Продукты для мозга: влияние питательных веществ на функцию мозга

Давно подозревалось, что питание может влиять на когнитивные функции и эмоции. Недавно описанные влияния диетических факторов на функцию нейронов и синаптическую пластичность выявили некоторые из жизненно важных механизмов, которые отвечают за воздействие диеты на здоровье мозга и умственные функции. Ряд гормонов, попадающих в мозг или продуцирующихся в нём, оказывают влияние на когнитивные способности. Кроме того, хорошо зарекомендовавшие себя регуляторы синаптической пластичности, такие как нейротрофический фактор мозга (BDNF), могут функционировать как метаболические модуляторы, реагируя на периферические сигналы, такие как прием пищи.

Понимание молекулярной основы воздействия пищи на когнитивные способности поможет определить, как наилучшим образом манипулировать диетой, чтобы повысить устойчивость нейронов к неблагоприятным воздействиям и способствовать умственной полноценности.

Хотя пища традиционно воспринималась как средство обеспечения организма энергией и строительным материалом, ее способность предотвращать и защищать от болезней начинает целиком признаваться учеными, практикующими специалистами. В частности, исследования за последние 5 лет представили доказательства влияния диетических факторов на конкретные молекулярные системы и механизмы, которые поддерживают умственную функцию. Например, диета, богатая омега-3 жирными кислотами, получает признание за поддержку когнитивных процессов у людей и активирующие гены, которые важны для поддержания синаптической функции и пластичности. В свою очередь, диеты с высоким содержанием насыщенных жиров становятся печально известными из-за снижения молекулярных субстратов, поддерживающих когнитивную обработку, и увеличения риска неврологической дисфункции.

Хотя в этих исследованиях подчеркивается важное влияние пищи на мозг, необходима дальнейшая работа для определения механизмов действия и условий терапевтического применения определенных диет.

Привычки питания неразрывно связаны с развитием человеческой цивилизации, поскольку на выбор людьми того, что есть, влияют культура, религия и общество. Недавно обнаруженные эффекты пищи на процесс познания (обучения) интригуют широкую общественность, поскольку они могут бросить вызов предубеждениям. Тот факт, что питание является неотъемлемой частью человеческой жизни, подчеркивает способность диетических факторов влиять на психическое здоровье не только на индивидуальном уровне, но и на коллективном, популяционном уровне.

В этом обзоре используется термин «познание» с нейробиологической точки зрения, для обозначения психических процессов, которые участвуют в приобретении знаний, и для интеграции этих процессов в сознательный аспект эмоций, который влияет на настроение и имеет психиатрические проявления.

Питание как адаптивный механизм для развития когнитивных навыков

Адаптация, которая способствовала усвоению пищи и повышению энергоэффективности, оказала сильное эволюционное давление на формирование современного мозга и требующее энергии развитие когнитивных навыков. Например, антилопа гну ежегодно преодолевает сотни миль, чтобы найти кормовые угодья в саванне, совершает действия, которые требует полностью оперативного и сложного навигационного, защитного и когнитивного поведения для выживания. Функции мозговых центров, контролирующих пищевое поведение, интегрированы с функциями центров, контролирующих познание. Например, у животных, которые едят потенциально ядовитую пищу, развивается постоянное отвращение к ее вкусу благодаря сложным механизмам обучения и памяти, которые задействуют гипоталамус, гиппокамп, миндалины. В свою очередь, приятные воспоминания о приёме пищи связаны с путями, связанными с вознаграждением.

Многочисленные палеонтологические данные свидетельствуют о том, что существует прямая связь между доступом к пище и размером мозга, и что даже небольшие различия в рационе могут иметь большое влияние на выживание и репродуктивность.

Более крупный мозг у человека связан с совершенствованием умений обработки и приготовления пищи, умением добывать или приобретать пищу, экономией энергии, ходьбой в вертикальном положении и бегом. Всё это требует координации с когнитивными стратегиями, которые сосредоточены в первую очередь на пищевом потреблении.

