Fast jeder zweite Deutsche ist übergewichtig und die Statistiken sind weltweit ähnlich. Die Kalorienaufnahme und die Zusammensetzung der Nahrung haben große und dauerhafte Auswirkungen auf Kognition und Emotion, insbesondere während kritischer Phasen in der Entwicklung, aber die neuronalen Mechanismen für diese Effekte sind noch nicht gut verstanden. Ein klares Verständnis der kognitiv-emotionalen Prozesse, die dem Wunsch nach übermäßigem Lebensmittelkonsum zugrunde liegen, kann zu einer wirksameren Prävention und Behandlung von Adipositas beitragen. Dieser Bericht befasst sich mit neueren Arbeiten, die eine Verbindung zwischen der Aufnahme von Nahrungsfetten und dem Ungleichgewicht zwischen der Ernährung mit mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäuren und Entzündungen in Gehirnen in der Entwicklung, bei Erwachsenen und im Alter herstellen. So können frühzeitige Ernährung und Stressbelastung zu lebenslangen kognitiven Funktionsstörungen führen, und es besteht ein Potenzial für frühzeitige Ernährungsinterventionen (z.B. mit essentiellen Mikronährstoffen), um diesen Defiziten vorzubeugen. Ebenso führt der akute Verzehr einer fettreichen Ernährung dazu, dass der Hippocampus eine potenzierte neuroinflammatorische Reaktion auf eine leichte Immunreaktion hervorruft und Gedächtnisdefizite verursacht. Eine geringe Zufuhr mehrfach ungesättigter Omega-3-Fettsäuren über die Nahrung kann durch ihre Auswirkungen auf Endocannabinoid- und Entzündungswege in bestimmten Hirnregionen, die zu synaptischer Phagozytose durch Mikroglia im Hippocampus führen und zum Gedächtnisverlust beitragen, ebenfalls zu Depressionen beitragen. Ermutigend ist jedoch, dass der Verzehr von Obst und Gemüse mit hohem Polyphenolgehalt altersbedingten kognitiven Defiziten vorbeugen und diese sogar rückgängig machen kann, indem er oxidativen Stress und Entzündungen verringert. Das Verständnis der Beziehungen zwischen Ernährung, Kognition und Emotion ist notwendig, um die Mechanismen und Strategien zur Prävention oder Abschwächung komorbider neurologischer Erkrankungen bei adipösen Personen aufzudecken.

Einführung

Kognitive und emotionale Funktionsstörungen stellen in unserer Gesellschaft eine zunehmende Belastung dar. Die genauen Faktoren und zugrunde liegenden Mechanismen, die diese Störungen auslösen, sind noch nicht aufgeklärt. Neben unserem genetischen Aufbau scheint das Wechselspiel zwischen spezifischen Umweltherausforderungen, die während genau definierter Entwicklungsperioden auftreten, eine wichtige Rolle zu spielen. Interessanterweise treten solche Hirnfunktionsstörungen meist gleichzeitig mit Stoffwechselstörungen (z. B. Adipositas) und/oder schlechten Ernährungsgewohnheiten auf; Adipositas und schlechte Ernährung können zu negativen gesundheitlichen Auswirkungen einschließlich kognitiver und Stimmungsstörungen führen, was auf eine starke Wechselwirkung zwischen diesen Elementen hindeutet (Abb. 1). Adipositas ist ein globales Phänomen, wobei ca. 38% der Erwachsenen und 18% der Kinder und Jugendlichen weltweit entweder als übergewichtig oder fettleibig eingestuft werden.1 Selbst ohne Adipositas ist eine schlechte Ernährung an der Tagesordnung,2 da beispielsweise viele Lebensmittel stark verarbeitet sind und ihnen wichtige Polyphenole und Antioxidantien fehlen oder sie deutlich unter den empfohlenen Gehalten an mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäuren (PUFA) enthalten. In dieser Übersicht werden wir das Ausmaß und die Mechanismen des Einflusses der Ernährung auf die Stimmung und die Kognition in verschiedenen Lebensphasen diskutieren, wobei der Schwerpunkt auf der Aktivierung der Mikroglia, Glukokortikoiden und Endokannabinoiden (eCBs) liegt.

