Una perspectiva evolutiva | 04 FEB 19

¿Por qué el consumo excesivo de alimentos perjudica la cognición?

El consumo excesivo de alimentos tiene un impacto negativo sobre la cognición al alterar las vías de señalización que evolucionaron para responder a la escasez de alimentos.
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Autor: Mark P. Mattson Fuente: Trends in Cognitive Sciences DOI:https://doi.org/10.1016/j.tics.2019.01.003 An Evolutionary Perspective on Why Food Overconsumption Impairs Cognition

Puntos destacados

  • Las redes neuronales en regiones cerebrales críticas para la navegación espacial y la toma de decisiones evolucionaron para permitir el éxito en la competencia por la disponibilidad limitada de alimentos en entornos peligrosos.
     
  • Un importante factor ecológico que impulsó la evolución de la cognición, a saber, la escasez de alimentos, se ha eliminado en gran medida de las experiencias cotidianas de los humanos de hoy en día y los animales domesticados.
     
  • La disponibilidad y el consumo continuos de alimentos ricos en energía en los humanos de hoy en día relativamente sedentarios afectan negativamente las trayectorias cognitivas de la vida de los padres y sus hijos.
     
  • Las modificaciones del ADN molecular epigenético y de la proteína de la cromatina se ven afectadas por la ingesta de energía y pueden propagarse a las generaciones futuras.
     
  • Los mecanismos celulares y moleculares por los cuales la privación intermitente de alimentos mejora la cognición y la sobrealimentación perjudica la cognición se están dilucidando.
     
  • Una mejor comprensión de los fundamentos evolutivos centrados en la comida de la neuroplasticidad del cerebro humano está conduciendo al desarrollo de nuevos patrones de alimentación y ejercicio basados ??en desafíos bioenergéticos para mejorar la salud cognitiva y la resiliencia.

Resumen

Las estructuras cerebrales y las redes neuronales que median la navegación espacial, la toma de decisiones, la socialidad y la creatividad evolucionaron, en parte, para permitir el éxito en la adquisición de alimentos.

Aquí, el autor discute la evidencia que sugiere que la razón por la que el consumo excesivo de alimentos ricos en energía tiene un impacto negativo en la cognición es que las vías de señalización que evolucionaron para responder de manera adaptativa a la escasez de alimentos están relativamente desconectadas en el contexto de la disponibilidad continua de alimentos.

La obesidad perjudica la cognición y aumenta el riesgo de algunos trastornos psiquiátricos y demencias.

Además, la obesidad materna y paterna predisponen a los hijos a los malos resultados cognitivos por mecanismos moleculares epigenéticos.

Las vías de señalización neuronal que evolucionaron para reforzar la cognición en entornos de inseguridad alimentaria pueden ser estimuladas por el ayuno intermitente y el ejercicio para apoyar la salud cognitiva de las generaciones actuales y futuras.


Preparando el escenario

Comer tres comidas ricas en energía y bocadillos todos los días sin el esfuerzo físico requerido es inusual cuando se ve a la luz de la evolución. Las nuevas ideas sobre los mecanismos de la cognición humana surgen cuando la información sobre cómo la escasez de alimentos impulsó la evolución del cerebro se considera a la luz de los datos emergentes sobre cómo la ingesta de energía alimentaria afecta las trayectorias cognitivas.

Estos conocimientos incluyen:

  1. Un factor ecológico que tuvo un papel importante en la evolución de las capacidades cognitivas avanzadas (escasez de alimentos) se ha eliminado en gran medida de las experiencias diarias de los humanos de hoy en día y de los animales domesticados.
     
  2. Los estilos de vida sedentarios excesivamente indulgentes tienen un impacto negativo en la cognición, y el estado metabólico subyacente y sus pobres resultados cognitivos asociados pueden transmitirse epigenéticamente a la descendencia. La posibilidad de que este estado de consumo excesivo de energía continúe tiene implicaciones importantes para la evolución del cerebro y las trayectorias cognitivas de las generaciones futuras.
     
  3. Las vías de señalización celular y molecular mediante las cuales el desafío de la privación intermitente de alimentos refuerza la cognición se ha dilucidado en estudios en animales de privación alimentaria intermitente y de ejercicio y / o carrera.
     
