• Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Pentru corespondență: mcewen @ mail.rockefeller.edugoulde @ princeton.edu

Contribuit de Bruce S. McEwen, 22 octombrie 2015 (trimis spre revizuire 15 iunie 2015; revizuit de Heather A. Cameron și Cheryl D. Conrad)

modifică

Semnificaţie

La om, obezitatea afectează cunoașterea și produce atrofia regiunilor creierului asociate cu învățarea și memoria, dar puține studii au investigat mecanismele celulare care stau la baza. Am folosit un model de obezitate indus de dietă la șobolani pentru a studia creșterea excesivă în greutate și am constatat că obezitatea în stadiu incipient, înainte de apariția diabetului sau a sindromului metabolic, a produs deficite în sarcinile cognitive care necesită cortexul prefrontal. Deficiența cognitivă a fost asociată cu pierderea sinapselor, incluzând un număr redus de coloane dendritice și expresia proteinelor sinaptice, precum și modificări structurale ale celulelor imune ale creierului, microglia. Aceste rezultate sugerează cu tărie că obezitatea trebuie considerată ca un factor care contribuie la disfuncția creierului, cu implicații pentru creșterea frecvenței acesteia în societatea occidentală contemporană.

Abstract

Obezitatea este o problemă majoră de sănătate publică care afectează bunăstarea fizică și emoțională generală. În ciuda datelor convingătoare care sugerează o asociere între obezitate și disfuncția cognitivă, acest fenomen a primit relativ puțină atenție. Studiile de neuroimagistică la oameni obezi raportează dimensiuni reduse ale regiunilor cerebrale implicate în cunoaștere, însă puține studii au investigat procesele celulare care stau la baza declinului cognitiv al obezității sau influența obezității asupra cunoașterii în absența bolilor legate de obezitate. Aici, un model de obezitate indusă de dietă a fost folosit pentru a explora schimbările din regiunile creierului importante pentru cunoaștere. Șobolanii obezi au prezentat deficite în sarcinile cognitive care necesită cortexul prefrontal și perirhinal. Deficitul cognitiv a fost însoțit de scăderea densității coloanei dendritice și a expresiei markerului sinaptic în ambele regiuni ale creierului. Morfologia microglială a fost modificată și în cortexul prefrontal. Modificări dăunătoare ale cortexului prefrontal și ale cortexului peririnal au apărut înainte de sindromul metabolic sau diabetul zaharat, sugerând că aceste regiuni ale creierului pot fi deosebit de vulnerabile la obezitatea în stadiu incipient.

Obezitatea este o preocupare în creștere a sănătății publice, afectând mai mult de o treime din populația adultă din Statele Unite (1). Obezitatea crește incidența diabetului, a bolilor vasculare și a bolilor mentale, toate acestea reducând calitatea vieții și pun o povară financiară grea asupra pacienților și societății. Consecințele mai puțin recunoscute ale obezității sunt efectele sale dăunătoare asupra funcției cognitive. Performanța cognitivă individuală, atât rudimentară, cât și scolastică, scade odată cu creșterea masei corporale și a consumului de energie (2 ⇓ ⇓ –5). Aceste deficite pot fi observate de-a lungul vieții, de la copilărie până la vârsta adultă târzie. Obezitatea este, de asemenea, asociată cu o incidență crescută a afectării cognitive ușoare și a demenței la vârstnici (6).

Unele dovezi sugerează că indivizii obezi au scăzut volumul general al creierului (7), cu studii suplimentare care indică reduceri mai specifice ale volumului regiunilor creierului importante pentru cunoaștere, inclusiv hipocampul, cortexul prefrontal (PFC) și cingulatul anterior (5, 8, 9). Cu toate acestea, puține studii au investigat mecanismele celulare și biochimice care ar putea sta la baza schimbărilor volumului creierului și ale funcției cognitive induse de obezitate.

Rezultate

Caracteristici metabolice.