Perinatale Ernährung stört langfristig die kognitive Funktion, eine Rolle für Mikroglia

Schlechte Ernährung in der Gebärmutter und während des frühen postnatalen Lebens kann zu dauerhaften Veränderungen in vielen Aspekten der metabolischen und zentralen Funktionen führen, einschließlich Beeinträchtigungen der Kognition und beschleunigter Hirnalterung,3 aber siehe.4 Schwangerschaftsdiabetes der Mutter und sogar eine Junk-Food-Diät bei Nichtdiabetikern kann zu metabolischen Komplikationen führen, einschließlich Diabetes und Fettleibigkeit bei den Nachkommen.5,6 Es kann auch Veränderungen in der Belohnungsverarbeitung im Gehirn der Nachkommen verursachen, so dass sie anfangen, Nahrungsmittel mit hohem Fett- und Saccharosegehalt zu bevorzugen.7,8 In ähnlicher Weise können die frühe Einführung fester Nahrung bei Kindern und der hohe Konsum von fetthaltigen Lebensmitteln und gesüßten Getränken in der Kindheit die Gewichtszunahme beschleunigen und langfristig zu metabolischen Komplikationen führen, die mit einer schlechteren exekutiven Funktion in Verbindung gebracht werden können.9 Andererseits können einige Nahrungsergänzungsmittel die Kognition positiv beeinflussen, wie bei der Supplementation von Säuglingsanfangsnahrung mit langkettigen Omega-3-PUFA, die die Kognition bei Babys verbessert, gesehen wird.10 In diesen randomisierten Kontrollstudien (RCTs) verbesserte eine mit Omega-3-PUFA angereicherte Säuglingsanfangsnahrung, die kurz nach der Geburt oder 6 Wochen nach dem Stillen begann, die Leistung von 9 Monate alten Säuglingen bei einer Problemlösungsaufgabe (eine zweistufige Aufgabe zum Wiederfinden einer Rassel, von der bekannt ist, dass sie mit der Leistung bei IQ-Aufgaben korreliert) signifikant.

Aus Tiermodellen ist klar ersichtlich, dass die Auswirkungen der Ernährung im frühen Lebensalter weitreichend sind. Selbst Fettleibigkeit bei Rattenvätern (die bei der Aufzucht der Nachkommen keine Rolle spielen) führt bei weiblichen Nachkommen zu einer Dysfunktion der Betazellen der Bauchspeicheldrüse, die an die nächste Generation weitergegeben werden kann.11 Fettleibigkeit und fettreiche Fütterung bei Ratten- und Mäusemüttern während der Schwangerschaft und Laktation führt zu Beeinträchtigungen bei verschiedenen Stimmungstests, einschließlich solcher, die depressives und ängstliches Verhalten modellieren, sowie zu negativen Auswirkungen auf die Kognition.12 Die Ernährung in der Zeit nach der Geburt bis zur Entwöhnung kann ähnliche Verhaltensweisen beeinflussen.13

