科普｜食物如何改变婴儿的大脑

天

你喜欢哪种零食?一包薯条还是胡萝卜条？冰淇淋还是苹果？我们大多数人可能会选择垃圾食品。虽然有时吃薯条或冰淇淋是可以的，但如果你一直吃垃圾食品，很明显你的体重会开始增加。可能不太明显的是，不良的饮食习惯也会改变你的大脑！甚至在婴儿出生之前，父母的饮食就会影响婴儿大脑的发育。在本文中，研究人员测试了如果在生命早期吃得不好而在成长过程中开始吃得更健康时，我们的大脑会发生什么变化。他们发现，当大脑发育时，吃得不好会改变我们对食物的选择。然而，我们可以通过良好的饮食来修复这种损害。对于在生命的早期饮食不良而有健康问题的儿童和成人来说，这是一个好消息。

科学家们已经知道，我们早年的饮食对长期的健康非常重要。如果在你的妈妈备孕期间，她吃了太多垃圾食品，或这时你的爸爸很胖，以及你在能走之前就开始吃薯条、喝可乐，这些坏的饮食习惯可能会毁坏你的大脑和你对待食物的方式。我们感兴趣的是，随着年龄的增长，健康饮食是否可以逆转早年饮食不良的负面影响。

我饿了

VS

我不饿

作为儿童和成人，我们的大脑通常很擅长告诉我们什么时候饿了，什么时候吃饱了。你可能会注意到，就在晚饭前，你开始感到饥饿，即使你正忙着玩一个有趣的游戏。但你通常不会整天感到饿。这是因为我们体内有一种叫做“胃饥饿素”的物质，它会在饭前或我们有一段时间没吃东西的时候在血液中增加。

胃饥饿素来自胃，并在血液中流动。胃饥饿素最终进入大脑，让大脑感到饥饿并提醒你开始进食。就像足球队的球员一样，大脑的不同部分也有不同的工作要做。它们彼此保持交流以互相帮助，但它们仍然有相当独立的功能。胃饥饿激素与大脑中负责控制进食(和其他重要事情)的下丘脑区域对话，告诉身体我们饿了。下丘脑真的很重要，它的不同部分控制着我们感受到的压力、我们长大后是否能生育、我们有多渴、我们如何长大，还有……我们有多饿[1]。

另一种重要激素是告诉大脑停止进食的瘦素。瘦素来自体内的脂肪，告诉我们不要再感到饥饿。瘦素通常每时每刻都存在，就像红灯一样，它让我们避免一整天都处于饥饿的情况。但是，如果我们太饿了，脂肪水平下降了，就不再产生瘦素，我们就会再次感到饥饿。胃饥饿素和瘦素激素一起作用于下丘脑，确保我们摄入足够的食物来保持高能量水平和身体健康。

不过，还在妈妈肚子里的婴儿不需要吃东西来补充能量。他们从母亲那里获得营养和能量。所以，当婴儿发育时，饥饿激素和瘦素起着不同的作用。它们有助于婴儿的大脑发育。胃饥饿素和瘦素对未出生的婴儿尤其重要，因为它们能促进下丘脑不同部位的神经元生长[2,3]。

神经元是大脑中的微小细胞，它们控制着大脑的不同部分如何相互交流，以及我们如何从眼睛、耳朵和胃中获取信息，并将这些信息传递给大脑。大多数神经元看起来像一端有一团东西（树突）的电线(参见图1，这是一些真实神经元的图片和一些神经元的示意图)。信息在树突末端被接收，沿着电线(轴突)传播，然后传递到大脑远处的其他神经元。

有趣的事实：大多数神经元电线(轴突)都很薄，一毫米就能装下1000根。鱿鱼有一个巨大的神经元，大到不用显微镜就能看到。它的轴突可以是1毫米宽，大约一个小铅笔芯的大小！

图1

(A)普通神经元的示意图。细胞体从外部世界(例如，如果它是你眼睛里的一个神经元，它就会接受光)或其他神经元接收信息。轴突将信息从细胞体传送到突触。然后它通过突触传递给其他神经元或身体器官，比如胃。(B)老鼠下丘脑神经元的显微镜图像。大图显示许多黄色的细胞体(圆形的斑点)。斑点状的颜色是轴突。每个胞体直径约10µm (1mm分成100段)。小插图显示了放大的一个细胞体。中间较暗的椭圆形是细胞核，它包含了神经元用来交流的所有信息。(C)如果下丘脑的神经元没有足够的瘦素，那么它们的轴突就不能正常生长。这意味着这些轴突不能正确地传递身体饱腹或饥饿程度的信息。(D)如果下丘脑的神经元没有足够的饥饿激素，那么它们就不会在应该停止生长的时候停下。这意味着这些轴突可能携带了太多的信号，以至于信息被混淆了，大脑仍然无法有效地传达身体的饱腹感或饥饿感。

在尚未出生的婴儿中，传递食物和饥饿信息的神经元(我们称之为“进食神经元”)还没有长轴突，因此它们不能很好地与大脑的其他部分交流。瘦素帮助轴突生长；胃饥饿素阻止它们长得太多。如果此时婴儿体内没有足够的瘦素，这些进食神经元就无法生长，也就永远无法传递有关身体饥饿或饱腹感的信息；如果没有足够的胃饥饿素，这些供食的神经元就会过度生长(图1显示了大脑中的情况)。在这两种情况下，婴儿长大后都不能正确辨别自己是饿了还是吃饱了——这通常会导致孩子们吃得太多。

