文摘
由于久坐不动的生活方式,现在越来越多的人变得肥胖。除了健康问题,肥胖还能削弱认知和运动性能。之前的结果表明,肥胖主要影响认知和运动行为通过改变大脑功能和肌肉骨骼系统,分别。许多因素,如胰岛素和瘦素失调、炎症、调解肥胖和认知和运动行为的影响。大量证据表明锻炼是一种有效的方法来改善肥胖和相关的认知和运动障碍。本文旨在探讨肥胖与认知和汽车协会的行为和它的底层机制。这之后,运动改善肥胖相关机制障碍。最后,影响和未来的研究方向。
1。介绍
肥胖是脂肪的overaccumulation厌恶对健康的影响。世界卫生组织(世卫组织)将超重和肥胖定义为身体质量指数(BMI)≥25和BMI≥30日分别为(1]。在世界各地,肥胖已经成为一个令人担忧的健康和社会问题,威胁着成千上万人的生命。根据世界卫生组织(1),超过19亿名成年人(39%的成年人)超重其中超过6亿成年人(13%)是肥胖。儿童肥胖也很常见,2013年有4200万儿童超重或肥胖1]。考虑其高患病率,最迫切需要研究发病机制,临床表现,和预防肥胖。
肥胖相关的健康问题,如糖尿病、心脏病、高血压和癌症(2]。与体重正常的人相比,肥胖的人降低预期寿命(3]。肥胖儿童表现出更大的心血管风险因素在他们成年后的肥胖和持久性,这可能是与更高的过早死亡的可能性4,5]。除了健康问题,肥胖与贫穷有关认知和运动控制和改变大脑可塑性。在本文中,我们首先观察肥胖个体的行为表现的认知和运动控制功能。接下来,将讨论与肥胖相关的大脑可塑性的变化。这之后,体育锻炼的影响打击肥胖以及肥胖相关的赤字认知和运动控制也将被描述。最后,影响和未来的研究方向。
2。认知
超重和肥胖通常是与贫困相关认知在寿命(6- - - - - -8];然而,BMI与认知功能之间的联系是弱在老年9,10),部分原因是由于老年人(肥胖测量不准确11]。间接证据表明西方高脂肪饮食之间的关联和认知功能受损12]。基于指数数据,超重或肥胖的人落在全球最低四分位数的认知、语言流畅、延迟回忆,立即逻辑内存,和情报13]。
除了BMI,其他肥胖的措施也与认知能力和大脑的变化。内脏肥胖与非文字记忆和注意力呈负相关。高内脏肥胖与小海马和大心室体积(14]。还有一个腰臀比和海马体积之间的负相关和正相关与腰臀比白质hyperintensities [15]。体重指数相比,中央肥胖的女性患认知障碍和痴呆的风险(16]。因此,研究使用BMI作为唯一指标的肥胖可能不够敏感捕捉obesity-induced认知障碍。
神经影像学研究表明在额叶萎缩,前扣带皮层海马和丘脑在老年肥胖者(17]。BMI增加降低代谢活动在前额皮质和扣带回,在许多脑区灰质体积小(特别是前额叶皮层),和缺乏白质完整性的钩状的纤维束结构连接的额叶和颞叶(18- - - - - -22]。较小的灰质体积在左前额区域贫困有关执行性能在肥胖女性21]。
儿童肥胖与执行功能下降,注意力,心理旋转,数学和阅读成绩(23- - - - - -25]。肥胖青少年有赤字的认知功能,如注意力和执行功能(26,27]。动物研究表明,高脂肪饮食诱发类似的形态学和代谢变化在少年和成年老鼠;然而,只有早期暴露在高脂肪饮食伤害关系记忆的灵活性和降低神经发生(28]。因此,早期暴露在高脂肪饮食可能是特别有害的认知。
更高的中年患者体重指数比薄同行全球认知较低(29日)和中年肥胖是加速认知老化有关,但这种联系是弱在年长的成年30.]。年龄和体重指数独立有助于减少脑容量在中产以上的成年31日]。更有可能为一个老年人认知能力较低,如果他/她在中年超重或肥胖32,33]。中年肥胖与增加执行功能的恶化速度和增加腰臀比与大量减少大脑总额(34]。降低BMI和腰围和更高的无脂质量与认知衰退放缓(35]。中年超重/肥胖,特别是代谢异常,与更高的痴呆风险在年长的成年33,36- - - - - -40]。此外,中年高BMI与神经元和髓鞘异常(41]。因此,中年是一个关键时期,超重/肥胖状态可以预测一个人的认知功能和大脑健康晚年(42]。
