• Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Record ORCID pentru Igor Timofeev
  • Pentru corespondență: [email protected]

Abstract

Semnificaţie Deoarece expresia ΔFosB este asociată cu o reducere a activității la neuroni, o expresie mai mare a ΔFosB la mPFC, Acb și VTA de șobolani predispuși la consumul de exces comparativ cu șobolanii rezistenți la consumul de exces sugerează o scădere a activității neuronale în aceste regiuni, ceea ce este consecvent cu rezultate observate în studiile de neuroimagistică la pacienții cu tulburări alimentare. Această scădere a activității datorată expresiei osFosB poate sta la baza compulsivității și a consumului excesiv de alimente gustoase observate atât în ​​modelul nostru de șobolani, al pacienților cu tulburări de alimentație asemănătoare, cât și cu tulburări de alimentație.

deltafosb

Introducere

Tulburările alimentare, și anume Anorexia Nervoasă (AN), Bulimia Nervoasă (BN) și Binge Eating Disorder (BED), provoacă tulburări severe obiceiurilor alimentare. Hudson, Hiripi (1) au raportat o rată de prevalență pe viață de 0,6% pentru AN (0,9% pentru femei și 0,3% pentru bărbați), 1% pentru BN (1,5% pentru femei și 0,5% pentru bărbați) și 3% pentru BED 3,5 % dintre femei și 2,0% dintre bărbați), ceea ce sugerează că femeile sunt mai predispuse la tulburări de alimentație decât bărbații și că BED este cea mai răspândită tulburare de alimentație [2]. În ciuda acestei prevalențe ridicate, fiziopatologia BED este încă slab înțeleasă [3].

BED se caracterizează prin consumul unei cantități mari de alimente gustoase decât s-ar consuma în mod normal într-o perioadă discretă de timp și o pierdere a sentimentului de control în timpul episodului bingeing [4]. Episoadele neclare sunt de obicei declanșate de evenimente stresante [5]. În timp ce o serie de studii de neuroimagistică, folosind imagistica prin rezonanță magnetică funcțională la om, au arătat că BED este asociat cu o creștere a activității fMRI în regiunile de procesare a recompenselor cerebrale [6-9], altele au raportat o scădere a activității fMRI în regiuni similare [10- 14]. Prin urmare, nu este clar dacă BED este asociat cu o creștere sau o scădere a activității neuronale în aceste regiuni.

Pentru a studia BED, au fost propuse modele de rozătoare dezvoltate folosind accesul intermitent la alimentele plăcute și fie restricția alimentară sau stresul, fie ambele, [15]. Chiar dacă fiecare model are punctele forte și punctele sale slabe, niciunul dintre aceste modele BED nu îndeplinește toate criteriile definite în ediția a cincea a Manualului de diagnostic și statistic al tulburărilor mintale (DSM V). Deoarece BED implică consumul de alimente plăcute și este declanșat de un eveniment stresant, am dezvoltat recent un model de șobolan care mănâncă binge, folosind accesul intermitent la soluția de zaharoză și stresul piciorului fără restricții alimentare, rezultând o binge predispusă la consumul de mâncare (BEP; 30 % din șobolani) și fenotipuri rezistente la consumul excesiv (BER; 30% din șobolani) fenotipuri de șobolan [16].

Materiale și metode

Toate experimentele au fost efectuate în conformitate cu liniile directoare ale Consiliului canadian pentru îngrijirea animalelor și aprobate de Comitetul de etică și cercetare a animalelor de la Université Laval (protocol 2017013) .

Animale

Patruzeci de șobolani Sprague-Dawley de 45 de zile naivi (greutate corporală: 151-175 g) au fost achiziționați de la laboratoarele de reproducere canadiene (St-Constant QC, Canada) pentru acest studiu. Fiecare șobolan a fost adăpostit individual și menținut pe un ciclu de lumină/întuneric de 12 ore, cu ciclul întunericului începând la ora 14:00 într-o instalație de adăpostire cu o temperatură ambientală de 23 ± 1 ° C. Cu excepția cazului în care se specifică altfel, toți șobolanii au avut acces ad-libitum la apa de la robinet și la șobolanii standard (2018 Teklad Global 185 Protein Diet; 3,1 kcal/g, Harlan Teklad, Montreal, QC). Am permis șapte zile pentru aclimatizarea șobolanilor la condițiile de mediu, urmată de acces 24 de ore la o soluție de zaharoză 10%, cu o săptămână înainte de începerea experimentelor, pentru a preveni neofobia la gustul soluției de zaharoză.

