Ожиріння зменшує синаптичні маркери, змінює мікрогліальну морфологію та погіршує когнітивні функції

  • Знайдіть цього автора на Google Scholar
  • Знайдіть цього автора на PubMed
  • Шукайте цього автора на цьому сайті
  • Для листування: mcewen @ mail.rockefeller.edugoulde @ princeton.edu

Автор: Брюс С. Макьюен, 22 жовтня 2015 р. (Надіслано на огляд 15 червня 2015 р.; Переглянуто Хізер А. Камерон та Шеріл Д. Конрад)

ожиріння

Значимість

У людей ожиріння погіршує пізнання та виробляє атрофію областей мозку, пов’язаних із навчанням і пам’яттю, але мало досліджень досліджували основні клітинні механізми. Ми використовували дієтичну модель ожиріння у щурів для вивчення надмірного збільшення ваги і виявили, що ожиріння на ранніх стадіях, до появи діабету або метаболічного синдрому, спричиняє дефіцит когнітивних завдань, для яких потрібна префронтальна кора. Порушення пізнання було пов’язане із втратою синапсу, включаючи зменшення кількості дендритних хребтів та експресію синаптичних білків, а також структурні зміни в імунних клітинах мозку, мікроглії. Ці результати настійно наводять на думку, що ожиріння слід розглядати як фактор, що сприяє дисфункції мозку, що має наслідки для його все частішого поширення в сучасному західному суспільстві.

Анотація

Ожиріння є основною проблемою охорони здоров'я, що впливає на загальне фізичне та емоційне самопочуття. Незважаючи на вагомі дані, що свідчать про зв'язок між ожирінням та когнітивною дисфункцією, цьому явищу приділяється порівняно мало уваги. Дослідження нейровізуалізації у людей, що страждають ожирінням, повідомляють про зменшення розмірів областей мозку, що беруть участь у когніції, але мало досліджень вивчали клітинні процеси, що лежать в основі когнітивного зниження ожиріння або впливу ожиріння на пізнання за відсутності захворювань, пов’язаних із ожирінням. Тут модель щурячої ожиріння, спричиненої дієтою, була використана для вивчення змін у регіонах мозку, важливих для пізнання. Щурі ожиріння демонстрували дефіцит когнітивних завдань, що вимагали префронтальної та перигінальної кори. Когнітивний дефіцит супроводжувався зниженням дендритної щільності хребта та вираженням синаптичних маркерів в обох областях мозку. Морфологія мікроглії також була змінена в префронтальній корі. Згубні зміни в префронтальній корі та перигінальній корі відбулися до метаболічного синдрому або діабету, що свідчить про те, що ці ділянки мозку можуть бути особливо вразливими до ожиріння на ранніх стадіях.

Ожиріння зростає загрозою для охорони здоров'я, страждаючи більше третини дорослого населення США (1). Ожиріння збільшує частоту діабету, судинних та психічних захворювань, що знижує якість життя та створює важке фінансове навантаження на пацієнтів та суспільство. Менш визнаними наслідками ожиріння є згубний вплив на когнітивні функції. Індивідуальні когнітивні показники, як елементарні, так і схоластичні, знижуються із збільшенням маси тіла та споживання енергії (2 ⇓ ⇓ –5). Ці дефіцити можна спостерігати протягом усього життя - від дитинства до пізньої зрілості. Ожиріння також пов'язане із збільшенням частоти легких когнітивних порушень та деменції у людей похилого віку (6).

Деякі дані свідчать про те, що у людей з ожирінням зменшився загальний об'єм мозку (7), а подальші дослідження вказують на більш конкретне зменшення обсягу областей мозку, важливих для пізнання, включаючи гіпокампу, префронтальну кору (ПФК) та передній поперечний відділ (5, 8, 9). Однак небагато досліджень досліджували клітинні та біохімічні механізми, які можуть лежати в основі змін ожиріння та когнітивних функцій, спричинених ожирінням.

Результати

Метаболічні характеристики.

