Az elhízás az egész életen át csökkenti a kognitív és motoros funkciókat

Chuanming Wang

1 Neurológiai Osztály, a kapcsolt Shenzhen Nanshan Kórház, Sencsen Egyetem, Sencsen 518000, Kína

John S. Y. Chan

2 Agyzavarok és kognitív idegtudományi központ, Sencsen Egyetem, Sencsen 518060, Kína

3 Pszichológiai Tanszék, Hongkongi Kínai Egyetem, Shatin, Hong Kong

Lijie Ren

4 Neurológiai Osztály, Sencsen Második Népi Kórház, Sencsen Egyetem, Sencsen 518035, Kína

Jin H. Yan

2 Agyzavarok és kognitív idegtudományi központ, Sencsen Egyetem, Sencsen 518060, Kína

Absztrakt

A mozgásszegény életmód miatt manapság egyre többen elhíznak. Az egészséggel kapcsolatos problémák mellett az elhízás ronthatja a kogníciót és a motoros teljesítményt is. Korábbi eredmények azt mutatták, hogy az elhízás főleg a kogníciót és a motoros magatartást érinti az agyfunkciók, illetve a mozgásszervi rendszer megváltoztatásán keresztül. Számos tényező, például az inzulin/leptin diszregulációja és a gyulladás közvetíti az elhízás, a kogníció és a motorikus viselkedés hatását. Jelentős bizonyítékok szerint az edzés hatékony módja az elhízás, valamint a kapcsolódó kognitív és motoros diszfunkciók javításának. Ennek a cikknek az a célja, hogy megvitassa az elhízásnak a kognícióval és a motorikus viselkedéssel való összefüggését, valamint annak mögöttes mechanizmusait. Ezt követően az elhízással kapcsolatos diszfunkciók javítására szolgáló testmozgás mechanizmusait írják le. Végül felvetődnek a következmények és a jövőbeli kutatási irány.

1. Bemutatkozás

Az elhízás a zsír túlzott felhalmozódása, amely visszatartó hatással van az egészségre. Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) a túlsúlyt és az elhízást testtömeg-indexként (BMI) ≥ 25, illetve BMI ≥ 30-ként határozza meg [1]. Az elhízás az egész világon aggasztó egészségügyi és szociális kérdéssé vált, amely emberek ezreinek életét fenyegeti. A WHO [1] szerint több mint 1,9 milliárd felnőtt (39% felnőtt) volt túlsúlyos, közülük több mint 600 millió (13% felnőtt) elhízott. A gyermekkori elhízás az is gyakori, hogy 2013-ban 42 millió gyermek volt túlsúlyos vagy elhízott [1]. Figyelembe véve magas elterjedtségét, sürgető az elhízás patogenezisének, megnyilvánulásainak és megelőzésének tanulmányozása.

Az elhízás számos, az egészséggel kapcsolatos problémához kapcsolódik, például cukorbetegséghez, szívbetegségekhez, magas vérnyomáshoz és rákhoz [2]. A normál testsúlyú egyénekhez képest az elhízott emberek várható élettartama csökken [3]. Az elhízott gyermekek nagyobb kardiovaszkuláris kockázati tényezőket mutatnak, és az elhízás felnőttkorukban is fennáll, ami összefüggésben lehet a korai halálozás nagyobb valószínűségével [4, 5]. Az egészségügyi problémák mellett az elhízás rosszabb kognitív és motoros kontrollal, valamint megváltozott agyi plaszticitással jár. Ebben az áttekintésben először az elhízott egyének kognitív és motoros kontroll képességeinek viselkedési megnyilvánulásait vizsgáljuk. Ezután az elhízással kapcsolatos agyi plaszticitási változásokat tárgyaljuk. Ezt követően ismertetik a testmozgás hatásait az elhízás, valamint az elhízással kapcsolatos kognitív és motoros kontroll hiányosságok leküzdésére. Végül felvetődnek a következmények és a jövőbeni kutatási irányok.

2. Megismerés

A túlsúly és az elhízás általában az egész életen át tartó gyengébb megismeréssel függ össze [6–8]; a BMI és a kognitív funkció közötti összefüggés azonban idős korban gyengébb [9, 10], részben az idős emberek pontatlan adipozitásának mérése miatt [11]. Közvetett bizonyítékok összefüggést mutattak a nyugati magas zsírtartalmú étrend és a károsodott kognitív funkciók között [12]. A BMI adatai alapján a túlsúlyos vagy elhízott egyének a globális megismerés, a verbális folyékonyság, a késleltetett visszahívás, az azonnali logikai memória és az intelligencia legalacsonyabb kvartilisébe esnek [13].

