Η ομιλία, το τραγούδι, ο βήχας, το γέλιο, το μάσημα και το χασμουρητό μας κάνει να χρησιμοποιούμε τα σαγόνια μας. Κάθε δράση απαιτεί έναν πολύπλοκο συντονισμό μυών των οποίων τη δραστηριότητα διαχειρίζονται νευρώνες του εγκεφάλου μας. Αλλά αποδεικνύεται ότι το νευρικό κύκλωμα πίσω από την κίνηση της γνάθου είναι εκπληκτικά απλό, όπως περιέγραψαν πρόσφατα ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Ροκφέλερ σε μια νέα εργασία στο Nature.
Ο Christin Kosse και άλλοι επιστήμονες από το Εργαστήριο Μοριακής Γενετικής, με επικεφαλής τον Jeffrey M. Friedman, εντόπισαν ένα κύκλωμα τριών νευρώνων -αποκαλούνται νευρώνες BDNF- που συνδέει την ορμόνη που σηματοδοτεί την πείνα, την λεπτίνη, με τις κινήσεις της γνάθου της μάσησης. Το ενδιάμεσο μεταξύ αυτών των δύο είναι ένα σύμπλεγμα νευρώνων σε μια συγκεκριμένη περιοχή του υποθαλάμου που, όταν καταστραφεί, είναι γνωστό ότι προκαλεί παχυσαρκία.
Εντυπωσιακά, η αναστολή αυτών των νευρώνων BDNF όχι μόνο οδηγεί τα ζώα να καταναλώνουν περισσότερη τροφή, αλλά επίσης ενεργοποιεί τη γνάθο να κάνει κινήσεις μάσησης ακόμη και απουσία τροφής ή άλλης αισθητηριακής εισροής που θα έδειχνε ότι ήρθε η ώρα για φαγητό. Και η διέγερση αυτών των νευρώνων έχει το αντίθετο αποτέλεσμα, μειώνει την πρόσληψη τροφής και σταματάει τις κινήσεις μάσησης, με αποτέλεσμα έναν αποτελεσματικό περιορισμό κατά της πείνας.
Η απλή αρχιτεκτονική αυτού του κυκλώματος υποδηλώνει ότι η παρόρμηση για φαγητό μπορεί να μοιάζει περισσότερο με ένα αντανακλαστικό -και μπορεί να παρέχει μια νέα ένδειξη για το πώς ελέγχεται η έναρξη της σίτισης.
«Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι αυτοί οι νευρώνες είναι τόσο σημαντικοί στον κινητικό έλεγχο», λέει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης Christin Kosse, ερευνητής στο εργαστήριο. «Δεν περιμέναμε ότι ο περιορισμός της φυσικής κίνησης της γνάθου θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ένα είδος κατασταλτικού της όρεξης».
Περισσότερο από ένα συναίσθημα;
Η παρόρμηση για φαγητό δεν οδηγείται μόνο από την πείνα αλλά από πολλούς παράγοντες. Τρώμε επίσης για ευχαρίστηση, όταν είμαστε μαζί με άλλους και σε τελετουργίες. Η μυρωδιά, η γεύση και τα συναισθήματά μας μπορούν να επηρεάσουν το αν τρώμε ή όχι. Στους ανθρώπους, το φαγητό μπορεί επίσης να ρυθμιστεί από τη συνειδητή επιθυμία να καταναλώνουν περισσότερη ή λιγότερη ποσότητα.
Οι αιτίες της παχυσαρκίας είναι περίπλοκες, αποτέλεσμα μιας δυναμικής αλληλεπίδρασης διατροφής, περιβάλλοντος και γονιδίων. Για παράδειγμα, μεταλλάξεις σε πολλά γονίδια -συμπεριλαμβανομένων εκείνων που κωδικοποιούν την λεπτίνη, και τον εγκεφαλικό νευροτροφικό παράγοντα (BDNF)- οδηγούν σε υπερβολική υπερκατανάλωση τροφής, μεταβολικές αλλαγές και ακραία παχυσαρκία, υποδηλώνοντας ότι και οι δύο παράγοντες κανονικά καταστέλλουν την όρεξη.