Generarea de fenotipuri de șobolan care mănâncă binge

Test pentru compulsivitate

Cuantificarea celulelor imunoreactive

Pentru a cuantifica celulele dublu-etichetate, toate secțiunile au fost scanate folosind scanerul TISSUEScope 4000 pentru a obține imagini de înaltă calitate ale secțiunilor și regiunilor de interes (un exemplu de secțiune tipică etichetată GAD/osFosB este prezentată în Figura 1A). Celulele care exprimă OsFosB au fost apoi identificate în toate regiunile de interes subliniate (Figura 1B), așa cum a fost descris anterior. Software-ul Image-Pro Plus a definit coordonatele tuturor celulelor identificate care exprimă osFosB utilizând parametrii Centrul X și Centrul Y. Coordonatele tuturor celulelor au fost apoi exportate în fișiere Excel. În mod similar, expresia ARNm GAD sau TH obținută prin hibridizare in situ, care apare ca boabe de argint închis, a fost, de asemenea, identificată pe baza parametrilor specifici (în pixeli): 1-90; dimensiune (lungime): 1-20; dimensiune): 1 - 20; Figura 1C) și coordonatele acestora au fost exportate în fișiere Excel. Prin utilizarea unui script MATLAB personalizat, celulele dublu-marcate au fost identificate atunci când a existat o suprapunere a expresiei osFosB și a expresiei ARNm în aceeași locație așa cum se arată în Figura 1D. Cel mai mic număr de boabe de argint negru necesare pentru ca o celulă să fie considerată dublă a fost stabilit la 5. În plus față de numărul de celule dublu etichetate, celulele care exprimă osFosB au fost identificate doar folosind scriptul MATLAB. Codul este disponibil ca date extinse.

Identificarea celulelor dublu-marcate (celule care exprimă atât ARNm osFosB, cât și GAD65 în acest exemplu) utilizând software-ul Image-Pro Plus și un script MATLAB personalizat. A) Un exemplu de secțiune cerebrală de șobolan scanată care prezintă celule care exprimă ΔFosB (colorare maro închis) și expresie mARN ARNGAD (boabe de argint închis) B) Identificarea celulelor care exprimă osFosB (culoare roșie) folosind software-ul Image-Pro Plus. C) Expresia ARNm GAD65 detectată (culoare roșie) utilizând software-ul Image-Pro Plus. D) Identificarea celulelor dublu etichetate folosind un script MATLAB personalizat. În cercul albastru sunt celule care exprimă osFosB care conțin mai mult de cinci boabe de argint închis (puncte roșii).

Analize statistice

Expresia osFosB în neuroni în regiunile de procesare a gustului. A) și B) Imagini care prezintă expresia ΔFosB în neuroni în părțile laterale (PBNl) și mediale (PBNm) ale nucleului parabrahial (PBN) de șobolani predispuși la consumarea excesivă (BEP) și șobolani rezistenți la consumul excesiv (BER). C) și D) Numărul de celule ΔFosB-pozitive în PBNl și PBNm la șobolani BEP și BER. E) și F) Imagini care prezintă expresia ΔFosB în neuroni în cortexul insular (IC) al șobolanilor BEP și BER. D) Numărul de celule osFosB-pozitive din IC ale șobolanilor BEP și BER. Bara de scalare: 200 µm.

De asemenea, am analizat expresia osFosB în două regiuni de procesare a stresului: LC și PVN (Figura 6). Analizele noastre au arătat că a existat un număr semnificativ mai mare de celule care exprimă osFosB atât în ​​părțile magnocelulare cât și în cele parvocelulare ale PVN de șobolani BEP (Figura 6A-D). Cu toate acestea, expresia ΔFosB în LC a șobolanilor BEP și BER (Figura 6E-G) a fost similară.

