Magnetic resonance imaging of appetite-induced hypothalamic activity

Abstract

[EN]: Obesity is a pandemic syndrome that underlies the most morbid and prevalent diseases in developed countries. It results from an imbalance in appetite regulation and energy expenditure, two processes that are fundamentally controlled by the hypothalamus. Magnetic Resonance Imaging methods are excellently endowed to assess brain anatomy and function, under physiological and pathological conditions, providing an always increasing array of approaches. In this dissertation, I will introduce a collection of new strategies to evaluate non-invasively appetite regulation in the brain of mice and humans, based in the use of diffusion weighted magnetic resonance imaging methods. Chapter 1 introduces general concepts on the magnetic resonance imaging phenomenon and its applications, reviewing the key physiological mechanisms supporting hypothalamic appetite regulation. A short compilation of the most common neuroimaging techniques used to evaluate appetiterelated processes is also included. Chapter 2 describes the development and implementation of a new functional diffusion weighted imaging method applied to the detection of hypothalamic activity by fasting in mice and humans. Chapter 3 covers four different experimental manipulations designed to probe the role of specific hypothalamic nuclei in the regulation of appetite control and energy balance, under conditions where these are intentionally altered. Finally, Chapter 4 compares the use of the methodology analysed with different models of diffusion- with the results obtained with a more conventional functional imaging technique, both applied to the paradigm of glucose administration to fasting mice. In conclusion, this dissertation demonstrates that diffusion weighted magnetic resonance imaging methods provide a novel and useful approach to investigate appetite regulation non-invasively.

[ES]: La obesidad es un síndrome pandémico que subyace a las enfermedades más prevalentes y mórbidas en los países desarrollados. Es resultado de un desequilibrio en la regulación del apetito y del gasto energético; dos mecanismos que están fundamentalmente controlados por el hipotálamo. Las técnicas de imagen por resonancia magnética constituyen una herramienta excelente de evaluación anatómica y funcional del cerebro, en condiciones fisiológicas y patológicas, proporcionando un constante creciente tipo de aplicaciones. La tesis que aquí presento se ha centrado en el desarrollo de nuevas estrategias para evaluar de forma no invasiva los procesos de regulación cerebral del apetito en ratones y seres humanos, utilizando técnicas de resonancia magnética pesada en difusión. El Capítulo 1 proporciona una introducción a los principios básicos de la imagen por resonancia magnética, así como alguna de sus aplicaciones, recopilando las principales nociones fisiológicas de los mecanismos hipotalámicos de la regulación del apetito. También incluye s una breve compilación de las técnicas de neuroimagen más utilizadas en la evaluación de procesos relacionados con el apetito. En el Capítulo 2 describo el desarrollo y la implementación de una nueva técnica de imagen funcional basada en difusión para la detección de la actividad hipotalámica por apetito, en ratones y en seres humanos. El Capítulo 3 está dedicado a la aplicación de esta técnica a cuatro situaciones experimentales distintas, diseñadas para evaluar la respuesta específica de los núcleos hipotalámicos en procesos en los que la regulación del apetito y el balance energético están alterados. Finalmente, en el Capítulo 4 muestro la comparación del uso de la metodología analizada con distintos modelos de difusión- con los resultados obtenidos mediante la aplicación de una técnica funcional más convencional, ambas aplicadas al estudio de los efectos hipotalámicos de la administración de glucosa a ratones ayunados. En conclusión, mi Tesis doctoral demuestra que la técnica de imagen de resonancia magnética pesada en difusión proporciona un instrumento nuevo y robusto para el estudio de la regulación del apetito de forma no invasiva.