Чуанмин Уанг

1 Катедра по неврология, свързаната болница Шенжен Наншан, Университет Шенжен, Шенжен 518000, Китай

намалява

Джон С. Й. Чан

2 Център за мозъчни разстройства и когнитивна неврология, Университет Шенжен, Шенжен 518060, Китай

3 Катедра по психология, Китайският университет в Хонконг, Шатин, Хонг Конг

Лиджие Рен

4 Катедра по неврология, Шенженска болница за втори народ, Шенженски университет, Шенжен 518035, Китай

Джин Х. Ян

2 Център за мозъчни разстройства и когнитивна неврология, Университет Шенжен, Шенжен 518060, Китай

Резюме

Поради заседналия начин на живот в днешно време все повече хора затлъстяват. В допълнение към проблемите, свързани със здравето, затлъстяването може да наруши познавателната и двигателната ефективност. Предишни резултати показват, че затлъстяването засяга предимно когницията и двигателното поведение, като променя съответно мозъчните функции и мускулно-скелетната система. Много фактори, като нарушаване на регулацията на инсулин/лептин и възпаление, медиират ефекта на затлъстяването и познанието и двигателното поведение. Съществени доказателства предполагат, че упражненията са ефективен начин за подобряване на затлъстяването и свързаните с него когнитивни и двигателни дисфункции. Тази статия има за цел да обсъди връзката на затлъстяването с познанието и двигателното поведение и основните механизми. След това са описани механизми на упражнения за подобряване на свързаните със затлъстяването дисфункции. И накрая, се повдигат последиците и бъдещите насоки за изследване.

1. Въведение

Затлъстяването е прекомерното натрупване на мазнини, което има нежелани ефекти върху здравето. Световната здравна организация (СЗО) определя наднорменото тегло и затлъстяването като индекс на телесна маса (ИТМ) ≥ 25 и ИТМ ≥ 30, съответно [1]. По света затлъстяването се е превърнало в тревожен здравен и социален проблем, застрашаващ живота на хиляди хора. Според СЗО [1] над 1,9 милиарда възрастни (39% възрастни) са с наднормено тегло, сред които над 600 милиона (13% възрастни) са със затлъстяване. Детското затлъстяване също е често срещано, че 42 милиона деца са били с наднормено тегло или затлъстяване през 2013 г. [1]. Като се има предвид високото му разпространение, настоява да се изследва патогенезата, проявите и профилактиката на затлъстяването.

Затлъстяването е свързано с редица проблеми, свързани със здравето, като диабет, сърдечни заболявания, хипертония и рак [2]. В сравнение с индивидите с нормално тегло, хората със затлъстяване имат намалена продължителност на живота [3]. Децата с наднормено тегло показват по-големи сърдечно-съдови рискови фактори и персистиране на затлъстяването в зряла възраст, което може да бъде свързано с по-голяма вероятност от преждевременна смъртност [4, 5]. В допълнение към здравословните проблеми, затлъстяването е свързано с по-лошо познание и двигателен контрол и променена пластичност на мозъка. В този преглед първо разглеждаме поведенческите прояви на способностите за познание и двигателен контрол на затлъстелите индивиди. След това ще бъдат обсъдени промените в пластичността на мозъка, свързани със затлъстяването. След това ще бъдат описани и ефектите от физическите упражнения за борба със затлъстяването и свързаните със затлъстяването дефицити в познанието и моторния контрол. И накрая, повдигнати са последиците и бъдещите насоки за изследване.

2. Познание

Наднорменото тегло и затлъстяването обикновено са свързани с по-лошо познание през целия живот [6–8]; обаче връзката между ИТМ и когнитивната функция е по-слаба в напреднала възраст [9, 10], отчасти поради неточно измерване на затлъстяването при възрастните хора [11]. Непреки доказателства показват връзка между западната диета с високо съдържание на мазнини и нарушените когнитивни функции [12]. Въз основа на данни за ИТМ, хората с наднормено тегло или затлъстяване попадат в най-ниския квартил на световното познание, словесната плавност, забавеното изземване, непосредствената логическа памет и интелигентността [13].