Для цих досліджень ми використовували дієту для стимулювання ожиріння, оскільки епідемія ожиріння в США зумовлена ​​в основному споживанням калорійно щільної смачної їжі, а не генетичними мутаціями (14, 15). Дорослі щури-самці, які годувались жирною, смачною, повноцінною дієтичною дієтою, показали збільшену масу тіла протягом 8 тижнів доступу порівняно з контролем, що годувався стандартною чау-гривою, з ефектом тижня (F8,112 = 1244,80, P 25% важчий збільшився живіт (t14 = 4,84, P Переглянути цю таблицю:

  • Переглянути вбудований
  • Переглянути спливаюче вікно

Дієта з високим вмістом жиру протягом 8 тижнів забезпечує ожиріння без чітких ознак метаболічного синдрому або діабету

Метаболічний синдром, частий попередник діабету, який часто виникає при ожирінні, пов’язаний із підвищеним рівнем глюкози, а також підвищеним базовим рівнем кортикостерону (12, 16). Наші щури з ожирінням не виявляли цих ознак метаболічного синдрому, а також не мали ознак діабету. По-перше, рівні глюкози та інсуліну не відрізнялись між групами (табл. 1). Ці заходи використовувались для визначення кількісного індексу перевірки чутливості до інсуліну (QUICKI). QUICKI - це математична модель, заснована на трансформованих в log значеннях рівня глюкози та інсуліну, як показано нижче: 1/(log [глюкоза] + log [інсулін]), яка передбачає чутливість до інсуліну, важливий показник діабету, з нижчими значеннями, що представляють більше опір. У поточному дослідженні не було різниці в значеннях QUICKI між групами (t14 = 0,70, P = 0,50; ожиріння, 0,36 ± 0,01; контроль, 0,37 ± 0,01). По-друге, рівень кортикостерону у наших щурів із ожирінням був знижений, а не підвищений (t14 = 2,38, P = 0,03) (Таблиця 1).

У сукупності ці висновки вказують на те, що ми оцінювали наших щурів, коли вони були явно ожиріли, але все ще були відносно здоровими. Слід зазначити, однак, що у наших повних щурів підвищений рівень периферичного лептину (табл. 1), який разом із підвищеним рівнем тригліцеридів і збільшенням жиру в животі (додаток SI, рис. S2) вважається провісниками метаболічного синдрому, що насувається (12, 16). Доведено, що рівень тестостерону у самців знижений у випадках тривалого та екстремального ожиріння (17), але ми не виявили статистично значущої різниці в рівні тестостерону між контрольною та ожиріною групами (табл. 1), що ще раз свідчить про те, що на ранніх стадіях ожиріння.

Ожиріння призводить до когнітивного дефіциту.

Щурі ожиріння погіршували деякі, але не всі когнітивні завдання. Повні та контрольні щури тестувались на завдання пам’яті об’єктів та зміщення набору уваги (ASST). Щурі ожиріння мали нижчий коефіцієнт дискримінації для тестів на розпізнавання нових об’єктів (A) та об’єкта на місці (C), але не на місце розташування об’єкта (B). * P ⇓ –21). Щурі ожиріння мали поганий показник ASST порівняно з контролем нормальної ваги (F1,12 = 20,45, P χ 1 2 = 0,20, P = 0,65; вібріси, χ 1 2 = n/a, оскільки 100% відповідь обох груп; olfactoryvanilla, t14 = 0,23, P = 0,82; нюхова жінка, t14 = 0,56, P = 0,58) (Додаток SI, таблиця S3). Тести поведінки на занепокоєння, включаючи пригнічене годування та час, витрачений на вивчення центру відкритого поля, також не виявили відмінностей між групами (пригнічене годування новизною, t14 = 0,19, P = 0,85; відкрите поле, t14 = 0,71, P = 0,49) (Додаток SI, таблиця S3). Разом ці дані вказують на відсутність валового дефіциту основного руху, сенсорної обробки або регулювання тривожності у наших повних щурів, хоча ми не можемо виключити можливість існування більш тонких відмінностей.

Ожиріння зменшує дендритну щільність хребта та синаптичних білків у ПФК та ​​КНР.

