezitate în funcția lOFC împiedică capacitatea cuiva de a actualiza acțiunile pe baza informațiilor actuale și sugerează că perturbările induse de obezitate în funcționarea lOFC pot fi un mecanism de bază care contribuie la un ciclu vicios, în care indivizii continuă să mănânce dincolo de sațietate. . În prezent, există cinci terapii medicamentoase aprobate pentru gestionarea greutății pe termen lung și doar două au demonstrat eficacitatea minimă a pierderii în greutate. Astfel, dezvoltarea de noi terapii este de o importanță critică, iar concluziile noastre conform căreia impulsul inhibitor în regiunile orbitale ale lobilor frontali are impact asupra proceselor de recompensare oferă o nouă țintă presupusă pentru terapeutice.

Finanțare și divulgare

Această cercetare a fost susținută de un grant de funcționare al Institutelor Canadiene de Cercetare în Sănătate (CIHR, FDN-147473) și de o catedră de cercetare din Canada de nivel 1 (950-232211) către SLB. Lindsay Naef a fost susținută de premii postdoctorale de la Les Fonds de la Recherche en Sante du Quebec, Alberta Innovates Health Solutions și CIHR. Lauren Seabrook a fost susținută de o bursă de doctorat în neurologie Harley Hotchkiss. Autorii declară că nu există interese financiare concurente.