Освен ИТМ, други мерки за затлъстяване също са свързани с когнитивните резултати и мозъчните промени. Висцералното затлъстяване е обратно свързано със словесната памет и внимание. Високото висцерално затлъстяване се свързва с по-малък хипокампус и по-голям вентрикуларен обем [14]. Налице е също отрицателна корелация между съотношението талия-ханш и обема на хипокампала и положителна корелация между съотношението талия-ханш и хиперинтензивността на бялото вещество [15]. В сравнение с ИТМ, централната адипозия има по-силна връзка с риска от развитие на когнитивно увреждане и деменция при жените [16]. Следователно, проучвания, използващи ИТМ като единствен индикатор за затлъстяване, може да не са достатъчно чувствителни, за да обхванат индуцираните от затлъстяването когнитивни дисфункции.

Проучванията с невроизобразяване демонстрират атрофия в челните лобове, предната цингуларна извивка, хипокампуса и таламуса при по-възрастни индивиди със затлъстяване [17]. Увеличението на ИТМ е свързано с по-ниска метаболитна активност в префронталната кора и цингуларната извивка, по-малък обем на сивото вещество в много мозъчни области (особено префронталната кора) и недостатъчна цялост на бялото вещество в нецинирания фасцикулус, който е структура, свързваща челните и темпоралните дялове [ 18–22]. По-малкият обем на сивото вещество в лявата орбитофронтална област е свързан с по-лошо изпълнение на изпълнителната власт при затлъстели жени [21].

Детското затлъстяване е свързано с намалената изпълнителна функция, внимание, умствена ротация, математика и постижения при четене [23–25]. Затлъстелите юноши имат дефицит в редица когнитивни функции, като внимание и изпълнителни функции [26, 27]. Проучване върху животни показва, че диетата с високо съдържание на мазнини предизвиква подобни морфометрични и метаболитни промени при млади и възрастни мишки; обаче само ранното излагане на диета с високо съдържание на мазнини уврежда гъвкавостта на релационната памет и намалява неврогенезата [28]. По този начин ранното излагане на диета с високо съдържание на мазнини може да бъде особено вредно за познанието.

Хората с по-висок ИТМ в средната възраст имат по-ниско познание в световен мащаб в сравнение с по-тънките си колеги [29], а затлъстяването в средната възраст е свързано с ускореното когнитивно стареене, но тази връзка е по-слаба в по-напреднала възраст [30]. Както възрастта, така и ИТМ допринасят независимо за намаления обем на мозъка в средна и по-възрастна възраст [31]. По-вероятно е възрастен възрастен да има по-ниски когнитивни способности, ако е бил с наднормено тегло или затлъстяване през средната възраст [32, 33]. Затлъстяването в средната възраст е свързано с повишен темп на влошаване на изпълнителните функции, а увеличаването на съотношението между талията и ханша е свързано със значително намаляване на общия обем на мозъка [34]. По-ниският ИТМ и обиколката на талията и по-високата маса без мазнини са свързани с по-бавен когнитивен спад [35]. Средното наднормено тегло/затлъстяване, особено с метаболитни аномалии, е свързано с по-висок риск от деменция в по-напреднала възраст [33, 36–40]. Нещо повече, високият ИТМ на средната възраст е свързан с аномалии на невроните и миелина [41]. Следователно средният живот е критичен период, в който състоянието на наднормено тегло/затлъстяване може да предскаже когнитивните функции и здравето на мозъка в по-късен живот [42].

