Effects of Obesity and Weight Loss Following Bariatric Surgery on Brain Function, Structural Integrity and Metabolism

Abstract

Obesity is one of the key challenges to health care system worldwide and its prevalence is estimated to rise to pandemic proportions. Numerous adverse health effects follow with increasing body weight, including increased risk of hypertension, diabetes, hypercholesterolemia, musculoskeletal pain and cancer. Current evidence suggests that obesity is associated with altered cerebral reward circuit functioning and decreased inhibitory control over appetitive food cues. Furthermore, obesity causes adverse shifts in metabolism and loss of structural integrity within the brain. Prior cross-sectional studies do not allow delineating which of these cerebral changes are recoverable after weight loss. We compared morbidly obese subjects with healthy controls to unravel brain changes associated with obesity. Bariatric surgery was used as an intervention to study which cerebral changes are recoverable after weight loss.

In Study I we employed functional magnetic resonance imaging (fMRI) to detect the brain basis of volitional appetite control and its alterations in obesity. In Studies II-III we used diffusion tensor imaging (DTI) and voxel-based morphometry (VBM) to quantify the effects of obesity and the effects of weight loss on structural integrity of the brain. In study IV we used positron emission tomography (PET) with [18F]-FDG in fasting state and during euglycemic hyperinsulinemia to quantify effects of obesity and weight loss on brain glucose uptake.

The fMRI experiment revealed that a fronto-parietal network is involved in volitional appetite control. Obese subjects had lower medial frontal and dorsal striatal brain activity during cognitive appetite control and increased functional connectivity within the appetite control circuit. Obese subjects had initially lower grey matter and white matter densities than healthy controls in VBM analysis and loss of integrity in white matter tracts as measured by DTI. They also had initially elevated glucose metabolism under insulin stimulation but not in fasting state. After the weight loss following bariatric surgery, obese individuals’ brain volumes recovered and the insulin-induced increase in glucose metabolism was attenuated.

In conclusion, obesity is associated with altered brain function, coupled with loss of structural integrity and elevated glucose metabolism, which are likely signs of adverse health effects to the brain. These changes are reversed by weight loss after bariatric surgery, implicating that weight loss has a causal role on these adverse cerebral changes. Altogether these findings suggest that weight loss also promotes brain health.Key words: brain, obesity, bariatric surgery, appetite control, structural magnetic resonance

Lihavuus yleistyy nopeasti koko maailmassa ja se on yksi suurimmista terveydenhuollon tulevaisuuden haasteista. Lihavuus lisää riskiä sairastua useisiin sairauksiin mm. verenpainetautiin, diabetekseen, tuki- ja liikuntaelinten sairauksiin ja useisiin syöpiin. Lihavilla on havaittu aivojen palkkiojärjestelmän reagoivan yliaktiivisesti ruokaan liittyviin ärsykkeisiin ja toisaalta ruokahalua hillitsevien alueiden toiminnan on havaittu olevan heikompaa kuin normaalipainoisilla. Lihavuus aiheuttaa myös haitallisia muutoksia aivosolujen rakenteessa ja aineenvaihdunnassa. Näiden muutosten palautumispotentiaalia ei voida arvioida poikkileikkaustutkimuksissa. Tässä työssä tutkimme sairaalloisen lihavia lihavuusleikkaukseen valittuja potilaita, joiden aivokuvantamistuloksia verrattiin normaalipainoisten vastaaviin kuvauksiin. Potilaat tutkittiin myös kuusi kuukautta lihavuusleikkauksen jälkeen painonlaskun aiheuttamien aivomuutosten tutkimiseksi.

Ensimmäisessä tutkimuksessa ruokahalun säätelyjärjestelmän toiminnan ja lihavuuden aiheuttamien muutosten selvittämiseksi käytettiin toiminnallista magneettikuvantamista (fMRI). Rakenteellisia muutoksia arvioitiin II ja III osatyössä diffuusiotensorikuvantamisella (DTI) sekä vokseliperustaisen morfometrian avulla (VBM). Neljännessä osatyössä aivojen sokeriaineenvaihduntaa tutkittiin positroniemissiotomografian (PET) avulla käyttämällä [18F]-FDG-merkkiainetta paastotilassa ja insuliini-stimulaation aikana. VBM -ja PET-menetelmiä käytettiin myös lihavuusl eikkauksen vaikutusten arviointiin.

fMRI-kokeessa havaittiin, että ruokahalun säätelyyn osallistuu laaja hermoverkko jonka keskeiset osat sijoittuvat otsa- ja päälaenlohkoihin. Lihavilla tutkittavilla havaittiin alentuneet vasteet häntätumakkeessa ja etupihtipoimun alueella. Lisäksi heillä havaittiin voimakkaammat toiminnalliset yhteydet ruokahalun säätelyverkostossa. Lihavuus aiheuttaa aivoissa laajaa aivokudoksen harventumaa ja hermoratojen eheyden alentumaa. PET-tutkimuksessa havaittiin lihavuuden lisäävän aivojen insuliiniherkkyyttä. Puoli vuotta lihavuusleikkauksen jälkeen rakenteelliset ja aineenvaihdunnan muutokset palautuivat osittain.