Потребление омега-3 жирных кислот с пищей является одним из наиболее изученных взаимодействий между пищей и эволюцией мозга. Докозагексаеновая кислота (ДГК) является наиболее распространенной омега-3 жирной кислотой в клеточных мембранах мозга, однако организм человека неэффективен при синтезе ДГК, поэтому мы в значительной степени зависим от ДГК, потребляемой с пищей. Но этого количества зачастую недостаточно, если не предположить, что человек будет питаться, к примеру, сырой рыбой – лосось или другими необработанными продуктами, богатыми Омегой-3. Поэтому в современной диетологии, фармакологии в настоящее время столь популярные различные препараты, содержащие ДГК.

Существует предположение, что доступ к ДГК в эволюционном процессе гоминидов сыграл важную роль в энцефализации (увеличении пропорций между мозгом и телом). Тот факт, что ДГК является важным компонентом мозга, подтверждает гипотезу о том, что диета с высоким её содержанием была необходима для энцефализации гоминидов. Действительно, археологические данные показывают, что ранние гоминиды приспособились к потреблению рыбы и, таким образом, получили доступ к ДГК до того, как произошла обширная энцефализация.

Взаимодействие между мозгом и окружающей средой продолжается. За последние 100 лет потребление насыщенных жирных кислот, линолевой кислоты и трансжирных кислот в западных цивилизациях резко возросло, в то время как потребление омега-3 жирных кислот сократилось. Это может, как минимум, объяснить повышенную частоту глубокой депрессии, а рост показателей психопатологий наблюдаются на всех континентах.

Влияние питания на познание

Нейронные цепи, участвующие в процессе пищеварения, показывают точную связь с центрами мозга, регулирующими энергетический гомеостаз и когнитивные функции. Воздействие пищи на когнитивные способности и эмоции возникает еще до момента её приёма, т.к. память об еде через обонятельные и визуальные сенсорные сигналы трансформирует эмоциональный статус мозга.

Употребление пищевых продуктов провоцирует выброс гормонов или пептидов, таких как инсулин и глюкагоноподобный пептид 1 (GLP1) в кровоток. Затем эти вещества могут достигать таких центров, как гипоталамус и гиппокамп, активировать пути передачи сигналов, которые способствуют синаптической активности, обучению и памяти. В свою очередь, «пустой желудок», способствует высвобождению грелина, который также может поддерживать синаптическую пластичность и когнитивные функции.

Химические сигналы, полученные из жировой ткани через лептин, могут активировать специфические рецепторы в гиппокампе и гипоталамусе, влиять на обучение и память.

Инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF1) вырабатывается печенью и скелетными мышцами в ответ на сигналы, полученные в результате обмена веществ и физических упражнений. IGF1 может передавать сигналы нейронам в гипоталамусе и гиппокампе, что оказывает влияние на производительность обучения и памяти.

В дополнение к регулированию аппетита гипоталамус регулирует функции  кишечника и объединяет висцеральные функции (деятельность органов, обеспечивающих жизнеспособность) с лимбической системой (гиппокамп, миндалина) и корой головного мозга. Висцеральные сигналы также могут модулировать познание и физиологию тела через гипоталамо–гипофизарную ось (HPA). Влияние гипоталамуса распространяется на иммунную систему (ИС), через иннервацию тимуса, а отдельные молекулы ИС могут влиять на синаптическую пластичность и когнитивные способности.

Парасимпатическая иннервация кишечника блуждающим нервом обеспечивает мозг сенсорной информацией, позволяя активности кишечника влиять на эмоции. В свою очередь, эмоции также могут влиять на внутренние органы через парасимпатические эфференты в блуждающем нерве. Стимуляция блуждающего нерва используется в терапевтических целях для лечения хронической депрессии.

Внутренние сигналы и познание

Влияние висцеральных сигналов на умственные функции ценилось с древних времен, и по сей день факторы образа жизни, такие как диета и физические упражнения, используются как часть терапии для уменьшения депрессии, шизофрении и биполярных расстройств.