  4. La incorporación de patrones de alimentación que incluyen el ayuno intermitente (IF) en los estilos de vida de los seres humanos (y animales domesticados) puede aumentar sus capacidades cognitivas y la capacidad de recuperación neuronal.

El repertorio cognitivo como una adaptación evolucionada a la escasez de alimentos

Muchos animales en la naturaleza y nuestros antepasados humanos evolucionaron en entornos con disponibilidad esporádica de alimentos, de modo que comúnmente experimentaron períodos prolongados de muchos días o más sin alimentos. En consecuencia, la selección natural favorecía a los individuos capaces de superar a sus competidores, cognitiva y / o físicamente, cuando se encontraban en un estado de privación de alimentos.

La gama de capacidades cognitivas en todo el reino animal (navegación espacial, toma de decisiones, socialidad y creatividad) está relacionada en gran medida con la adquisición y reproducción de alimentos.

El éxito en la adquisición de alimentos está estrechamente relacionado con el éxito reproductivo.

Desde una perspectiva bioenergética, una importante adaptación conservada a la escasez de alimentos fue el cambio metabólico de la utilización de glucosa derivada del hígado a un estado cetogénico, en el que se utilizan ácidos grasos derivados de células adiposas y cetonas por neuronas y células musculares como combustibles celulares para mantener el rendimiento cognitivo y la resistencia física, respectivamente [2]. Tal cambio metabólico también estimula las vías de señalización neuronal que refuerzan la cognición.

Lecciones de roedores, córvidos y primates no humanos

La navegación precisa en entornos complejos es fundamental para el éxito en la adquisición de alimentos. Las redes neuronales y los mecanismos celulares y moleculares que controlan la navegación espacial y la toma de decisiones en roedores se están dilucidando [3].

Esta investigación ha establecido un papel fundamental para el hipocampo y sus conexiones funcionales con la corteza entorrinal, la corteza prefrontal (PFC), la corteza cingulada y las redes corticales cerebrales asociadas que participan en el procesamiento y la respuesta a las representaciones neuronales de objetos y sonidos en el entorno.

La evidencia de que las neuronas individuales codifican la posición actual y la orientación del animal, así como las rutas de navegación futuras "imaginadas", surgió de los registros electrofisiológicos y estudios de imágenes cerebrales de roedores que navegan por el espacio [4,5] o en escenarios de realidad virtual [6] –8].

Esta investigación estableció que las neuronas en el hipocampo llaman las "células de lugar" codifican la ubicación actual de un animal dentro de un entorno, las neuronas llamadas "células de rejilla" en la corteza entorrinal tienen campos de disparo dispuestos hexagonalmente, y otras neuronas codifican la orientación de la cabezal [9].

Al igual que los hallazgos de los registros electrofisiológicos en roedores, los análisis por RMN de humanos que navegan en entornos virtuales revelaron señales en forma de rejilla en la corteza entorrinal durante la navegación imaginada, con patrones de actividad que muestran una simetría rotacional de seis veces similar a la de los roedores [10].

En un estudio reciente, las ratas privadas de alimentos fueron entrenadas para correr vueltas en una pista lineal para obtener una recompensa de alimentos mientras que la actividad de decenas de neuronas en la región CA1 del hipocampo fueron grabadas [11]. El estudio se centró en las "repeticiones del hipocampo", que son episodios de actividad secuencial en el lugar de las células durante las oscilaciones de onda de onda aguda.

Los datos revelaron repeticiones hacia adelante y hacia atrás de ubicaciones de alimentos. Curiosamente, las repeticiones inversas aumentaron al aumentar las recompensas de alimentos, mientras que las repeticiones avanzadas se mantuvieron sin cambios [12]. Por lo tanto, en el entorno natural, se puede esperar que las repeticiones inversas tengan un papel clave en las decisiones de dejar parches de alimentos.

Los estudios sobre los comportamientos de almacenamiento de alimentos en los córvidos han revelado una gran variedad de habilidades cognitivas que incluyen recordar el pasado, planificar para el futuro e interpretar los comportamientos de otros. Los corvids y los loros tienen un recuento de neuronas en el cerebro anterior mayor que los de los primates con cerebros más grandes, lo que puede contribuir a la inteligencia avanzada de las aves [13,14].