3. Управление на двигателя

Освен познанието, затлъстяването влияе и върху възможностите за контрол на двигателите, влошавайки ежедневните функции и здравето [43]. Децата с наднормено тегло или с наднормено тегло са по-лоши в грубия и фин двигателен контрол и имат забавено двигателно развитие [44-50]. Затлъстелите момчета имат по-лоши двигателни умения и намалена активност в ежедневието [51]. Затлъстелите момичета от 6 и 7 клас участват в по-малко физическа активност и имат по-ниско удоволствие от физическата активност [52]. Децата с висок ИТМ имат по-ниско ниво на бягане, което е основно двигателно умение, въз основа на което се усвояват сложни двигателни умения [53]. Cliff et al. [54] забележете, че разпространението на овладяването на всички основни двигателни умения е по-ниско при децата с наднормено тегло/затлъстяване, особено за бягане, пързаляне, скачане, дрибъл и ритник. В допълнение към ИТМ, обиколката на талията е свързана и със способността на децата и юношите да изпълняват основни двигателни умения [55]. Има обратна връзка на ИТМ с фина двигателна прецизност, баланс, скорост на движение и пъргавина и сила при учениците от 1-ви клас [56]. Дебелите деца също имат затруднения в постуралната координация и засилена зависимост от зрението по време на движение, което е доста автоматично при неносещи деца [57, 58].

Затлъстяването е свързано със съотношението на качеството на мускулите, което е свързано със скоростта на двигателна проводимост и скоростта на потупване с пръсти [59]. Затлъстяването е свързано с по-големи колебания в производството на сила на ръкохватката [60]. Подкожната затлъстяване може да доведе до значителни разлики в свързаната със здравето и двигателната годност [61]. Прекомерната мастна маса е свързана с по-лоша стойка и ходене [62]. При възрастни средни и по-възрастни комбинация от висок ИТМ (или обиколка на талията) и високо кръвно налягане е свързана с по-ниска двигателна скорост и ръчна сръчност [63]. По време на постурален контрол, затлъстелите индивиди се нуждаят от по-големи ресурси за внимание, за да поддържат баланс по време на унипедална стойка [64]; това означава, че хората със затлъстяване консумират ресурси за внимание, за да компенсират своите двигателни дефицити.

4. Промени в пластичността на мозъка, свързани със затлъстяването

Редица фактори могат да медиират ефектите на затлъстяването върху познанието и двигателното поведение. Например, затлъстяването може да повлияе на мозъчната структура, нарушаване на регулирането на лептина и инсулина, оксидативен стрес, цереброваскуларна функция, кръвно-мозъчна бариера и възпаление [11, 65–71]. Някои също така предполагат, че свързаните със затлъстяването промени в метаболизма взаимодействат с възрастта, за да увредят мозъчните функции [72].

По отношение на мозъчната структура, затлъстелите индивиди имат по-ниска дебелина на кората в лявата горна фронтална и дясна медиална орбитофронтална кора. Обемите на вентрален диенцефалон и мозъчен ствол също са намалени при затлъстели хора [73]. Съществува и отрицателна връзка между увреждането на невроните и плътността на сивото вещество в хипокампуса и малкия мозък при лица с наднормено тегло и затлъстяване [74]. Предполага се, че медиалната орбитофронтална кора, хипокампусът и малкият мозък участват в обучение, основано на възнаграждения, памет и двигателен контрол и обучение [75–77]; структурните промени в тези региони могат да бъдат свързани с дефицити в когнитивните и двигателните области. Досега механизмите, залегнали в ефектите на затлъстяването върху мозъчната структура, не са ясни.

Диетата с високо съдържание на мазнини увеличава оксидативния стрес и възпалителната сигнализация в мозъка [78]. Диета-индуцирано затлъстяване насърчава реактивни кислородни видове в мозъка, което е свързано както с телесното тегло, така и с затлъстяването [79, 80]. При децата приемът на наситени мастни киселини нарушава както релационната, така и паметта на елементите [81]. Появата на 15-седмично затлъстяване през детството може да предизвика трайни епигенетични промени в мозъка на плъхове [82]. При плъховете триглицеридите намаляват преминаването на инсулиноподобни растежни фактори (IGF) в мозъка чрез цереброспинална течност, влошават дългосрочното потенциране на хипокампала и възпрепятстват транспортирането на лептин през кръвно-мозъчната бариера [83–85]. Излагането на младежи на диета с високо съдържание на мазнини уврежда дългосрочната пространствена памет, но не и краткосрочната памет, което предполага селективно увреждане на консолидацията, което вероятно е допринесено от повишена експресия на възпалителни цитокини в хипокампуса [86]. Освен това се смята, че консумацията на западна диета влошава кръвно-мозъчната бариера, което вследствие на това уврежда хипокампуса и води до деменция [87]. В сравнение с тези с нормална диета, мишките, консумиращи високомаслена диета в продължение на 17 дни, развиват инсулинова резистентност в тъканите на мозъчната кора, влошена синаптична цялост и по-лоша пространствена памет [88].