Όταν η ομάδα του Friedman ξεκίνησε αυτή τη μελέτη, προσπάθησε να εντοπίσει τη θέση των νευρώνων BDNF που περιορίζουν την υπερκατανάλωση τροφής. Αυτό διέφευγε από τους επιστήμονες εδώ και χρόνια, επειδή οι νευρώνες BDNF, οι οποίοι είναι επίσης πρωταρχικοί ρυθμιστές της νευρωνικής ανάπτυξης, διαφοροποίησης και επιβίωσης, είναι ευρέως διαδεδομένοι στον εγκέφαλο.
Στην τρέχουσα μελέτη, εξετάστηκαν αυτοί που είναι εγκατεστημένοι στον κοιλιακό υποθάλαμο (VMH), μια βαθιά περιοχή του εγκεφάλου που συνδέεται με τη ρύθμιση της γλυκόζης και την όρεξη. Είναι καλά τεκμηριωμένο ότι η βλάβη στον κοιλιακό υποθάλαμο μπορεί να οδηγήσει σε υπερκατανάλωση τροφής και τελικά σε παχυσαρκία σε ζώα και ανθρώπους, όπως ακριβώς κάνουν οι μεταλλαγμένες πρωτεΐνες BDNF. Άρα ίσως ο κοιλιακός υποθάλαμος να έπαιξε ρυθμιστικό ρόλο στη συμπεριφορά της σίτισης, σκέφθηκαν οι επιστήμονες. Ήλπιζαν ότι τεκμηριώνοντας τον αντίκτυπο του BDNF στη διατροφική συμπεριφορά, θα μπορούσαν να βρουν το νευρικό κύκλωμα που υποστηρίζει τη διαδικασία μετατροπής των αισθητηριακών σημάτων σε κινήσεις της γνάθου.
Στη συνέχεια βρήκαν ότι οι νευρώνες BDNF στον κοιλιακό υποθάλαμο -αλλά όχι αλλού- ενεργοποιούνται όταν τα ζώα γίνονται παχύσαρκα. Αυτό υποδηλώνει ότι ενεργοποιούνται όταν κερδίζεται βάρος προκειμένου να καταστείλει την πρόσληψη της τροφής. Έτσι, όταν λείπουν αυτοί οι νευρώνες ή υπάρχει μετάλλαξη σε γονίδια που κωδικοποιούν το BDNF, τα ζώα γίνονται παχύσαρκα.
Μάσημα χωρίς τροφή
Σε μια σειρά πειραμάτων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν οπτογενετική είτε για να εκφράσουν είτε να αναστείλουν τους νευρώνες BDNF στον κοιλιακό υποθάλαμο των ποντικών. Όταν ενεργοποιήθηκαν οι νευρώνες, τα ποντίκια σταμάτησαν εντελώς να τρέφονται, ακόμη και όταν ήταν γνωστό ότι πεινούσαν. Η φίμωση των νευρώνων είχε το αντίθετο αποτέλεσμα: τα ποντίκια άρχισαν να τρώνε, να τρώνε και να τρώνε, καταναλώνοντας σχεδόν 1.200% περισσότερη τροφή από ό,τι συνήθως σε σύντομο χρονικό διάστημα.
«Αναρωτηθήκαμε αν όταν ρυθμίσαμε αυτούς τους νευρώνες, τα ποντίκια βίωναν το αίσθημα της πείνας ή ίσως το θετικό συναίσθημα της κατανάλωσης φαγητού, τη νοστιμιά», είπε ο Kosse. Αλλά τα μεταγενέστερα πειράματα διέψευσαν αυτή την ιδέα. Ανεξάρτητα από την τροφή που δόθηκε στα ποντίκια -είτε η τυπική τους τροφή είτε τροφή γεμάτη με λίπος και ζάχαρη, όπως το ισοδύναμο ενός κέικ μους σοκολάτας- η ενεργοποίηση των νευρώνων BDNF κατέστειλε την πρόσληψη της τροφής.
