Regulatory mechanism for neuronal activation in the rat PVN and NTS by oropharyngeal stimuli

의과학과/박사[한글] 본 연구에서는 구강, 인두를 통해 수용되는 음식물의 여러 가지 맛과 열량의 유무에 따른 고립로핵 및 측뇌실핵 뉴런의 활성화 정도를 비교하고, 스트레스 대응축 (HPA axis) 활성화의 지표가 되는 혈중 코르티코스테론 수준 변화와의 연관성을 검색하고자 하였다. 또한, 뉴런의 활성화를 유도 또는 억제하는 약물을 각기 뇌실에 주입하고, 금식 또는 재급식 상황에서 뇌 조직 활성화 및 스트레스 대응축 활성의 변화를 조사함으로서, 섭식행동에 따른 뇌 조직 활성화의 분자조절기전을 이해하고자 하였다.구강, 인두를 통해 수용되는 음식물 자극에 의한 뇌조직 활성 및 스트레스 대응축 활성의 변화를 조사하기 위해 다음과 같이 3가지 실험을 수행하였다. 우선, Sprague-Dawley 종 수컷 랫트(300 - 350 g)를 48시간 금식시킨 후 1시간 동안 정상사료 및 무열량 사료를 자유롭게 섭취하도록 하였다. 다음으로, 랫트의 위장에 도관을 설치하고 48 시간 동안 금식시킨 후, 위도관을 닫은 상태 (real feeding) 또는 위도관을 열어 놓은 상태 (sham feeding)에서 설탕 용액(8%) 또는 사카린 용액(0.2%)을 1시간 동안 자유로이 섭취하도록 하였다. 마지막으로, 48 시간 동안 금식 후, 구강에 설치된 도관을 통해 소량의 사카린 용액(0.1% 또는 0.2%)을 10분간 주입하였고, 대조군에게는 같은 양의 증류수를 주입하였다. 각 실험군은 음식물 공급 개시 후 1시간에 뇌조직과 혈액 시료를 채취하였다. 아울러, 섭식행동에 따른 뇌조직 활성 및 스트레스 대응축 활성 변화의 분자조절기전에 cAMP 신호계가 관여하는지 조사하기 위해 랫트에 뇌실도관을 설치하였다. 랫트를 48 시간 동안 금식 시킨 후 PKA 활성제인 Sp-cAMP를 뇌실에 주입하고 1시간 후 뇌조직과 혈액 시료를 채취하였다. 또 다른 그룹의 랫트에게는 48 시간 동안 금식 후 cAMP 저해제인 Rp-cAMP를 뇌실에 주입하고 이어서 1시간 동안 자유로이 먹이를 섭취하도록 한 다음, 뇌조직과 혈액 시료를 채취하였다. 각 실험군의 뇌 조직 시료는 심장 관류 법으로 고정한 후 채취하여 c-Fos 면역 염색법으로 분석하였으며, 혈액 시료는 심장으로부터 채취하여 혈장 코르티코스테론 분석에 사용되었다.정상사료 및 무열량 혼합사료를 1시간 동안 섭취한 결과, 금식 동안 증가되었던 혈장 코르티코스테론 수준이 유의하게 감소되는 것으로 나타났다. 위장 도관이 닫힌 상태 (real feeding)에서는 설탕 용액 뿐 아니라 사카린 용액을 1시간 동안 섭취하도록 하였을 때도 금식 동안 증가되었던 혈장 코르티코스테론 수준이 정상화되었다. 사카린용액은 위장도관이 열린 상태 (sham feeding)에서 1시간 동안 섭취된 경우에도 금식 동안 증가되었던 혈장 코르티코스테론을 감소시켰으나, 설탕 용액은 이 같은 효과를 나타내지 못하였다. 또한, 자의적인 섭식행동 없이, 구강 도관을 통해 주입된 소량의 사카린 용액 또는 증류수 역시 금식 동안 증가되었던 혈장 코르티코스테론 수준을 유의하게 감소시키는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터, 음식의 맛, 섭취 후 포만감 및 체내에 흡수되는 열량 등은, 금식 동안 증가된 혈장 코르티코스테론 수준을 회복시키기 위한 필수적인 요건이 되지 않음을 알 수 있었다.금식 후 정상사료를 공급받은 재급식군의 측뇌실핵 및 고립로핵에서 c-Fos 발현은 금식군에 비해 뚜렷하게 증가되었지만, 무열량 사료 재급식군의 뇌조직에서는 c-Fos 발현이 유도되지 않았다. 설탕 용액 재급식군의 고립로핵에서는 위장도관의 개 폐에 관계없이 모두 c-Fos 발현이 유도되었으나, 사카린 용액은 고립로핵의 c-Fos 발현을 유도하지 못했다. real feeding 방식으로 공급된 설탕 용액이나 사카린 용액은 모두 측뇌실핵에서 c-Fos 발현을 유도하였다. 구강도관을 통해 공급된 소량의 증류수는 측뇌실핵 및 고립로핵에서 모두 c-Fos 발현을 유도한 반면, 사카린 용액은 고립로핵에서만 c-Fos 발현을 유도하였다. 이상의 결과로부터, 음식의 맛이나 음식에 포함된 열량은 측뇌실핵 및 고립로핵 뉴런 활성화의 효과적인 신호이나, 필수적인 요건은 아님을 짐작할 수 있었다.금식시 뇌실에 PKA 활성제를 주입한 결과, 고립로핵에서 c-Fos 발현은 유도되었지만, 금식 동안 증가된 혈장 코르티코스테론 수준을 효과적으로 회복시키지 못하였다. 재급식 전 뇌실에 주입된 cAMP 저해제는, 재급식으로 인한 고립로핵 c-Fos 발현 및 혈장 코르티코스테론 수준 회복에 모두 영향을 미치지 못하였다. 이러한 결과는, 음식물 섭취에 따른 고립로핵 뉴런 활성화의 조절 과정에 뇌조직의 cAMP 수준 변화가 수반될 가능성이 있으나, 혈장 코르티코스테론 수준 감소에는 결정적 역할을 하지 않을 것임을 시사한다. 이상을 종합하여 볼 때, 음식물 섭취에 따른 고립로핵 및 측뇌실핵 뉴런 활성화는 금식 동안 증가되었던 혈장 코르티코스테론 수준의 회복을 위한 필요조건이 아닌 것으로 사료되었다. [영문]This study was conducted to determine if meal-induced activation of the neurons in paraventricular nucleus (PVN) and nucleus tractus of solitarius (NTS) is implicated in the feeding-related control of the hypothalamic-pituitary-adrenal gland axis (HPA axis) activity. Also, we investigated if cAMP signaling pathway mediates the activation of PVN and NTS neurons and changes of HPA axis activity by oropharylgeal food stimuli.Male