Гормоны кишечника, связанные с познавательными функциями

В дополнение к способности кишечника напрямую стимулировать молекулярные системы, которые связаны с синаптической пластичностью и обучением, было обнаружено, что несколько гормонов или пептидов кишечника, таких как лептин, грелин, глюкагоноподобный пептид 1 (GLP1) и инсулин, влияют на эмоции и когнитивные процессы.

Лептин синтезируется в жировой ткани и посылает сигналы в мозг для снижения аппетита. Рецепторы лептина были обнаружены в нескольких областях мозга, включая гипоталамус, кору головного мозга и гиппокамп. Тот факт, что лептин повышает экспрессию нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) в гипоталамусе, предполагает, что BDNF может опосредовать влияние лептина на потребление пищи и энергетический гомеостаз. Как и BDNF, лептин способствует синаптической пластичности в гиппокампе. Новые исследования, показывающие, что лептин способствует быстрым изменениям в дендритной морфологии гиппокампа, предполагают, что лептин оказывает прямое действие на пластичность гиппокампа.

Грелин – это адипогенный гормон, который выделяется натощак. Он действует как стимулятор аппетита, однако, его избыток может привести к ожирению. Грелин также способствует быстрой реорганизации синаптических терминалов в гипоталамусе, а в гиппокампе он способствует образованию синапсов в дендритных шипах и LTP, что сопровождается улучшением пространственного обучения и формирования памяти.

GLP1, который синтезируется клетками кишечника, регулирует энергетический обмен, стимулируя секрецию инсулина поджелудочной железой и последующее поглощение глюкозы мышечными клетками, а также подавляя потребление пищи посредством воздействия на гипоталамус. Рецепторы GLP1 экспрессируются в нейронах и улучшают ассоциативную и пространственную память.

Благодаря их множественному воздействию на соматические и нервные мишени, грелин, лептин и GLP1 могут интегрировать процессы, влияющие на познание и эмоции.

Наконец, было обнаружено, что инсулин, который классически считался кишечным гормоном, вырабатываемым в поджелудочной железе, также изменяет синаптическую активность и когнитивную обработку. Секреция инсулина обычно стимулируется мысленным ожиданием приема пищи и продолжается во время переваривания и всасывания пищи в кровоток. Инсулин может проникать в мозг и взаимодействовать со специфическими рецепторами передачи сигналов, расположенными в отдельных областях мозга, таких как гиппокамп. В целом, данные, по-видимому, указывают на то, что сам акт кормления может модулировать когнитивные процессы на двух уровнях: через нейронные цепи, которые соединяют кишечник и мозг, и через выброс кишечных пептидов в кровоток.

Сейчас задача состоит в том, чтобы лучше понять молекулярные механизмы, с помощью которых периферические сигналы могут модулировать психические процессы.

От энергетического обмена до познания

Мозг потребляет огромное количество энергии по сравнению с остальной частью тела. Таким образом, механизмы, которые участвуют в передаче энергии от продуктов к нейронам, вероятно, будут основополагающими для контроля функции мозга. Процессы, которые связаны с управлением энергией в нейронах, могут влиять на синаптическую пластичность, что может объяснить, как метаболические нарушения могут влиять на когнитивные процессы. Интересно, что синаптическая функция, в свою очередь, может изменять метаболическую энергию, позволяя психическим процессам влиять на соматическую функцию на молекулярном уровне. BDNF является отличным примером сигнальной молекулы, которая тесно связана как с энергетическим метаболизмом, так и с синаптической пластичностью: она может задействовать метаболические сигналы, чтобы влиять на когнитивные функции.

BDNF наиболее распространен в областях мозга, которые связаны с когнитивной и метаболической регуляцией: гиппокамп и гипоталамус, соответственно. Обучение выполнению задачи увеличивает BDNF-опосредованную синаптическую пластичность в гиппокампе, а генетическая делеция гена BDNF ухудшает формирование памяти.

