Metabolic-hedonic regulation of food processing in the human brain

Abstract

In western societies, with a large variety of palatable food continuously on offer, there is rarely any occasion to eat something not tasty when being hungry. The amygdala is a key structure in palatability processing, but how it modulates the effect of implicit valence assignment on food choices is less studied. Following food consumption, the human body is equipped with a variety of processes downregulating the salience of food cues, e.g. the hormone insulin, which is thought to act at the neural interface between metabolic and hedonic drives to eat. Yet how exactly this hormone affects CNS food cue processing is not fully understood. Here, we investigate three separate fMRI data sets, acquired while overnight fasted participants performed explicit food liking tasks on the first two days and an explicit decision task on the third day. We make use of a pharmacological approach to test for the effects of INI, and we apply pattern-based multivariate approaches to investigate amygdala contribution. We can show that through modulation of mesolimbic pathways, INI changes the value of food cues during liking valuation. Specifically, INI reduces ratings of food palatability in individuals with normal insulin sensitivity, accompanied by a change in value signals in mesolimbic regions. In insulin-resistant participants, reduced food preference values and aberrant central insulin action are observed. In a slightly different set of participants, representational similarity analysis showed a differential coding of hedonic values from low to high palatability in the amygdala during explicit liking ratings. More importantly, the reinstatement of these individual liking patterns within trials during the explicit food choice task predicted the correlation between food pleasantness and eating decisions. Further exploration of amygdala liking patterns revealed topographically segregated subareas representing appetitive versus aversive liking values. We applied effective connectivity analyses to all datasets, to not only describe changes in behaviour and neural activity, but to also shed a light on the underlying network structures. These analyses reveal insulinergic inhibition of the projection from the VTA to the NAc. Importantly, the strength of this modulation directly predicts the decrease of palatability ratings, linking neural findings to behaviour. Furthermore, during eating decisions, liking values positively modulated projections from the appetitive amygdala subarea to both the NAc and the vmPFC while projections from the aversive amygdala subarea to the vmPFC were negatively modulated by individual liking, showing how hedonic information is fed into the network computing overall decision values during dietary choice. These results demonstrate how central insulin modulates the cross-talk between homeostatic and hedonic feeding systems and provide a mechanism of how hedonic food values can mediate appetitive eating decisions in humans.

In unserer westlichen Welt, in der ständig eine große Auswahl an leckeren Lebensmitteln zur Verfügung steht, gibt es selten den Anlass, etwas zu essen, das nicht schmackhaft ist. Die Amygdala ist eine wichtige Region in der Verarbeitung von Palatabilität, doch wie sie den Einfluss von impliziter Valenzzuweisung auf die Nahrungsauswahl moduliert, ist weniger erforscht. In Folge auf Nahrungsaufnahme ist der menschliche Körper mit einer Vielzahl von Prozessen ausgestattet, die die Salienz von Nahrungsmitteln herunterregulieren, so zum Beispiel das Hormon Insulin, das an der neuronalen Schnittstelle zwischen metabolischem und hedonischem Essenstrieb wirkt. Wie genau sich dieses Hormon auf die hedonische Verarbeitung von Lebensmitteln im zentralen Nervensystem auswirkt, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. In dieser Dissertation werden drei separate fMRT-Datensätze untersucht. Diese wurden erhoben, während Teilnehmer, die zuvor über Nacht gefastet hatten, verschiedene Lebensmittel hinsichtlich ihrer Palatabilität bewerteten (Tag 1 und 2), beziehungsweise eine explizite Entscheidungsaufgabe ausführten (Tag 3). Ein pharmakologischer Ansatz wird angewendet, um die Auswirkung von intranasalem Insulin zu untersuchen, und musterbasierte multivariate Ansätze werden genutzt, um Prozesse in der Amygdala zu entschlüsseln. Die Studien ergeben, dass intranasales Insulin den hedonischen Wert von Essen durch die Modulation von mesolimbischen Signalwegen beeinflusst. Insbesondere verringert intranasales Insulin die hedonische Bewertung von Lebensmitteln bei Personen mit normaler peripherer Insulinsensitivität, begleitet von einer Abnahme der hedonischen Signale in mesolimbischen Regionen. Bei insulinresistenteren Versuchsteilnehmern werden insgesamt niedrigere Bewertungen von Essensreize und eine abnormale Wirkung von zentralem Insulin beobachtet. In der zweiten Studie gibt die Analyse der repräsentativen Ähnlichkeiten zwischen neuronalen Mustern Hinweise auf eine unterschiedliche Kodierung hedonischer Werte in der Amygdala. Darüber hinaus zeigt sich, dass das Wiederauftreten dieser individuellen neuronalen ‚Gechmacksmuster‘ während expliziter Konsumentscheidungen den Zusammenhang zwischen Schmackhaftigkeit und Essentscheidungen prädiziert. Weitere Untersuchungen dieser neuronalen Amygdala-Muster ergeben topografisch getrennte Teilbereiche in dieser Struktur, die appetitliche gegenüber aversiven Essenseigenschaften repräsentieren. Zusätzlich wendeten wir effektive Konnektivitätsanalysen auf alle Datensätze an, um nicht nur Effekte im Verhalten und in der neuronalen Aktivität zu beschreiben, sondern auch die zugrundeliegenden Netzwerkverbindungen zu beleuchten. Diese Analysen zeigen eine insulinerge Hemmung der Verbindung vom ventralen Tegmentum zum Nucleus Accumbens. Das Ausmaß dieser Modulation prädiziert dabei direkt die Abnahme der Geschmacksbewertung und stellt so eine Verbindung zwischen neuronalen Befunden und Verhaltensergebnissen her. Bei Lebensmittel mit positiver Valenz verstärkte sich die Verbindung vom appetitlichen Amygdala-Untercluster zum Nucleus Accumbens und zum ventromedialen präfrontalen Kortex. Lebensmittel mit negativer Valenz hingegen modulierten die Projektion vom aversiven Amygdala-Untercluster zum ventromedialen präfrontalen Kortex auf negativ Weise. Diese Ergebnisse zeigen, wie Insulin die Interaktion des homöostatischen und nicht-homöostatischen Systems moduliert und weisen einen Mechanismus auf, wie hedonische Aspekte Essentscheidungen beim Menschen beeinflussen.