Питание мозга человека: Правильное питание для улучшения работы мозга — еда для ума и памяти

Витамин E

Свободные радикалы — это нестабильные молекулы, которые пытаются соединиться с другими молекулами и нанести ущерб здоровым клеткам. Витамин Е является источником антиоксидантов, которые могут лечить повреждения, вызванные свободными радикалами.

Лучшие диетические источники витамина Е — обогащенные злаки, семена подсолнечника, миндаль, томатное пюре, шпинат и арахис.

Влияние на питание большого мозга человека

14 W.R. Leonard et al.

Добавление продуктов животного происхождения в рацион раннего •  Homo также увеличило бы доступность

ключевых длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот, которые необходимы для роста и развития мозга:

DHA и AA.

У младенцев затраты энергии на метаболизм мозга чрезвычайно высоки (<60% от RMR) •

крон из-за высокого отношения массы мозга к массе тела и быстрого роста мозга. Эти затраты частично поддерживаются

очень высоким уровнем ожирения.При уровне жира 15–16% у людей рождаются самые толстые младенцы среди всех млекопитающих.

В условиях хронического пищевого и болезненного стресса человеческие младенцы «подавляют» рост •

в длину / рост, сохраняя при этом жирность тела. Эта модель «линейного замедления роста»

широко наблюдается среди обедневших групп населения в развивающихся странах и, по-видимому, связана с

пониженным окислением жира и повышенным накоплением жира.

Текущие исследования пытаются лучше охарактеризовать диету наших самых ранних человеческих •

предков с помощью химического анализа костей гомининов и анализа микроскопических моделей износа

зубов гомининов.

Ссылки

Aiello LC, Wheeler P. Curr Anthropol. 1995; 36: 199–221.

Антон СК, Леонард В.Р., Робертсон М.Л. J Hum Evol. 2002; 43: 773–85.

Асфау Б., Бейене И., Сува Дж., Уолтер Р.С., Уайт Т.Д., Вольд-Габриэль Г. и др. Природа. 1992; 360: 732–5.

Behrensmeyer K, Todd NE, Potts R, McBrinn GE. Наука. 1997; 278: 1589–94.

Bellomo RV. J Hum Evol. 1994; 27: 173–95.

Бобе Р., Беренсмайер АК. J Hum Evol. 2002; 42: 475–97.

Briefel RR, Johnson CL.Annu Rev Nutr. 2004; 24: 401–31.

Банн HT. В: Унгарь П.С., редактор. Эволюция рациона человека: известное, неизвестное и непознаваемое. Нью-Йорк:

Oxford University Press; 2006. с. 191–211.

Cordain L, Brand-Miller J, Eaton SB, Mann N, Holt SHA, Speth JD. Am J Clin Nutr. 2000; 71: 682–92.

Cordain L, Watkins BA, Mann NJ. World Rev Nutr Diet. 2001; 90: 144–61.

Кордайн Л., Итон С.Б., Себастьян А., Манн Н., Линдберг С., Уоткинс Б.А. и др. Am J Clin Nutr.2005. 81: 341–54.

Кроуфорд Массачусетс. Nutr Rev.1992; 50: 3–11.

Crawford MA, Bloom M, Broadhurst CL, Schmidt WF, Cunnane SC, Galli C и др. Липиды. 1999; 34: S39–47.

Dewey KG, Heinig MJ, Nommsen LA, Peerson JM, Lonnerdal B. Am J Clin Nutr. 1993; 52: 140–5.

Englyst KN, Englyst HN. Br J Nutr. 2005; 94: 1–11.

Foster Z, Byron E, Reyes-García V, Huanca T., Vadez V, Apaza L, et al. Am J Phys Anthropol. 2005; 126: 343–51.

Frisancho AR. Am J Hum Biol.2003; 15: 35–52.

García-Alonso A, Goñi I. Nahrung. 2000; 44: 19–22.

Харрис Дж. У. К., Капальдо С. В: Бертелет А., Шавайон Дж., Редакторы. Использование инструментов людьми и нечеловеческими приматами.

Оксфорд: Oxford Science; 1993. стр. 196–220.

Hoffman DJ, Sawaya AL, Verreschi I, Tucker KL, Roberts SB. Am J Clin Nutr. 2000; 72: 702–7.

Холлидей MA. В: Фолкнер Ф., Таннер Дж. М., редакторы. Человеческий рост: всесторонний трактат, т. 2. 2-е изд. Нью-Йорк:

Пленум; 1986 г.п. 101–17.

Хуссейн М.А., Шминц О., Менгель, Глатц Й., Кристиансен Дж. С., Цапф Дж. И др. J Clin Invest. 1994; 94: 1126–33.

Кеты СС. В: Рихтер Д., редактор. Обмен веществ центральной нервной системы. Нью-Йорк: Пергаммон; 1957. с. 221–37.

Кузава CW. Yrbk Phys Anthropol. 1998. 41: 177–209.

Леонард WR. Sci Am. 2002. 287 (6): 106–15.

Леонард WR, Робертсон ML. Am J Hum Biol. 1992; 4: 179–95.

Леонард WR, Робертсон ML. Am J Hum Biol. 1994; 6: 77–88.

Леонард В.Р., Робертсон М.Л., Снодграсс Дж.Дж., Кузава К.В. Biochem Physiol Часть A. 2003; 135: 5–15.

Мартин РД. Происхождение и эволюция приматов: филогенетическая реконструкция. Принстон, Нью-Джерси: Princeton University

Press; 1989.

Martorell R, Habicht J-P. В: Фолкнер Ф., Таннер Дж. М., редакторы. Человеческий рост: всесторонний трактат, т. 3. 2-е изд.

Нью-Йорк: Пленум; 1986. стр. 241–62.

МакГенри Х.М., сотрудник К. Энн Рев Антрополь. 2000; 29: 125–46.

Пенниси Э. Наука. 1999; 283: 2004–5.

Использование топлива для мозга в развивающемся мозге — FullText — Annals of Nutrition and Metabolism 2019, Vol. 75, Прил. 1

Абстракция

Во время беременности и младенчества человеческий мозг растет очень быстро; объем мозга значительно увеличивается, достигая 36, 72 и 83% объема мозга взрослых в возрасте 2–4 недель, 1 года и 2 лет соответственно, что важно для создания нейронных сетей и способности к развитию когнитивные, двигательные, социальные и эмоциональные навыки, которые будут постоянно совершенствоваться в детстве и во взрослом возрасте.Такие резкие изменения в структуре и функциях мозга связаны с очень большими энергетическими потребностями, намного превышающими потребности других органов тела. Было подсчитано, что в детстве на мозг может приходиться до 60% основных энергетических потребностей организма. Хотя основным источником энергии для мозга взрослого человека является глюкоза, похоже, что ее недостаточно для удовлетворения резких метаболических потребностей мозга во время его развития. Недавно было высказано предположение, что эта энергетическая проблема решается благодаря способности мозга использовать кетоновые тела (КБ), образующиеся в результате окисления жирных кислот, в качестве дополнительного источника энергии.Здесь мы сначала описываем основные клеточные и физиологические процессы, которые управляют развитием мозга с течением времени, и то, как различные метаболические пути мозга участвуют в их поддержке. Было высказано предположение, что большинство энергетических субстратов используется для поддержки нейрональной активности и передачи сигналов. Мы обсуждаем, как глюкоза и КБ метаболизируются для обеспечения углеродных скелетов, используемых для синтеза липидов, нуклеиновой кислоты и холестерина, которые являются незаменимыми строительными блоками пролиферации нейрональных клеток, а также используются для установления и улучшения связи между мозгом посредством образования / удаления синапсов и миелинизации. .Мы пришли к выводу, что глюкоза и КБ не только важны для поддержания энергетических потребностей развивающегося мозга, но они также являются важными субстратами для биосинтеза макромолекул, лежащих в основе структурного роста и реорганизации мозга. Мы подчеркиваем, что глюкоза и жирные кислоты, поддерживающие производство КБ, содержатся в сложных пищевых матрицах, таких как грудное молоко, и понимание того, как их доступность влияет на мозг, будет ключом к обеспечению адекватного питания для поддержки метаболизма мозга и, следовательно, оптимального развития мозга .

© 2020 S. Karger AG, Базель

Ключевые сообщения

• Мозг потребляет до 60% всей энергии, доступной организму во время развития.

• В то время как глюкоза является основным источником энергии для мозга у взрослых, кетоновые тела необходимы для дополнения глюкозы для удовлетворения метаболических и энергетических потребностей мозга во время его развития.

• Во время развития мозга глюкоза и кетоновые тела являются не только основными источниками энергии, но также используются для биосинтеза макромолекул, необходимых для пролиферации нейрональных клеток, образования синапсов и миелинизации.

Введение

Способность людей выполнять сложные умственные действия, включая мышление, рассуждение, запоминание, решение проблем, принятие решений и изучение новой информации, зависит от способности мозга адаптироваться к окружающей среде и изменить его функциональную и структурную организацию [1-4]. Это часто называют пластичностью мозга, нейронов или синапсов [5]. Более того, организация мозга невероятно сложна: по оценкам, человеческий мозг содержит более 200 миллиардов нейронов и ненейронных клеток, 1 квадриллион соединений, 100 км нервных волокон и 600 км кровеносных сосудов [6, 7]. .Чтобы поддерживать такие динамические способности и поддерживать функционирование этой сложной архитектуры, требуется превосходное энергоснабжение. Действительно, мозг взрослого человека, составляющий всего 2% массы тела, по оценкам, отвечает за 20% потребления кислорода (O ₂ ) и 20-25% использования глюкозы [8, 9]. Для сравнения, мозг взрослых позвоночных, за исключением приматов, в состоянии покоя использует 2-8% всей энергии [10]. В то время как потребности мозга взрослого человека в энергии поразительны, энергия, необходимая в раннем возрасте, еще выше и важна для поддержки быстрого развития мозга со всплеском роста, начинающимся примерно на 5-м месяце гестации и продолжающимся постнатально, увеличивая вес мозга с ~ 27% от нормы. его масса взрослого человека при рождении составляет ~ 80% к возрасту 2 лет [11, 12].Помимо огромной потребности в энергии, резкое увеличение размеров мозга, которое происходит в первые годы жизни, требует определенных питательных веществ, таких как липиды, белки и микроэлементы, которые являются не только строительными блоками структур мозга, но также поддерживают мозг и когнитивные функции на протяжении всей жизни [3, 13, 14].

В нормальных условиях основным источником энергии для мозга является глюкоза, которая используется для выработки энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ) в результате гликолиза или окислительного фосфорилирования, последнее в 15 раз более эффективно для выработки энергии. [15-17].Тем не менее, особенно высокие потребности развивающегося человеческого мозга в энергии, похоже, не поддерживаются одним лишь потреблением глюкозы. Действительно, недавно было высказано предположение, что кетоны (β-гидроксибутират, ацетоацетат и ацетон), полученные в результате окисления жировых отложений новорожденных печенью, также могут обеспечивать важный дополнительный топливный субстрат для развивающегося мозга посредством окислительного фосфорилирования [2, 17].

