Обучение пищевым предпочтениям: механизмы и последствия ожирения и метаболических заболеваний

International Journal of Obesity (2021) 45:2156–2168.

doi.org

Learning of food preferences: mechanisms and implications for obesity & metabolic diseases

Hans-Rudolf Berthoud, Christopher D. Morrison, Karen Ackroff, Anthony Sclafani

Рацион всеядных животных, включая грызунов и человека, состоит из самых разнообразных продуктов питания. Помимо нескольких основных оросенсорных предубеждений, таких как влечение к сладкому и избегание горького, они имеют ограниченные врожденные знания о питании и должны научиться отдавать предпочтение продуктам, основываясь на их вкусе и вневкусовых эффектах. В этом обзоре основное внимание уделяется вневкусовому восприятию питательных веществ и передаче сигналов как важной части центров удовольствия мозга, которая формирует предпочтения в отношении связанных вкусов продуктов. Мы обсуждаем обширный спектр датчиков в желудочно-кишечном тракте и блуждающих путях, передающих информацию о поступивших питательных веществах в мозг. Более ранние исследования вклада блуждающего нерва были ограничены неселективными методами, которые не могли легко различить вклады подмножеств афферентов блуждающего нерва. Последние научные достижения привели к появлению существенных новых подробностей о сигнальных путях, чувствительных к сахару и жиру. Мы объясняем методы обусловливания вкусовых предпочтений и их использование для оценки коммуникации между кишечником и мозгом. Кишечный рецептор сахара SGLT1 (натрий-глюкозный котранспортер 1-го типа) играет важную роль в усвоении сахара; критические рецептор для жира менее определенны, рецепторы жирных кислот GPR40 и 120 известны. Текущая работа указывает на конкретные блуждающие пути к центрам удовольствия мозга. Следствием лечения ожирения является то, что бариатрическая хирургия может изменить функцию блуждающего нерва.

Знакомство

Распространенность ожирения и связанных с ним метаболических заболеваний продолжает расти во всем мире, несмотря на растущую осведомленность населения и интенсивные исследовательские усилия. В настоящее время предполагается, что изменения в окружающей среде и образе жизни являются ключевыми факторами в этой глобальной пандемии. На фоне повышенной доступности высококалорийной пищи и отсутствия физической активности усиливается давление на регуляцию энергетического баланса, что приводит к увеличению ожирения у генетически предрасположенных лиц. Экологическое давление на переедание особенно сильно и неразрывно связано с современной пищевой промышленностью, которая поощряет потребление дешевых, высококалорийных, но часто бедных питательными веществами продуктов, начиная с детства за счет максимизации вкусовых качеств и интенсивной рекламы. Понимание физиологических механизмов, определяющих выбор продуктов питания, имеет решающее значение для разработки поведенческих, фармакологических и даже хирургических стратегий борьбы с ожирением и сахарным диабетом 2-го типа (СД2), а также для содействия общему здоровому питанию. Почему мы едим то, что едим? Как кишечник обнаруживает съеденные питательные вещества? Как кишечник сигнализирует мозгу об удовольствии, полученном благодаря пище? Этот обзор пытается ответить хотя бы на некоторые из этих вопросов. После краткого описания многих органов чувств и нейрофизиологических интегративных механизмов, определяющих пищевое поведение, мы уделим особое внимание коммуникации между кишечником и мозгом и ее роли в пищевом поведении и развитии ожирения. Мы обсудим физиологические механизмы, лежащие в основе усвоенных предпочтений, уделяя особое внимание предпочтениям сахара и жиров, для которых недавно были предложены новые механизмы.