Al igual que con los primates, los corvidos tienen una formación prominente en el hipocampo que desempeña funciones clave en la generación de "mapas cognitivos" y memoria episódica, y estructuras cerebrales interconectadas involucradas en funciones ejecutivas (planificación orientada a objetivos, estrategias y autocontrol) y decisión. fabricación. Además, los corvids exhiben "teoría de la mente", en el sentido de que comprenden que otros individuos tienen estados mentales e intenciones similares a los suyos [15].

Estudios de matorrales de jays demostraron que habitualmente utilizan el viaje mental en el tiempo, la resolución de problemas y la cognición social para adquirir, ocultar y recuperar alimentos (comportamiento de almacenamiento en caché) [16].

Estas aves recuerdan lo que sucedió cuando y donde se basó en una experiencia pasada única para que puedan discriminar entre muchos episodios anteriores similares. Por lo tanto, pueden aprender la "vida útil" de los alimentos y comer primero los alimentos más perecederos.

También hay pruebas de que la expansión de la corteza prefrontal (PFC) durante la evolución de los primates no humanos permitió la toma de decisiones críticas necesarias para el éxito en el forrajeo en los aleros arbóreos [17].

Las fuentes de alimento generalmente se distribuyen en parches, lo que obliga al animal a decidir entre quedarse en un parche en el que se agota el alimento y dejar ese parche para buscar un parche diferente para alimentos. Se ha informado que el tiempo de viaje entre parches informa las decisiones de abandono al cambiar el umbral y / o la velocidad a la que crece la variable de decisión [18].

Tales hallazgos en primates no humanos apoyan la idea de que el aumento en el tamaño global del cerebro y la expansión de las cortezas prefrontal, visual y parietal durante la evolución de los primates se debió, en parte, a la escasez de alimentos [17].

Orígenes centrados en la comida de la creatividad humana, el lenguaje y la cultura

Aquí, el autor sintetiza la evidencia que apoya la idea de que las capacidades cognitivas avanzadas del cerebro humano (fabricación de herramientas, creatividad, inteligencia social y lenguaje) originalmente evolucionaron, al menos en parte, como adaptaciones que permitieron la adquisición exitosa de alimentos.

Según lo revisado por Chang et al., La mayor expansión del cerebro humano coincidió con nuevos comportamientos que permitieron la adquisición de dietas altas en calorías (por ejemplo, carne y cocina). Cita: "Estas observaciones sugieren la posibilidad de que la información social y la información sobre los motivadores principales, como los alimentos, se traduzcan en un marco o moneda común que impulse tanto el aprendizaje como la toma de decisiones" [19].

Sin embargo, la cooperación en la adquisición de alimentos y el intercambio de la evolución de la sociabilidad y la vida en grupos grandes están asociados con varios otros factores que pueden haber contribuido a la evolución de cerebros grandes con repertorios cognitivos avanzados. Por ejemplo, la cooperación entre individuos en grandes grupos reduce el riesgo de depredación [20].

Los hallazgos del campo de la antropología establecen que la mayoría, si no todas, las primeras herramientas utilizadas por nuestros antepasados humanos se crearon con el propósito de la adquisición y el procesamiento de alimentos. Estos incluyen no solo piedras en escamas, lanzas y arcos y flechas, sino también fuego, la rueda y la domesticación de animales y plantas [22,23].

Los avances en el diseño y la producción de herramientas para la caza y el forrajeo y la preparación de alimentos prepararon el escenario para la revolución agrícola, un período notable de evolución cultural que facilitó la diversificación del ingenio humano y el surgimiento de la filosofía, la ciencia y las tecnologías avanzadas.

Las regiones del cerebro involucradas en la fabricación de herramientas se expandieron prominentemente durante la evolución humana, incluidas las cortezas de asociación visual, PFC, corteza parietal posterior y corteza insular. Estas regiones del cerebro también tienen roles críticos en la comunicación y las interacciones sociales complejas. De hecho, se cree que la fabricación de herramientas fue un precursor del desarrollo del lenguaje y la cooperación en la adquisición y distribución de alimentos en grandes sociedades [24, 25].