3所示。电机控制
除了认知,肥胖也会影响运动控制功能,日常功能退化和健康(43]。肥胖或超重的儿童贫穷总值和精细运动控制和运动发育延迟(44- - - - - -50]。肥胖的男孩运动技能差,减少了日常生活的活动(51]。肥胖的女孩少6 - 7年级学生参与体育活动和享受较低的身体活动(52]。儿童高BMI较低水平运行的一个基本运动技能根据复杂的运动技能学习(53]。悬崖et al。54观察,掌握所有的基本运动技能的患病率较低在超重/肥胖儿童,尤其是运行,幻灯片,啤酒花,运球,踢。除了BMI、腰围也是有关儿童和青少年的能力来执行基本的运动技能(55]。有一个逆BMI与精细运动精度的关系,平衡,运行速度和敏捷性和强度在一年级学生56]。肥胖儿童也有困难,在体位协调和高度依赖视觉运动中,而自动nonobese儿童(57,58]。
肥胖与肌肉质量比与运动传导速度和手指敲击的速度(59]。肥胖与手柄力波动较大的生产(60]。皮下脂肪可以占一个重要的健康和运动健身的方差(61年]。过多的脂肪量与贫穷有关的姿势和散步62年]。在中、老年人,结合高BMI(或腰围)和高血压与较低的运动速度和手灵巧度(63年]。姿势控制期间,肥胖者需要更多的注意资源来保持平衡在unipedal立场(64年];这其中牵扯到的人,肥胖的人消耗注意资源来弥补电动机赤字。
4所示。与肥胖相关的大脑可塑性的变化
很多因素可能调解肥胖对认知和运动行为的影响。例如,肥胖可能影响大脑结构,瘦素和胰岛素调节异常、氧化应激,脑血管功能,血脑屏障,和炎症11,65年- - - - - -71年]。一些还表明,与肥胖相关的代谢变化与年龄损害大脑功能(72年]。
大脑结构而言,肥胖个体皮质厚度较低在左额上和右眶额皮层。的卷腹间脑和脑干也减少肥胖的人(73年]。还有一个消极的神经元损伤之间的关系,海马和小脑灰质密度在超重和肥胖的人74年]。建议内侧眶额皮层、海马、小脑和奖励参与学习,记忆,和电机控制和学习75年- - - - - -77年];结构性改变这些地区可能与赤字有关认知和运动领域。迄今为止,肥胖对大脑结构的影响机制尚不清楚。
高脂肪的饮食会增加氧化应激和炎症信号在大脑中78年]。食源性肥胖促进活性氧在大脑中有关体重和肥胖(79年,80年]。儿童摄入饱和脂肪酸损害关系和项目记忆(81年]。15周的儿童时期肥胖可以引起永久性的表观遗传变异在老鼠的大脑82年]。在老鼠身上,甘油三酯降低的胰岛素样生长因子(igf)通过脑脊液进入大脑,影响海马长期势差,瘦素和阻碍交通穿过血脑屏障(83年- - - - - -85年]。青少年暴露于高脂肪饮食会损害长期的空间记忆,但不是短期记忆,暗示的选择性损伤合并由促炎细胞因子表达增加可能造成海马体(86年]。此外,食用西方饮食被认为降低血脑屏障,因此损害海马和导致痴呆(87年]。相对于那些有正常的饮食,老鼠食用高脂肪饮食17天在大脑皮层组织,开发胰岛素抵抗退化突触完整性和贫困空间记忆(88年]。
瘦素是一种细胞因子和饱腹感激素帮助调节食欲和能量消耗。它可以穿过血脑屏障和突触前神经元gaba ergic结合产生的影响(89年,90年]。瘦素的生产增加肥胖(91年]。瘦素受体在大脑中普遍存在(例如,在大脑皮层和海马),瘦素可以调节记忆流程(92年]。肥胖老鼠与瘦素信号受损的赤字hippocampal-dependent内存(93年和增加基底海马炎症94年,95年]。瘦素与神经发生、轴突生长和突触发生除了下丘脑功能(96年- - - - - -98年]。对海马神经元,瘦素发挥作用的长期势差和抑郁,因此对突触可塑性(很重要92年,99年,One hundred.]。瘦素水平较低的相比,老年人衰老期间与高瘦素水平表现出更少的认知能力下降(101年]。高瘦素水平在个人与小腰围与更少的认知能力下降超过10年(102年]。瘦素的存在可能会降低生产的淀粉样蛋白,加速的β淀粉样蛋白(103年]。瘦素水平较高的老年人患痴呆症的风险较低(104年]。肥胖的人通常开发瘦素抵抗(105年)导致食物摄入量的增加和改变的能量消耗90年]。