Учитывая важность пищевого поведения, механизмы его нейронного контроля надежны, избыточны и эволюционно консервативны. В дополнение к энергии, полученной из трех макроэлементов, для выживания важно достаточное потребление необходимых питательных веществ, витаминов и минералов. Все эти важнейшие пищевые компоненты обычно смешиваются в натуральных и обработанных пищевых продуктах, и адекватное поступление каждого компонента является чрезвычайно трудной и сложной задачей для предполагаемой системы контроля. Ранние физиологи питания твердо верили в способность животных, включая человека, решить эту сложную задачу без особых проблем, однако последующие исследования и анализы часто не подтверждали это оптимистичное предположение. Двадцать лет назад мы выпустили книгу под названием «Нейронный и метаболический контроль потребления макронутриентов», в которую вошли более 30 эссе ведущих ученых, где излагаются их доказательства (или их отсутствие) саморегуляции потребления питательных веществ. Не имея в то время большой информации о специфике нейронного и метаболического контроля, сборник статей смог, по крайней мере, ответить на основной вопрос о том, существуют ли доказательства саморегуляции различных питательных веществ. Общий вывод состоял в том, что существует иерархия в саморегуляции питательных веществ, и есть веские доказательства того, что потребление соли и белков (в частности, незаменимых аминокислот) активно поддерживается (жестко регулируется), но в отношении углеводов (мягкая регуляция) имеются слабые доказательства и практически никаких доказательств нет в отношении жиров (отсутствие регулирования).

Аминокислоты не могут синтезироваться организмом и являются физиологически важными. Напротив, большинство углеводов и липидов могут синтезироваться организмом. Были выявлены специфические предполагаемые сигналы дефицита для малобелковых (фактор роста фибробластов-21, FGF21) и малосолевых (альдостерон/ангиотензин II), но не для низкоуглеводной или низкожировой доступности. Дефицит энергии, о котором сигнализирует низкий уровень лептина, по-видимому, в равной степени стимулирует потребление всех трех макронутриентов, обеспечивающих энергию. Однако отсутствие специфических механизмов обратной связи для потребления углеводов и жиров не обязательно означает, что нет механизмов обнаружения этих питательных веществ в потребляемой пище и информирования о других регуляторных функциях.

При проведении исследований, оценивающих выбор между тремя макронутриентами (белком, углеводами и жирами), распространенным, но проблематичным подходом является предоставление животным одного вида каждого макронутриента, например, казеина, сахара и сала в отдельных банках в клетке. Слабость этого подхода заключается в том, что специфические органолептические свойства пищи, такие как порошкообразный сухой казеин и жирное сало, могут влиять на выбор, а не на сам состав питательных веществ. Чтобы использовать этот подход, необходимо проверить несколько видов макронутриента, или, в идеале, эксперимент должен включать разнообразие смешанных диет, различающихся по процентному содержанию макронутриентов, но в остальном полноценных (витамины и минералы), как в геометрической модели выбора макронутриентов.

С помощью геометрической модели была продемонстрирована саморегуляция потребления белка в зависимости от состояния питания у крыс, кошек и насекомых. Однако помимо того, что полученный из печени FGF21 является движущей силой потребления белка, детали нейрогормональных сигнальных механизмов и путей, лежащих в основе саморегуляции потребления белка, остаются неопределенными, несмотря на интенсивные исследовательские усилия.

Потребление углеводов и жиров в последнее время привлекает большое внимание с точки зрения ожирения, диабета и метаболических заболеваний. В частности, потребление сахара считается важным фактором риска развития этих хронических заболеваний. Поведенческие доказательства саморегуляции потребления углеводов в лучшем случае слабы и почти отсутствуют при потреблении жиров.

Основная задача поиска того или иного питательного вещества в сложной пище может оказаться поиском иголки в стоге сена. Хотя зрение, обоняние и вкус могут дать важную информацию для поиска иглы, они не являются необходимыми. Мыши, у которых отсутствуют важные вкусовые сигнальные элементы, на нормальном корме или вкусной диете все же едят и набирают вес, хотя в некоторых, но не во всех случаях значительно меньше, чем мыши дикого типа. Точно так же может быть интересным ужин в ресторане в полной темноте, но чувство сытости и удовлетворения окажется таким же, даже если мы едим немного меньше. В противоположность этому, постпищевые механизмы обнаружения, особенно на уровне кишечного эпителия, где происходит абсорбция, имеют решающее значение для обеспечения безусловного стимула, сигнализирующего о поступлении питательных веществ и приводящего к сытости и удовлетворению. Как показано в модели фиктивного кормления с помощью желудочного дренажа, голодная крыса не насытится, несмотря на продолжительное употребление пищи в течение нескольких часов. Только введение небольшого количества пищи в тонкую кишку или системное введение холецистокинина (нейропептидного гормона, вырабатываемого I-клетками слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки и проксимальным отделом тощей кишки) крысам, которых обманули, заставляет их прекратить прием пищи и вызывает поведенческие признаки насыщения и удовлетворения.