Expresia ARNm osFosB și GAD65 în neuronii din zona tegmentală ventrală (VTA) la șobolani predispuși la consumul excesiv (BEP) și la șobolanii rezistenți la consumul excesiv (BER). A) și B) Imagini care arată marcarea osFosB (maro închis) și ARNm GAD65 (boabe de argint închis) în neuroni în VTA la șobolani BER. C) Numărul de celule care exprimă ARNm osFosB/GAD65 în VTA la șobolani BEP și BER. D) și E) Imagini care arată etichetarea ARNm osFosB și GAD65 în neuroni în VTA la șobolani BEP. F) Procentul de celule dublu-marcate (celule ΔFosB care exprimă ARNm GAD65) în VTA de șobolani BER și BEP. Săgețile negre indică neuronii dublați, iar săgețile albe indică numai celulele marcate cu osFosB. Bara de scalare: (A și C) = 200 µm, (B și D) = 50 µm.

Celulele care au co-exprimat osFosB și TH-mARN au fost observate în VTA (Figura 9A, B, D și E). Numărul de celule care au exprimat atât osFosB, cât și TH-mARN în VTA al șobolanilor BEP a fost semnificativ mai mare decât cel al șobolanilor BER (p = 0,0430; Figura 9C). Cu toate acestea, nu a existat nicio diferență în procentul de celule care exprimă ΔFosB, care au fost, de asemenea, pozitive pentru ARNm TH (p = 0,2962; Figura 9F) la șobolanii BEP și BER.

Expresia RPhosB și TH mARN în neuronii din zona tegmentală ventrală (VTA) la șobolanii binge eating end (BEP) și binge eating rezistent (BER). A) și B) Imagini care arată etichetarea ofFosB (maro închis) și TH mARN (boabe de argint închis) în neuroni în VTA la șobolani BER. C) Numărul de celule care exprimă mRNA osFosB/TH în VTA la șobolani BEP și BER. D) și E) Imagini care arată etichetarea ARNm ΔFosB și TH în neuroni în VTA la șobolani BEP. F) Procentul de celule dublu-marcate (celule ΔFosB care exprimă mRNA TH) în VTA de șobolani BER și BEP. Săgețile negre indică neuronii dublați, iar săgețile albe indică numai celulele marcate cu osFosB. Bara de scalare: (A și C) = 200 µm, (B și D) = 50 µm.

Discuţie

BED implică consumul unei cantități mari de alimente plăcute și este de obicei declanșat de stres, ceea ce sugerează că pot fi implicate regiuni cerebrale de recompensă, gust și procesare a stresului [4, 5]. Pentru a verifica aceste ipoteze, am evaluat expresia ΔFosB în neuronii din aceste regiuni în modelul nostru de șobolan care mănâncă în exces [16]. OsFosB a fost exprimat după stimulare neuronală repetată, iar modelul nostru de șobolan de mâncare asemănător binge-ului a fost dezvoltat folosind accesuri repetate la zaharoză și mai multe stresuri de șoc picior. Rezultatele noastre arată că principalele regiuni ale creierului implicate în BED sunt regiunile de procesare a recompenselor (mPFC, Acb și VTA). La șobolanii BEP, numărul neuronilor osFosB-pozitivi a fost mai mare în aceste regiuni decât la șobolanii BER. În plus, chiar dacă proporțiile neuronilor non-GABAergic și GABAergic din mPFC, neuronii GABAergic la Acb și neuroni dopaminergici la VTA au fost similare la șobolanii BEP și BER, proporția neuronilor VTA GABAergic implicați în dezvoltarea binge-eating a fost diferit între cele două fenotipuri.

Expresia osFosB în Acb a dus la o reducere a activității neuronilor medii spinoși [36]. Am observat o expresie ridicată a osFosB în Acb a BEP comparativ cu șobolanii BER. Acest lucru sugerează că a existat o reducere semnificativă a excitabilității neuronilor medii spinoși [36] în Acb de BEP comparativ cu șobolanii BER. În literatura de specialitate, studiile au arătat că o scădere a arderii neuronale în Acb a indus o creștere a consumului de alimente, unde stimularea a scăzut-o [37-39]. De asemenea, s-a arătat că inhibarea Acb duce la o creștere a răspunsului la [40] și consumul de [23] la recompensă. În plus, stimularea creierului Acb la șoareci atenuează consumul excesiv [13]. Expresia ridicată de osFosB din Acb poate fi legată de aportul ridicat de zaharoză observat în grupul nostru BEP.