В то время как глюкоза и кетоны традиционно считались канонической ролью в энергетическом метаболизме млекопитающих, недавние исследования показали, что они играют дополнительные роли, связанные с развитием и функционированием структуры мозга [12, 17-20].Например, в мозге взрослого человека 10–12% глюкозы метаболизируется посредством гликолиза с образованием лактата, несмотря на то, что кислород доступен для окислительного фосфорилирования, явления, называемого «аэробным» гликолизом или «эффектом Варбурга» [21]. Аэробный гликолиз остается преобладающим метаболическим путем в мозге на протяжении всей жизни и особенно во время развития мозга. Это особенно важно для биосинтеза клеточных компонентов (например, липидов), которые поддерживают ключевые процессы развития, включая образование / удаление синапсов и миелинизацию [19, 22].С другой стороны, кетоны, по-видимому, являются субстратом для синтеза определенных макромолекул, таких как холестерин и жирные кислоты, которые составляют около 50% серого вещества мозга [17]. Недавние наблюдения также подчеркивают важность кетонов как ключевых сигнальных и эпигенетических посредников, предполагая, что они могут влиять на экспрессию генов, участвующих в пластичности и реорганизации мозга во время развития мозга [23-25]. Следовательно, глюкоза и другие топливные субстраты, включая кетоновые тела (KB), могут использоваться для других целей, кроме удовлетворения энергетических потребностей, и могут играть более широкую роль во время развития мозга.

В этой главе мы сначала описываем ключевые физиологические процессы, лежащие в основе развития мозга, и то, как метаболизм мозга может быть необходим для их поддержки. Мы особенно сосредоточимся на описании того, как глюкоза и КБ поддерживают не только энергетические, но и анаболические потребности мозга во время развития. Конечно, для правильного развития, функционирования и поддержания мозга мозг полагается на многие другие питательные вещества, которые будут обсуждаться в следующей главе этого тома и ранее обсуждались в прекрасных обзорах [3, 13, 17, 26].

Основные физиологические и клеточные процессы, лежащие в основе развития мозга

Мозг — это один из органов человеческого тела, который развивается раньше всех, начиная с внутриутробного развития в течение 3-й недели беременности, и завершает свое развитие в течение второго и третьего десятилетий жизни. , следовательно, это орган с самым продолжительным временем развития и созревания [7, 22]. Как только достигается первичная организация мозга, заключающаяся в определении его основных различных областей в течение эмбрионального периода, возникают ключевые клеточные процессы, которые протекают в форме перекрывающихся в процессе развития волн (рис.1). Генерация нейронов (нейрогенез) и их миграция начинаются на 8-й неделе беременности, и репертуар нейронов, обнаруженных во взрослой неокортексе, в основном устанавливается еще до рождения. Разрастание глиальных клеток, которое следует за пиками нейрогенеза во время рождения, включает образование олигодендроцитов, поддерживающих миелинизацию, и астроцитов, которые, как было показано, участвуют во многих физиологических процессах в головном мозге, особенно в модуляции обработки информации, синаптической передаче и энергетическая динамика [27-29].Хотя существуют региональные вариации, пролиферация, миграция и дифференцировка олигодендроцитов и астроцитов продолжаются в течение первых 3 постнатальных лет, что совпадает с пиком образования синапсов и реорганизации нейронной сети [7]. Это подтверждает идею о том, что олигодендроциты и астроциты играют решающую роль в развитии и созревании мозговой связи на протяжении всего детства и юности.

Рис. 1.

Хронология процессов развития нервной системы и изменений метаболизма глюкозы от зачатия до взрослого возраста.На рисунке представлены ключевые процессы развития нервной системы, происходящие во время развития мозга, и связанные с ними изменения метаболизма глюкозы. В верхней части рисунка представлены основные периоды человеческого развития, выраженные в днях (d), неделях после зачатия (pcw) и годах (y). Полосы, связанные с каждым клеточным процессом нервного развития, представляют собой приблизительный пик периода развития для каждого из них. Внизу рисунка показаны изменения потребления глюкозы (черная линия) и потребления кислорода (серая линия) в течение времени, пик которых приходится на 5-й постнатальный день.Поглощение глюкозы выше, чем потребление кислорода, что позволяет предположить, что значительное количество глюкозы метаболизируется посредством аэробного гликолиза (стрелка) и параллельно с увеличением образования синапсов и миелинизации. Рисунок адаптирован из [3, 12, 43].

В то время как астроциты и олигодендроциты генерируются и дифференцируются из нервных клеток-предшественников, микроглия, которые являются резидентными макрофагами мозга, участвующими в врожденном иммунитете, нейропротекции, синаптической отсечке и фагоцитозе клеточного мусора, происходят из макрофагов, присутствующих в желточном мешке и мигрировать и колонизировать мозг на 4 неделе гестации.5 [30, 31]. Интересно, что в то время как нейральные предшественники активно делятся и генерируют первые нейроны на ранних этапах эмбриогенеза, астроциты и олигодендроциты будут появляться только в поздних эмбриональных точках времени, как упоминалось ранее. Следовательно, ранняя колонизация микроглии не только предшествует пику нейрогенеза и миграции нейронов, но и составляет основную глиальную популяцию в течение большей части жизни плода, что позволяет предположить, что микроглия участвует в раннем развитии мозга. Действительно, недавние исследования демонстрируют, что микроглия вносит вклад в регуляцию числа и миграции нейронов и активно способствует зависимой от активности синаптической реорганизации во время становления нейронной сети [32].

Развитие ветвления нейронов, состоящее из разрастания аксонов и дендритов с последующим образованием синапсов, является ключевым клеточным процессом, связанным с функциональным созреванием мозга после миграции нейронов. Действительно, от середины беременности до третьего постнатального года незрелые нейроны инициируют длительный период роста аксонов и ветвления дендритов, сопровождающийся образованием синаптических соединений, которые обеспечивают связь между нейронами и приводят к образованию нейронных сетей [33, 34 ].Важно отметить, что перепроизводство синапсов будет иметь место в течение первых 2 постнатальных лет со всплеском роста синапсов от 3 до 15 месяцев, в зависимости от областей мозга, с последующим дискретным периодом синаптического сокращения, которое обычно начинается в детстве и сохраняется в подростковом возрасте. [35-37], хотя сообщалось, что визуальная область подвергается обрезке уже в 3-месячном возрасте.

Пока строятся нейронные сети, миелиновые листы, генерируемые олигодендроцитами, оборачиваются вокруг аксонов, которые действуют как изоляторы и приводят к резкому увеличению скорости аксональной проводимости и, следовательно, к передаче информации [29].Миелинизация начинается в середине беременности в мозге человека, представляет собой длительный процесс, который резко ускоряется в течение первых двух постнатальных лет и достигает своей полной зрелости в течение второго-третьего десятилетия жизни [29, 38]. Он также играет ключевую роль в созревании сетей мозга, скоординированной обработке информации и, в конечном итоге, когнитивной деятельности у младенцев, детей и взрослых.

Высокие энергетические потребности мозга удовлетворяются за счет постоянной транспортировки питательных веществ в мозг через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ).ГЭБ строго контролирует прохождение выбранных веществ в мозг и из него, обеспечивает защиту от внешних потенциально токсичных агентов и имеет решающее значение для поддержания гомеостаза мозга и, таким образом, правильного функционирования мозга [39, 40]. ГЭБ включает 3 основных клеточных компонента: эндотелиальные клетки, составляющие стенку кровеносных сосудов, перициты, которые стабилизируют ГЭБ и имеют решающее значение для поддержания его целостности, и астроциты, которые расширяют клеточные процессы, концы которых охватывают кровеносные сосуды и играют жизненно важную роль в транспортировке. питательных веществ в нейрональные клетки [39].Предполагается, что развитие и дифференцировка ГЭБ начинается у очень молодого эмбриона [41, 42]. Формирование кровеносных сосудов эндотелиальными клетками быстро сопровождается набором перицитов и астроцитов, которые «запечатывают» ГЭБ, чтобы изолировать мозг от внешней среды и контролировать перенос веществ. Во время рождения структура сосудистой сети головного мозга очень похожа на то, какой она станет в мозге взрослого человека [40].

В последнее время были предприняты значительные усилия, чтобы понять, как гены организуют физиологические и клеточные процессы, описанные выше.Анализ экспрессии генов показал, что транскриптом мозга разделен на кластеры, которые пространственно и временно организованы и параллельны структурным и функциональным аспектам развития мозга. Напр., Кластеры генов, связанных со спецификацией судьбы нейронов, в основном экспрессируются эмбрионально и в раннем эмбриональном периоде, тогда как генетические кластеры, контролирующие формирование и функцию синапсов, высоко экспрессируются в раннем детстве [7]. Интересно, что также было показано, что экспрессия генов, связанных с митохондриями, тесно связана с плотностью синапсов, предполагая, что правильное развитие и созревание связности мозга тесно связано с доступностью энергии [12, 43].

Таким образом, человеческий мозг быстро растет с 4-й недели беременности до 3-го постнатального года. Впоследствии скорость роста замедляется, и мозг подвергается значительной реорганизации, в которой преобладают синаптические сокращения и миелинизация, продолжающиеся на протяжении третьего десятилетия жизни. Важно помнить, что развитие мозга с возрастом неоднородно структурно и функционально. Действительно, ассоциативные области неокортекса и особенно префронтальной коры созревают медленнее, чем, например, моторная и сенсорная кора.Следовательно, будучи менее важным, чем во время пренатального или раннего постнатального периодов, рост мозга и особенно реорганизация мозга на клеточном и молекулярном уровнях продолжаются после детства до ранней взрослой жизни. Действительно, считается, что уточнение нейронных сетей имеет решающее значение для функциональной спецификации областей мозга и имеет решающее значение для развития высших когнитивных функций и поведения.

Энергетические и анаболические потребности во время развития человеческого мозга

Как кратко упоминалось ранее, энергетические потребности позвоночных видов составляют 2-8% от общей энергии, обеспечиваемой основным метаболизмом, в то время как мозгу взрослого человека требуется целых 20-25%. из него [10].Потребность в энергии во время развития мозга еще более поразительна; было подсчитано, что мозг новорожденного человека, который составляет около 13% от безжировой массы тела, потребляет около 60% суточной потребности организма [12, 15, 17, 19, 20, 44]. Эта драматическая потребность в энергии сохраняется и даже усиливается в детстве; в то время как мозг ребенка в возрасте 10 лет составляет 5–10% массы тела, он потребляет примерно 50% от общей скорости основного обмена в организме человека [3, 12].