Важно отметить, что оральные сенсорные сигналы, такие как вкус и обоняние, могут действовать как условные стимулы, определяющие потребление определенных продуктов в процессе обучения. Если эти сигналы надежно предсказывают поступление усваиваемых и полезных питательных веществ (безусловный стимул, US), пища легко усваивается. Если у продукта нет достоверного прогноза (US), то его приемлемость не повысится, и от него могут отказаться, а поиск более полезного продукта продолжится. Считается, что этот процесс включает в себя ряд путей и областей мозга. Помимо интероцептивных и экстероцептивных сенсорных модальностей и путей, генерировать и хранить опыт употребления определенных продуктов питания могут некоторые области коры головного мозга, миндалевидного тела и гиппокампа. Вместе с сигналами от гипоталамуса и заднего мозга, отражающими общее состояние питания, и от компонентов лимбической системы, представляющих ценность вознаграждения от конкретных продуктов, эти «пищевые воспоминания» затем используются для принятия решений о приеме пищи. Тем не менее, эти центральные интегративные шаги, связанные с выбором продуктов питания, не совсем понятны и не рассматриваются далее в этом обзоре.

Выводы

Широкая доступность продуктов, богатых сахаром и жирами, является важным фактором в нынешней эпидемии ожирения. Привлекательный по своей сути вкус этих продуктов является одним из факторов, способствующих их выбору и употреблению. Исследования на грызунах установили, что сахар и жир также активируют рецепторы в кишечнике, которые сигнализируют о вознаграждении мозга и еще больше усиливают желание и любовь к продуктам с высоким содержанием этих питательных веществ. До недавнего времени мало что было известно о пути кишечник – мозг, передающем сигналы, генерируемые питательными веществами. Недавние исследования указывают на афферентные связи блуждающего нерва между энтерэндокринными и нейроподовыми клетками кишечного питания, чувствительными к питательным веществам, и каудальными нейронами NTS, которые проецируются на высшие системы мозга. В случае сахаров глюкоза связывается с транспортером/сенсором SGLT1 на клетках нейропода, который, в свою очередь, активирует глутаматергические синаптические рецепторы на соседних афферентных волокнах блуждающего нерва. Постабсорбционная глюкоза также обнаруживается в печеночных портальных участках, хотя механизм восприятия и сигнальный путь к мозгу неясны. В случае жиров жирные кислоты частично действуют на рецепторы кишечника GPR40 и GPR120, которые, в свою очередь, стимулируют CCK-чувствительные афферентные волокна.

Многие детали еще предстоит выяснить, в том числе относительную неэффективность некоторых сахаров (фруктозы, галактозы) для стимуляции аппетита, неспособность хирургической ваготомии блокировать обусловливание вкуса, а также вклад сигналов висцерального восприятия в долгосрочное потребление пищи и регулирование массы тела. Самое главное, что роль недавно обнаруженных рецепторов питательных веществ в кишечнике и кишечно-мозговых путей в пищевом аппетите и предпочтениях человека, а также то, как эти механизмы могут способствовать терапевтическим подходам к борьбе с перееданием и ожирением, требуют дальнейшего изучения.

Перевод на русский язык научной статьи осуществлен в соответствии с условиями открытой лицензии Creative Commons Attributions (CC BY) (Creative Commons — Attribution 4.0 International — CC BY 4.0)