Zusätzlich zu den Auswirkungen einer pränatalen Ernährung führt der übermäßige Verzehr von Muttermilch in den ersten drei Lebenswochen einer Ratte zu dauerhafter Fettleibigkeit bei Männchen und Weibchen.14 Diese Überfütterung bei Neugeborenen stört auch die kognitiven Funktionen. Beispielsweise schneiden neonatal überfütterte Ratten im neuartigen Objekterkennungstest und im verzögerten räumlichen Win-Shift-Radialarmlabyrinth als Erwachsene im Vergleich zu Kontrollratten schlecht ab.15 Diese Ergebnisse sind interessant, um sie mit den Auswirkungen einer schlechten Ernährung bei Erwachsenen zu vergleichen, bei denen eine längerfristige fettreiche Ernährung (etwa 20 Wochen bei der Ratte)16,17,18 und/oder eine fettreiche Ernährung in Verbindung mit einem prä-diabetischen Phänotyp19 notwendig ist, um kognitive Funktionsstörungen zu induzieren. Zwar gibt es keine Unterschiede in der Synaptogenese nach dem Lernen (Synaptophysin) oder der Apoptose (Caspase-3), um die bei den neonatal überfütterten Ratten beobachteten Effekte zu erklären, doch haben diese Ratten eine beeinträchtigte mikrogliale Reaktion auf die Lernaufgabe.15

Mikroglia sind eine der wichtigsten Immunzellpopulationen im Gehirn. In der Entwicklung sind sie für die synaptische Beschneidung unerlässlich, während sie bei einem reifen Tier eine wichtige Rolle bei der Verstärkung einer pro-inflammatorischen Immunantwort und der Phagozytose von Krankheitserregern und geschädigten Gehirnzellen spielen.20 Hyperaktivierte Mikroglia können zu kognitiven Funktionsstörungen durch übermäßige proinflammatorische Zytokinproduktion führen, die eine beeinträchtigte langfristige Potenzierungsinduktion, eine verminderte Produktion von plastizitätsbezogenen Molekülen, einschließlich des hirnabgeleiteten neurotrophen Faktors und des insulinähnlichen Wachstumsfaktors-1, und eine verminderte synaptische Plastizität verursachen20. Eine angemessene Mikrogliareaktion kann jedoch auch für ein effektives Lernen wesentlich sein.

Neonatal überfütterte Ratten haben am 14. postnatalen Tag nach der Geburt mehr Mikroglia in der CA1-Region des Hippocampus, d.h. während sie noch Zugang zu überschüssiger Muttermilch haben und eine beschleunigte Gewichtszunahme erfahren. Diese Mikroglia haben auch ein größeres Soma und eingezogene Prozesse, was auf einen stärker aktivierten Phänotyp hinweist. Wenn diese Ratten das Erwachsenenalter erreichen, besteht weiterhin eine Zunahme der mit dem mikroglialen Marker Iba1 immunmarkierten Fläche im Gyrus dentatus. Bei neonatal überernährten Personen ist die mikrogliale Reaktion auf eine Lernaufgabe weniger robust als bei Kontrollen. Dieser Effekt ist mit einer Unterdrückung der Zellproliferation bei Kontrolltieren im Vergleich zu den neonatal überfütterten Tieren assoziiert, möglicherweise um bestehende neuronale Netzwerke zu erhalten und neue Inputs während des Lernens zu minimieren.21 Interessanterweise kann eine global induzierbare Mikroglia- und Monozytendepletion zu einer verbesserten Leistung im Barnes-Labyrinth führen,22 was darauf hindeutet, dass der Entzug der Mikrogliaaktivität in bestimmten Lernphasen für das Lernen wichtig ist. Diese Ergebnisse implizieren Mikroglia in die langfristigen Auswirkungen der Überernährung im frühen Leben auf die Kognition, was darauf hindeutet, dass normale Mikroglia in der Lage sein müssen, robust auf Lernaufgaben zu reagieren, und dass die Überernährung von Neugeborenen ihre Fähigkeit dazu beeinträchtigt.

Neuroinflammatorische Prozesse, einschließlich der Rolle der Mikroglia, können eindeutig durch die Ernährung von Neugeborenen beeinflusst werden und stellen mindestens einen Mechanismus dar, der dazu beiträgt, wie die kognitiven Funktionen beeinflusst werden. Neuroinflammation und Mikroglia können auch von anderen Ereignissen im frühen Leben beeinflusst werden und eine bedeutende Rolle dabei spielen, wie Stress während der Entwicklung die langfristige Physiologie verändert.

Teil 2