Дендритна щільність хребта на апікальних дендритах просочених Гольджі пірамідних нейронів у шарі II/III ПФК (t14 = 2,63, Р = 0,02) (рис. 2) та шарі II/III КНР (t14 = 2,24, Р = 0,04) (рис. 2D) зменшився порівняно з контролем, тоді як дендритна щільність хребта на апікальних дендритах пірамідних нейронів в області CA1 HIP у ожирілих щурів нічим не відрізнялася від контрольної групи (t14 = 1,21, Р = 0,25) (рис. 2D ). У всіх трьох популяціях нейронів не спостерігалося змін дендритної щільності хребта або складності в базальному дендритному дереві клітин, просочених Гольджі (щільність хребта, PFC t14 = 0,93, P = 0,37, PRC t14 = 0,96, P = 0,35, HIPCA1, t14 = 0,20, P = 0,85; точки відгалуження, PFC t14 = 1,17, P = 0,26, PRC t14 = 0,21, P = 0,84, HIPCA1 t14 = 1,12, P = 0,28) (Додаток SI, таблиці S4 і S5). Подібним чином, не виявлено відмінностей у складності верхівкового дендритного дерева у шарі II/III ПФК (t14 = 0,41, Р = 0,69), шарі II/III КНР (t14 = 0,04, Р = 0,97) та CA1 (t14 = 0,43, P = 0,68) HIP (Додаток SI, таблиця S5). Оскільки хронічний стрес зменшує складність апікального дендритного дерева пірамідних нейронів CA3 (24), ми дослідили дендритні точки відгалуження на верхівковому дереві CA3 і не виявили відмінностей між контрольними та ожирілими щурами (t14 = 0,72, P = 0,48) (Додаток SI), Таблиця S5).

Ожиріння знижувало рівні синаптичних білків vGAT та vGLUT у PFC та PRC, але не HIP. Імунофлуоресценція (A) та Вестерн-блоттінг (B) для vGAT та імунофлуоресценція (C) та Вестерн-блоттинг (D) для vGLUT показали зниження обох білків у PFC та PRC, але не HIP. Вставки - це репрезентативні зразки імунофлюоресценції та вестерн-блот (контроль ліворуч; ожиріння праворуч) у ПФК. * P ⇓ ⇓ –34), ми дослідили морфологію мікроглії, забарвленої для іонізованої кальцієзв’язуючої молекули-адаптера 1 (іба-1) (кальцій-зв’язуючий білок, специфічний для мікроглії/макрофагів) у ПФК, КНР та HIP. У PFC мікроглію в шарах I та II/III досліджували, оскільки ці шари містять верхівкові дендрити пірамідальних нейронів шару II/III, клітини, які демонструють ознаки дендритної втрати хребта при ожирінні. Ожиріння було пов'язане з невеликим, але значним збільшенням тривалості вторинних та третинних мікрогліальних відростків у шарі I (довжина вторинного відростка, t14 = 2,44, P = 0,03; довжина третинного відростка, t14 = 3,23, P = 0,006) (рис. 5) . Подібне збільшення спостерігалося при вторинних процесах мікроглії шару II/III (t14 = 2,55, P = 0,02, контроль 7,13 ± 0,38; ожиріння, 8,95 ± 0,63). Навпаки, не спостерігалось змін у тривалості мікрогліального процесу в PRC чи HIP (P> 0,05 для всіх порівнянь) (рис. 5 B та C).

Ожиріння збільшило тривалість мікрогліальних процесів при ПФК. На конфокальному зображенні зображена мікроглія, пофарбована iba-1 (стрілка) у ПФК із ожирінням. Блакитний контраст - це барвник ДНК Хохста (А). Морфометричний аналіз мікроглії, пофарбованої iba-1, показав незначне, але значне збільшення тривалості вторинних (B) та третинних процесів (C) у PFC (шар I), але не в PRC (шар II/III) або HIP (CA1) . * P 3 проти ожиріння 1,2 ± 0,02 мм 3), тоді як різниці в обсязі HIP між групами не спостерігалося (t14 = 0,83, P = 0,42; контроль, 2,4 ± 0,02 мм 3 проти ожиріння, 2,3 ± 0,02 мм 3). Обсяг КНР не визначався з огляду на складність у визначенні твердих меж для цієї області. Жодних відмінностей у загальній масі мозку між ожирілими щурами та контрольними щурами не спостерігалось (t14 = 0,82, P = 0,43; контроль, 1,99 ± 0,03 г проти ожиріння, 2,06 ± 0,08 г).