A BMI-n kívül más adipozitási mérések is kapcsolódnak a kognitív teljesítményhez és az agy változásaihoz. A zsigeri zsírosság fordítottan korrelál a verbális memóriával és figyelemmel. A magas zsigeri zsírosság kisebb hippocampusszal és nagyobb kamrai térfogattal jár együtt [14]. Szintén negatív összefüggés van a derék-csípő arány és a hippocampus térfogata között, valamint pozitív korreláció a derék-csípő arány és a fehéranyag hiperintenzitása között [15]. A BMI-vel összehasonlítva a központi adipozitás erősebb kapcsolatban áll a nők kognitív károsodásának és demenciájának kialakulásának kockázatával [16]. Ezért a BMI-t az elhízás egyetlen mutatójaként használó tanulmányok nem lehetnek elég érzékenyek az elhízás okozta kognitív diszfunkciók rögzítésére.

Az idegképalkotó vizsgálatok idős, elhízott egyéneknél atrofiát mutatnak a frontális lebenyekben, az elülső cinguláris gyrusban, a hippocampusban és a thalamusban [17]. A BMI növekedése alacsonyabb metabolikus aktivitással jár a prefrontális kéregben és a cinguláris gyrusban, kisebb a szürkeállomány térfogata sok agyrégióban (különösen a prefrontális kéregben), valamint a be nem oltott fasciculusban a fehérállomány hiánya, amely a frontális és temporális lebenyt összekötő szerkezet [ 18–22]. A bal oldali orbitofrontális régióban a kisebb szürkeállomány mennyisége összefügg az elhízott nők gyengébb végrehajtó teljesítményével [21].

A gyermekkori elhízás a végrehajtó funkció csökkentésével, a figyelem, a mentális rotáció, a matematika és az olvasási teljesítmény összefüggésével jár [23–25]. Az elhízott serdülőknél számos kognitív funkció hiányos, például figyelem és végrehajtó funkciók [26, 27]. Egy állatkísérlet azt mutatja, hogy a magas zsírtartalmú étrend hasonló morfometriai és anyagcsere-változásokat vált ki fiatal és felnőtt egerekben; azonban csak a magas zsírtartalmú étrend korai kitettsége károsítja a relációs memória rugalmasságát és csökkenti a neurogenezist [28]. Így a magas zsírtartalmú étrendnek való korai kitettség különösen káros lehet a megismerésre.

A középkorú BMI-vel rendelkező emberek globális megismerése alacsonyabb, mint vékonyabb társaiké [29], és a középkori elhízás összefügg a felgyorsult kognitív öregedéssel, de ez az összefüggés idősebb felnőttkorban gyengébb [30]. Az életkor és a BMI függetlenül járul hozzá az agy térfogatának csökkenéséhez közép- és idősebb felnőttkorban [31]. Valószínűleg alacsonyabb kognitív képességekkel rendelkezik egy idősebb felnőtt, ha túlsúlyos vagy elhízott volt középkorban [32, 33]. A középkorú elhízás a végrehajtó funkciók romlásának megnövekedett ütemével, a derék-csípő arány növekedésével jár együtt az agy teljes térfogatának jelentős csökkenésével [34]. Az alacsonyabb BMI és a derék kerülete, valamint a nagyobb zsírmentes tömeg a kognitív képességek lassabb csökkenésével jár együtt [35]. A középkorú túlsúly/elhízás, különösen az anyagcsere-rendellenességekkel együtt, idősebb felnőttkorban magasabb demencia-kockázattal jár [33, 36–40]. Sőt, a magas középkorú BMI összefügg a neuron- és mielin-rendellenességekkel [41]. Ezért a középkor egy kritikus időszak, amikor a túlsúlyos/elhízott állapot megjósolhatja a kognitív funkciókat és az agy egészségi állapotát a későbbi életben [42].