循环胰岛素水平和信号通路改变肥胖;这与炎症过程调节认知和行为(106年]。胰岛素发挥作用在调节海马突触可塑性107年]。作为胰岛素受体在海马和大脑皮质结构普遍存在,胰岛素信号可以促进陈述性记忆的形成(108年]。随肥胖和胰岛素浓度之间存在着负相关关系的内脏脂肪量和胰岛素敏感性109年]。胰岛素抵抗会导致高脂肪消费或肥胖110年,111年]。不正常的胰岛素信号可以诱导炎症和促进β淀粉样蛋白和τ病理学,导致神经退化112年,113年]。胰岛素抵抗可以调节认知损伤和神经退行性变的胰岛素和胰岛素样生长因子可以调节神经元生存,新陈代谢和大脑可塑性(114年,115年]。在胰岛素抵抗,失败的细胞代谢葡萄糖,因此触发一个增加胰岛素水平。胰岛素信号传导相关τ磷酸化,阿尔茨海默病的早期病理(116年,117年];这是互补的,有大量的胰岛素敏感葡萄糖转运蛋白在内侧颞叶(118年]。因此,胰岛素失调肥胖的人可能带来更大的患上痴呆的风险。
脂肪组织产生许多物质代谢(发病,如BDNF)和炎症(细胞因子,如瘦素)。许多细胞因子,如interleukin-1,由脂肪组织可以穿过血脑屏障,通过神经炎症影响认知功能95年,119年]。脂联素参与调节血糖水平和脂肪酸分解。与瘦素相似,它施加影响大脑中带来减肥(120年]。负水平与肥胖有关,可以保护海马细胞(119年]。海马脂联素水平降低是观察衰老动物,独立的高脂肪饮食的摄入量(121年]。因此,脂联素神经退行性变的预防是很重要的。
神经营养因子,如igf - 1和脑源性神经营养因子,可以调解肥胖对认知和行为的影响。igf - 1主要产生于肝脏和igf - 1或胰岛素受体结合发挥其刺激细胞生长和增殖,促进影响β大脑中的淀粉样蛋白间隙(122年]。肥胖个体通常显示igf - 1的阻力,降低他们的能力来防止β淀粉样蛋白沉积和神经退化114年,123年]。此外,脑源性神经营养因子可以绑定到许多受体,如TrkB和LNGF受体,支持神经元生存和刺激神经发育和突触发生(124年- - - - - -126年]。代谢疾病疾病通常与低脑源性神经营养因子(127年]。脑源性神经营养因子促进神经细胞分化和生存、神经发生和大脑可塑性,因而对学习和记忆至关重要(128年]。高脂肪饮食减少海马BDNF水平(129年),和海马突触可塑性和认知受损可能通过BDNF对树突棘的影响(130年]。食源性肥胖降低海马脑源性神经营养因子的表达和突触前synaptophysin有关的损伤小鼠的空间学习(131年]。
尽管越来越多的证据显示,肥胖是与大脑结构和功能变化有关,它们之间的因果关系需要进一步调查。相比之下,饮食和大脑的变化之间的因果关系是更清晰。肠道微生物群的构成与肥胖似乎是有因果联系(132年- - - - - -134年),出生以来体重调节中扮演重要角色(135年,136年]。肠道微生物群在儿童肥胖和大脑发育中发挥着关键作用[137年,138年]。比较无菌鼠和常规饲养老鼠证明无菌鼠更精简、更耐食源性肥胖(139年]。肥胖和nonobese个人有不同的多样性和肠道微生物群的组成(140年,141年]。肠道微生物群控制能源开采和储存在体内,重要的肠道微生物群的变化会导致肥胖和胰岛素抵抗[139年,140年,142年]。
有人建议,饮食可以影响肠道微生物群反过来影响大脑和行为通过神经、激素、免疫、代谢途径(143年,144年]。移植肠道微生物群的食源性肥胖老鼠的瘦老鼠就足以带来神经行为改变通过增加神经炎症和破坏脑血管内稳态145年,146年]。老鼠摄入高能量饮食含有更高的比例梭菌属的和较低的表达细菌性的认知灵活性差(147年]。在人类,厚壁菌门和拟杆菌门比例与BMI呈正相关(148年]。肠道微生物群可以调节一系列神经营养因子,如脑源性神经营养因子和synaptophysin,影响神经可塑性(149年,150年]。因此,饮食改变肠道微生物群影响神经生理学和神经营养因子,最终影响认知和行为。