Pentru aceste studii, am folosit dieta pentru a induce obezitatea, deoarece epidemia de obezitate din Statele Unite este determinată în primul rând de consumul de alimente gustoase, calorii, mai degrabă decât de mutații genetice (14, 15). Șobolanii masculi adulți hrăniți cu o dietă bogată în grăsimi, plăcută, completă din punct de vedere nutrițional, au arătat o greutate corporală crescută în perioada de acces de 8 săptămâni, comparativ cu martorii hrăniți cu chow standard pentru rozătoare, cu efect săptămânal (F8.112 = 1.244.80, P cu 25% mai greu a crescut abdominal (t14 = 4,84, P Vizualizați acest tabel:

  • Vizualizați în linie
  • Vizualizați fereastra pop-up

Dieta bogată în grăsimi timp de 8 săptămâni produce obezitate fără semne definitive de sindrom metabolic sau diabet

Sindromul metabolic, un precursor frecvent al diabetului care apare frecvent la obezitate, este asociat cu niveluri crescute de glucoză, precum și cu niveluri crescute de bază de corticosteron (12, 16). Șobolanii noștri obezi nu au prezentat aceste semne ale sindromului metabolic și nici nu au prezentat semne de diabet. În primul rând, atât nivelul glucozei, cât și cel al insulinei nu au diferit între grupuri (Tabelul 1). Aceste măsuri au fost utilizate pentru a determina indicele cantitativ de verificare a sensibilității la insulină (QUICKI). QUICKI este un model matematic bazat pe valori ale glucozei plasmatice transformate în log și ale insulinei, după cum urmează: 1/(log [glucoză] + log [insulină]), care prezice sensibilitatea la insulină, un indicator important al diabetului, cu valori mai mici reprezentând mai multă rezistență la insulină. În studiul actual, nu a existat nicio diferență în valorile QUICKI între grupuri (t14 = 0,70, P = 0,50; obezi, 0,36 ± 0,01; martor, 0,37 ± 0,01). În al doilea rând, nivelurile de corticosteron au fost reduse, nu crescute, la șobolanii noștri obezi (t14 = 2,38, P = 0,03) (Tabelul 1).

Luate împreună, aceste descoperiri indică faptul că ne-am evaluat șobolanii atunci când erau în mod clar obezi, dar încă relativ sănătoși. Trebuie menționat, totuși, că șobolanii noștri obezi aveau niveluri crescute de leptină periferică (Tabelul 1), care, împreună cu niveluri crescute de trigliceride și creșterea grăsimii abdominale (Anexa SI, Fig. S2), sunt considerați predictori ai sindromului metabolic iminent . (12, 16). Nivelurile de testosteron la bărbați s-au dovedit a fi reduse în cazurile de obezitate pe termen lung și extrem (17), dar nu am găsit nicio diferență semnificativă statistic în nivelurile de testosteron între grupurile de control și cele obeze (Tabelul 1), sugerând din nou că șobolanii noștri obezi au fost în stadiile incipiente ale obezității.

Obezitatea produce deficite cognitive.

Șobolanii obezi au fost afectați în unele sarcini cognitive, dar nu în toate. Șobolanii obezi și de control au fost testați pe sarcini de memorie a obiectelor și schimbarea atențională (ASST). Șobolanii obezi au avut un raport de discriminare mai scăzut pentru testele de recunoaștere a obiectelor noi (A) și obiectul în loc (C), dar nu localizarea obiectului (B). * P ⇓ –21). Șobolanii obezi au avut o performanță slabă la ASST comparativ cu martorii normali ai greutății (F1,12 = 20.45, P χ 1 2 = 0.20, P = 0.65; vibrissae, χ 1 2 = n/a deoarece răspunsul de 100% din ambele grupuri; vanilie olfactivă, t14 = 0,23, P = 0,82; olfactiv feminin, t14 = 0,56, P = 0,58) (Anexa SI, Tabelul S3). Testele comportamentale de anxietate, inclusiv hrănirea suprimată prin noutate și timpul petrecut explorând centrul unui câmp deschis, nu au arătat, de asemenea, diferențe între grupuri (hrănirea suprimată prin noutate, t14 = 0,19, P = 0,85; câmp deschis, t14 = 0,71, P = 0,49) (Anexa SI, Tabelul S3). Împreună, aceste date nu indică deficite semnificative în locomoția de bază, procesarea senzorială sau reglarea anxietății la șobolanii noștri obezi, deși nu putem exclude posibilitatea existenței unor diferențe mai subtile.

Obezitatea reduce densitatea coloanei vertebrale dendritice și proteinele sinaptice în PFC și RPC.

