PNAS:神經炎症破壞獎賞環路,腦成像可以預測兒童體重的增加

2020-11-29 腦科學君

自1975年以來，世界範圍內兒童和青少年的肥胖患病率已經翻了兩番，這是日後肥胖的一個重要預測因素。眾所周知，炎症與肥胖有關，但它在人腦中究竟是如何運作的，一直是個挑戰。以往的工作一直在觀察與獎勵相關的大腦區域(如伏隔核[NAcc])的宏觀測量與不健康飲食行為和結果之間的關係; 然而，這些關聯背後的機制尚不清楚。

最近的研究強調了神經炎症在飲食誘導肥胖動物模型中NAcc的潛在作用。在這裡，我們利用擴散MRI技術，限制譜成像 (RSI，圖1所示)，來探測大腦皮層下區域的微結構 (細胞密度)。更具體地說，我們驗證了獎勵相關區域的細胞密度與肥胖相關指標和早期體重增加相關的假設。

圖1：RSI示意圖。細胞內的水在神經元(橙色)和周圍的膠質細胞(灰色)內的擴散受到限制，而細胞外的水擴散(藍綠色)受到阻礙。限制擴散的比例與阻礙擴散成反比，即更大的細胞密度增加限制分數(底部)相對阻礙分數(頂部)。

我們利用了國立衛生研究院資助的青少年大腦認知發展(ABCD)研究公開數據集，研究跟蹤1.1萬多名兒童的大腦發育和健康結果。這些發現表明，腰圍較大的個體中存在細胞內擴散增加(受限)和細胞外擴散減少(受阻)，在尾狀核、殼核和蒼白球有更大的細胞結構。但NAcc與腰圍(圖2)和BMI的關係最為密切。

圖2：基於RSI的限制成分與基線腰圍之間的關係。成像指標歸一化為單位SD。誤差條表示95% CI。

腰圍的變化與NAcc中的細胞密度有關，即腰圍的增加與受限分量增加(P = 0.001, 95% CI: [16, 52 cm])和受阻分量減少(P = 0.006, 95% CI: [-64, -17 cm]) 有關（圖3）。

圖3：在1年後腰圍變化的ROI預測。基於RSI的限制成分與腰圍變化的相關性 (考慮包括基線腰圍在內的協變量)。成像指標歸一化為單位SD。誤差條表示95% CI。星號表示bonferroni校正的有意義。

灰質的體素分析進一步證明了我們發現的空間特異性。體素模型分析與感興趣區域(ROI)分析結果是一致的，均表明NAcc中限制擴散分數與腰圍變化之間的關係是穩健的（圖4）。

圖4：腰圍1年後變化的體素預測。限制擴散分數與腰圍變化(包括基線腰圍在內的協變量)之間的關係顯示了腹側紋狀體的空間特異性。

我們的發現為揭示獎賞迴路中促進兒童早期體重增加和肥胖的微觀結構特性邁出了第一步。這些發現表明小兒肥胖的神經生物學機制符合齧齒動物的工作顯示, 高飽和脂肪飲食引起了神經膠質過多症和神經炎症，增加了與獎賞相關的大腦區域, 這反過來又導致進一步的不健康的飲食和肥胖。

「這是一個惡性循環。吃不好的食物會導致想要吃更多不好的食物。這些數據為這一想法提供了一種可能的大腦機制，」 BJ Casey說，她是耶魯大學心理學教授和這項研究的合著者，「全球兒童肥胖率在過去40年翻了兩番, 部分原因是更容易獲得和消費不健康食品」。

隨著兒童肥胖的流行率持續上升，確定兒童體重縱向增加的神經生物學機制對於提供早期幹預和預防策略至關重要。我們的研究發現NAcc細胞密度增加是與肥胖群體密切相關的，並且是預測未來體重腰圍的獨立因素。這些結果延續了動物研究的結果，即飲食引起的神經炎症會導致大腦獎賞迴路的破壞，進而促進進一步的不健康飲食和體重增加。

原文連結：

Kristina M. Rapuano et al. Nucleus accumbens cytoarchitecture predicts weight gain in children, Proceedings of the National Academy of Sciences (2020). DOI:10.1073/pnas.2007918117

編譯作者：CholeFu（brainnews創作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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