Мастната тъкан произвежда много вещества за метаболизма (адипокини, като BDNF) и възпаление (цитокини, като лептин). Много цитокини, като интерлевкин-1, произведени от мастната тъкан, могат да преминат през кръвно-мозъчната бариера и да повлияят когнитивните функции чрез невровъзпаление [95, 119]. Адипонектинът участва в регулирането на нивото на глюкозата и разграждането на мастните киселини. Подобно на лептина, той оказва своите ефекти в мозъка, за да доведе до намаляване на теглото [120]. Нивото му е свързано отрицателно с мазнини и може да защити хипокампалните клетки [119]. Намалени нива на адипонектин в хипокампала се наблюдават при възрастни животни, независимо от приема на високо съдържание на мазнини [121]. По този начин адипонектинът е важен за профилактика на невродегенерацията.

Невротрофините, като IGF-1 и BDNF, могат да медиират ефектите на затлъстяването върху познанието и поведението. IGF-1 се произвежда главно в черния дроб и се свързва с IGF-1 или инсулиновите рецептори, за да упражни своите ефекти за стимулиране на клетъчния растеж и пролиферация и за насърчаване на β-амилоидния клирънс в мозъка [122]. Затлъстелите индивиди обикновено показват резистентност към IGF-1, влошавайки способността им да предотвратяват отлагането на β-амилоиди и невродегенерацията [114, 123]. Освен това BDNF може да се свърже с много рецептори, като TrkB и LNGF рецептори, за да подпомогне невроналното оцеляване и да стимулира неврогенезата и синаптогенезата [124–126]. Кардиометаболитните заболявания обикновено се свързват с нисък BDNF [127]. BDNF насърчава невроналната диференциация и оцеляване, неврогенезата и мозъчната пластичност и по този начин е особено важен за ученето и паметта [128]. Диетата с високо съдържание на мазнини намалява нивото на BDNF в хипокампуса [129], а нарушената хипокампална синаптична пластичност и познание е възможно чрез ефектите на BDNF върху дендритните бодли [130]. Диета-индуцираното затлъстяване намалява хипокампалната експресия на BDNF и пресинаптичния синаптофизин, които са свързани с нарушаване на пространственото обучение при мишки [131].

Въпреки че нарастващите доказателства показват, че затлъстяването е свързано със структурни и функционални мозъчни промени, причинно-следствената връзка между тях изисква допълнителни изследвания. За разлика от тях, причинно-следствената връзка между диетата и промените в мозъка е много по-ясна. Изглежда, че съставът на чревната микробиота е причинно свързан със затлъстяването [132–134], като играе важна роля в регулирането на телесното тегло от раждането [135, 136]. Чревната микробиота играе ключова роля в детското затлъстяване и развитието на мозъка [137, 138]. Сравнение на мишки без микроби и конвенционално отгледани мишки демонстрира, че миковете без микроби са по-слаби и по-устойчиви на индуцирано затлъстяване [139]. Дебелите и затлъстелите индивиди имат различно разнообразие и състав на чревната микробиота [140, 141]. Тъй като чревната микробиота контролира извличането и съхраняването на енергия в тялото, значителни промени в чревната микробиота могат да доведат до затлъстяване и инсулинова резистентност [139, 140, 142].