Densitatea coloanei vertebrale dendritice pe dendritele apicale ale neuronilor piramidali impregnați de Golgi în stratul II/III al PFC (t14 = 2,63, P = 0,02) (Fig. 2) și stratul II/III din RPC (t14 = 2,24, P = 0,04) (Fig. 2D) a scăzut comparativ cu controalele, în timp ce densitatea coloanei dendritice pe dendritele apicale ale neuronilor piramidali din regiunea CA1 a HIP la șobolanii obezi nu a fost diferită de martori (t14 = 1,21, P = 0,25) (Fig. 2D ).). La toate cele trei populații neuronale, nu s-au observat modificări ale densității sau complexității coloanei dendritice în arborele dendritic bazal al celulelor impregnate cu Golgi (densitatea coloanei vertebrale, PFC t14 = 0,93, P = 0,37, PRC t14 = 0,96, P = 0,35, HIPCA1, t14 = 0,20, P = 0,85; puncte de ramificare, PFC t14 = 1,17, P = 0,26, PRC t14 = 0,21, P = 0,84, HIPCA1 t14 = 1,12, P = 0,28) (Anexa SI, tabelele S4 și S5). De asemenea, nu s-au observat diferențe în complexitatea apicală a arborelui dendritic în stratul II/III al PFC (t14 = 0,41, P = 0,69), stratul II/III din RPC (t14 = 0,04, P = 0,97) și CA1 (t14 = 0,43, P = 0,68) din HIP (Anexa SI, Tabelul S5). Deoarece stresul cronic scade complexitatea arborelui dendritic apical al neuronilor piramidali CA3 (24), am examinat punctele ramurilor dendritice de pe arborele apical CA3 și nu am găsit diferențe între șobolanii martor și obezi (t14 = 0,72, P = 0,48) (SI Anexa, Tabelul S5).

Obezitatea a scăzut nivelul proteinelor sinaptice vGAT și vGLUT în PFC și PRC, dar nu și HIP. Imunofluorescența (A) și Western blot (B) pentru vGAT și imunofluorescența (C) și Western blotting (D) pentru vGLUT au arătat scăderi ale ambelor proteine ​​în PFC și PRC, dar nu și HIP. Inserțiile sunt eșantioane reprezentative de imunofluorescență și Western blots (control pe stânga; obez pe dreapta) în PFC. * P ⇓ ⇓ –34), am examinat morfologia microgliei colorate pentru molecula ionizată 1 de adaptor de legare a calciului (iba-1) (o proteină de legare a calciului specifică pentru microglia/macrofage) în PFC, PRC și HIP. În PFC, microglia din straturile I și II/III au fost examinate deoarece aceste straturi conțin dendritele apicale ale neuronilor piramidali din stratul II/III, celule care prezintă dovezi ale pierderii coloanei dendritice la obezitate. Obezitatea a fost asociată cu creșteri mici, dar semnificative, în lungimea proceselor microgliene secundare și terțiare în stratul I (lungimea procesului secundar, t14 = 2,44, P = 0,03; lungimea procesului terțiar, t14 = 3,23, P = 0,006) (Fig. 5) . Creșteri similare au fost observate în procesele secundare ale microgliei stratului II/III (t14 = 2,55, P = 0,02, martor 7,13 ± 0,38; obezi, 8,95 ± 0,63). În schimb, nu s-au observat modificări în lungimea procesului microglial în RPC sau HIP (P> 0,05 pentru toate comparațiile) (Fig. 5 B și C).

Obezitatea a crescut lungimea proceselor microgliale în PFC. Imaginea confocală arată iba-1 - microglia colorată (săgeată) în PFC obez. Contraful albastru este un colorant ADN Hoechst (A). Analizele morfometrice ale microgliei colorate cu iba-1 au arătat creșteri mici, dar semnificative, în lungimea proceselor secundare (B) și terțiare (C) în PFC (stratul I), dar nu în PRC (stratul II/III) sau HIP (CA1) . * P 3 vs. obezi 1,2 ± 0,02 mm 3), în timp ce nu s-au observat diferențe în volumul HIP între grupuri (t14 = 0,83, P = 0,42; martor, 2,4 ± 0,02 mm 3 vs. obezi, 2,3 ± 0,02 mm 3). Volumul RPC nu a fost determinat, având în vedere dificultatea de a delimita granițele ferme pentru această zonă. Nu au fost observate diferențe în greutatea totală a creierului între șobolanii obezi și șobolanii martor (t14 = 0,82, P = 0,43; martor, 1,99 ± 0,03 g față de obezi, 2,06 ± 0,08 g).