Incluso la expresión artística humana tiene sus raíces en las representaciones mentales de objetos y eventos centrados en la comida, como lo demuestran los primeros dibujos de cuevas que representan escenas con animales de caza o animales domesticados.

Por lo tanto, parece que los mecanismos de creatividad humana basados en redes neuronales que evolucionaron, en parte, para hacer frente a la escasez de alimentos fueron suficientes para permitir la cognición creativa en ámbitos no relacionados con la adquisición y el procesamiento de alimentos.

En resumen, existe amplia evidencia de que la necesidad de adquirir alimentos tuvo un papel importante en la evolución del repertorio cognitivo de muchas especies, incluida la creatividad superior y las capacidades de toma de decisiones de los humanos.

Una pregunta que surge de la perspectiva evolutiva es si los entornos repletos de alimentos de los humanos modernos y los animales domesticados afectan sus capacidades cognitivas y las trayectorias transgeneracionales de la evolución cerebral en sus descendientes.

Úselo o pierdalo: exceso de comida, cognición subóptima y encogimiento del cerebro

Una comprensión de cómo las adaptaciones basadas en la escasez de alimentos condujeron a la evolución del cerebro humano proporciona una visión de cómo la eliminación de este desafío ambiental afecta la cognición y la capacidad celular de neuroplasticidad.

Una pista proviene de los datos que muestran que el tamaño cerebral total de los animales domesticados se reduce en comparación con las especies silvestres de las que se originaron, incluidos los animales de granja criados para la producción de carne (pollos, cerdos y ganado) y las mascotas (perros y gatos) [26 –28]. Un factor ambiental común que podría explicar la reducción del tamaño del cerebro es que los animales domesticados ya no tienen que dedicar el esfuerzo cognitivo y físico para adquirir alimentos.

Por lo tanto, sería interesante comparar las capacidades cognitivas de diferentes razas dentro de una especie de animales domesticados en relación con su ingesta de alimentos ad libitum. Sin embargo, otros factores además de vivir en un ambiente repleto de alimentos también pueden haber contribuido a la reducción del tamaño del cerebro de los animales domesticados, tal vez incluyendo la selección para la docilidad.

La ingesta excesiva de energía reduce, mientras que la restricción de energía intermitente aumenta, neuroplasticidad, rendimiento cognitivo en múltiples dominios y volúmenes de materia gris regional del cerebro

Sin embargo, la evidencia empírica de estudios transversales en humanos y estudios de intervención en humanos y animales, que se resumen a continuación, demuestra que la ingesta excesiva de energía
reduce, mientras que la restricción de energía intermitente aumenta, neuroplasticidad, rendimiento cognitivo en múltiples dominios y volúmenes de materia gris regional del cerebro.

Faltan pruebas similares que relacionen otros rasgos de animales domesticados (docilidad, orejas flojas, rasgos de pelaje, etc.) con la cognición. Sorprendentemente, las mediciones de volúmenes craneales sugieren que ha habido una reducción del 10% en el volumen cerebral en humanos durante los últimos 10.000 años, lo que corresponde al período posterior a la revolución agrícola y al desarrollo de tecnologías que ahorran esfuerzos [29].

Se ha sugerido que los humanos se han sometido a una "autocomunación", un proceso de evolución cultural que se seleccionó por el rasgo de cooperatividad en la adquisición, el procesamiento y la distribución de alimentos [30].

Por otra parte, mientras que ser fluido en el lenguaje hablado y escrito es un requisito para prácticamente todas las ocupaciones en las sociedades modernas, ser un experto en la toma de decisiones críticas mientras se mueve a través de entornos físicos complejos es en gran medida innecesario.

Aunque no podemos saberlo con certeza porque faltan cerebros intactos de seres humanos que murieron antes de hace 10.000 años, podría esperarse que las regiones cerebrales se usaran extensivamente en el día a día para la navegación y el procesamiento cognitivo asociado necesario para el forrajeo y la caza (corteza motora , y los lóbulos frontal y temporal) han disminuido, mientras que las regiones utilizadas para el lenguaje y el pensamiento abstracto han aumentado en tamaño y / o complejidad sináptica.