Почему энергетические затраты, связанные с функцией мозга, так высоки у людей, особенно во время развития мозга? Чтобы понять это, сначала необходимо определить компоненты и процессы мозга, которые требуют затрат энергии.С эволюционной точки зрения сравнение уровней метаболизма глюкозы и кислорода в мозге взрослого человека в сознании (грызуны, макаки, ​​бабуины) предполагает, что общие метаболические затраты являются простой линейной функцией количества нейронов, присутствующих в головном мозге [ 45]. Это согласуется с недавним приближением потребности нервных клеток в энергии, согласно которому нейроны потребляют 75-80% произведенной энергии, тогда как остальная часть используется для процессов, связанных с глией [15, 46, 47]. Две основные причины могут объяснить, почему нейроны имеют высокие энергетические потребности: во-первых, генерация потенциалов действия вдоль аксонов и синаптическая передача от нейрона к нейрону основаны на электрохимических и клеточных процессах, таких как потоки ионов, высвобождение и обратный захват нейротрансмиттеров, а также цикл везикул. , которые являются энергетически затратными [15, 44, 46].Было высказано предположение, что сигнальный механизм в синапсе потребляет особенно много энергии; например, было подсчитано, что 80% энергии миелинизированных аксонов гиппокампа расходуется постсинаптическими потенциалами [48]. Во-вторых, способность мозга непрерывно изменяться и адаптироваться на протяжении жизни обусловлена ​​постоянным перестройкой его архитектуры, кульминацией которой является добавление или устранение синапсов для усиления или ослабления активности нейронных сетей соответственно. Постоянный синтез белков, липидов и аминокислот необходим для поддержки молекулярных модификаций, лежащих в основе пластичности мозга, что способствует увеличению расхода энергии мозгом [19, 46, 49, 50].Быстрый обмен белков и липидов имеет решающее значение для поддержки дендритных шипов и модификации синапсов, которые необходимы для процессов обучения и памяти [51]. Тем не менее, широко признано, что большая часть энергии в мозге взрослого человека используется для поддержания его базовой физиологической активности, включая потенциал нейронов и синаптических мембран покоя, в то время как изменения в активности мозга, необходимые для выполнения определенных когнитивных задач, связанных с синаптической пластичностью, приводят к в увеличении потребности в энергии всего на 5% [18, 46, 52].Важно отметить, что развитие мозга связано со значительными дополнительными энергетическими потребностями, которые необходимы для поддержки постоянного и устойчивого синтеза молекулярных строительных блоков (белков, липидов и нуклеиновых кислот), лежащих в основе быстрого развития и созревания нейронных сетей. В частности, при рождении мозг составляет около 25% веса мозга взрослого человека, к возрасту 2 лет он составляет около 75% от размера взрослого человека, а примерно в возрасте 7 лет мозг человека достигает своего максимального размера. . Следовательно, постнатальный рост, особенно в раннем детстве, происходит быстро и не является результатом добавления новых нейронов, поскольку нейрогенез в основном происходит внутриутробно.Напротив, именно развитие и созревание нейронов, уже присутствующих при рождении, объясняют увеличение биомассы мозга и потребности в энергии, включая рост аксонов, развитие дендритных ветвлений, образование / удаление синапсов и миелинизацию аксонов [7, 18, 36, 37]. Интересно, что потребность мозга в энергетическом метаболизме следует за развитием и созреванием мозга, достигая пика потребности в энергии на грамм ткани в течение 2 и 3 постнатальных лет, особенно когда скорость образования синапсов и миелинизации достигает своей максимальной интенсивности [3, 53 ].В самом деле, ожидается, что метаболические и особенно анаболические потребности увеличатся с добавлением новых синаптических связей и миелиновых оберток вокруг аксонов. Следовательно, существует очень тесная временная и пространственная взаимосвязь между метаболическими и анаболическими потребностями мозга и клеточными и физиологическими изменениями нервной ткани в процессе развития и взросления.

Требования к глюкозе для поддержки потребности в энергии и анаболике во время развития мозга

Измерения скорости церебрального метаболизма глюкозы (CMRGlc) и кислорода (CMRO ₂ ), который является мерой использования глюкозы и кислорода в головном мозге, показывают: постоянное увеличение их значений в течение первых 2 лет жизни достигает примерно 2 и 1.В 5 раз больше взрослого значения в районе 3-5 лет жизни, соответственно, а затем постепенно уменьшаются до среднего взрослого значения в течение второго десятилетия жизни (рис. 1) [3, 54]. Эти наблюдения предполагают, что потребность в энергии увеличивается во время развития мозга, предположительно из-за увеличения синаптической передачи. Интересно, что использование глюкозы увеличивается в большей степени по сравнению с использованием кислорода в головном мозге. Действительно, при рождении измерения CMRGlc и CMRO ₂ показали, что уровень потребления глюкозы превышает окислительное фосфорилирование примерно на 34% [54, 55].Более того, Goyal et al. [20] сообщили, что использование кислорода в детстве составляет примерно 70% от общего потребления глюкозы в детском мозге. Поскольку кислород в головном мозге почти полностью используется для окисления углеводов посредством окислительного фосфорилирования с образованием АТФ, эти результаты предполагают, что глюкоза может выполнять дополнительные функции по сравнению с энергетическим субстратом (рис. 2) [3, 18, 56]. Предпочтение превращения пирувата метаболита глюкозы, образующегося в результате гликолиза, в лактат или его использования в качестве источника углерода для процессов биосинтеза вместо его преобразования в АТФ, несмотря на доступность кислорода, было названо аэробным гликолизом или эффектом Варбурга [21].Аэробный гликолиз хорошо описан в опухолевых тканях, которые метаболизируют примерно в 10 раз больше глюкозы в лактат, чем нормальные ткани, чтобы обеспечить субстрат для биосинтеза клеточных компонентов и поддержать пролиферацию раковых клеток [57]. Тем не менее, поскольку нейрогенез при рождении ограничен и ограничен конкретными областями мозга, метаболические и анаболические потребности, поддерживаемые глюкозой, предположительно связаны с созреванием ранее существовавших нейронов, улучшением синаптических связей, пролиферацией глии и быстрым ростом миелинизации аксонов.

Рис. 2.

Ключевой биохимический путь, участвующий в метаболизме глюкозы. Глюкоза крови пересекает ГЭБ и попадает в мозг. Глюкоза проникает в клетки через переносчики глюкозы (GLUT) и немедленно фосфорилируется с образованием глюкозо-6-фосфата (глюкоза-6P). Глюкоза-6P используется в качестве метаболического субстрата для различных биохимических путей. Во-первых, он превращается в 2 молекулы пирувата посредством гликолиза, которые производят АТФ и НАДН. Затем пируват либо восстанавливается до лактата, потребляя одну молекулу НАДН, либо метаболизируется в ацетил-КоА.Лактат может высвобождаться во внеклеточное пространство через переносчики монокарбоксилатов и использоваться в качестве источника энергии или биосинтетического субстрата нейронами и олигодендроцитами. Во-вторых, ацетил-КоА метаболизируется через цикл трикарбоновой кислоты (ТСА) и окислительное фосфорилирование, которые производят АТФ и CO ₂ при потреблении кислорода. Полное окисление глюкозы производит большее количество энергии в форме АТФ в митохондриях (30–36 АТФ) по сравнению с гликолизом (2 АТФ).В качестве альтернативы ацетил-КоА используется для синтеза жирных кислот и аминокислот. Глюкоза-6P также может метаболизироваться по пентозофосфатному пути (PPP) и приводит к образованию рибулозо-5-фосфата (рибулоза-5-P, используется в синтезе нуклеиновой кислоты) и НАДФН. НАДФН важен для поддержки синтеза жирных кислот, а также для регуляции метаболизма глутатиона. Глутатион существует в восстановленной форме (GSH) или в виде дисульфида (GSSG). Восстановленная форма GSH является источником восстанавливающего эквивалента, который может нейтрализовать активные формы кислорода (ROS), такие как гидроксипероксиды (ROOH).GSH превращается в GSSG, который затем возвращается обратно в GSH с использованием НАДФН в качестве донора электронов. Таким образом, глутатион является ключевым антиоксидантом, который защищает клетки от окислительного стресса, а также критически участвует в контроле окислительно-восстановительного гомеостаза клеток. В конечном итоге нуклеиновая кислота, жирная кислота, синтез аминокислот и контроль окислительно-восстановительного гомеостаза обеспечивают необходимую энергию и источник макромолекул, которые поддерживают процессы развития нервной системы в развитии мозга. Рисунок был изменен из [15].

Гликолитические побочные продукты являются важным источником углерода для производства глутатиона, НАДФН и рибоз вдоль пентозофосфатного пути (PPP), которые сами по себе необходимы для синтеза жирных кислот и чувствительных к нуклеотидам, соответственно, и для поддержания гомеостаза окислительного стресса ( Рис. 2) [58]. Биосинтез макромолекул из метаболитов глюкозы имеет решающее значение для поддержки ключевых физиологических процессов, лежащих в основе правильного роста и созревания мозга; было показано, например, что рост аксонов, образование синапсов и миелинизация критически зависят от аэробного гликолиза [20, 59, 60].Интересно, что аэробный гликолиз преобладает в белом веществе по сравнению с серым веществом, и было показано, что побочные продукты гликолиза, такие как лактат, особенно важны для продукции миелина олигодендроцитами [61, 62]. Хотя предполагалось, что большая часть глюкозы используется для перекачки ионов, чтобы поддерживать синаптическую активность, эти результаты подчеркивают, что глюкоза критически участвует в анаболических потребностях, помимо энергетических потребностей во время развития нервной системы [18, 63, 64].

Как уже говорилось, аэробный гликолиз варьируется в течение продолжительности жизни в зависимости от региональных и временных метаболических и анаболических требований и, по-видимому, также имеет решающее значение во время раннего развития мозга плода; Измерение поглощения глюкозы у 12–21-недельных преждевременных плодов человека показало, что около одной трети всей глюкозы в организме потребляется мозгом, и только половина ее предположительно окисляется [65].Исследования, проведенные на недоношенных новорожденных, когда нейрогенез еще активен, продемонстрировали очень низкий уровень потребления кислорода и предположили, что 90% глюкозы направляется на аэробный гликолиз [66, 67]. Хотя исследования на ранних стадиях развития мозга ограничены, эти данные показывают, что мозг плода сильно зависит от аэробного гликолиза, возможно, из-за большой потребности в биосинтезе de novo липидов, аминокислот и нуклеиновых кислот, которые связаны с генерацией и размножением нейронов. (Рис.2).

Пик CMRGlc приходится на 5 год после рождения и остается повышенным до 10 лет [3, 54, 55]. По мере старения потребление глюкозы немного снижается до достижения уровня взрослой жизни в течение второго десятилетия жизни, а аэробный гликолиз снижается до одной трети от его значения во взрослом возрасте, что составляет 8–10% от использования глюкозы [55]. Тем не менее, аэробный гликолиз в некоторых областях мозга, таких как медиальная и латеральная теменная и префронтальная кора, может вносить вклад в утилизацию глюкозы до 20-25% [68, 69].Эти области мозга интегрируют мультимодальную сенсорную информацию и участвуют в сложных когнитивных функциях, таких как управляющая функция и самосознание, которые требуют высокого уровня синаптической пластичности и, следовательно, значительно высокого биомолекулярного обмена. Следовательно, возможно, что во время развития мозга утилизация глюкозы является ключом не только к обеспечению энергией посредством окислительного фосфорилирования, но и к поддержке увеличения биомассы и биосинтеза макромолекул посредством аэробного гликолиза.Важно отметить, что аэробный гликолиз кажется особенно важным пренатально для поддержки нейрогенеза, а затем постнатально для поддержки роста нейронов, образования синапсов и миелинизации и, в конечном итоге, правильного развития нейронных сетей, лежащих в основе когнитивных функций. Во время созревания мозга происходит постепенное метаболическое переключение между аэробным гликолизом и окислительным фосфорилированием. По мере созревания нейронных сетей окислительное фосфорилирование становится преобладающим и поддерживает базальную синаптическую активность, тогда как аэробный гликолиз преобладает в тех областях, где пластичность мозга задействована для поддержания зависимых от опыта структурных и функциональных изменений, сопровождающих высшие когнитивные функции (рис.2).