Και επειδή η πείνα δεν είναι το μόνο κίνητρο για φαγητό -όπως μπορεί να επιβεβαιώσει όποιος δεν παραλείπει το επιδόρπιο- πρόσφεραν επίσης εύγευστη τροφή σε ποντίκια που είχαν ήδη τραφεί καλά. Τα ζώα έφαγαν μέχρι που οι ερευνητές ανέστειλαν τους νευρώνες BDNF, οπότε σταμάτησαν αμέσως να τρώνε. «Αυτό ήταν αρχικά ένα περίπλοκο εύρημα, διότι προηγούμενες μελέτες έχουν υποδείξει ότι αυτή η “ηδονική” ορμή για φαγητό -λόγω ευχαρίστησης και όχι πείνας- είναι πολύ διαφορετική από την ορμή πείνας, η οποία είναι μια προσπάθεια να κατασταλεί το αρνητικό συναίσθημα που σχετίζεται με έλλειψη φαγητού», σημειώνει ο Kosse. «Αποδείξαμε ότι η ενεργοποίηση των νευρώνων BDNF μπορεί να καταστείλει και τα δύο».
Εξίσου εντυπωσιακό ήταν ότι η αναστολή του BDNF έκανε τα ποντίκια να κάνουν μασητικές κινήσεις με το σαγόνι τους, στραμμένες προς οποιοδήποτε αντικείμενο κοντά τους, ακόμη και όταν δεν υπήρχε διαθέσιμη τροφή. Αυτός ο καταναγκασμός για μάσημα και δάγκωμα ήταν τόσο δυνατός που τα ποντίκια ροκάνιζαν οτιδήποτε γύρω τους, όπως το μεταλλικό στόμιο μιας τροφοδοσίας νερού, ένα κομμάτι ξύλου, ακόμη και τα καλώδια που παρακολουθούσαν τη νευρική τους δραστηριότητα.
Το κύκλωμα
Πώς όμως συνδέεται αυτός ο διακόπτης ελέγχου με την ανάγκη ή την επιθυμία του σώματος για φαγητό; Χαρτογραφώντας τις εισόδους και τις εξόδους των νευρώνων BDNF, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι νευρώνες BDNF είναι ο σύνδεσμος ενός νευρικού κυκλώματος τριών μερών που συνδέει ορμονικά σήματα τα οποία ρυθμίζουν την όρεξη με τις κινήσεις που απαιτούνται για την κατανάλωσή του.
Στο ένα άκρο του κυκλώματος υπάρχουν ειδικοί νευρώνες στην περιοχή του τοξοειδούς πυρήνα (Arc) του υποθαλάμου που λαμβάνουν σήματα πείνας όπως από την ορμόνη λεπτίνη, η οποία παράγεται από τα λιποκύτταρα. Μια υψηλή ποσότητα λεπτίνης σημαίνει ότι η δεξαμενή ενέργειας είναι γεμάτη, ενώ ένα χαμηλό επίπεδο λεπτίνης δείχνει ότι είναι ώρα για φαγητό. Τα ζώα χωρίς λεπτίνη γίνονται παχύσαρκα. Οι νευρώνες του τοξοειδούς πυρήνα προβάλλουν στον κοιλιακό υποθάλαμο, όπου τα σήματά τους λαμβάνονται από τους νευρώνες BDNF οι οποίοι στη συνέχεια προβάλλουν απευθείας στο κέντρο του εγκεφαλικού στελέχους που ονομάζεται Me5 που ελέγχει την κίνηση των μυών της γνάθου.
«Άλλες μελέτες έχουν δείξει πως όταν “σκοτώνεις” τους νευρώνες Me5 στα ποντίκια κατά την ανάπτυξή τους, τα ζώα λιμοκτονούν επειδή δεν μπορούν να μασήσουν στερεές τροφές», ανέφερε ο Kosse. «Έτσι είναι λογικό πως όταν χειριζόμαστε τους νευρώνες BDNF που προβάλλονται εκεί, βλέπουμε κινήσεις της γνάθου».