BDNF влияет на множество параметров энергетического обмена, таких как подавление аппетита, чувствительность к инсулину и метаболизм глюкозы и липидов.

Нарушения энергетического гомеостаза связаны с патобиологией нескольких психических заболеваний, и поэтому диетическое питание становится реалистичной стратегией лечения психических расстройств. Многочисленные исследования показали, что может быть связь между аномальным метаболизмом (диабет II типа, ожирение и метаболический синдром) и психическими расстройствами.

В большом исследовании пациентов с маниакальной депрессией или шизофренией было обнаружено, что уровень диабета среди них выше, чем в общей популяции (1,2% людей в возрасте 18-44 лет и 6,3% людей в возрасте 45-64 лет). Общая распространенность диабета в группе из 95 пациентов с шизофренией составила 15,8%, тогда как диабет у 203 пациентов с маниакально-депрессивным расстройством варьировался от 2,9% у пациентов в возрасте примерно 30 лет до 25% у пациентов в возрасте 75-79 лет и старше. Однако в этих исследованиях трудно установить причинно–следственную связь между диабетом и психическими расстройствами, учитывая, что шизофрения, маниакально-депрессивный психоз и другие психические расстройства связаны с низким качеством жизни и побочными эффектами антипсихотических препаратов.

На основе его влияния на синаптическую пластичность и энергетический метаболизм BDNF был в центре внимания исследований текущих гипотез шизофрении и депрессии.

Уровни BDNF снижаются в плазме пациентов с большой депрессией, а хроническое введение антидепрессантов повышает уровни BDNF в гиппокампе.

Хотя нет убедительных доказательств того, что BDNF играет роль в опосредовании депрессии или шизофрении, становится ясно, что большинство методов лечения депрессии или шизофрении, то есть физических упражнений и лекарств, связаны с действием BDNF.

Влияние питательных веществ на познание

Несколько компонентов рациона оказывают влияние на когнитивные способности. Диетические факторы могут влиять на множество процессов в мозге, регулируя нейромедиаторные пути, синаптическую передачу, текучесть мембран и пути передачи сигналов. В этом разделе основное внимание уделяется недавним данным, которые показывают способность питательных веществ влиять на нейронные пути, связанные с синаптической пластичностью.

Таблица: Питательные вещества, которые влияют на когнитивные функции

питательные вещества	влияние на познание и эмоции	источники пищи
Жирные кислоты омега-3 (например, докозагексаеновая кислота)	основа для лечения пациентов с расстройствами настроения; улучшение когнитивных способностей у пожилых людей, при черепно-мозговой травме, при болезни Альцгеймера	Рыба (лосось), семена льна, криль, чиа, киви, орехи (грецкие орехи)
Куркумин	улучшение когнитивных способностей при болезни Альцгеймера, черепно-мозговой травме	Куркума (специя карри)
Флавоноиды	улучшение когнитивных функций в сочетании с физическими упражнениями;  улучшение когнитивных функций у пожилых людей	Какао, зеленый чай, дерево Гинкго, цитрусовые, вино (больше в красном вине), темный шоколад
Насыщенные жиры	стимулирование снижения когнитивных способностей у взрослых;  обострение когнитивных нарушений после травмы головного мозга;  обострение снижения когнитивных способностей у стареющих людей	Сливочное масло, топленое масло, сало, кокосовое масло, хлопковое масло, пальмовое масло, молочные продукты (сливки, сыр), мясо
Витамины группы В	добавки с витамином В6, витамином В12 или фолиевой кислотой положительно влияют на производительность памяти у женщин разного возраста	Различные природные источники. Витамин B12 не содержится в растительных продуктах
витамин D	важен для сохранения когнитивных способностей у пожилых людей	Печень рыбы, жирная рыба, грибы, продукты, молоко, соевое молоко, зерновые злаки, другие, обогащенные витамином D, продукты
Витамин Е	улучшение когнитивных нарушений после травмы головного мозга; уменьшает когнитивный спад у пожилых людей	Спаржа, авокадо, орехи, арахис, оливки, шпинат, растительные масла, ростки пшеницы
Холин	Снижение вызванного приступами ухудшения памяти	Яичные желтки, курица, телятина, печень индейки, листья салата
Комбинация витаминов (С, Е, каротин)	Потребление витаминов-антиоксидантов задерживает снижение когнитивных функций у пожилых людей	Витамин С: цитрусовые, некоторые растения и овощи, телячья и говяжья печень. Витамин Е: см. выше
Кальций, цинк, селен	Высокий уровень кальция в сыворотке крови связан с более быстрым снижением когнитивных функций у пожилых людей;  снижение содержания цинка в рационе помогает уменьшить снижение когнитивных функций у пожилых людей;  пожизненный низкий уровень селена связан с более низкой когнитивной функцией у людей	Кальций: молоко, кораллы. Цинк: устрицы, небольшое количество в бобах, орехах, миндале, цельных зернах, семенах подсолнечника. Селен: орехи, злаки, мясо, рыба, яйца
Медь	Снижение когнитивных функций у пациентов с болезнью Альцгеймера коррелирует с низкими концентрациями меди в плазме	Устрицы, говяжья / баранья печень, бразильские орехи, какао, черный перец
Железо	Лечение железом нормализует когнитивные функции у молодых женщин	Красное мясо, рыба, птица, чечевица, фасоль