Кетоны как источник энергии для мозга во время развития

Глюкоза является основным метаболическим субстратом, используемым мозгом для генерации АТФ в центральной нервной системе взрослых млекопитающих [8]. Однако во время развития и созревания мозга потребность в энергии и высокая скорость биосинтеза макромолекул превышают доступность глюкозы в крови. Наиболее подходящим дополнительным топливом для поддержки дополнительных энергетических потребностей развития мозга являются КБ, особенно β-гидроксибутират и ацетоацетат [17, 70-72].КБ представляют собой короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA), полученные главным образом в результате β-окисления жирных кислот в печени, которые доступны для мозга прямо пропорционально их концентрации в крови [17, 73]. КБ затем окисляются посредством окислительного фосфорилирования в митохондриях нейрональных клеток с образованием АТФ [17]. Хотя использование КБ для развития мозга начинается в утробе матери, постнатальное развитие мозга также сильно зависит от КБ [65]. Прерывание непрерывного трансплацентарного снабжения питательными веществами и энергией при рождении вынуждает новорожденного быстро адаптироваться к новой метаболической среде и, особенно, переходить от непрерывного кормления к чередованию периодов кормления и голодания [71].Это приводит к быстрому метаболизму доступных субстратов для производства энергии, во-первых, резко из резервов новорожденного и, во-вторых, из пищи в виде молока от матери [71, 74]. При рождении запасы глюкозы в мозге очень ограничены и могут удовлетворить потребности мозга только в течение нескольких часов. Метаболизм и использование глюкозы из других органов, таких как мышцы, или распад тканей не являются жизнеспособным долгосрочным решением для поддержки развития роста. Интересно, что новорожденные при рождении находятся в состоянии постоянного легкого кетоза (0.1–0,5 мМ β-гидроксибутират), который не зависит от статуса питания или гипогликемии [75]. Более того, усвоение КБ мозгом у младенцев и детей в 4–5 раз быстрее, чем у взрослых, что означает, что метаболизм младенцев и детей запрограммирован на активное производство КБ в результате β-окисления печени, и что мозг зависит от КБ для поддержания своего метаболизма. метаболические и анаболические потребности. Действительно, было подсчитано, что КБ могут быть способны восполнить до двух третей потребности мозга в энергии при низкой доступности глюкозы [17].

В настоящее время признано, что жирные кислоты, особенно жирные кислоты со средней длиной цепи (СЦЖК), которые составляют до 10–20% жирных кислот, содержащихся в грудном молоке, являются одним из основных субстратов, используемых для производства SCFA и поддержания устойчивого кетоза. у младенцев [72]. СЦЖК либо напрямую превращаются в КБ в результате β-окисления в печени, которые будут поглощены мозгом, либо они могут накапливаться в жировых тканях и могут использоваться позже для поддержания энергетических потребностей во время периода голодания (рис. 3, 4). .Более того, по оценкам, грудное молоко содержит около 15–17% SCFAs, которые обладают высокой кетогенной активностью и могут немедленно поддерживать энергию мозга и анаболические потребности [72, 76, 77]. Интересно, что отложение жира в организме во время развития уникально для человека; плод человека начинает накапливать жир в подкожной жировой ткани в середине беременности и имеет 500–600 г подкожного жира при рождении, в то время как у большинства млекопитающих количество жировой ткани очень ограничено и, следовательно, не может накапливаться либо MCFA, либо SCFAs [ 17].

Рис. 3.

Сравнение абсорбции среднецепочечных жирных кислот (MCFA) и длинноцепочечных жирных кислот (LCFA). СЦЖК быстро всасываются из кишечника и напрямую попадают в печень через воротную вену. LCFA сначала интегрируются в хиломикроны и в первую очередь абсорбируются через лимфатическую систему, прежде чем попасть в органы-мишени, включая печень, из периферического кровообращения. В печени MCFA и LCFA превращаются в кетоновые тела (KB) (см. Рис. 4), которые затем высвобождаются в периферическое кровообращение, прежде чем попасть в мозг через BBB.Затем КБ преобразуются в ацетил-КоА, который метаболизируется с образованием холестерина в гладком эндоплазматическом ретикулуме или энергии в форме АТФ через цикл TCA. Рисунок был изменен из [75].

Рис. 4.

Синтез кетоновых тел. Жирные кислоты превращаются в ацетил-КоА посредством β-окисления. Затем ацетил-КоА может либо войти в цикл TCA, чтобы генерировать АТФ, либо 2 молекулы ацетил-КоА конденсируются в ацетоацетил-КоА. Затем ацетоацетил-КоА используется для получения ацетоацетата, который можно использовать для производства ацетона или D-β-гидроксибутирата.Рисунок заимствован из [17].

Каковы основные преимущества использования КБ в процессе разработки для мозга? Во-первых, SCFA либо сразу же доступны через молоко, либо MCFA, хранящиеся в подкожной жировой ткани, могут быть мобилизованы и метаболизированы до KB. Во-вторых, использование КБ в качестве альтернативного источника энергии сохраняет использование глюкозы для дополнительных ключевых метаболических путей, таких как PPP, как описано ранее. В-третьих, КБ являются не только высокоэнергетическим субстратом, но также используются в качестве анаболических метаболитов.Например, холестерин является основным источником углерода для синтеза холестерина, который составляет 20% от общего количества липидов мозга. Холестерин не только необходим для правильного построения клеточной мембраны, но также важен для миелинизации аксонов [78, 79]. Наконец, образование KB из MCFA и SCFA происходит очень быстро по сравнению с другими жирными кислотами, поскольку они напрямую достигают печени через воротную вену, минуя лимфатическую систему, и β-окисляются в митохондрии без обычной активации фермента. карнитин-пальмитоилтрансфераза (рис.3).

Таким образом, в отличие от мозга взрослого человека, похоже, что КБ необходимы для развития и созревания мозга, поскольку они являются не только важным источником энергии, дополняющим глюкозу для полного удовлетворения метаболических потребностей мозга, но также, как и глюкоза, для поддержки анаболические потребности, связанные с пролиферацией, ростом и созреванием клеток.

Заключение

От зачатия до третьего года жизни размер мозга резко увеличивается, что приводит к формированию и расширению нейронных сетей, которые в конечном итоге будут реорганизованы и видоизменены в соответствии с различными генетическими факторами и факторами окружающей среды [3].Среди последних питание важно для оптимального развития мозга, поскольку оно обеспечивает глюкозу, КБ и кетогенные жирные кислоты, которые являются основными метаболическими субстратами мозга во время его развития и созревания. Аэробный гликолиз и биосинтез макромолекул из глюкозы, по-видимому, особенно важны для поддержки установления и поддержания синаптической пластичности, связанной с высшими когнитивными функциями. Следовательно, использование КБ может быть использовано для «освобождения» глюкозы для аэробного гликолиза, одновременно поддерживая потребность в энергии для синаптической передачи.Кроме того, KB также необходимы для синтеза определенных макромолекул, таких как холестерин, как обсуждалось ранее. Тем не менее, остается много вопросов: во-первых, до сих пор неизвестно, какие внутренние и внешние факторы запускают аэробный гликолиз и окислительное фосфорилирование в головном мозге, в зависимости от стадии его развития; во-вторых, не совсем понятно, как регулируется баланс между использованием глюкозы и КБ в качестве энергетических и анаболических субстратов. Поэтому крайне важно выяснить генетические, метаболические и физиологические процессы во время развития мозга, которые диктуют изменения метаболизма мозга.Такие питательные вещества обычно содержатся в сложных пищевых матрицах, таких как грудное молоко. Полное понимание того, как определенные питательные вещества, особенно в контексте приема пищи, взаимодействуют друг с другом и влияют на метаболизм мозга (см. Главу в этом выпуске, посвященную основным питательным веществам для раннего развития мозга: «Питательные факторы в развитии мозга плода и младенца» Читама) поможет нам лучше определить минимальные требования для его поддержки и развития мозга.

Заявление о раскрытии информации

P.С. является сотрудником Société des Produits Nestlé SA, и написание этой статьи было поддержано Институтом питания Nestlé. Автор не заявляет о других конфликтах интересов.

Список литературы

1. Knickmeyer RC, Gouttard S, Kang C, Evans D, Wilber K, Smith JK и др.Структурное МРТ-исследование развития мозга человека от рождения до 2 лет. J Neurosci. 2008 ноябрь; 28 (47): 12176–82.

2. Cunnane SC, Harbige LS, Crawford MA. Важность снабжения энергией и питательными веществами в эволюции человеческого мозга. Nutr Health. 1993. 9 (3): 219–35.

3. Гойал М.С., Яннотти Л.Л., Райхле М.Э.Питание мозга: подход к продолжительности жизни. Annu Rev Nutr. 2018 август; 38 (1): 381–99.

4. Лафлин С.Б., Сейновски Т.Дж. Связь в нейронных сетях. Наука. 2003 сентябрь; 301 (5641): 1870–4.

5. Паскуаль-Леоне А, Амеди А, Фрегни Ф., Мерабет Л.Б.Пластиковая кора головного мозга человека. Annu Rev Neurosci. 2005. 28 (1): 377–401.

6. Вонг А.Д., Е М., Леви А.Ф., Ротштейн Д.Д., Берглес Д.Е., Сирсон ПК. Гематоэнцефалический барьер: инженерная перспектива. Фронт Neuroeng. 2013 август; 6: 7.

7. Силберейс Дж. К., Почаредди С., Чжу Ю., Ли М., Сестан Н.Клеточные и молекулярные пейзажи развивающейся центральной нервной системы человека. Нейрон. 2016, январь; 89 (2): 248–68.

8. Соколов Л. Энергетика функциональной активации нервных тканей. Neurochem Res. 1999 Февраль; 24 (2): 321–9.

9. Райхле М.Э., Минтун М.А.Работа мозга и визуализация мозга. Annu Rev Neurosci. 2006. 29 (1): 449–76.

10. Норк JW, Blumenschine RJ, Адамс ДБ. Отношение центральной нервной системы к метаболизму тела у позвоночных: его постоянство и функциональная основа. Am J Physiol. 1981 сентябрь; 241 (3): R203–12.

11. Доббинг Дж., Сэндс Дж.Количественный рост и развитие человеческого мозга. Arch Dis Child. 1973 Октябрь; 48 (10): 757–67.

12. Гоял М.С., Венкатеш С., Милбрандт Дж., Гордон Дж. И., Райхле М.Э. Питание мозга и воспитание ума: связь питания и микробиоты кишечника с развитием мозга. Proc Natl Acad Sci USA.2015 ноя; 112 (46): 14105–12.

13. Маттей Д., Пьетробелли А. Микроэлементы и развитие мозга. Curr Nutr Rep., Июнь 2019; 8 (2): 99–107.

14. Чжэн Л., Флит М., Джуффрида Ф., О’Нил Б.В., Шнайдер Н.Диетические полярные липиды и когнитивное развитие: обзорный обзор. Adv Nutr. 2019 ноя; 10 (6): 1163–76.

15. Магистретти П.Дж., Алламан И. Клеточная перспектива энергетического метаболизма мозга и функциональной визуализации. Нейрон. 2015 Май; 86 (4): 883–901.