Обговорення

Тут ми показали, що ожиріння на ранніх стадіях впливає на когнітивні функції, а також на структуру мозку дорослих. Вже через 8 тижнів на дієті з високим вмістом жиру щури виявили погіршення ефективності виконання завдань, що вимагають PRC або PFC: розпізнавання нових об’єктів, об’єкт на місці та зміна уваги. Разом із цими когнітивними дефіцитами, ожирілі щури демонстрували знижену щільність хребта на верхівкових дендритних деревах пірамідальних клітин в КНР та ПФК, що збігалося зі зниженням експресії кількох білків, пов’язаних із синапсами, включаючи спінофілін, синаптофізин, vGLUT та vGAT. На відміну від цього, ожиріння на ранніх стадіях не було пов’язане із зменшенням завдання розташування об’єкта, для якого потрібен гіпокамп. Послідовно, в гіпокампі не спостерігалося змін дендритної щільності хребта та синаптичних маркерів. У сукупності ці висновки дозволяють припустити, що ожиріння у щурів на ранніх стадіях погіршує когнітивні функції та зменшує кількість синапсів у КНР та ПФК, але не HIP.

Наші спостереження, що ожиріння на ранніх стадіях пов’язане зі зменшенням щільності дендритних шипів, а також зниженням експресії пресинаптичних та постсинаптичних маркерів у КНР та ПФК, свідчать про основний механізм когнітивної дисфункції. Кожен із досліджених нами синаптичних білків (спінофілін, синаптофізин, vGAT та vGLUT) пов’язаний із синаптичною пластичністю та пізнанням. Сукупне зменшення всіх цих маркерів, разом із зменшенням числа дендритних шипів, настійно свідчить про глобальну втрату синапсів в обох цих областях мозку. Хоча залишається можливим, що зниження нейрональної активності та порушення функції можуть передувати втраті синапсу, більш правдоподібний сценарій полягає в тому, що втрата синапсу при ожирінні призводить до когнітивної дисфункції. Попереднє дослідження, що демонструє когнітивні дисфункції, спричинені циркадними порушеннями, поряд із загальним зменшенням числа хребта на апікальних дендритах пірамідних нейронів PFC, узгоджується з нашими висновками, але ступінь, до якого когнітивні порушення безпосередньо пов’язані із збільшенням ваги, залишається визначити (35).

Результати цього звіту свідчать про те, що певні ділянки головного мозку, а саме префронтальна кора і перигінальна кора, функціонально порушуються на початку ожиріння. На відміну від цього, гіпокамп, структура, яка, як відомо, зазнає впливу ожиріння на пізніх стадіях, що супроводжується метаболічним синдромом, відносно пошкоджена при ранньому ожирінні. Ці результати, поряд з виявленням значної втрати синапсу у функціонально порушених областях, а також змін мікроглії та супутніх гормональних змін, вказують на потенційні механізми, що лежать в основі скорочення мозку у людей із ожирінням, і надалі пропонують послідовність змін мозку, які можуть служити часові моменти для різних видів терапевтичного втручання.

Матеріали і методи

Для цих досліджень використовували дорослих самців щурів Sprague – Dawley. Усі процедури та протоколи на тваринах були схвалені Інституційним комітетом з догляду та використання тварин Принстонського університету та відповідали Керівництву Національної дослідницької ради з догляду та використання лабораторних тварин (54). Щури, що відповідали віку, отримували доступ до дієти з високим вмістом жиру або стандартної чау-гризу. Після 8 тижнів на описаних дієтах щурів тестували на поведінкові завдання, а мозок досліджували за допомогою просочення Гольджі для дендритних хребтів, імуногістохімії та вестерн-блот для синаптичних білків та імуногістохімії для морфології мікроглії. Також аналізували кров на вміст тригліцеридів, лептину, глюкози, інсуліну, кортикостерону та тестостерону (Додаток SI, Матеріали та методи SI).

Виноски

  • ↵ 1 Кому може бути адресована кореспонденція. Електронна адреса: mcewenmail.rockefeller.edu або gouldeprinceton.edu .