之前的结果表明,与肥胖相关的大脑可塑性改变是一个多方面的问题,从而造成永久伤害个体在早期的年龄。因此,这将是最佳应对肥胖儿童时期。
5。运动可以提高大脑功能
锻炼可以提高身体和认知能力,老年人的生活质量(151年- - - - - -155年]。对于人类来说,那些非常适合或耗氧训练有更大的空间选择和前额叶和顶叶激活抑制功能(156年]。有一个积极的有氧运动和空间记忆之间的关系是由海马体积(157年]。有氧训练可以增加海马体积的老年人轻度认知损害(或没有),增加血浆BDNF水平阿尔茨海默氏症患者和健康对照组(158年- - - - - -163年]。有规律的身体活动与更好的认知,认知能力下降,降低患痴呆症的风险(164年,165年]。年轻孩子,有氧运动可以预测认知能力随着时间的推移,(166年]。除了认知,更高水平的身体活动与运动机能的负担减少白质高密度的年龄的人167年]。BDNF浓度与保留性能相关的运动技能学习后的168年]。终身运动可以保持白质微结构与电动机控制和协调在老年人169年]。此外,有规律的身体活动一直被认为是一个有效的方法来改善肥胖和相关的问题(170年,171年]。每周锻炼5天15周可以改善超重儿童的执行功能172年]。高强度体力活动(和有氧耐力训练)4个月改善认知和氧气在肥胖个体中提取(173年]。
锻炼的效果可能是由运动强度和持续时间,和做运动的发展阶段174年,175年]。运动强度可以行为的结果和相关的脑结构和脑源性神经营养因子水平的变化。高剂量组改善计划比低剂量组(172年]。更大数量的体育活动在早期生活与大前额叶和海马体积176年]。个人接受低强度运动,但不是高强度,提高BDNF表达(177年]。BDNF水平取决于运动强度(178年];一些观察到中等强度锻炼是最有效的促进老年人的脑源性神经营养因子(179年]。因此,似乎一个中等强度的锻炼是最优的。除了运动强度、持续时间的锻炼也是至关重要的。Tomporowski et al。180年未能遵守任何任务切换性能的增强后一次中等强度锻炼。在中年的老鼠,只有4个月的(但不是两个月)运行培训可以触发激活antiamyloidogenic prosurvival, synaptogenic,神经通路181年]。轮竞选14天可以增加细胞增殖在齿状回而轮竞选另外56天可以促进该地区长期势差[182年]。这些表明,长期的锻炼有利于大脑的变化。此外,做运动的发展阶段与锻炼的好处。四周运动可以改善成年老鼠的识别记忆,但没有这样的增强可以记录2周后停止训练。然而,在幼龄鼠,增强识别内存保存(183年]。这很好地证明了年轻的动物从运动中获益。
在神经层面,体育活动可以增强神经发生,neuroadaptation和神经保护的行为虽然神经营养因子(184年- - - - - -190年]。海马功能恢复通过体育活动增强的表达神经营养因子促进神经发生,血管再生和突触可塑性191年- - - - - -193年]。例如,BDNF水平增加体力活动,尤其是经常锻炼(194年,195年]。发现脑源性神经营养因子可以刺激DNA修复保护皮质神经元免受氧化应激(196年]。短暂的温和锻炼5周改善耗氧量和长期老龄大鼠空间学习和记忆与海马BDNF水平(197年]。体力活动后,海马BDNF水平和TrkB受体激活增加(198年]。齿状回的BDNF水平升高足以诱发改善空间记忆(199年]。一周的自愿的运动足以增加组织型纤溶酶原激活物的活动来促进proBDNF的乳沟mBNDF [200年]。锻炼促进sirtuin蛋白1,刺激线粒体生物起源,并防止神经退化(201年]。