16. Cunnane S, Nugent S, Roy M, Courchesne-Loyer A, Croteau E, Tremblay S и др.Мозговый топливный обмен, старение и болезнь Альцгеймера. Питание. 2011 Янв; 27 (1): 3–20.

17. Cunnane SC, Crawford MA. Энергетические и пищевые ограничения на развитие младенческого мозга: последствия для расширения мозга во время эволюции человека. J Hum Evol. 2014 декабрь; 77: 88–98.

18. Бауэрнфейнд А.Л., Бэббит СС.Присвоение глюкозы в процессе развития нервной системы приматов. J Hum Evol. 2014 декабрь; 77: 132–40.

19. Бауэрнфейнд А.Л., Баркс С.К., Дука Т., Гроссман Л.И., Хоф ПР, Шервуд СС. Аэробный гликолиз в головном мозге приматов: пересмотр последствий для роста и поддержания здоровья. Функция структуры мозга.Июль 2014 г .; 219 (4): 1149–67.

20. Goyal MS, Hawrylycz M, Miller JA, Snyder AZ, Raichle ME. Аэробный гликолиз в головном мозге человека связан с развитием и экспрессией неотенозных генов. Cell Metab. 2014 Янв; 19 (1): 49–57.

21. Варбург О, Ветер Ф, Негелейн Э.Метаболизм опухолей в организме. J Gen Physiol. 1927 Март; 8 (6): 519–30.

22. Стайлз Дж., Джерниган Т.Л. Основы развития мозга. Neuropsychol Rev.2010 Декабрь; 20 (4): 327–48.

23. Puchalska P, Crawford PA.Многомерные роли кетоновых тел в топливном метаболизме, передаче сигналов и терапии. Cell Metab. 2017 Февраль; 25 (2): 262–84.

24. Ньюман Дж. К., Вердин Э. β-гидроксибутират: гораздо больше, чем метаболит. Диабет Res Clin Pract. 2014 ноябрь; 106 (2): 173–81.

25. Ньюман Дж. К., Вердин Э.Кетоновые тела как сигнальные метаболиты. Trends Endocrinol Metab. 2014 Янв; 25 (1): 42–52.

26. Cusick SE, Georgieff MK. Роль питания в развитии мозга: золотая возможность «первых 1000 дней». J Pediatr. 2016 август; 175: 16–21.

27. Эльсайед М., Магистретти П.Дж.Новый взгляд на психические заболевания: участие глии вне клея. Front Cell Neurosci. 2015 Декабрь; 9: 468.

28. Алламан I, Беланжер М., Магистретти П.Дж. Метаболические отношения астроцитов и нейронов: к лучшему и к худшему. Trends Neurosci. 2011 Февраль; 34 (2): 76–87.

29. Пургер Д., Гибсон Э.М., Монье М.Пластичность миелина в центральной нервной системе. Нейрофармакология. 2016 ноя; 110 (Pt B): 563–573.

30. Thion MS, Ginhoux F, Garel S. Microglia и раннее развитие мозга: интимное путешествие. Наука. Октябрь 2018; 362 (6411): 185–9.

31. Менасса Д.А., Гомес-Никола Д.Динамика микроглии в процессе развития мозга человека. Фронт Иммунол. 2018 Май; 9: 1014.

32. Ленц К.М., Нельсон Л.Х. Микроглия и за ее пределами: врожденные иммунные клетки как регуляторы развития мозга и поведенческой функции. Фронт Иммунол. 2018 Апрель; 9: 698.

33. Зечевич Н.Синаптогенез в слое I коры головного мозга человека в первой половине беременности. Cereb Cortex. 1998 апрель-май; 8 (3): 245–52.

34. Huttenlocher PR, Dabholkar AS. Региональные различия синаптогенеза в коре головного мозга человека. J Comp Neurol. 1997 Октябрь; 387 (2): 167–78.

35. Хаттенлохер Дж., Левин С., Вевеа Дж.Вклад окружающей среды и когнитивный рост: исследование с использованием сравнения периодов времени. Child Dev. 1998 август; 69 (4): 1012–29.

36. Ракич П., Буржуа Дж. П., Экенхофф М. Ф., Зечевич Н., Гольдман-Ракич П. С.. Одновременное перепроизводство синапсов в различных областях коры головного мозга приматов.Наука. 1986 апр; 232 (4747): 232–5.

37. Hensch TK. Регулирование критического периода. Annu Rev Neurosci. 2004. 27 (1): 549–79.

38. Bruchhage MM, Ngo GC, Schneider N, D’Sa V, Deoni SC.Функциональная взаимосвязь коррелирует с когнитивным развитием младенцев и детей раннего возраста. Функция структуры мозга. 2020 Март; 225 (2): 669–81.

39. Зигенталер Дж. А., Сохет Ф., Данеман Р. «Закрытие ЦНС»: клеточная и молекулярная регуляция генезиса гематоэнцефалического барьера. Curr Opin Neurobiol.2013 декабрь; 23 (6): 1057–64.

40. Хаддад-Товолли Р., Драгано Н. Р., Рамальо А. Ф., Веллосо Л. А.. Развитие и функция гематоэнцефалического барьера в контексте метаболического контроля. Front Neurosci. 2017 Апрель; 11: 224.

41. Fossan G, Cavanagh ME, Evans CA, Malinowska DH, Møllgård K, Reynolds ML, et al.Проницаемость CSF-мозга у незрелого плода овцы: CSF-мозговой барьер. Brain Res. 1985 февраль; 350 (1-2): 113–24.

42. Марин-Падилья М, Кнопман Д.С. Аспекты развития внутримозгового микрососудов и периваскулярных пространств: понимание реакции мозга на болезни позднего возраста.J Neuropathol Exp Neurol. 2011 декабрь; 70 (12): 1060–9.

43. Гоял М.С., Райхле М.Э. Моделирование корковой синаптической плотности человека на основе экспрессии генов. Proc Natl Acad Sci USA. 2013 Апрель; 110 (16): 6571–6.

44. Бордоне М.П., ​​Салман М.М., Титус Х.Э., Амини Э., Андерсен Дж. В., Чакраборти Б. и др.Энергетический мозг — отзыв студентов студентам. J Neurochem. 2019 Октябрь; 151 (2): 139–65.

45. Herculano-Houzel S. Масштабирование метаболизма мозга с фиксированным энергетическим балансом на нейрон: последствия для нейрональной активности, пластичности и эволюции. PLoS One. 2011 Март; 6 (3): e17514.
46. Харрис Дж. Дж., Джоливет Р., Аттуэлл Д. Использование и поставка синаптической энергии. Нейрон. 2012 сентябрь; 75 (5): 762–77.

47. Хайдер Ф., Херман П., Бейли С.Дж., Мёллер А., Глобинский Р., Фулбрайт Р.К. и др.Равномерное распределение окисления глюкозы и экстракции кислорода в сером веществе нормального мозга человека: нет доказательств региональных различий аэробного гликолиза. J Cereb Blood Flow Metab. 2016 Май; 36 (5): 903–16.

48. Alle H, Roth A, Geiger JR. Энергоэффективные потенциалы действия в замшелых волокнах гиппокампа.Наука. 2009 сентябрь; 325 (5946): 1405–8.

49. Magistretti PJ. Метаболическая связь и пластичность нейронов и глии. Exp Physiol. 2011 Апрель; 96 (4): 407–10.

50. Шэн М., Ким Э.Постсинаптическая организация синапсов. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011 декабрь; 3 (12): a005678.

51. Хольтмаат А., Свобода К. Опытно-зависимая структурная синаптическая пластичность в мозге млекопитающих. Nat Rev Neurosci. 2009 Сен; 10 (9): 647–58.

52. Magistretti PJ, Pellerin L; Астроциты связывают синаптическую активность с использованием глюкозы в головном мозге.Астроциты связывают синаптическую активность с использованием глюкозы в головном мозге. Новости Physiol Sci. 1999 Октябрь; 14 (5): 177–82.

53. Деони С., Дин Д. 3-й, Джоэлсон С., О’Реган Дж., Шнайдер Н. Раннее питание влияет на миелинизацию развития и познавательные способности у младенцев и детей младшего возраста. Нейроизображение.2018 сентябрь; 178: 649–59.

54. Чугани ХТ. Критический период развития мозга: исследования утилизации церебральной глюкозы с помощью ПЭТ. Предыдущая Мед. Март-апрель 1998 г., 27 (2): 184–8.

55. Чугани ХТ.Позитронно-эмиссионная томография: принципы и применение в педиатрии. Мид Джонсон Symp Perinat Dev Med. 1987; (25): 15–8.

56. Гоял М.С., Райхле М.Э. Потребности развивающегося человеческого мозга в глюкозе. J Pediatr Gastroenterol Nutr. 2018 июн; 66 Приложение 3: S46–9.

57. Коппенол WH, Bounds PL, Dang CV.Вклад Отто Варбурга в современные концепции метаболизма рака. Нат Рев Рак. 2011 Май; 11 (5): 325–37.

58. Magistretti PJ. Синаптическая пластичность и эффект Варбурга. Cell Metab. 2014 Янв; 19 (1): 4–5.

59. Сегарра-Мондехар М., Каселлас-Диас С., Рамиро-Парета М., Мюллер-Санчес С., Марторель-Риера А., Хермело I и др.Гликолиз, индуцированный синаптической активностью, способствует обеспечению мембранными липидами и разрастанию нейритов. EMBO J. 2018 May; 37 (9): e97368.

60. Делла-Флора Нунес Г., Мюллер Л., Сильвестри Н., Патель М.С., Врабец Л., Фелтри М.Л. и др. Производство ацетил-КоА из пирувата не является необходимым для сохранения миелина.Глия. 2017 Октябрь; 65 (10): 1626–39.

61. Санчес-Абарка Л.И., Табернеро А., Медина Ю.М. Олигодендроциты используют лактат как источник энергии и как предшественник липидов. Глия. 2001 декабрь; 36 (3): 321–9.

62. Ринхольм Дж. Э., Гамильтон Н. Б., Кессарис Н., Ричардсон В. Д., Бергерсен Л. Х., Аттуэлл Д.Регулирование развития олигодендроцитов и миелинизации глюкозой и лактатом. J Neurosci. 2011 Янв; 31 (2): 538–48.

63. Магистретти П.Дж., Пеллерин Л., Ротман Д.Л., Шульман Р.Г. Энергия по запросу. Наука. 1999, январь, 283 (5401): 496–7.

64. Аттвелл Д., Лафлин С.Б.Энергетический баланс для передачи сигналов в сером веществе мозга. J Cereb Blood Flow Metab. 2001 Октябрь; 21 (10): 1133–45.

65. Адам PA, Räihä N, Rahiala EL, Kekomäki M. Окисление глюкозы и D-B-OH-бутирата ранним мозгом плода человека. Acta Paediatr Scand. 1975, январь, 64 (1): 17–24.
66. Альтман Д.И., Перлман Дж. М., Вольпе Дж. Дж., Пауэрс В. Дж. Церебральный кислородный обмен у новорожденных. Педиатрия. Июль 1993 г ​​.; 92 (1): 99–104.

67. Йоксалл CW, Вайндлинг AM.Измерение потребления кислорода головным мозгом новорожденного человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области: потребление кислорода головным мозгом увеличивается с увеличением гестационного возраста. Pediatr Res. 1998 сентябрь; 44 (3): 283–90.

