La detección sensorial de alimentos modula los circuitos de alimentación

Introducción

La ingesta de alimentos está controlada por circuitos neuronales evolutivamente cableados que contienen tipos de células neuronales especializadas. Se sabe que dos tipos de células en el núcleo arqueado (ARC) del hipotálamo son particularmente importantes para el control de la alimentación. Estas neuronas se identifican por la expresión de los neuropéptidos de la proteína relacionada con Agouti (AgRP) y la proopiomelanocortina (POMC) y tienen funciones opuestas.

• Las neuronas AgRP se activan por déficit de energía (Hahn et al., 1998) y promueven la búsqueda y el consumo de alimentos.

La activación optogenética o quimiogenética de las neuronas AgRP induce una alimentación voraz en ratones saciados (Aponte et al., 2011, Krashes et al., 2011), mientras que la inhibición o la ablación de las neuronas AgRP da como resultado afagia (Gropp et al., 2005, Krashes et al., 2011, Luquet et al., 2005).

Estos efectos de las neuronas AgRP están mediados por la liberación de GABA, así como por dos neuropéptidos, AgRP y NPY, que estimulan la ingesta de alimentos cuando se administran en el cerebro (Clark et al., 1985, Fan et al., 1997, Ollmann et al., 1997, Tong et al., 2008).

• En contraste, las neuronas POMC son activadas por la energía y su actividad inhibe la ingesta de alimentos y promueve la pérdida de peso.

Estos dos tipos de células interactúan en parte a través de un conjunto común de dianas neuronales corriente abajo que expresan receptores de melanocortina, que se activan por POMC y se inhiben por AgRP (Fan et al., 1997, Ollmann et al., 1997, Seeley et al., 1997 ).

A pesar de la intensa investigación de estas células en los últimos 20 años, su dinámica de actividad durante el comportamiento sigue siendo desconocida. Esta brecha de conocimiento refleja la dificultad de registrar la actividad neuronal específica del tipo de célula dentro de estructuras cerebrales heterogéneas y profundas, como el hipotálamo.

Como resultado, nuestra comprensión actual de la regulación de las neuronas AgRP y POMC se basa en una combinación de enfoques que incluyen electrofisiología in vitro, tinción de c-fos, farmacología y manipulaciones genéticas.

Estos estudios pioneros han revelado un papel dominante para las hormonas y nutrientes circulantes en el control de estas células (Williams y Elmquist, 2012). Las neuronas AgRP y POMC están moduladas por hormonas como la grelina y la leptina (Cowley et al., 2001, Cowley et al., 2003, Nakazato et al., 2001, Pinto et al., 2004), así como los nutrientes circulantes (Blouet y Schwartz, 2010) en parte a través de sus efectos metabólicos en la dinámica mitocondrial (Dietrich et al., 2013, Schneeberger et al., 2013).

En conjunto, estos hallazgos han conducido a un modelo generalmente aceptado en el que las neuronas AgRP y POMC funcionan como interoceptores que controlan la concentración de hormonas y nutrientes en la sangre y luego ajustan gradualmente su actividad en paralelo con los cambios en el estado nutricional.

Este modelo proporciona una explicación convincente de cómo los cambios nutricionales pueden traducirse en respuestas contrarreguladoras, pero deja sin respuesta la pregunta de si estas neuronas también están sujetas a una regulación rápida en la escala de tiempo del comportamiento.

Resumen

El hambre está controlado por circuitos neuronales especializados que traducen las necesidades homeostáticas en comportamientos motivados.

Estos circuitos están bajo control crónico por señales circulantes de estado nutricional, pero su dinámica rápida en la escala de tiempo del comportamiento sigue siendo desconocida.

Aquí, informamos el registro óptico de la actividad natural de dos tipos de células clave que controlan la ingesta de alimentos, las neuronas AgRP y POMC, en ratones que se despiertan.

Encontramos inesperadamente que la detección sensorial de alimentos es suficiente para revertir rápidamente el estado de activación de estas neuronas inducidas por el déficit de energía. Esta regulación rápida es específica del tipo de célula, modulada por la palatabilidad de los alimentos y el estado nutricional, y ocurre antes de que se consuma cualquier alimento.

Estos datos revelan que las neuronas AgRP y POMC reciben información en tiempo real sobre la disponibilidad de alimentos en el mundo externo, lo que sugiere un papel primordial para estas neuronas en el control de conductas apetitivas como el forrajeo que promueve el descubrimiento de alimentos.