Discuţie

Aici am arătat că obezitatea în stadiu incipient influențează funcția cognitivă, precum și structura creierului adult. După doar 8 săptămâni la o dietă bogată în grăsimi, șobolanii au prezentat performanțe reduse la sarcinile care necesită RPC sau PFC: recunoașterea obiectelor noi, obiectul în loc și schimbarea atenției. Împreună cu aceste deficite cognitive, șobolanii obezi au prezentat o densitate a coloanei vertebrale scăzută pe copacii dendritici apicali ai celulelor piramidale din RPC și PFC, care au coincis cu expresia scăzută a mai multor proteine ​​asociate cu sinapsele, inclusiv spinofilina, sinaptofizina, vGLUT și vGAT. În schimb, obezitatea în stadiu incipient nu a fost asociată cu o scădere a unei sarcini de localizare a obiectelor care necesită hipocampus. În mod consecvent, nu s-au observat modificări ale densității coloanei dendritice sau markeri sinaptici în hipocamp. Luate împreună, aceste descoperiri sugerează că obezitatea în stadiu incipient la șobolani afectează funcția cognitivă și reduce numărul sinapselor din RPC și PFC, dar nu și HIP.

Observațiile noastre că obezitatea în stadiu incipient este asociată cu densitatea redusă a coloanelor dendritice, precum și cu expresia redusă a markerilor presinaptici și postsinaptici în RPC și PFC, sugerează un mecanism de bază pentru disfuncția cognitivă. Fiecare dintre proteinele sinaptice pe care le-am examinat (spinofilina, sinaptofizina, vGAT și vGLUT) au fost legate de plasticitatea și cognitivitatea sinaptică. Scăderea combinată a tuturor acestor markeri, împreună cu o scădere a numărului de coloane dendritice, sugerează puternic o pierdere globală a sinapselor în ambele regiuni ale creierului. Deși rămâne posibil ca activitatea neuronală redusă și funcția afectată să preceadă pierderea sinapselor, un scenariu mai plauzibil este acela că pierderea sinapselor cu obezitate duce la disfuncții cognitive. Un studiu anterior care a arătat disfuncția cognitivă indusă de perturbarea circadiană, împreună cu scăderea numărului coloanei vertebrale pe dendritele apicale ale neuronilor piramidali PFC, este în concordanță cu constatările noastre, dar rămâne de stabilit măsura în care afectarea cognitivă este direct legată de creșterea în greutate asociată. (35).

Rezultatele prezentului raport sugerează că anumite regiuni ale creierului, și anume cortexul prefrontal și cortexul peririnal, devin compromise funcțional la începutul obezității. În schimb, hipocampul, o structură cunoscută a fi afectată de obezitatea în stadiu ulterior însoțită de sindrom metabolic, este relativ scutită în obezitatea timpurie. Aceste rezultate, împreună cu identificarea pierderilor substanțiale de sinapsă în zonele cu deficiențe funcționale, precum și a modificărilor microgliei și a modificărilor hormonale însoțitoare, sugerează mecanisme potențiale care stau la baza contracției creierului la oamenii obezi și sugerează în continuare o secvență de modificări ale creierului care pot servi ca puncte de timp pentru diferite tipuri de intervenție terapeutică.

Materiale și metode

Șobolani Sprague - Dawley masculi adulți au fost folosiți pentru aceste studii. Toate procedurile și protocoalele pentru animale au fost aprobate de Comitetul instituțional de îngrijire și utilizare a animalelor de la Universitatea Princeton și au urmat Ghidul Consiliului Național de Cercetare pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator (54). Șobolanilor asemănători vârstei li s-a acordat acces la o dietă bogată în grăsimi sau la un chow standard pentru rozătoare. După 8 săptămâni pe dietele descrise, șobolanii au fost testați cu sarcini comportamentale și creierul lor a fost examinat cu impregnarea Golgi pentru coloane dendritice, imunohistochimie și Western blots pentru proteine ​​sinaptice și imunohistochimie pentru morfologia microglială. Sângele a fost, de asemenea, testat pentru niveluri de trigliceride, leptină, glucoză, insulină, corticosteron și testosteron (Anexa SI, Materiale și metode SI).

Note de subsol

  • ↵ 1 Cui îi poate fi adresată corespondența. E-mail: mcewenmail.rockefeller.edu sau gouldeprinceton.edu .