Пищевые липиды, которые, как первоначально считалось, влияют на мозг через их воздействие на сердечно-сосудистую систему, получают признание за их прямое воздействие на мозг. Омега-3 полиненасыщенные жирные кислоты являются нормальными компонентами клеточных мембран и необходимы для нормальной работы мозга. Дефицит омега-3 жирных кислот приводит к нарушению обучения и памяти, связан с повышенным риском ряда психических расстройств, включая синдром дефицита внимания, дислексию, деменцию, депрессию, биполярное расстройство и шизофрению.

Прием добавок жирных кислот омега-3 уменьшает когнитивные нарушения у детей с нарушением развития, со специфическими нарушениями двигательной функции, которые не зависят от их двигательных способностей.

Также исследования показывают, что физические упражнения, выполняемые в сочетании с приемом Омега-3, противодействуют умственному упадку, связанному со старением, повышают умственные способности молодых людей и способствуют функциональному восстановлению после черепно-мозговой травмы или заболевания.

Сочетание диеты, обогащенной флавоноидами, с физическими упражнениями увеличивает экспрессию генов, которые положительно влияют на пластичность нейронов, и снижает экспрессию генов, которые участвуют во вредных процессах, таких как воспаление и гибель клеток.

Фолиевая кислота содержится в различных продуктах, включая шпинат, апельсиновый сок, дрожжи и другие. Печень вырабатывает несколько форм фолиевой кислоты после того, как кишечник усвоил витамин «B». Дефицит фолиевой кислоты, который в основном вызван низким потреблением с пищей, связан с рядом физиологических нарушений в период развития и взрослой жизни. Достаточный уровень фолиевой кислоты необходим для функционирования мозга, а дефицит фолиевой кислоты может привести к неврологическим расстройствам, таким как депрессия и когнитивные нарушения. Добавки фолиевой кислоты либо сами по себе, либо в сочетании с другими витаминами группы В, эффективны для предотвращения снижения когнитивных способностей и деменции во время старения, а также для усиления действия антидепрессантов.

Потребление калорий и познание

Изменение калорийности рациона является потенциальным средством, с помощью которого можно повлиять на когнитивные способности. Исследования показывают, что метаболические процессы, которые инициируются сжиганием топлива в митохондриях, могут модулировать отдельные аспекты синаптической пластичности и, следовательно, могут влиять на когнитивные функции. Определенные механизмы, регулирующие клеточный метаболизм, интегрированы с механизмами, которые модулируют синаптическую функцию. Например, избыток калорий может снизить синаптическую пластичность и повысить уязвимость клеток к повреждениям, вызывая образование свободных радикалов, превышающих буферную способность клетки. Таким образом, умеренное ограничение калорийности может защитить мозг, уменьшая окислительное повреждение клеточных белков, липидов и нуклеиновых кислот.