68. Вайшнави С.Н., Власенко А.Г., Рандл М.М., Снайдер А.З., Минтун М.А., Райхле М.Э.Региональный аэробный гликолиз в головном мозге человека. Proc Natl Acad Sci USA. Октябрь 2010 г.; 107 (41): 17757–62.

69. Блейзи Т., Снайдер А.З., Су И, Гоял М.С., Ли Дж.Дж., Власенко А.Г. и др. Количественная позитронно-эмиссионная томография выявляет региональные различия в аэробном гликолизе в мозгу человека.J Cereb Blood Flow Metab. 2019 Октябрь; 39 (10): 2096–102.

70. Achanta LB, Rae CD. β-гидроксибутират в мозге: одна молекула, несколько механизмов. Neurochem Res. 2017 Янв; 42 (1): 35–49.

71. Нелиг А., Перейра де Васконселос А.Утилизация глюкозы и кетоновых тел мозгом новорожденных крыс. Prog Neurobiol. 1993 Февраль; 40 (2): 163–221.

72. Cunnane SC, Courchesne-Loyer A, Vandenberghe C, St-Pierre V, Fortier M, Hennebelle M и др. Могут ли кетоны помочь восстановить запасы топлива в мозгу в более позднем возрасте? Последствия для когнитивного здоровья во время старения и лечения болезни Альцгеймера.Front Mol Neurosci. 2016 Июль; 9:53.

73. Cunnane SC, Schneider JA, Tangney C, Tremblay-Mercier J, Fortier M, Bennett DA, et al. Профили жирных кислот в плазме и головном мозге при легких когнитивных нарушениях и болезни Альцгеймера. J. Alzheimers Dis. 2012. 29 (3): 691–7.

74. Ересинская М, Чериан С, Сильвер ИА.Энергетический обмен в мозге млекопитающих в процессе развития. Prog Neurobiol. 2004, август; 73 (6): 397–445.

75. Cunnane SC, Courchesne-Loyer A, St-Pierre V, Vandenberghe C, Pierotti T, Fortier M и др. Могут ли кетоны компенсировать ухудшение усвоения глюкозы мозгом во время старения? Значение для риска и лечения болезни Альцгеймера.Ann N Y Acad Sci. 2016 Март; 1367 (1): 12–20.

76. Sarda P, Lepage G, Roy CC, Chessex P. Хранение среднецепочечных триглицеридов в жировой ткани перорально вскармливаемых младенцев. Am J Clin Nutr. 1987 февраль; 45 (2): 399–405.

77. Колецко Б., Деммельмайр Х., Соча П.Нутритивная поддержка младенцев и детей: поступление и метаболизм липидов. Baillieres Clin Gastroenterol. 1998 декабрь; 12 (4): 671–96.

78. Пиомелли Д., Астарита Г., Рапака Р. Руководство нейробиолога по липидомике. Nat Rev Neurosci. 2007 Октябрь; 8 (10): 743–54.

79. Копер Дж. В., Лопес-Кардозо М, Ван Голд Л. М..Предпочтительное использование кетоновых тел для синтеза миелинового холестерина in vivo. Biochim Biophys Acta. 1981 декабрь; 666 (3): 411–7.

Автор Контакты

Паскаль Штайнер

Société des Produits Nestlé SA, Nestlé Research

Департамент здоровья мозга, Route du Jorat 57

CH – 1000 Лозанна (Швейцария)

паскаль[email protected]

Подробности статьи / публикации

Предварительный просмотр первой страницы

Поступила: 8 марта 2020 г.
Дата принятия: 16 марта 2020 г.
Опубликована онлайн: 19 июня 2020 г.
Дата выпуска: июнь 2020

Количество страниц для печати: 11
Количество рисунков: 4
Количество столов: 0

ISSN: 0250-6807 (печатный)
eISSN: 1421-9697 (онлайн)

Для дополнительной информации: https: // www.karger.com/ANM

Авторские права / Дозировка препарата / Заявление об ограничении ответственности

Авторские права: Все права защищены. Никакая часть данной публикации не может быть переведена на другие языки, воспроизведена или использована в любой форме и любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись, микрокопирование или с помощью какой-либо системы хранения и поиска информации, без письменного разрешения издателя. .
Дозировка лекарства: авторы и издатель приложили все усилия, чтобы гарантировать, что выбор и дозировка лекарства, указанные в этом тексте, соответствуют текущим рекомендациям и практике на момент публикации.Однако ввиду продолжающихся исследований, изменений в правительственных постановлениях и постоянного потока информации, касающейся лекарственной терапии и реакций на них, читателю настоятельно рекомендуется проверять листок-вкладыш для каждого препарата на предмет любых изменений показаний и дозировки, а также дополнительных предупреждений. и меры предосторожности. Это особенно важно, когда рекомендованным агентом является новое и / или редко применяемое лекарство.
Отказ от ответственности: утверждения, мнения и данные, содержащиеся в этой публикации, принадлежат исключительно отдельным авторам и соавторам, а не издателям и редакторам.Появление в публикации рекламы и / или ссылок на продукты не является гарантией, одобрением или одобрением рекламируемых продуктов или услуг или их эффективности, качества или безопасности. Издатель и редактор (-ы) не несут ответственности за любой ущерб, причиненный людям или имуществу в результате любых идей, методов, инструкций или продуктов, упомянутых в контенте или рекламе.

Важность пищевых углеводов в эволюции человека — ScienceDaily

Понимание того, как и почему мы развили такой большой мозг, — одна из самых загадочных проблем в изучении эволюции человека.Широко признано, что увеличение размера мозга частично связано с изменениями в рационе питания за последние 3 миллиона лет, а увеличение потребления мяса и развитие кулинарии привлекли особое внимание научного сообщества. В новом исследовании, опубликованном в The Quarterly Review of Biology , доктор Карен Харди и ее команда объединили археологические, антропологические, генетические, физиологические и анатомические данные, чтобы доказать, что потребление углеводов, особенно в форме крахмала, имеет решающее значение для ускорило расширение человеческого мозга за последний миллион лет и одновременно эволюционировало как с изменением числа копий генов амилазы слюны, так и с контролируемым использованием огня для приготовления пищи.

В связи с глобальным ростом ожирения и связанных с питанием метаболических заболеваний, возрос интерес к диетам предков или « палеолитическим » рационам, не в последнюю очередь потому, что — в первом приближении — физиология человека должна быть оптимизирована с учетом профиля питания, который мы наблюдали в наша эволюция. До сих пор большое внимание уделялось роли животного белка и приготовления пищи в развитии человеческого мозга в течение последних 2 миллионов лет, и важность углеводов, особенно в виде богатой крахмалом растительной пищи, была в значительной степени игнорируется.

Команда

Харди выделяет следующие наблюдения, чтобы обосновать важность пищевых углеводов для эволюции современных людей с большим мозгом:

(1) Человеческий мозг использует до 25% энергетического бюджета тела и до 60% энергии. глюкоза в крови. Хотя синтез глюкозы из других источников возможен, это не самый эффективный способ, и эти высокие потребности в глюкозе вряд ли будут удовлетворены на низкоуглеводной диете;

(2) Беременность и лактация человека предъявляют дополнительные требования к бюджету глюкозы в организме, а низкий уровень глюкозы в крови матери ставит под угрозу здоровье как матери, так и ее потомства;

(3) Крахмалы были бы легко доступны для древних человеческих популяций в форме клубней, а также в семенах, некоторых фруктах и ​​орехах;

(4) В то время как сырые крахмалы часто плохо перевариваются людьми, при приготовлении они теряют свою кристаллическую структуру и становятся намного легче перевариваемыми;

(5) Гены амилазы слюны обычно присутствуют во многих копиях (в среднем ~ 6) у людей, но только в 2 копиях у других приматов.Это увеличивает количество вырабатываемой слюнной амилазы и, таким образом, увеличивает способность переваривать крахмал. Точная дата размножения генов амилазы слюны остается неопределенной, но генетические данные свидетельствуют о том, что это было в какой-то момент в течение последнего миллиона лет.

Харди предполагает, что после того, как кулинария стала широко распространенной, совместная эволюция кулинарии и более высокое число копий генов амилазы слюны (и, возможно, панкреатической амилазы) увеличили доступность предварительно образованной пищевой глюкозы для мозга и плода, что, в свою очередь, , позволила ускорить увеличение размера мозга, которое произошло примерно 800000 лет назад.

Употребление мяса могло дать толчок развитию большого мозга, но приготовленные крахмалистые продукты вместе с большим количеством генов амилазы слюны сделали нас еще умнее.

История Источник:

Материалы предоставлены издательством University of Chicago Press Journals . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

USDA ARS Online Magazine Vol. 55, № 7

Впервые в серии:
Питание и работа мозга
Пища для старения

Ученые знают, что определенные питательные вещества и другие ключевые химические соединения необходимы для функционирования человеческого мозга. Серьезный дефицит некоторых из них, таких как витамин B12 и железо, может привести к нарушению когнитивных функций из-за неврологических или нервных осложнений.

Познание можно определить как способность использовать информацию от простого к сложному для решения повседневных задач.

Итак, может ли внимательное отношение к диете помочь защитить стареющий мозг от проблем с сигналами нервных клеток, участвующими в памяти и познании? Четкий ответ может сильно повлиять на 77 миллионов бэби-бумеров, которым грозит пенсия. Их независимость, качество жизни и даже экономический статус во многом будут определяться их способностью передавать информационные сигналы по мере старения.

При исследовании связи между питанием и мозгом используются новые технологии, например, те, которые делают изображения мозга или фактически подсчитывают отдельные клетки мозга. Поведенческие тесты, которые измеряют двигательные и когнитивные навыки или их отсутствие, также дают представление. Тем не менее, наука о питании и функциях мозга относительно нова и постоянно развивается.

Ученые Службы сельскохозяйственных исследований в нескольких местах по всей стране вносят свой вклад в растущее количество исследований, изучающих влияние диеты и питания на мозг и его функции на протяжении всей жизни.

Повышение нейронной функции

Миллиарды нейронов мозга «разговаривают» друг с другом через химические нейротрансмиттеры, которые передают сигналы через нейронные пути. Эти химические переносчики, в том числе норэпинефрин, серотонин и дофамин, являются ключевыми для передачи сигналов.

Хотя люди естественным образом теряют клетки мозга на протяжении всей своей жизни, процесс гибели нейронов не обязательно ускоряется с возрастом. «Есть много индивидуальных различий, — говорит нейробиолог из ARS Джеймс Джозеф. «Потеря умственной активности может быть не столько из-за потери клеток мозга, сколько из-за неспособности клеток эффективно общаться».

Джозеф возглавляет лабораторию неврологии в Исследовательском центре питания человека Министерства сельского хозяйства США по проблемам старения имени Жана Майера (HNRCA) в Университете Тафтса в Бостоне.Там исследователи изучают благотворное влияние определенных диетических растительных соединений, чтобы узнать, как они влияют на работу мозга.

«Витамины и минералы в растительной пище содержат защитные антиоксиданты», — говорит Джозеф. «Но фрукты, овощи, орехи, семена и злаки содержат тысячи других типов соединений, которые вносят значительный вклад в общее потребление антиоксидантов с пищей.