Предполага се, че диетата може да повлияе на чревната микробиота, което от своя страна въздейства върху мозъка и поведението чрез нервни, хормонални, имунни и метаболитни пътища [143, 144]. Трансплантацията на чревна микробиота на индуцирани от диета затлъстели мишки на постни мишки е достатъчна, за да доведе до невроповеденчески промени чрез увеличаване на невровъзпалението и нарушаване на мозъчно-съдовата хомеостаза [145, 146]. Мишките, консумиращи високоенергийна диета, съдържаща по-висок процент Clostridiales и по-ниска експресия на Bacteroidales, имат по-лоша когнитивна гъвкавост [147]. При хората съотношението Firmicutes/Bacteroidetes е положително свързано с ИТМ [148]. Чревната микробиота може да модулира редица невротрофини, като BDNF и синаптофизин, за да повлияе на невронната пластичност [149, 150]. По този начин диетата променя чревната микробиота, която влияе върху неврофизиологията и невротрофините, като в крайна сметка влияе върху познанието и поведението.

Предишни резултати показват, че промяната на пластичността на мозъка, свързана със затлъстяването, е многостранен проблем, който може да нанесе трайна вреда на хората в ранните им възрасти. По този начин би било оптимално да се борим със затлъстяването през детството.

5. Упражнението подобрява мозъчните функции

На невронално ниво физическата активност може да подобри неврогенезата, невроадаптацията и невропротекцията чрез действията на невротрофични фактори [184–190]. Функцията на хипокампала се възстановява чрез физическа активност чрез засилване на експресията на невротрофични фактори за насърчаване на неврогенезата, ангиогенезата и синаптичната пластичност [191–193]. Например, нивото на BDNF се увеличава с физическа активност, особено с редовни упражнения [194, 195]. Установено е, че BDNF може да стимулира възстановяването на ДНК за защита на кортикалните неврони срещу оксидативен стрес [196]. Краткото пристъпване на леко упражнение в продължение на 5 седмици подобрява както консумацията на кислород, така и дългосрочното пространствено обучение и памет при възрастни плъхове, което е свързано с нивото на BDNF в хипокампала [197]. След физическа активност нивото на BDNF в хипокампала и активирането на TrkB рецептора се повишават [198]. Повишеното ниво на BDNF в зъбната извивка е достатъчно, за да предизвика подобряване на пространствената памет [199]. Седмица доброволно упражнение е достатъчна, за да се увеличи активността на активатора на плазминогена от тъканен тип, за да се улесни разцепването на proBDNF в mBNDF [200]. Също така, упражненията насърчават сиртуин 1, стимулират митохондриалната биогенеза и предотвратяват невродегенерацията [201].

Упражнението може да бъде свързано със структурни мозъчни промени [202]. Една 7-дневна интервенционна интервенция може да увеличи обема на сивото вещество в двигателната, соматосензорната, асоциативната и зрителната кора на плъхове [203]. Упражненията в продължение на 6 месеца намаляват мрежовата активност по подразбиране в прекунеуса [204], докато едногодишното ходене увеличава функционалната свързаност в мрежата по подразбиране и фронталната изпълнителна мрежа [205]. Редовната физическа активност може да намали възпалителната и да увеличи противовъзпалителната сигнализация и да намали оксидативния стрес при възрастни животни [206, 207]. Упражненията също така намаляват периферните рискови фактори, като диабет и сърдечно-съдови заболявания, които са свързани с невродегенерация [208]. Освен това, васкулатурата се променя след тренировка. При плъхове на средна възраст общата дължина и повърхността на кортикалните капиляри се увеличават след бягане [209]. Аеробните упражнения в средата на живота могат да подобрят съдовите дисфункции, астроцитната хипертрофия и дисрегулацията на миелина, свързани със заседналия начин на живот [210, 211].

Упражнението е свързано с редица подобрения в мозъка чрез редица механизми при индивиди с различно тегло (Фигура 1). Ефективността на упражнението зависи от тренировъчните параметри, като интензивност, продължителност и етап на развитие на трениращия. Предишни резултати от изследвания постоянно предполагат, че умерено интензивните упражнения за достатъчно дълъг период от време са особено полезни за младите трениращи.