Consistente con la última posibilidad, los estudios transversales de IRM en niños y adolescentes han demostrado que los volúmenes de la corteza frontal y temporal se correlacionan positivamente con el rendimiento cociente de inteligencia (IQ), pero no con IQ verbal [31].

Se podría esperar que la eliminación de una fuerza impulsora importante para la evolución del cerebro de las sociedades modernas influya en el desarrollo cerebral y la plasticidad dentro de un individuo, así como en sus descendientes. Los datos de estudios de imágenes cerebrales en humanos y estudios de intervención en animales de laboratorio respaldan esta última posibilidad.

La obesidad y la resistencia a la insulina aumentan el riesgo de deterioro cognitivo y la enfermedad de Alzheimer a medida que los individuos transitan de 6 a 8 décadas de vida [32].

Además, el consumo excesivo de energía crónico se asocia con deterioro cognitivo, reducción del volumen de la materia gris del lóbulo temporal y resultados clínicos más deficientes en pacientes con trastornos psiquiátricos importantes, incluida la depresión [33]. La obesidad abdominal se asocia con un menor volumen total de materia gris y un volumen reducido de hipocampo en adultos con diabetes tipo 2 [34].

De particular preocupación es el impacto negativo de la morbilidad metabólica que resulta de los estilos de vida sedentarios sobreindulgentes en los cerebros de los niños.

Los niños pequeños y los adolescentes que son obesos muestran una función cognitiva deficiente en múltiples dominios y tienen un rendimiento académico y ocupacional más bajo en comparación con sus compañeros de peso normal [35-39]. En EE. UU., los estados con mayor prevalencia de obesidad infantil también tienen los porcentajes más bajos de graduados de secundaria y universitarios.

Curiosamente, la evidencia emergente sugiere que un balance energético positivo crónico ha contribuido al reciente aumento en la incidencia del autismo. El aumento de la obesidad infantil durante los últimos 40 años sigue notablemente de cerca el aumento de la incidencia de autismo.

Además, la obesidad reduce la producción del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) y los niños con una reducción genética (haploinsuficiencia) la expresión de BDNF obtuvo un puntaje más bajo en las pruebas de cognición y exhibió más conductas autistas en comparación con los niños de la misma edad con dos genes funcionales BDNF [40].

El ejercicio es eficaz para reducir los síntomas conductuales y mejorar el rendimiento académico en niños con autismo [41,42].

La asociación de la obesidad con resultados cognitivos más pobres en los seres humanos plantea la cuestión de si el consumo excesivo de alimentos es suficiente para perjudicar la cognición. Estudios de roedores apoyan esta posibilidad. El volumen del hipocampo se reduce en roedores sedentarios sobrealimentados, en parte por reducciones en la neurogénesis, la arborización dendrítica y la densidad sináptica [43].

Los ratones genéticamente modificados para comer en exceso (ratones mutantes con el receptor de leptina) mostraron deterioro dependiente del hipocampo del aprendizaje espacial y memoria, y memoria defectuosa de objetos nuevos [43]. Sus déficits cognitivos se asociaron con una potenciación a largo plazo deteriorada en las sinapsis de neuronas de gránulos del dentado del hipocampo y la neurogénesis del hipocampo reducida.

Los mecanismos por los cuales la ingesta excesiva de energía y el sobrepeso comprometen la cognición y la neuroplasticidad se han dilucidado en estudios con animales (Figura 1).

Los mecanismos incluyen:

  • Acumulación de daño oxidativo a proteínas, lípidos y ADN en las células del cerebro.
     
  • Inflamación (activación microglial y producción de citocinas proinflamatorias).
     
  • Daño de la función mitocondrial; plasticidad sináptica deteriorada; neurogénesis reducida; autofagia deteriorada.
     
  • Resistencia reducida al estrés celular [2,32].

El estrés oxidativo asociado a la membrana celular perjudica las ATPasas neuronales (bombas de Na + y Ca2 +) y el transporte de glucosa [44], lo que probablemente contribuye a la desregulación de la actividad de la red neuronal y reduce la utilización de la glucosa neuronal observada en humanos con sobrepeso [45].