3. Motorvezérlés

A megismerés mellett az elhízás befolyásolja a motorvezérlő képességeket, rontja a napi funkciókat és az egészséget [43]. Az elhízott vagy túlsúlyos gyermekek gyengébbek a bruttó és finom motoros kontrollban, és késleltetik a motor fejlődését [44–50]. Az elhízott fiúk gyengébb motorikus képességekkel rendelkeznek, és a mindennapi élet aktivitása csökken. [51] Az elhízott 6. és 7. osztályos lányok kevesebb fizikai aktivitásban vesznek részt, és kevésbé élvezik a fizikai aktivitást [52]. A magas BMI-vel rendelkező gyermekek futási szintje alacsonyabb, ami alapvető motoros készség, amely alapján komplex motoros készségeket tanulnak [53]. Cliff és mtsai. [54] megfigyelheti, hogy az összes alapvető motoros képesség elsajátítása alacsonyabb a túlsúlyos/elhízott gyermekeknél, főleg futás, csúszás, ugrás, csöpögés és rúgás esetén. A BMI mellett a derék kerülete összefügg a gyermekek és serdülők alapvető motoros képességek teljesítésére való képességével is [55]. Az 1. osztályosoknál fordított összefüggés van a BMI finom motoros pontosságával, egyensúlyával, futási sebességével és mozgékonyságával, valamint erejével [56]. Az elhízott gyermekeknek nehézségei vannak a testtartás koordinációjában és a látástól való fokozott függésben a mozgás során, ami a nem elhízott gyermekeknél meglehetősen automatikus [57, 58].

Az adipozitás az izomminőség arányához kapcsolódik, amely a motor vezetési sebességével és az ujjcsapás sebességével társul [59]. Az elhízás a markolat erőtermelésének nagyobb ingadozásával függ össze [60]. A szubkután zsírosság az egészséggel kapcsolatos és a motoros erőnlét jelentős eltéréseinek felelhet meg [61]. A túlzott zsírtömeg rosszabb testtartással és járással jár együtt [62]. Középső és idősebb felnőtteknél a magas BMI (vagy a derék kerülete) és a magas vérnyomás kombinációja összefügg az alacsonyabb motorsebességgel és kézügyességgel [63]. A testtartás-ellenőrzés során az elhízott egyéneknek nagyobb figyelemre van szükségük az egyensúly fenntartásához az egylábú testtartás alatt [64]; ez azt sugallja, hogy az elhízott emberek figyelemforrásokat fogyasztanak motoros hiányuk kompenzálására.

4. Az elhízással kapcsolatos változások az agy plaszticitásában

Számos tényező közvetítheti az elhízásnak a kognícióra és a motoros viselkedésre gyakorolt hatását. Az elhízás például befolyásolhatja az agy szerkezetét, a leptin és az inzulin diszregulációját, az oxidatív stresszt, az agyi érrendszer működését, a vér-agy gátat és a gyulladást [11, 65–71]. Néhányan azt is javasolják, hogy az elhízással összefüggő anyagcsere-változások kölcsönhatásba lépnek az életkorral, hogy károsítsák az agy működését.

Az agy felépítését tekintve az elhízott egyének alacsonyabb kérgi vastagságúak a bal felső frontális és a jobb mediális orbitofrontális kéregben. Az elhízott embereknél a ventrális diencephalon és az agytörzs mennyisége is csökken [73]. A hippocampusban és a kisagyban a túlsúlyos és elhízott egyéneknél az idegsejtek sérülése és a szürkeállomány sűrűsége szintén negatív összefüggést mutat [74]. Javasoljuk, hogy a mediális orbitofrontális kéreg, a hippocampus és a kisagy vegyen részt a jutalom alapú tanulásban, a memóriában, a motoros kontrollban és a tanulásban [75–77]; Ezekben a régiókban a strukturális változások a kognitív és a motoros területek hiányosságaival társulhatnak. Eddig az elhízás agyszerkezetre gyakorolt hatásainak hátterében álló mechanizmusok nem egyértelműek.

A magas zsírtartalmú étrend fokozza az agy oxidatív stresszét és gyulladásos jelátvitelét [78]. Az étrend által kiváltott elhízás elősegíti az agy reaktív oxigénfajtáit, amelyek mind a testtömeggel, mind az adipozitással társulnak [79, 80]. Gyermekeknél a telített zsírsavak bevitele rontja mind a kapcsolati, mind a tárgyi memóriát [81]. A 15 hetes elhízás gyermekkori előfordulása állandó epigenetikus változásokat indukálhat a patkány agyában [82]. Patkányokban a trigliceridek csökkentik az inzulinszerű növekedési faktorok (IGF) átjutását az agyba a cerebrospinalis folyadékon keresztül, rontják a hippokampusz hosszú távú potencírozását, és gátolják a leptin transzportját a vér-agy gáton [83–85]. A fiatalkorúak magas zsírtartalmú étrend károsítja a hosszú távú térbeli memóriát, de nem a rövid távú memóriát, ami a konszolidáció szelektív károsodására utal, amihez valószínűleg hozzájárulhat a hippocampusban fellépő fokozott proinflammatorikus citokin expresszió [86]. Ezenkívül a nyugati étrend fogyasztása rontja a vér-agy gátat, amely következésképpen károsítja a hippocampust és demenciához vezet [87]. A normál étrenddel összehasonlítva, a 17 napig magas zsírtartalmú étrendet fogyasztó egereknél kialakul az inzulinrezisztencia az agykéreg szöveteiben, romlik a szinaptikus integritás és rosszabb a térbeli memória [88].