«Частичная мера антиоксидантного эффекта называется« ORAC », что означает способность абсорбировать радикалы кислорода.Оценки ORAC теперь отображаются в диаграммах и на некоторых упаковках продуктов питания и напитков. Они могут быть полезны при выборе продуктов, которые нужно включить в свой рацион ».

Возможно, нет лучшего места для измерения силы антиоксидантов, чем между мельчайшими связями нервных клеток.

Противостояние давней догме

Восемь лет назад Джозеф и его коллеги начали публиковать серию исследований, проведенных на грызунах, которые пролили свет на взаимосвязь между различными диетами и механизмами когнитивных потерь в определенных областях стареющего мозга.

Многие в сериале являются новаторскими, поскольку они бросают вызов давно принятому мнению о том, что центральная нервная система, включая мозг, не способна к самовосстановлению. Другие опубликованные исследования в этой серии подтверждают аналогичные результаты, основанные на исследованиях мозга приматов и человека в Институте биологических исследований Солка, Сан-Диего, Калифорния. Ученые там, используя новые технологии, оспорили идею о том, что мозг не производит новые нейроны — процесс, называемый «нейрогенез», — до старости: это происходит, но гораздо более медленными темпами.

Одно из первых исследований Джозефа, опубликованное в Journal of Neuroscience, показало защитный эффект употребления антиоксидантов. Подопытных крыс от взрослого до среднего возраста кормили витамином Е, экстрактами клубники или шпината, все с одинаковыми значениями ORAC. Животные, получавшие диету с высоким содержанием антиоксидантов, не испытывали возрастной потери когнитивных способностей, наблюдаемой у контрольных крыс, получавших стандартную пищу.

Более позднее исследование, также опубликованное в журнале Journal of Neuroscience, показало отмену функциональной потери у крыс на специальных диетах. Каждой из трех групп крыс, эквивалентных по возрасту 63-летним людям, давали разные экстракты с высоким содержанием антиоксидантов. Контрольную группу кормили стандартной пищей. Через 8 недель — что эквивалентно примерно 10 годам у людей — измеряли уровень продуктивности крыс.

Крысы, получавшие экстракты шпината, клубники или черники, эффективно обращали вспять возрастной дефицит нейрональных и когнитивных функций.Кроме того, группа, получавшая откорм черники, намного превзошла своих сверстников при перемещении по вращающемуся стержню, чтобы проверить равновесие и координацию.

«Несмотря на свой статус« пожилых людей », эти крысы показали замечательную выносливость в тестах нейромоторных функций», — говорит психолог и соавтор Барбара Шукитт-Хейл, также из лаборатории нейробиологии.

Исследование ткани мозга крыс, получавших чернику, показало гораздо более высокие уровни дофамина, чем в других группах. Дофамин выполняет множество функций в головном мозге.В частности, это может повлиять на то, как мозг контролирует движения.

«Мы подозревали, что комбинированная антиоксидантная активность соединений в экстракте черники может снизить количество воспалительных соединений в мозге этих старых животных», — говорит Джозеф. «Воспаление обычно способствует нейрональной и поведенческой недостаточности во время старения».

Испытания с тех пор показали, что соединения черники проникают через гематоэнцефалический барьер и локализуются в тканях мозга грызунов.

Hard News: Brain Plaques

Позже исследователи лаборатории опубликовали исследование модели болезни Альцгеймера в журнале Nutritional Neuroscience . Они изучили мышей с генетической мутацией, способствующей увеличению количества бета-амилоида, фрагмента белка, обнаруженного в характерной нейритной бляшке, или «затвердевания мозга», наблюдаемого при болезни Альцгеймера.

Хотя точная причина болезни Альцгеймера до конца не изучена, эксперты недавно идентифицировали один механизм, связанный с недостаточным расщеплением и рециркуляцией амилоидного белка в головном мозге.Этот механизм является как генетическим, так и физиологическим. У этих людей обычно безвредный амилоидный белок превращается в фрагменты бета-амилоида, которые накапливаются в головном мозге в виде бляшек, а не подвергаются вторичной переработке клеток. Это действие приводит к гибели клеток и ослаблению нейронной связи.

В исследовании на мышах, начиная с возраста 4 месяцев — в раннем взрослом возрасте — половина группы с бляшками головного мозга получала диету, которая включала экстракт черники в течение 8 месяцев. Другая половина получала стандартный корм для крыс, как и контрольная группа мышей, не несущих мутации амилоидных бляшек.

В 12 месяцев — в раннем среднем возрасте — все группы были протестированы на предмет их успешности в лабиринте.

Мыши с бляшками на головном мозге, которым давали экстракт черники, показали себя так же, как и здоровые контрольные мыши, и показали гораздо лучшие результаты, чем их сверстники с бляшками, получавшие стандартную пищу.

Исследование головного мозга мышей, получавших чернику и корм, после смерти, не выявило разницы в количестве бляшек в головном мозге в обеих группах. «Бляшки, вызванные бета-амилоидом, — это только один аспект болезни Альцгеймера», — говорит Джозеф. «Но тот факт, что мы наблюдали разницу в поведении, вызванную диетой, несмотря на сходство плотности налета в обеих этих группах животных, является значительным».

Команда обнаружила повышенную активность семейства ферментов, называемых «киназами», в мозге мышей с амилоидными бляшками, которым давали экстракт черники.В частности, обнаружены две киназы, ERK и PKC, которые играют важную роль в опосредовании когнитивных функций, таких как преобразование кратковременной памяти в долговременную.

«Эти молекулы киназ участвуют в сигнальных путях обучения и памяти», — говорит Джозеф. «Возможно, повышенная активность киназы в мозге, покрытом бляшками, у мышей, получавших чернику, усиливала передачу сигналов в определенных рецепторах».

Рождаются клетки мозга

В другом исследовании HNRCA на крысах изучалась способность пожилого мозга к физиологическим изменениям — состояние, которое ученые называют «нейрональной пластичностью».В дополнение к делению и дифференцировке клеток, или «назначению миссии», ткань мозга претерпевает множество других изменений в процессе старения.

Например, у новорожденного вырастают миллиарды нервных клеток, впитывая информацию из окружающей среды. Но более низкие уровни роста синапсов продолжаются волнообразно на протяжении всей жизни. Малоиспользуемые синапсы удаляются, в то время как другие укрепляются в процессе своего рода отсечения нейронов.

Механизмы восстановления включают нейронные иммунные клетки, называемые «микроглией», которые стремятся излечить и защитить поврежденную ткань мозга; ферменты, регулирующие безопасные химические уровни; и гены, которые экспрессируются в ответ на воспаление.

В исследовании пластичности нейронов изучалась физиологическая связь между питанием и контролирующей память областью гиппокампа пожилого мозга. Эта область в центре мозга важна для так называемой «рабочей» или «кратковременной» памяти. Он принимает и обрабатывает данные, а затем, при необходимости, передает их на хранение.

Нейрогенез также играет роль в формировании новых воспоминаний. Считается, что способность гиппокампа производить новые нейроны значительно снижается с возрастом. Но это исследование показало, что у старых крыс, которым в течение короткого времени давали экстракт черники, увеличился нейрогенез в области зубчатой ​​извилины гиппокампа головного мозга. Зубчатая извилина — одна из немногих областей мозга, где происходит нейрогенез.

«Мы обнаружили изменения в пролиферации нейронов у крыс, которых кормили черникой», — сказала Джемма Касадесус, бывшая аспирантка лаборатории нейробиологии, а теперь работающая в Университете Кейс Вестерн Резерв.В тестах в лабиринте старые лабораторные крысы, которых кормили черникой, показали улучшение когнитивных функций по сравнению с сверстниками, которых кормили кормом. «Была связь между размножением нейрональных клеток-предшественников и улучшением пространственной памяти», — говорит она.

Исследователи еще не знают, переносятся ли когнитивные улучшения, наблюдаемые у старых крыс, получавших чернику, на человека.«Но это важный шаг в понимании способности мозга спасаться от возрастного снижения физиологических функций», — говорит Касадесус.

Теперь вы меня слышите?

Нейроны, которые не могут получать свои сообщения через сигнальные пути, похожи на сотовые телефоны, которые не могут передавать свои сигналы на другие сотовые телефоны. Почему это происходит?

По мере созревания мозга деление клеток в значительной степени ограничивается определенными областями мозга, и клетки мозга, как правило, становятся более уязвимыми для двух партнеров в преступлении: окислительного стресса и воспаления.

В организме свободные радикалы — ослабленные атомы, образующиеся во время повседневной деятельности — лишены электрона и хотят связываться с соседними биомолекулами для стабилизации. Проблема в том, что свободные радикалы, если не нейтрализованы, вызывают повреждение клеток, известное как «окислительный стресс».

Клеточные системы антиоксидантной защиты уравновешивают эти молекулы-изгои, но они не на 100% эффективны, особенно по мере созревания тела и мозга. Считается, что мозг особенно уязвим для окислительного стресса.

«При весе всего 3 фунта мозг составляет всего 2 процента от общей массы тела, но при этом он использует до половины общего количества кислорода, потребляемого телом во время умственной деятельности», — говорит Джозеф. «Фитохимические вещества вместе с необходимыми питательными веществами в продуктах питания создают своего рода коктейль, полезный для здоровья. Вполне возможно, что дальнейшие исследования в этой области укажут на режимы питания, которые эффективны для улучшения нейрональной функции ».

Воспаление, как полагают, вызвано чрезмерной активацией микроглии — нейронных иммунных клеток, упомянутых ранее.

Микроглия обычно находится в спящем состоянии, но мигрирует к месту любой травмы головного мозга. Эти часовые составляют около 20 процентов популяции клеток в определенных областях мозга.

Стремясь защитить и восстановить ткань, клетки микроглии вырабатывают и посылают сигналы молекулярного стресса, в том числе посредством защитных цитокинов, в качестве сигнала горна другим клеткам. Эти сигналы запускают каскад реакций, включая активацию генов, которые экспрессируют белки и другие химические вещества стресса, чтобы помочь очистить клеточный мусор.

Активация микроглии бета-амилоидом считается ключевым событием в прогрессировании болезни Альцгеймера. «Когда микроглия застревает в постоянной петле в ответ на накопление бляшек в головном мозге, они сами по себе становятся проблемными», — говорит Джозеф.

В этом году Фрэнсис Лау, молекулярный биолог из лаборатории неврологии, опубликовал исследование, в котором выяснялось, могут ли экстракты черники оказывать профилактическое действие на воспалительные сигналы, исходящие от активированных клеток микроглии.

Активация микроглии считается признаком воспаления в центральной нервной системе. Для этого исследования Лау использовал линию клеток микроглии грызунов, которая ранее служила моделью для изучения активации микроглии, вызванной бляшками.

Лау подвергал группы этих тестовых клеток воздействию различных уровней экстрактов черники. Затем он вызвал у клеток окислительный стресс, подвергнув их воздействию токсина — липополисахарида, который вызывает секрецию воспалительных химических веществ.

Нейровоспаление связано с экспрессией генов, которые выделяют два воспалительных фермента, iNOS и COX-2, и два цитокина, IL-1b и TNF-a.

Lau использовал ПЦР в реальном времени (полимеразную цепную реакцию), чтобы найти и измерить экспрессию генов, продуцирующих iNOS и COX-2, в культурах клеток, индуцированных стрессом. Он обнаружил, что обработка черникой значительно уменьшила это выражение.