La sobrealimentación crónica también afecta las vías de señalización involucradas en la plasticidad sináptica y la memoria de aprendizaje. En particular, la expresión de BDNF se reduce en el hipocampo y la corteza cerebral de animales de laboratorio diabéticos y sobrealimentados [2,46].

El mecanismo implica la supresión mediada por glucocorticoides de la expresión de BDNF [47,48]. Además, se informó de que la obesidad inducida por la dieta causaba la extracción sináptica de la microglia, lo que concuerda con un papel para la activación anormal del sistema inmunitario innato [49].

Si bien el impacto de los estilos de vida sedentarios y excesivamente indulgentes en el desarrollo cerebral y las trayectorias cognitivas en los niños es claramente un tema de gran preocupación, también lo son los hallazgos emergentes sugiriendo que los hijos de madres y padres desnutridos están predispuestos a la obesidad y los resultados cognitivos más pobres.

Los mecanismos moleculares subyacentes implican modificaciones epigenéticas, como la metilación del ADN y la acetilación de histonas, que alteran la expresión de los genes implicados en la neuroplasticidad. Un analisis de los datos demográficos de los Centros para el Control de Enfermedades [50] revelaron una correlación positiva significativa entre la obesidad infantil y el rendimiento académico entre diferentes estados en EE.UU.

Si bien los factores socioeconómicos sin duda influyen en el rendimiento académico, también se debe considerar que el sobrepeso y la sedentabilidad contribuyen a la cognición subóptima en esos ninos. De hecho, como lo demuestran los estudios de intervención, el ejercicio regular y el asesoramiento dietético pueden mejorar los resultados académicos [51].

Las correlaciones entre la obesidad y los resultados cognitivos en humanos, junto con la evidencia de que la ingesta excesiva de alimentos perjudica la plasticidad sináptica y la cognición en modelos animales, sugiere que un retorno a patrones de alimentación intermitentes evolutivamente más normales podría mejorar la neuroplasticidad y la cognición. Los hallazgos recientes apoyan esta posibilidad.

Los desafíos metabólicos intermitentes mejoran la cognición y la neuroplasticidad

El patrón de alimentación típico en las sociedades modernas de tres comidas más bocadillos todos los días desmiente el hecho de que los humanos se han adaptado durante millones de años de historia evolutiva a los patrones de alimentación esporádicos.

La presión evolutiva de la escasez de alimentos dio como resultado la selección de individuos cuyas capacidades cognitivas aumentaron en un estado de privación de alimentos, lo que sugiere que la cognición de los humanos de hoy en día se vería reforzada por un cambio de comer tres comidas y bocadillos todos los días a un patrón de alimentación de ayuno intermitente.

La presión evolutiva de la escasez de alimentos dio como resultado la selección de individuos cuyas capacidades cognitivas aumentaron en un estado de privación de alimentos, lo que sugiere que la cognición de los humanos de hoy en día se vería reforzada por un cambio de comer tres comidas y bocadillos todos los días a un patrón de alimentación de ayuno intermitente.

SI los patrones de alimentación incorporan períodos de tiempo con poca o ninguna ingesta de alimentos que normalmente oscilan entre las 16 y las 48 horas, con una frecuencia del período de ayuno que varía de diario a una vez por semana [52,53].

Desde las perspectivas fisiológicas y neurobiológicas, tales períodos de ayuno son lo suficientemente largos como para agotar las reservas de glucógeno (glucosa) del hígado. Cuando se agotan las reservas de glucógeno en el hígado, los ácidos grasos se liberan de las células adiposas a la circulación, y los ácidos grasos se metabolizan en cuerpos cetónicos en el hígado. Las dos cetonas producidas, el b-hidroxibutirato (BHB) y el acetoacetato, se transportan al cerebro, donde proporcionan una fuente de energía para las neuronas.

Una elevación de las cetonas circulantes proporciona evidencia de que la se ha producido un cambio metabólico de la glucosa a las cetonas. Por lo general, se requieren al menos 12 h para agotar las reservas de glucógeno hepático en alguien que es relativamente sedentario.