Εξηγεί επίσης γιατί η βλάβη στον κοιλιακό υποθάλαμο προκαλεί παχυσαρκία, λέει ο Friedman. «Τα στοιχεία που παρουσιάζονται στην εργασία μας δείχνουν ότι η παχυσαρκία που σχετίζεται με αυτές τις βλάβες είναι αποτέλεσμα απώλειας αυτών των νευρώνων BDNF και τα ευρήματα ενοποιούν τις γνωστές μεταλλάξεις που προκαλούν παχυσαρκία σε ένα σχετικά συνεκτικό κύκλωμα». Τα ευρήματα υποδηλώνουν κάτι βαθύτερο σχετικά με τη σύνδεση μεταξύ αίσθησης και συμπεριφοράς.
«Η αρχιτεκτονική του κυκλώματος τροφοδοσίας δεν είναι πολύ διαφορετική από την αρχιτεκτονική ενός αντανακλαστικού», λέει ο Friedman.
Αυτό είναι εκπληκτικό, γιατί το φαγητό είναι μια σύνθετη συμπεριφορά -μια συμπεριφορά στην οποία πολλοί παράγοντες επηρεάζου, αλλά κανένας από αυτούς δεν το εγγυάται. Από την άλλη πλευρά, ένα αντανακλαστικό είναι απλό: ένα καθορισμένο ερέθισμα και μια αμετάβλητη απόκριση. Κατά μία έννοια, αυτό που δείχνει αυτή η μελέτη είναι ότι η γραμμή μεταξύ συμπεριφοράς και αντανακλαστικού είναι πιθανώς πιο θολή από όσο πιστευόταν. Οι νευρώνες σε αυτό το κύκλωμα είναι ο στόχος άλλων νευρώνων στον εγκέφαλο που μεταφέρουν άλλα σήματα που ρυθμίζουν την όρεξη.
Αυτή η υπόθεση είναι σύμφωνη με το έργο του νευροφυσιολόγου Charles Sherrington στις αρχές του 20ου αιώνα, ο οποίος επεσήμανε ότι ενώ ο βήχας ρυθμίζεται από ένα τυπικό αντανακλαστικό, μπορεί να ρυθμιστεί από συνειδητούς παράγοντες, όπως η επιθυμία να τον καταστείλει σε ένα γεμάτο θέατρο. Ο Kosse προσθέτει: «Επειδή η σίτιση είναι τόσο απαραίτητη για τη βασική επιβίωση, αυτό το κύκλωμα που ρυθμίζει την πρόσληψη τροφής μπορεί να είναι αρχαίο. Ίσως ήταν ένα υπόστρωμα για όλο και πιο περίπλοκη επεξεργασία που συνέβη καθώς εξελισσόταν ο εγκέφαλος».
Στο μέλλον οι ερευνητές θέλουν να εξερευνήσουν την περιοχή του εγκεφαλικού στελέχους που είναι γνωστή ως Me5 με την ιδέα ότι οι μηχανικοί έλεγχοι της γνάθου μπορεί να είναι ένα χρήσιμο μοντέλο για την κατανόηση άλλων συμπεριφορών, συμπεριλαμβανομένων ψυχαναγκαστικών στοματικών ενεργειών που σχετίζονται με το άγχος, όπως το ροκάνισμα ενός μολυβιού ή μιας γόμας ή το τρίξιμο των δοντιών στον ύπνο. Εξετάζοντας αυτούς τους προκινητικούς νευρώνες στο Me5, θα μπορούσαμε να καταλάβουμε εάν υπάρχουν άλλα κέντρα που προβάλλουν στην περιοχή και επηρεάζουν άλλες έμφυτες συμπεριφορές, όπως οι νευρώνες BDNF για το φαγητό. Και ένα άλλο ερώτημα είναι τι ρόλο παίζει το στρες. Υπάρχουν ενεργοποιημένοι από το στρες ή άλλοι νευρώνες που προβάλλουν και εκεί;
Περισσότερες πληροφορίες: Jeffrey Friedman, A subcortical feeding circuit linking an interoceptive node to jaw movement, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08098-1. www.nature.com/articles/s41586-024-08098-1.
