健康な女性におけるRaphe Nucleiの接続性とネットワーク組織における急性トリプトファン枯渇の機能的結果

中枢神経セロトニン（5-HT）機能に関する以前の研究は、認知的および情動処理に関連する脳回路の調節における5-HTの実質的な関与の証拠を提供しました。基礎となるニューラルネットワークは、扁桃体や内側前頭前野などのコア皮質/皮質領域で構成されており、5-HTによって他の人の間で調節されると想定されています。抗うつ薬の使用に加えて、急性トリプトファン枯渇（ATD）は、食事および非薬理学的なツールを使用して、5-HT合成とそれぞれの代謝産物を人間のそれぞれの代謝物を操作するための広く受け入れられている技術です。2つの実験的チャレンジ条件を備えた二重盲検ランダム化されたクロスオーバー設計、つまりATDとトリプトファン（TRP）補給（TRYP+）を使用して、コントロールとして機能しました。目的は、5-HT合成を混乱させ、上部血清作動性raphe核、扁桃体および腹内側前頭前野の脳機能幹部の脳機能接続性（FC）への影響を検出することでした。30人の健康な成人女性参加者（年齢：M = 24.5±4.4歳）が最終分析に含まれていました。ATDは、ベースラインと比較して血清中のTRPの90％減少をもたらしました。ATD条件のTRYP+と比較して、前頭葉皮質のRaphe核のFCが有意に低いことが検出され、右扁桃体と腹内側前頭前皮質の間のより大きな機能結合が検出されました。Raphe核のFCは、両方のチャレンジ条件（ATDおよびTRYP+）のTRP変化の大きさと有意に相関していました。260個の独立解剖学的ROIの時系列を使用したネットワークベースの統計分析により、ATD後のTRYP+と比較して、Default-Mode（DMN）およびエグゼクティブコントロールネットワーク（ECN）の一部であるが、顕著性または視覚ネットワークの一部であるいくつかの脳領域のTRYP+と比較して、有意に高いFCが明らかになりました。最後に、Tryp+と比較してリッチクラブ係数の減少という点で、ATDがリッチクラブ組織に与える影響を観察しました。要約すると、ATDを介した脳5-HT合成の推定上の減少が、Raphe核のFC、および感情に関与する特定の皮質下/皮質領域のFCを大幅に変化させるという以前の発見を確認できました。さらに、高度なノードのいわゆるリッチクラブ組織のATD効果が実証されました。これは、いくつかの脳ネットワークからの情報フローの統合に対する脳5-HTの影響を示している可能性があります。

Previous research on central nervous serotonin (5-HT) function provided evidence for a substantial involvement of 5-HT in the regulation of brain circuitries associated with cognitive and affective processing. The underlying neural networks comprise core subcortical/cortical regions such as amygdala and medial prefrontal cortex, which are assumed to be modulated amongst others by 5-HT. Beside the use of antidepressants, acute tryptophan depletion (ATD) is a widely accepted technique to manipulate of 5-HT synthesis and its respective metabolites in humans by means of a dietary and non-pharmacological tool. We used a double-blind, randomized, cross-over design with two experimental challenge conditions, i.e. ATD and tryptophan (TRP) supplementation (TRYP+) serving as a control. The aim was to perturb 5-HT synthesis and to detect its impact on brain functional connectivity (FC) of the upper serotonergic raphe nuclei, the amygdala and the ventromedial prefrontal cortex as well as on network organization using resting state fMRI. 30 healthy adult female participants (age: M ​= ​24.5 ​± ​4.4 ​yrs) were included in the final analysis. ATD resulted in a 90% decrease of TRP in the serum relative to baseline. Compared to TRYP ​+ ​for the ATD condition a significantly lower FC of the raphe nucleus to the frontopolar cortex was detected, as well as greater functional coupling between the right amygdala and the ventromedial prefrontal cortex. FC of the raphe nucleus correlated significantly with the magnitude of TRP changes for both challenge conditions (ATD & TRYP+). Network-based statistical analysis using time series from 260 independent anatomical ROIs revealed significantly greater FC after ATD compared to TRYP+ in several brain regions being part of the default-mode (DMN) and the executive-control networks (ECN), but also of salience or visual networks. Finally, we observed an impact of ATD on the rich-club organization in terms of decreased rich-club coefficients compared to TRYP+. In summary we could confirm previous findings that the putative decrease in brain 5-HT synthesis via ATD significantly alters FC of the raphe nuclei as well as of specific subcortical/cortical regions involved in affective, but also in cognitive processes. Moreover, an ATD-effect on the so-called rich-club organization of some nodes with the high degree was demonstrated. This may indicate effects of brain 5-HT on the integration of information flow from several brain networks.