Экстракт черники также заметно снижает секрецию двух воспалительных цитокинов. Фактически, говорит Лау, «в клетках, подвергшихся воздействию самой высокой концентрации экстракта черники, количество обнаруженного цитокина TNF-α было почти нулевым — по существу идентичным тому, что было обнаружено в контрольных клетках.”

Взгляд в будущее

В настоящее время пищевая промышленность использует ряд новых и существующих ингредиентов для выхода на развивающийся рынок здоровья мозга. Некоторые из них производят этикетки для пищевых продуктов, на которых указаны значения ORAC, например, для использования на контейнерах с фруктовыми соками и чаями, богатыми полифенолами. Однако до сих пор Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США не проводило обзора пользы для здоровья от употребления ягод.

В идеале будущие исследования в HNRCA будут включать использование новых диагностических инструментов, а также клинические испытания на людях.Например, оборудование для нейровизуализации можно использовать для мониторинга влияния различных диетических факторов на развитие бляшек в мозгу человека. Такие исследования направлены на поиск наилучших режимов питания, которые помогут взрослым сохранить свои умственные способности в процессе старения. — Розали Мэрион Блисс, информационный персонал Службы сельскохозяйственных исследований.

Это исследование является частью национальной программы ARS (№ 107) Human Nutrition, описанной в Интернете по адресу www.nps.ars.usda.gov.

Джеймс А.Джозеф работает в Исследовательском центре по проблемам старения в области питания человека USDA-ARS при Университете Тафтса, 711 Вашингтон-стрит, Бостон, Массачусетс 02111; телефон (617) 556-3178, факс (617) 556-3222.

« Питание и функции мозга » было опубликовано в августовском номере журнала «Сельскохозяйственные исследования» за 2007 год.

Мясо, приготовленная пища, необходимая для раннего развития человеческого мозга

Вегетарианская, веганская и сыроедческая диеты могут быть полезными — вероятно, гораздо более здоровыми, чем типичная американская диета.Но, согласно двум недавним независимым исследованиям, продолжать называть эти диеты «естественными» для человека с точки зрения эволюции — это немного натянуто.

Поедание мяса и приготовление пищи сделало нас людьми, как показывают исследования, позволив мозгу наших дочеловеческих предков значительно развиваться в течение нескольких миллионов лет.

Хотя это не первое подобное утверждение археологов и биологов-эволюционистов, новые исследования показывают, соответственно, что было бы биологически неправдоподобно для человека развить такой большой мозг на сырой веганской диете и на мясоеде. был решающим элементом человеческой эволюции, по крайней мере, за 1 миллион лет до зарождения человечества.

Тсс, не говори горилл

В основе этого исследования лежит понимание того, что современный человеческий мозг потребляет 20 процентов энергии тела в состоянии покоя, что вдвое больше, чем у других приматов. Мясо и приготовленная пища были необходимы, чтобы обеспечить необходимое количество калорий, чтобы накормить растущий мозг. [10 фактов о человеческом мозге, которых вы не знали]

В одном исследовании, опубликованном в прошлом месяце в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, изучались размеры мозга нескольких приматов.По большей части, более крупные тела имеют больший мозг у разных видов. Тем не менее, человеческий мозг имеет исключительно большой, богатый нейронами мозг для нашего размера тела, в то время как гориллы — в три раза более массивные, чем люди — имеют меньший мозг и в три раза меньше нейронов. Почему?

Кажется, ответ — это сырая веганская диета горилл (без животного белка), которая требует многочасового употребления в пищу только растений, чтобы обеспечить достаточно калорий для поддержания их массы.

Исследователи из Бразилии во главе с Сюзаной Херкулан-Хаузел, нейробиологом из Федерального университета Рио-де-Жанейро в Бразилии, подсчитали, что добавление нейронов в мозг приматов требует фиксированной стоимости примерно в шесть калорий на миллиард нейронов.

Чтобы у горилл развился человеческий мозг, им потребовалось бы дополнительно 733 калории в день, что потребовало бы еще двух часов кормления, пишут авторы. Горилла уже тратит до 80 процентов от 12-часового дневного рациона тропика.

Точно так же древние люди, питавшиеся только сырой растительностью, должны были жевать более девяти часов в день, чтобы потреблять достаточно калорий, подсчитали исследователи. Таким образом, сыроедение, веганское питание было бы маловероятным, учитывая опасность и другие трудности, связанные со сбором такого большого количества пищи.

Кулинария делает больше продуктов съедобными круглый год и высвобождает больше питательных веществ и калорий как из овощей, так и из мяса, сказал Геркулан-Хузель.

«Суть в том, что в наши дни, безусловно, можно выжить на исключительно сырой диете, но, скорее всего, было невозможно выжить на исключительно сырой диете, когда появился наш вид», — сказал Геркулан-Хузель LiveScience.

Исследование устанавливает верхний предел того, насколько большой мозг может вырасти при соблюдении досовременной сырой веганской диеты.Но исследователи не смогли определить, когда началось ежедневное приготовление пищи. Было ли это около 250 000 лет назад, когда люди были почти полностью развиты с большим мозгом, что подтверждается археологическими находками; Или это было около 800000 лет назад, когда предчеловеки начали свой самый драматический всплеск роста мозга, эпоху, для которой существует мало археологических свидетельств контролируемых костров для приготовления пищи?

Познакомьтесь с мясоедом

Если приготовление пищи не было обычным делом в годы до рассвета современных людей, то мясо, безусловно, имело место.

Во втором исследовании, опубликованном в октябре в журнале PLoS ONE, были изучены останки недочеловеческого малыша, умершего от недоедания около 1,5 миллиона лет назад. Осколки черепа, найденные в современной Танзании, показывают, что у ребенка был порозный гиперостоз, тип губчатого роста костей, связанный с низким уровнем пищевого железа и витаминов B9 и B12, результат диеты без продуктов животного происхождения у видов, которым они необходимы. . [10 тайн первых людей]

Ребенок был примерно в возрасте отлучения от груди.Таким образом, либо в материнском молоке ребенка не хватало основных питательных веществ, либо сам ребенок не потреблял достаточно питательных веществ непосредственно из мяса или яиц.

В любом случае, открытие предполагает, что мясо должно было быть неотъемлемым, а не спорадическим элементом рациона до человека более 1 миллиона лет назад, сказал ведущий автор исследования Мануэль Домингес-Родриго, археолог из Университета Комплутенсе в Мадриде. .

Это подтверждает теорию о том, что мясо питало эволюцию человеческого мозга, потому что мясо — от паукообразных до зебр — было в изобилии в африканской саванне, где эволюционировали люди, и является лучшим набором калорий, белков, жиров и витаминов B12, необходимых для роста мозга и техническое обслуживание.

«Плотоядные животные, будь то наземные или водные, обладают большим мозгом, чем травоядные, — сказал Домингес-Родриго LiveScience. И добавил, что «не существует [традиционного] общества, которое живет веганами», главным образом потому, что невозможно получить витамин B12, который доступен только в продуктах животного происхождения.

Овощи по-прежнему здоровы

Обе группы исследователей заявили, что их заключение — что приготовленная пища и мясо были необходимы для развития человеческого мозга — не является утверждением того, как рацион человека должен был быть , а скорее как он вероятно был , чтобы сделать людей «людьми».»

Благодаря супермаркетам и холодильным установкам люди сегодня могут и все чаще придерживаются вегетарианской или веганской диеты круглый год. А с учетом количества останавливающих сердце насыщенных жиров в продуктах животного происхождения, производимых на заводе, растительная диета может быть более здоровой.

Тем не менее, обе «крайние стороны» аргументации о мясе — непримиримый мясоед и сыроед — должны помнить, что немногие так называемые натуральные продукты сегодня появились всего несколько сотен лет назад, благодаря современному изобретению под названием кукуруза. скармливали говядине генетически измененным сортам кружева королевы Анны, называемым морковью.

От здоровья до окружающей среды — есть много причин, чтобы стать вегетарианцем, веганом и даже сыроедом, но эволюция не входит в их число.

Кристофер Ванек — автор нового романа «Эй, Эйнштейн!», Комичного рассказа о воспитании клонов Альберта Эйнштейна в неидеальных условиях. Его колонка «Плохая медицина» регулярно появляется на LiveScience.

По суше или по морю: как древние люди получили доступ к основным питательным веществам, способствующим развитию мозга?

Омега-жирные кислоты, в том числе докозагексаеновая кислота, или DHA, являются ключом к здоровью мозга и, скорее всего, способствовали эволюции современного человеческого мозга.Но как древние люди получили доступ к этим жизненно важным питательным веществам? Ответ — предмет некоторых дискуссий.

В течение почти двух десятилетий археолог Кертис В. Марин, заместитель директора Института происхождения человека при Университете штата Аризона, курировал раскопки на территории под названием Пиннакл-Пойнт на южном побережье Южной Африки, недалеко от того места, где был обнаружен недавно обнаруженный ранний вид человека, Homo naledi , был недавно обнаружен. Его работа предполагает, что где-то между 195000 и 123000 лет назад, во время ледникового периода, известного как Морская изотопная стадия 6 (MIS6), люди значительно изменили свои пищевые привычки, перейдя от кормления наземных растений, животных и случайных рыб из внутренних водоемов. полагаться на богатые и предсказуемые залежи моллюсков в этом районе.

Марин считает, что это изменение произошло, когда первые люди научились использовать весенние приливы, происходящие раз в два месяца. И для этого, по его словам, наш мозг уже был достаточно хорошо развит. «Доступ к морской пищевой цепи мог иметь огромное влияние на фертильность, выживаемость и общее состояние здоровья, включая здоровье мозга», — объясняет Марин, отчасти из-за высокой отдачи от жирных кислот омега-3. Но до MIS6, предполагает он, гоминины имели бы доступ к большому количеству здоровой для мозга наземной пищи, в том числе питаясь животными, которые потребляли богатые омега-3 растения и зерновые.

Другие не согласны, по крайней мере частично. «Боюсь, что идея о том, что достаточное количество DHA было доступно из жиров животных в саванне, не соответствует действительности», — говорит психиатр Майкл А. Кроуфорд из Имперского колледжа Лондона. «Мозг животных развился 600 миллионов лет назад в океане и зависел от DHA и соединений, необходимых для мозга, таких как йод, которого также не хватает на суше. Чтобы построить мозг, вам понадобятся строительные блоки, которыми можно было бы пользоваться в море и на скалистых берегах ».

Ранняя биохимическая работа Кроуфорда была сосредоточена на том, чтобы показать, что DHA нелегко получить из мышечной ткани наземных животных.Используя DHA, меченную радиоактивным изотопом, он и его коллеги также продемонстрировали, что «готовая» DHA, такая как та, что содержится в моллюсках, включается в развивающийся мозг крысы с 10-кратной эффективностью, чем DHA растительного происхождения.

Коллега и соратник Кроуфорда, физиолог Стивен Каннейн из Шербрукского университета в Квебеке, также считает, что пища, полученная из водных источников, имела решающее значение для эволюции человека. Но он считает, что до MIS6 внутренние гоминины уже включали рыбу из озер и рек в свой рацион в течение миллионов лет.

Он предполагает, что не только омега-3, но и комплекс питательных веществ, содержащихся в рыбе (включая йод, железо, цинк, медь и селен), внесли свой вклад в наш большой мозг.