Antrenarea alimentelor constatări majore și recente
Breno T. S. Carneiro
1 Departamentul de științe animale, Universitatea Federală Rurală din Semi-Árido, Mossoró, Brazilia
2 Program de absolvire în psihobiologie, Universitatea Federală din Rio Grande do Norte, Natal, Brazilia
John F. Araujo
2 Program de absolvire în psihobiologie, Universitatea Federală din Rio Grande do Norte, Natal, Brazilia
3 Departamentul de Fiziologie, Centro de Biociências, Universitatea Federală din Rio Grande do Norte, Natal, Brazilia
Abstract
Mamiferele prezintă activitate anticipativă zilnică în funcție de ciclurile de disponibilitate a alimentelor. Studiile asupra unei astfel de activități de anticipare a alimentelor (FAA) au fost efectuate în principal la rozătoare nocturne. Ei au identificat FAA ca ieșirea comportamentală a unui oscilator antrenat de alimente (FEO), separat de oscilatorul antrenat de lumină cunoscut (LEO) situat în nucleul suprachiasmatic (SCN) al hipotalamusului. Aici vom analiza pe scurt principalele caracteristici ale FAA. De asemenea, prezentăm rezultate pe patru subiecte de anticipare a alimentelor: (1) posibile semnale de intrare către FEO, (2) substrat FEO, (3) importanța genelor canonice de ceas pentru FAA și (4) potențiale aplicații practice ale hrănirii programate. Această mini-recenzie este destinată să introducă subiectul antrenării alimentelor celor care nu sunt familiarizați cu aceasta, dar să le prezinte și noi descoperiri relevante cu privire la această problemă.
Introducere
Ritmurile circadiene sunt oscilații de 24 h în mai multe domenii (Kondo și colab., 1993; Campos și colab., 2001; DeCoursey, 2004) guvernate de ceasuri circadiene, care sunt prezente în sistemul nervos central (SNC) și în țesuturile periferice ale mamiferelor (Dibner și colab., 2010). Ceasurile circadiene conduc ritmurile locale astfel încât procesele biochimice și fiziologice să aibă loc la momentul potrivit pentru o funcționare optimă a organismului. Oscilatoarele periferice și creierul sunt sincronizate indirect cu ciclul alternativ lumină - întuneric de către nucleul hipotalamic suprachiasmatic (SCN) (Dibner și colab., 2010). În creier, oscilatoarele circadiene conduc ritmurile homeostatice și comportamentale într-o manieră de 24 de ore, într-un mod în care hrănirea, băutul și împerecherea au loc în timpul fazei active a animalului în timpul postului, iar somnul are loc în faza de odihnă a animalului.
Ciclul lumină - întuneric este cel mai puternic Zeitgeber (semnal de sincronizare a mediului) pentru mamifere; cu toate acestea, o serie de semnale non-fotice este capabilă să antreneze ritmuri circadiene. Disponibilitatea alimentelor ciclice este una dintre ele. Efectul său asupra ritmurilor circadiene a fost studiat în cea mai mare parte la rozătoare, dar lagomorfii, marsupialele, carnivorele și primatele antrenează, de asemenea, disponibilitatea programată de alimente (O'Reilly și colab., 1986; Zielinski, 1986; Boulos și colab., 1989; Kennedy și colab. al. al., 1990; Jilge, 1992; Juárez și colab., 2012; Ware și colab., 2012; Zhdanova și colab., 2012). Această antrenare non-fotică se caracterizează printr-o creștere a locomoției în orele premergătoare livrării alimentelor. Acest comportament anticipativ a fost raportat pentru prima dată la șobolani de Curt Paul Richter în 1922 (Richter, 1922) și a devenit cunoscut mai târziu ca activitate de anticipare a alimentelor (FAA) (Figura 1).
Activitatea de anticipare a alimentelor unui șobolan Wistar. (A) Actograma arată ritmul activității motorii. În acest tip de reprezentare, graficele xy (perioade de timp/activitate) sunt trasate de sus în jos, reprezentând zilele următoare. Timpul Zeitgeber se referă la timpul ciclului lumină - întuneric. Prin convenție, timpul zeitgeber 0 denotă apariția luminii, în timp ce timpul zeitgeber 12 indică debutul întunecat într-un ciclu de 12 h: 12 h. (B) Forma de undă descrie activitatea medie pe parcursul a 37 de zile de hrănire programată. Zona albastră de pe A și B indică disponibilitatea chow-ului timp de 3 ore în fiecare zi. Activitatea de anticipare a alimentelor este văzută atât în graficele actogramei, cât și în formele de undă.