S-a demonstrat că expresia osFosB în hipocampus scade și activitatea neuronală [41]. Prin urmare, concluzionăm că activitatea neuronilor care exprimă osFosB atât în ​​mPFC, cât și în VTA ar scădea, de asemenea, și această scădere este mai mare la BEP decât la șobolanii BER. Rezultatele noastre extind rezultatele studiilor de neuroimagistică care au relevat o reducere a activității la mPFC [11, 12, 14], VTA [42, 43] și Acb [10] la pacienții cu BED. Mai mult, o scădere a activității mPFC este asociată cu compulsivitatea [44]. Pacienții cu BED prezintă un comportament compulsiv, care este asociat cu o pierdere a controlului inhibitor din cauza hipoactivității în mPFC [11, 12]. Testul nostru de cutie deschisă/întunecată a arătat că șobolanii BEP au petrecut mai mult timp în zona zaharoză și au consumat mai mult zaharoză decât șobolanii BER, în ciuda expunerii la zona de lumină aversivă, așa cum sa arătat anterior [16]. Nu este surprinzător faptul că șobolanii consumă alimente mai plăcute atunci când sunt disponibile, dar șobolanii BEP au consumat mai mult zaharoză în ciuda stării adverse (zona de lumină) care este anormală [45]. Șobolanii BEP din studiul nostru, prin urmare, prezintă un comportament asemănător compulsiv, unul dintre simptomele tulburării de alimentație excesivă [4].

Neuronii din regiunile de procesare a gustului (IC și PBN) au exprimat ΔFosB, iar numărul neuronilor care exprimă ΔFosB în aceste regiuni a fost similar în cele două fenotipuri, ceea ce sugerează că ambele fenotipuri au procesat gustul zaharozei în mod similar, chiar dacă șobolanii BEP au consumat mai mult zaharoză decât șobolanii BER.

Neuronii din LC, o structură cu funcții multiple, inclusiv procesarea stresului, au exprimat, de asemenea, osFosB. Stimulii acută de stres au determinat o creștere a activității unității unice în neuronii LC și nivelurile plasmatice de norepinefrină [46]. Stresul acut activează LC [47] dar pe măsură ce crește numărul de stresuri, se acumulează osFosB ceea ce reduce activitatea neuronilor LC. Nu am găsit o diferență la nivelul expresiei LC ΔFosB probabil pentru că am folosit stresuri repetate ale șocului piciorului în studiul nostru.

Stresul activează, de asemenea, axa hipotalamo-hipofizo-suprarenală (HPA). Expresia osFosB în PVN a fost mai mare la BEP decât la șobolanii BER, prin urmare activitatea acestor neuroni a fost redusă la șobolanii BEP. Am arătat anterior că acești șobolani BEP au prezentat o activare a axei HPA indusă de stres, cu întreruperea nivelului de corticosteron și a factorului de eliberare a corticotropinei (CRF) [48]. Acest lucru se poate datora numărului mare de neuroni care exprimă osFosB în PVN al șobolanilor BEP observat după stresuri repetate.

În concluzie, aceste experimente au fost concepute pentru a analiza, pentru prima dată, expresia ΔFosB în diferite regiuni ale creierului în timpul dezvoltării consumului asemănător de binge într-un model de șobolan. Am constatat că sistemul de recompensă este foarte important pentru dezvoltarea alimentelor asemănătoare. În acest sistem de recompensă, proporțiile subtipurilor de neuroni implicate au fost similare la mPFC și Acb, dar diferite la VTA la șobolanii BEP și BER. Rezultatele sugerează că aceste diferențe de proporție în VTA pot juca un rol important în bingeing.

Date extinse

Codul pentru detectarea dublei etichetări este încărcat pe site-ul web al jurnalului.

Codul poate fi rulat în Matlab. A fost folosit pentru a detecta numai celulele FosB sau celule dublu-marcate.

Confirmare

Această lucrare a fost finanțată de Consiliul de Cercetări în Științe Naturale și Inginerie din Canada (NSERC; E.T., grant 1295926) și Institutul canadian de cercetare în sănătate (CIHR; E.T., grant 102659, I.T. grant 136969). Dorim să-i mulțumim lui Christophe Lenglos pentru furnizarea scripturilor MATLAB pentru analizele deltaFosB, glutamat decarboxilază 65 și tirozină hidroxilază expresie mARN în acest studiu.

Note de subsol

Conflict de interese: Autorii declară că nu există interese financiare concurente.