Sin embargo, el ejercicio vigoroso puede acelerar la aparición de la cetogénesis y aumentar la magnitud de la producción de cetonas cuando el ejercicio se inicia después de que se produce el cambio metabólico [54].

Las vías de señalización múltiples se activan mediante un cambio intermitente entre los estados de ayuno y alimentación que juntos mejoran la neuroplasticidad, la cognición y la resistencia neuronal.

Los estudios sobre roedores han demostrado que el ayuno intermitente y el ejericio mejoran la función cognitiva y del sistema motor mediante mecanismos que implican plasticidad sináptica estructural y funcional, y la activación de vías de señalización que refuerzan la bioenergética neuronal y la resistencia al estrés celular.

El aprendizaje y el recuerdo de rutas previamente utilizadas para llegar a una fuente de alimento están asociados con cambios estructurales en los circuitos neuronales, en particular la formación de nuevas sinapsis y neurogénesis en el hipocampo [57,58].

Tanto el ayuno intermitente como el ejercicio mejoran el aprendizaje espacial y la memoria, lo que se asocia con una mayor densidad de espinas dendríticas en las neuronas de gránulos del dentado del hipocampo y una mayor expresión de BDNF [43,46,59]. También estimulan la neurogénesis del hipocampo, lo que resulta en la producción de nuevas neuronas de gránulos que se integran en los circuitos existentes del hipocampo [59,60].

Esta superposición en los mecanismos celulares y moleculares por los cuales el ejercicio y el ayuno intermitente aumentan la neuroplasticidad y la resistencia neuronal probablemente se debe al hecho de que ambos son desafíos bioenergéticos que ocurren de manera coincidente en ambientes con escasez de alimentos.

Tanto el esfuerzo cognitivo como el físico en el estado de ayuno y / o en ayunas fueron requeridos para la supervivencia. Los hallazgos de estudios en animales sugieren que la neuroplasticidad se ve aumentada por la exposición a condiciones que imitan un entorno con escasas fuentes de alimentos y la necesidad de viajar distancias considerables para adquirir el alimento.


Mecanismos celulares y moleculares por los cuales la ingesta de alimentos afecta la neuroplasticidad y la cognición. (A) Respuestas adaptativas de las redes neuronales a la privación de alimentos o el ayuno intermitentes. Los períodos prolongados con poca o ninguna ingesta de energía desencadenan un cambio metabólico de la utilización de glucosa derivada de glucógeno hepático a ácidos grasos derivados de células adiposas y cuerpos cetónicos (BHB, b-hidroxibutirato; AcAc, acetoacetato) generados a partir de ellos. Además de servir como fuente de acetil CoA. para la producción mitocondrial de ATP, los cuerpos cetónicos pueden activar vías de señalización involucradas en la plasticidad sináptica y la resistencia al estrés celular, incluidas aquellas que involucran los factores de transcripción cAMP proteína de unión al elemento de respuesta (CREB) y el factor nuclear kappa B (NF-kB) y factores neurotróficos, como el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF). El aumento de la actividad en las redes neuronales involucradas en el procesamiento cognitivo durante la búsqueda de alimentos (navegación, toma de decisiones, etc.) involucra vías de señalización adaptativas que refuerzan la función mitocondrial y regulan los factores neurotróficos, el tono de GABAergic, las defensas de los antioxidantes y la reparación del ADN, mientras que suprimen la inflamación. Estas respuestas adaptativas promueven la plasticidad sináptica, la neurogénesis y la resistencia al estrés celular, que a su vez mejoran la cognición y la resistencia del cerebro a las lesiones y enfermedades. (B) La ingesta excesiva de alimentos como ocurre en animales de laboratorio alimentados ad libitum y en la mayoría de los seres humanos en países modernizados

Si bien la mejora de la neuroplasticidad por fuentes de alimentos irregulares y el esfuerzo físico puede permitir el éxito en la adquisición de alimentos, estos desafíos bioenergéticos también pueden mejorar la resiliencia y protección neuronal del cerebro contra lesiones y enfermedades.

Como prueba, el ayuno intermitente redujo la degeneración neuronal y mejoró el resultado funcional en modelos de roedores con ictus isquémico, lesión de la médula espinal y lesión cerebral traumática [70-74].