Продукты с антиоксидантами

Мозг очень восприимчив к окислительному повреждению из-за высокой метаболической нагрузки и обилия окисляемых веществ, таких как полиненасыщенные жирные кислоты, которые образуют плазматические мембраны нервных клеток. Несколько «антиоксидантных диет» стали популярными благодаря их положительному воздействию на нервную функцию. Например, было установлено, что ягоды обладают сильной антиоксидантной способностью, но только ограниченное количество их многочисленных компонентов было оценено отдельно: два дубильных вещества (процианидин и продельфинидин), антоцианы и фенолы.

Различные питательные микроэлементы с антиоксидантной способностью, которые связаны с активностью митоходрий, влияют на когнитивные функции. Альфа-липоевая кислота, которая содержится в субпродуктах (почки, сердце и печень), овощах, таких как шпинат, брокколи и картофель, является коферментом, который важен для поддержания энергетического гомеостаза в митохондриях.

Альфа-липоевая кислота улучшает дефицит памяти при болезни Альцгеймера и уменьшает когнитивный спад у пациентов. Витамин Е, или α-токоферол, также влияет на когнитивные функции, поскольку снижение уровня витамина Е в сыворотке крови связано с ухудшением памяти у пожилых людей.

Витамин Е в изобилии содержится в растительных маслах, орехах, зеленых листовых овощах и обогащенных злаках, он продлевает продолжительность жизни и улучшает функцию митохондрий и неврологические показатели у стареющих людей.

Куркумин, специи карри – традиционные консерванты для пищевых продуктов и лекарственные растения в Индии, уменьшают дефицит памяти и полезны при травмах головного мозга. Куркумин относительно нетоксичен и имеет мало побочных эффектов в умеренных дозах. Учитывая высокое потребление куркумина в Индии, возможно, что это объясняет низкую распространенность болезни Альцгеймера в этой стране. Куркумин является сильным антиоксидантом, который, по-видимому, защищает мозг от перекисного окисления липидов и радикалов на основе оксида азота.

Выводы

Диета, физические упражнения и другие аспекты нашего ежедневного взаимодействия с окружающей средой могут повлиять на здоровье нашего мозга и умственные функции. Теперь мы знаем, что определенные питательные вещества влияют на познание, воздействуя на молекулярные системы или клеточные процессы, которые жизненно важны для поддержания когнитивных функций. Это повышает вероятность того, что диетические манипуляции являются жизнеспособной стратегией для улучшения когнитивных способностей и защиты мозга от повреждений, способствуя восстановлению и противодействуя последствиям старения. Новые исследования показывают, что влияние диеты на мозг интегрировано с действиями других способов образа жизни, таких как физические упражнения и сон.

Медленный и незаметный когнитивный спад, который характеризует нормальное старение, находится в пределах действия продуктов для мозга, так что успешное старение является достижимой целью для диетотерапии.

Способность диеты модулировать когнитивные способности может иметь еще более долгосрочные последствия в свете недавних исследований, которые предполагают, что эффекты питания могут передаваться из поколения в поколение, влияя на эпигенетические события.

Исследования, показывающие, что чрезмерное потребление калорий может свести на нет положительный эффект определенных диет, предполагают, что существует неопределенная грань между обилием продуктов и здоровьем нервной системы. По иронии судьбы, судя по растущему уровню ожирения в западных странах, которое влияет на здоровье человека и экономику в целом, чрезмерное потребление пищи в этих богатых странах кажется почти таким же вредным, как и ее недостаток в бедных странах.

На многие практические вопросы, касающиеся разработки диет, специально предназначенных для улучшения функций мозга, такие как тип, частота и количество питательных веществ, составляющих здоровую пищу для мозга, еще предстоит ответить, но уже начаты раскрываться основные принципы, которые участвуют в воздействии продуктов на мозг.