Sprague-Dawley rats (300-350 g) were hired for four different experiments as follows; 1). rats underwent 48 h of food deprivation, and then received ad libitum access to either rodent chow or non-caloric liquid diet for 1 h before sacrifice; 2). rats received ad libitum access to either 8% sucrose or 0.2% sodium saccharin for 1 h with gastric fistula closed (real feeding) or opened (sham feeding) following 48 h of food deprivation, and then were sacrificed; 3). rats received 5 ml of intra-oral infusion with saccharin (0.1 or 0.2%) or distilled water for 10 min following 48 h of food deprivation, and then were sacrificed 50 min later; 4). rats received an icv infusion of PKA activator Sp-cAMP following 48 h of food deprivation, or of cAMP inhibitor Rp-cAMP prior to ad libitum access to rodent chow following 48 h of food deprivation, and then were sacrificed 1 h after the drug infusion. Rats were sacrificed by transcardiac perfusion with 4% paraformaldehyde, and brains were processed for c-Fos immunohistochemistry and the cardiac bloods were collected for plasma corticosterone assay.Plasma corticosterone significantly increased during food deprivation, and then decreased within 1 h after ad libitum access to either rodent chow or non-caloric liquid diet. Real feeding with sucrose or saccharin restored the fasting-induced increase of plasma corticosterone within 1 h after ad libitum access. Sham feeding with saccharin, but not with sucrose, reversed fasting-induced increase of plasma corticosterone. Intr-oral infusion of saccharin or distilled water restored fasting-induced increase of plasma corticosterone. One hour of chow refeeding, but not non-caloric liquid diet, after food deprivation, significantly induced c-Fos expression in the PVN and NTS neurons. Refeeding with sucrose for 1 h, regardless of real or sham, increased c-Fos expression in the NTS. Real feeding with sucrose or saccharin increased c-Fos expression in the PVN. Intr-oral infusion of distilled water increased c-Fos expression in the PVN and NTS, but of saccharin increased c-Fos only in the NTS. Sp-cAMP icv induced c-Fos expression in the NTS neurons of food deprived rats, but did not significantly reverse fasting-induced increase of plasma corticosterone. Rp-cAMP icv 1 h before rodent chow refeeding had no effect on the activation in NTS neurons and refeeding-induced decrease of plasma corticosterone.These results suggest that food taste, post-ingestive satiety or caloric load may not be necessary to restore the fasting-induced increase of plasma corticosterone, nor to induce the activation of PVN and NTS neurons. Also, it is suggested that cAMP signaling pathway may, at least partly, mediate the neuronal activation of NTS by food stimuli, but not be implicated in feeding-related changes of HPA axis activity. Taken together, it is concluded that the activation of PVN and NTS neurons by oropharyngeal food stimuli may not be necessary to normalize the fasting-induced increase of plasma corticosterone levels.ope