A zsírszövet sok anyagot termel az anyagcseréhez (adipokinek, például BDNF) és gyulladáshoz (citokinek, például leptin). Számos citokin, például az interleukin-1, amelyet a zsírszövet termel, átjuthat a vér-agy gáton, és neuroinflammáció révén befolyásolhatja a kognitív funkciókat [95, 119]. Az adiponektin részt vesz a glükózszint és a zsírsavbontás szabályozásában. A leptinhez hasonlóan az agyban fejti ki hatását, hogy súlycsökkenést érjen el [120]. Szintje negatívan összefügg az adipozitással, és megvédheti a hippocampus sejteket [119]. Csökkent hippocampalis adiponektinszint figyelhető meg az öregedő állatokban, függetlenül a magas zsírtartalmú étrend bevitelétől [121]. Így az adiponektin fontos a neurodegeneráció megelőzésében.

A neurotropinok, például az IGF-1 és a BDNF, közvetíthetik az elhízás kognícióra és viselkedésre gyakorolt hatását. Az IGF-1 főleg a májban termelődik, és az IGF-1 vagy az inzulin receptorokhoz kötődik, hogy hatását fejlessze a sejtek növekedésének és szaporodásának serkentésére, és elősegítse a β-amiloid clearance-ét az agyban [122]. Az elhízott egyének általában IGF-1 rezisztenciát mutatnak, rontva képességüket a β-amiloid lerakódás és a neurodegeneráció megakadályozására [114, 123]. Emellett a BDNF számos receptorhoz képes kötődni, például a TrkB és az LNGF receptorokhoz, hogy támogassa az idegsejtek túlélését, és stimulálja a neurogenezist és a szinaptogenezist [124–126]. A kardiometabolikus betegségek általában alacsony BDNF-hez kapcsolódnak [127]. A BDNF elősegíti az idegsejtek differenciálódását és túlélését, a neurogenezist és az agy plaszticitását, ezért különösen fontos a tanulás és a memória szempontjából [128]. A magas zsírtartalmú étrend csökkenti a BDNF szintjét a hippokampuszban [129], és a károsodott hippokampus szinaptikus plaszticitása és megismerése valószínűleg a BDNF hatásának köszönhető a dendritikus tüskékre [130]. A diéta okozta elhízás csökkenti a BDNF és a preszinaptikus szinaptofizin hippocampus expresszióját, amelyek az egerek térbeli tanulásának károsodásához kapcsolódnak [131].

Bár a növekvő bizonyítékok azt mutatják, hogy az elhízás strukturális és funkcionális agyi változásokkal társul, a köztük lévő oksági kapcsolat további vizsgálatokat igényel. Ezzel szemben az étrend és az agyi változások közötti oksági kapcsolat sokkal egyértelműbb. A bél mikrobiota összetétele ok-okozati összefüggésben van az elhízással [132–134], születése óta jelentős szerepet játszik a testtömeg-szabályozásban [135, 136]. A bél mikrobiota kulcsszerepet játszik a gyermekkori elhízásban és az agy fejlődésében [137, 138]. A csíra nélküli egerek és a hagyományosan nevelt egerek összehasonlítása kimutatta, hogy a csíra nélküli egerek karcsúbbak és jobban ellenállnak az étrend által kiváltott elhízásnak [139]. Az elhízott és nem elhízott egyének eltérő sokféleséggel és összetételűek a bél mikrobiotájával [140, 141]. Mivel a bél mikrobiota ellenőrzi az energia kinyerését és tárolását a testben, a bél mikrobiota jelentős változásai elhízást és inzulinrezisztenciát eredményezhetnek [139, 140, 142].