En ratas, el ayuno intermitente disminuyó la disfunción y la degeneración de las neuronas del hipocampo y preservó el aprendizaje y la memoria dependientes del hipocampo en un modelo experimental de epilepsia [75]. Los roedores mantenidos en ayuno intermitente mostraron una degeneración neuronal reducida y mejores resultados funcionales en modelos animales de enfermedades de Alzheimer, Parkinson y Huntington [76-78].

La restricción de energía diaria también atenuó el agotamiento de la dopamina y mejoró el resultado funcional en un modelo de mono rhesus de la enfermedad de Parkinson [79].

Aunque los ensayos controlados de  ayuno intermitente en humanos con o en riesgo de trastornos neurológicos son todavía escasos, sin embargo, existe evidencia de que los individuos con ingestas de alta energía están en riesgo de contraer la enfermedad de Alzheimer, quizás debido a una falta relativa de activación de las vías involucradas en la adaptación y la neuroplasticidad [32].

Los beneficios potenciales del  ayuno intermitente en la cognición, el estado de ánimo y el rendimiento académico en niños obesos y / o autistas también deben ser evaluados.


Observaciones finales

Las células, tejidos y órganos se vuelven "complacientes" cuando no están sujetos a desafíos metabólicos intermitentes

Ha quedado claro que el sobrepeso y la vida sedentaria afectan adversamente a prácticamente todos los sistemas de órganos, incluido el cerebro. Como se describió, recientemente se revisó en detalle [32,80], una razón general para que esto ocura es que las células, tejidos y órganos se vuelven "complacientes" cuando no están sujetos a desafíos metabólicos intermitentes.

Las vías de señalización involucradas en la plasticidad celular adaptativa están reguladas a la baja, la función del órgano se deteriora y se habilitan los procesos de la enfermedad.

Como se describe en este documento, gran parte de la citoarquitectura neuronal de los cerebros de los animales y los humanos fue "esculpida" por el "cincel" evolutivo de la competencia por la disponibilidad limitada y esporádica de alimentos.

Una mejor comprensión de los procesos bioenergéticos y las vías de señalización reguladoras que median la mejora del rendimiento cognitivo en respuesta a la restricción de la energía dietética y el ejercicio probablemente conducirá al desarrollo de nuevos enfoques para promover la cognición óptima a lo largo del ciclo vital.

El cambio metabólico a cetogénesis es una adaptación evolutivamente antigua que puede mejorar la cognición

Aunque ha habido una reciente una serie de investigaciones traslacionales sobre el ayuno intermitente y la salud en general, su impacto en la salud del cerebro en humanos aún debe ser intevestigado en ensayos controlados aleatorios. La cuestión de qué regímenes de alimentación y ejercicio de IF promueven la cognición óptima podría ser respondida por tales ensayos.

Finalmente, es más que un interés académico considerar cómo el hecho de vivir en los nichos repletos de alimentos de las sociedades modernas impactará la evolución futura del cerebro humano. A lo largo de la mayor parte de la evolución humana, el pensamiento crítico y la toma de decisiones ocurrieron cuando los individuos navegaron a través de un entorno heterogéneo cazando y alimentándose en un estado de ayuno.

Podría esperarse que las condiciones involucren más regiones cerebrales en comparación con las ocupaciones modernas que están relativamente desprovistas de movimientos corporales y entradas sensoriales multimodales, y se realizan en el estado alimentado (y no de ayuno).

La reducción de la carga cognitiva requerida para la caza o el forrajeo exitoso es probablemente un factor importante en la reducción del tamaño global del cerebro en animales domesticados, y un escenario similar puede estar ocurriendo en los humanos.

Mientras que el aumento de la especialización entre y dentro de las ocupaciones pueden permitir un progreso más rápido y la eficiencia de sociedades muy grandes, y también podrían promover, durante un período de relativamente pocas generaciones, una reducción en el repertorio cognitivo de cada persona individual. Si y hasta qué punto el "el renacimiento de hombres y mujeres" se refuerza con estilos de vida que Incluir el ayuno intermitentey el ejercicio darán forma a nuestro futuro por determinar.

 

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