妈妈的饮食改变婴儿的脑发育方式

科学家们现在知道，母亲在怀孕期间吃什么，以及她是否肥胖，可能会改变婴儿体内瘦素和胃饥饿素的含量。瘦素和胃饥饿素的水平可能会改变婴儿进食神经元的生长方式，以及婴儿长大后对饥饿的感觉。过去的科学家认为这种影响是永久性的。他们发现，一旦婴儿过了下丘脑发育的正确时间，就无法让这些进食神经元正常生长[4]。但是，这些实验是在完全不能产生瘦素的动物身上进行的。现如今我们很想知道这些神经元生长方式的变化是否真的可以通过婴儿出生后的均衡饮食被逆转。

对于大多数科学研究来说，很难通过观察人类大脑内部来发现到底发生了什么。所以，研究人员使用动物模型，通常是大鼠和小鼠。大鼠可能看起来与人类非常不同，但它们实际上非常相似。大鼠能看，能闻，能走，能睡，它们会累，会害怕。他们也会饥饿、进食和感觉饱腹。大鼠之所以知道自己饿了，是因为胃饥饿素和瘦素与人类大脑中相同的部分——下丘脑——进行交流。

然而，人和鼠之间有一个关键的区别。在人类中，进食神经元在婴儿出生之前就开始生长。在鼠身上，这些进食神经元在出生后开始生长。在实验室里，研究人员可以利用这个关键的区别来测试饮食如何在不影响母亲怀孕，或其他任何因素的情况下影响饥饿激素、瘦素和进食神经元的生长。

在实验中，他们选取了两组刚生完幼鼠的雌鼠，并改变了每个雌鼠需要喂养的幼鼠数量。雌鼠通常会生大约12个幼鼠，所以喂养12个幼鼠对鼠妈妈来说是正常的。他们比较了有12个幼鼠要喂养的组（对照组）和有4个幼鼠要喂养的组。当只有4个幼鼠时，它们就不需要争夺食物了，所以它们可以一直吃东西，因此会变得很胖。在连续三周的进食后，四只幼鼠的组的体重几乎比对照组多三分之一！

因为这些肥胖鼠喝了更多的奶，有更多的脂肪，它们有大量的瘦素。瘦素是对照组的14倍！想象一下，如果你通常每天只需要一杯牛奶来保持健康。在这个实验中，鼠喝的奶的量就像你喝了将近2升的牛奶一样！这些肥胖的老鼠也有更少的饥饿激素——也许它们的身体试图在说它们不饿。

可能因为这些额外的瘦素，这些肥胖的老鼠的下丘脑有更多的进食神经元生长。即使数量很多，这些进食神经元也没有那么努力工作。如果我们给肥胖老鼠注射瘦素，瘦素不能和进食的神经元交流，这意味着瘦素不能告诉大脑“食物足够，停止进食”，因此老鼠会吃得更多。因此，这些肥胖的老鼠不能准确地分辨它们是饥饿还是饱胀，以及它们在成长过程中保持肥胖也就不足为奇了。

当老鼠吃完妈妈的奶，是时候吃固体食物了，研究人员给所有的老鼠——胖的和瘦的——一种健康的食物。这种食物有点乏味……它看起来有点像纸板，但对老鼠非常健康，包含它们需要的所有成分。

在这些老鼠被喂食这种健康饮食很长一段时间后，研究人员发现了一些令人兴奋的事情。进食神经元变得正常了！肥胖大鼠下丘脑的进食神经元与对照组相同！成年肥胖大鼠对瘦素的反应与对照组瘦鼠相同。另一件有趣的事情是雌性老鼠的下丘脑比雄性老鼠的下丘脑更容易恢复正常[5]。但他们还不知道为什么会这样。

对于那些在大脑发育时期饮食不良的老鼠来说，这并不是100%的好消息。当肥胖的老鼠受到感染时，它们的病情更严重。在一些记忆测试中，肥胖鼠也表现得不那么好。而且，即使在健康饮食中，他们也会保持肥胖。但好消息是，即使在发育过程中不良的饮食会打乱下丘脑中神经元生长的方式，大脑也能从中恢复过来！这个发现对由于过去饮食不良而有健康问题的儿童和成年人来说是令人兴奋的。这个研究表明，开始健康饮食可以逆转一些由不良饮食引起的大脑损伤。

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参考文献

[1] Saper, C. B., Lowell, B. B. 2014. The hypothalamus. Curr. Biol. 24:R1111-6.

[2] Steculorum, S. M., Collden, G., Coupe, B., Croizier, S., Lockie, S., Andrews, Z. B., et al. 2015. Neonatal ghrelin programs development of hypothalamic feeding circuits. J. Clin. Invest. 125:846–58.

3] Bouret, S. G., Draper, S. J., Simerly, R. B. 2004. Formation of projection pathways from the arcuate nucleus of the hypothalamus to hypothalamic regions implicated in the neural control of feeding behavior in mice. J. Neurosci. 24:2797–805.

[4] Bouret, S. G., Draper, S. J., Simerly, R. B. 2004. Trophic action of leptin on hypothalamic neurons that regulate feeding. Science 304:108–10.

[5] Ziko, I., Sominsky, L., Nguyen, T.-X., Yam, K.-Y., De Luca, S., Korosi, A., et al. 2017. Hyperleptinemia in neonatally overfed female rats does not dysregulate feeding circuitry. Front. Endocrinol. 8:287.

原文

Sominsky, L., Ziko, I., Nguyen, T. X., Quach, J., and Spencer, S. J. 2017. Hypothalamic effects of neonatal diet: Reversible and only partially leptin dependent. J. Endocrinol. 234:41–56.

翻译版权：脑与心智毕生发展研究中心

翻译：张青

编辑：范雪如

审校：左西年