Mai multe date experimentale arată că FAA este mediată de un mecanism de sincronizare circadian auto-susținut în care un oscilator antrenat de alimente (FEO) este componenta sa principală (revizuită în Mistlberger, 2009). Bolles și colegii au arătat mai întâi că activitatea nu prezintă creșterea așteptată în cele 4 ore înainte de disponibilitatea alimentelor la șobolani sub 19 h sau 29 h hrănire (Bolles și de Lorge, 1962; Bolles și Stokes, 1965). Aceasta a fost prima dovadă că FAA este absentă dacă lungimea ciclului de hrănire este prea îndepărtată de 24 de ore, indicând o limită circadiană asupra sistemului care generează FAA. Ulterior, alți anchetatori au extins dovezile privind natura circadiană a FAA prin supunerea șobolanilor la hrănirea programată la diferite periodicități (20-33 h) (Stephan, 1981; Mistlberger și Marchant, 1995).
Un aspect important al FAA este persistența sa în stare constantă. Pentru ritmurile antrenate de lumină, condiția constantă înseamnă lumină constantă sau întuneric constant. Pentru FAA înseamnă lipsă de alimente. Bolles și Moot (1973) au arătat că comportamentul anticipator al alimentelor apare în timpul testelor de privare a alimentelor la șobolani care au fost hrăniți anterior cu un program de masă. Foarte important, FAA a apărut în stadiul în care animalele se hrăniseră cu câteva zile înainte. Persistența FAA în timpul lipsei totale de alimente a fost demonstrată mai târziu de Coleman și colab. (1982). Persistența FAA - în absența unui stimul antrenant - implică faptul că acest fenomen este generat de un mecanism de sincronizare auto-susținut.
Un raport al lui Stephan și colegii săi în 1979, potrivit căruia șobolanii care sufereau leziuni SCN ar putea anticipa în continuare cicluri de disponibilitate a hranei (Stephan și colab., 1979) a fost o dovadă importantă a existenței, cel puțin, a două sisteme circadiene separate la mamifere: unul antrenat de lumină, care are ca principală componentă SCN; și altul antrenat de alimente, ale cărui componente nu sunt pe deplin caracterizate. Rapoartele ulterioare au arătat că, după schimbarea fazei - avansuri sau întârzieri - timpul de hrănire, FAA s-a reglat încet la noua masă, prezentând tranzitorii (zile în care comportamentul anticipativ are loc într-o fază deplasată, nealiniată cu hrănirea) (Stephan, 1984). Acest fenomen indică existența unui proces treptat prin care FEO este adaptat la hrănire. Acest proces implică schimbări zilnice de fază, care duc la antrenarea FEO la timpul de hrănire. Schimbările de fază și antrenarea pentru FEO au, în principiu, aceleași baze teoretice ale schimbărilor de fază și antrenarea ritmurilor antrenate de lumină, care sunt foarte bine caracterizate (Refinetti, 2006).
Principala linie de cercetare privind antrenarea alimentelor a fost căutarea FEO. De asemenea, s-au făcut unele investigații asupra posibilelor mecanisme de intrare (externe și interne) pentru antrenarea FEO (vezi Carneiro și Araujo, 2009). Și mai recent, bazele moleculare/genetice care stau la baza FAA au fost în curs de investigare (Challet și colab., 2009). În această lucrare, scopul nostru este de a revizui pe scurt constatările recente privind patru subiecte: (1) posibile semnale de intrare către FEO, (2) substrat FEO, (3) importanța genelor de ceas canonice pentru FAA și (4) potențiale aplicații practice de hrănire programată.
Semnalele de intrare către FEO
Studii recente au investigat rolul factorilor interni ca semnale de sincronizare pentru un FEO localizat în creier. Dovezile indică o astfel de configurație (Davidson și colab., 2003). Apoi, presupunând că structurile primare pentru FAA sunt în creier, semnalele de intrare interne derivate din/asociate cu hrănirea ar trebui să fie necesare pentru a spune creierului ora la care alimentele sunt disponibile.
Posibilul rol al semnalelor umorale în procesul de sincronizare al FEO a fost detaliat în altă parte (a se vedea Carneiro și Araujo, 2009). Rapoarte recente arată atenuarea dar nu dispariția FAA la șoarecii deficienți/afectați de semnalizarea cu grelină (Blum și colab., 2009; Verhagen și colab., 2011). Blum și colab. (2009) au raportat, de asemenea, că injecția cronică de grelină duce la un model de expresie FOS în nucleul arcuat (ARC) și nucleul dorsomedial al hipotalamusului (DMH) similar cu cel observat la animalele cu restricții alimentare. În plus, șoarecii knock-out ai receptorilor de grelină sub hrană programată prezintă o expresie mai mică a orexinei și activarea neuronală redusă a sistemului mezolimbic (Lamont și colab., 2012), care sunt recunoscuți pentru rolul lor în motivație (Calipari și España, 2012). Aceste date sugerează că, deși nu este critică pentru expresia FAA, grelina poate fi implicată în mecanismul de sincronizare a zonelor creierului antrenate de alimente.