Felmerült, hogy az étrend befolyásolhatja a bél mikrobiotáját, amely pedig idegi, hormonális, immun és metabolikus úton hat az agyra és a viselkedésre [143, 144]. Az étrend által kiváltott elhízott egerek bélmikrobiotájának transzplantációja sovány egerekhez elegendő ahhoz, hogy neurobehaviorális változásokat idézzen elő a fokozódó neuroinflammáció és az agyi érrendszeri homeosztázis megzavarása révén [145, 146]. A nagyobb energiájú étrendet fogyasztó, magasabb Clostridiales-tartalmú étrendet és alacsonyabb Bacteroidales-expressziót fogyasztó egerek kognitív rugalmassága gyengébb [147]. Emberekben a Firmicutes/Bacteroidetes arány pozitívan társul a BMI-hez [148]. A bél mikrobiota számos neurotrofin, például BDNF és szinaptofizin modulálására képes, hogy befolyásolja az idegi plaszticitást [149, 150]. Így az étrend megváltoztatja a bél mikrobiotáját, amely befolyásolja a neurofiziológiát és a neurotrofinokat, végül befolyásolja a megismerést és a viselkedést.

Korábbi eredmények azt mutatták, hogy az elhízással kapcsolatos agyi plaszticitás változása sokrétű kérdés, amely maradandó kárt okozhat az egyéneknek korai életkorukban. Így optimális lenne az elhízás leküzdése gyermekkorban.

5. A testmozgás javítja az agy működését

Idegsejtek szintjén a fizikai aktivitás fokozhatja a neurogenezist, a neuroadaptációt és a neuroprotekciót a neurotróf tényezők hatására [184–190]. A hippokampus működését fizikai aktivitás helyreállítja azáltal, hogy fokozza a neurotróf faktorok expresszióját, elősegítve a neurogenezist, az angiogenezist és a szinaptikus plaszticitást [191–193]. Például a BDNF szint a fizikai aktivitással, különösen a rendszeres testmozgással növekszik [194, 195]. Megállapították, hogy a BDNF stimulálhatja a DNS helyreállítását, hogy megvédje a kortikális idegsejteket az oxidatív stressztől [196]. Rövid, 5 héten át tartó enyhe testmozgás javítja mind az oxigénfogyasztást, mind a hosszú távú térbeli tanulást és memóriát idős patkányokban, ami összefüggésben van a hippocampus BDNF szintjével [197]. A fizikai aktivitást követően a hippokampus BDNF szintje és a TrkB receptor aktivációja megnő [198]. A megnövekedett BDNF-szint a dentatus gyrus-ban elegendő a térbeli memória javulásának előidézéséhez [199]. Egy hét önkéntes testmozgás elegendő a szövet típusú plazminogén aktivátor aktivitásának növeléséhez, hogy megkönnyítse a proBDNF hasítását mBNDF-be [200]. A testmozgás elősegíti a sirtuin 1-et, serkenti a mitokondriális biogenezist és megakadályozza a neurodegenerációt [201].

A testmozgás összefüggésbe hozható az agy strukturális változásával [202]. A 7 napos testmozgás növelheti a szürkeállomány térfogatát a motoros, szomatoszenzoros, asszociációs és vizuális kéregekben patkányokban [203]. A 6 hónapos testmozgás csökkenti az alapértelmezett módú hálózati aktivitást a precuneusban [204], míg az egyéves gyaloglás növeli a funkcionális kapcsolatot az alapértelmezett módú hálózaton és a frontális végrehajtó hálózaton belül [205]. A rendszeres fizikai aktivitás csökkentheti az előgyulladásos és fokozza a gyulladáscsökkentő jelátvitelt, és csökkentheti az oxidatív stresszt az idős állatoknál [206, 207]. A testmozgás csökkenti a perifériás kockázati tényezőket, például a cukorbetegséget és a szív- és érrendszeri betegségeket is, amelyek neurodegenerációval járnak [208]. Továbbá az érrendszer az edzés után megváltozik. Középkorú patkányokban a kérgi kapillárisok teljes hossza és felülete megnövekszik a futás után [209]. Az aerob testmozgás a középkorban javíthatja a vaszkuláris diszfunkciókat, az asztrocita hipertrófiát és a mozgásszegény életmóddal járó mielin diszregulációt [210, 211].

A testmozgás számos különféle súlyállapotú egyén mechanizmusainak köszönhetően az agy számos fejlesztésével jár (1. ábra). A testmozgás hatékonysága az edzés paramétereitől függ, mint például a testmozgás intenzitása, időtartama és fejlődési szakasza. Korábbi kutatási eredmények következetesen azt sugallják, hogy a közepesen intenzív, elég hosszú ideig tartó testmozgás különösen előnyös a fiatal testedzők számára.