可以锻炼大脑的结构变化有关,(202年]。7天的运动干预可以增加灰质体积的电机、躯体感觉、协会和视觉皮层在老鼠203年]。锻炼6个月减少了楔前叶(默认模式网络活动204年),一年走默认模式网络中增加功能连通性和额叶执行网络(205年]。有规律的体育锻炼可以减少促炎和抗炎信号,减少氧化应激在年龄的动物206年,207年]。锻炼还可以减少外围风险因素,如糖尿病和心血管疾病与神经退化(208年]。此外,血管运动后改变。在中年老鼠,总长度和皮质毛细血管表面积增加跑步后(209年]。中年有氧运动能改善血管障碍,星形胶质细胞肥大,髓鞘失调与久坐不动的生活方式(210年,211年]。
运动与大脑中一系列改进通过一系列机制在个人不同的体重状态(图1)。运动的有效性取决于训练参数,如强度、持续时间、和做运动的发展阶段。先前的研究结果一直认为中等强度锻炼很长一段时间尤其有利于年轻的锻炼者。
6。影响和未来研究
越来越多的人变得肥胖,产生厌恶影响他们的认知、运动行为,和生活质量(1]。先前的研究已经表明,改变大脑结构和激活调解肥胖的影响认知17- - - - - -21),而肥胖会影响肌肉骨骼系统降低电动机性能(59]。电动机性能在一定程度上取决于认知能力(64年),肥胖可能间接导致电动机通过认知能力下降(图赤字1)。
大量的研究表明,肥胖影响我们的认知和运动行为通过不同的机制,可能通过改变大脑结构,瘦素/胰岛素调节,氧化应激,脑血管功能,血脑屏障,和炎症11,65年- - - - - -71年]。这些拟议机制的有效性需要进一步检查。
有规律的体育锻炼对认知和运动都有好处的行为。建议中度运动足够长的一段时间似乎是有利的;然而,训练参数最优结果仍有待确定。大多数以前的研究集中在有氧运动;无氧运动的功效来改善肥胖和相关的障碍是不清楚。应该投入更多的努力调查无氧运动的效果,相比,有氧运动。此外,在年轻的时候开始锻炼尤为重要,保护在老年神经退化。为儿童肥胖变得越来越盛行23- - - - - -25),引入体力活动干预儿童可能帮助孩子提高老年肥胖和预防与年龄相关的功能下降。
除了运动外,瘦素替代疗法,吸入型胰岛素治疗,和热量限制也提出改善肥胖。瘦素负责能量平衡和体重和能够影响神经发生和大脑功能212年]。它能增强免疫应答和调节炎症212年]。可以看出18个月瘦素替代疗法增加灰质浓度和激活的大脑区域与饥饿和饱食神经回路(213年,214年]。在减肥,瘦素减少,促进食物摄入量。瘦素治疗有助于维持减肥(215年]。
在肥胖个体胰岛素干扰(216年,217年]。胰岛素抵抗在肥胖和认知障碍中起着重要的作用218年]。发现鼻内的胰岛素产生厌食的效果,促进饱腹感和调节食物摄入量(219年,220年]。吸入型胰岛素通过嗅觉神经和特定的受体在大脑血脑屏障施加其影响(221年]。热量限制也提高了肥胖和逆转赤字瘦素受体蛋白和信号相关食源性肥胖(222年]。增加热量限制3个月后,血清BDNF在超重和肥胖的人223年]。食源性减肥与血浆游离脂肪酸减少和改善在情景记忆224年]。迄今为止,瘦素替代疗法的疗效,吸入型胰岛素治疗,和热量限制在认知和运动行为知之甚少,这需要进一步验证。
7所示。结论
肥胖已经成为一个令人担忧的健康和社会问题。它会影响认知主要是通过改变大脑结构和功能(17- - - - - -21),和运动性能通过降解肌肉骨骼系统59]。肥胖会影响大脑结构,瘦素/胰岛素调节异常、氧化应激,脑血管功能,血脑屏障,和炎症11,65年- - - - - -71年),参与认知和运动功能的恶化。许多先前的研究已经表明,运动可以改善与肥胖相关的认知和运动下降。随着越来越多的人肥胖发展在年轻时代,引入运动早期干预会导致最大的好处。
信息披露
王Chuanming和John s . y . Chan co-first作者。
利益冲突
作者没有利益冲突声明。
确认
这项研究受到了自然科学基金的SZU(金h . Yan)的部分资金从香港Neuro-Academics (John s . y . Chan)。