comportamento alimentare e capacita cognitive

Capacità cognitive e cibo
L’assunzione di cibo serve fondamentalmente a fornire energia, ma
ultimamente sono state ottenute numerose evidenze sperimentali che
indicano l’influenza di alcuni nutrienti sui meccanismi molecolari alla
base delle funzioni mentali.
Gli adattamenti che facilitano l’acquisizione del cibo e l’efficienza
energica esercitano una pressione evolutiva sulla formazione dei circuiti
cerebrali e sullo sviluppo di capacità cognitive che richiedono energia.
Animali feroci viaggiano per centinaia di miglia per trovare il cibo e ciò
richiede complesse capacità cognitive (trovare il percorso giusto,
difendersi, operare scelte ecc).
Animali che sviluppano disgusto per un tipo di cibo, mantengono per
anni la memoria di quel cibo (ippocampo, amigdala, ipotalamo).
Memorie piacevoli associate al cibo attivano i circuiti di ricompensa.
Capacità cognitive e DHA
C’è una relazione diretta tra accesso al cibo e dimensioni cerebrali.
Hanno cervelli più grandi gli umanoidi che hanno maggiore accesso al cibo
e maggiori capacità di cucinare il cibo, caratteristiche che richiedono lo
sviluppo di strategie cognitive.
C’è una stretta correlazione tra il
consumo di acidi grassi omega 3 e
l’evoluzione cerebrale.
DHA (acido docoesanoico) è il più
abbondante acido grasso omega 3
nelle membrane cellulari cerebrali, ma
non è efficientemente sintetizzato
dall’uomo e viene fondamentalmente
assunto con la dieta. L’accesso a DHA
durante l’evoluzione degli ominidi ha
favorito l’encefalizzazione. Infatti
studi archeologici hanno dimostrato
che gli ominidi si sono adattati a
consumare pesce (e quindi hanno
assunto DHA) prima che avvenisse
l’encefalizzazione.
Capacità cognitive e DHA
Negli ultimi 100 anni nei paesi
occidentali è aumentato il consumo
di acidi grassi saturi, mentre è
diminuito il consumo di acidi grassi
omega 3 e questo forse spiega
l’incidenza di depressione nei paesi
come Stati Uniti e Germania
Fase cefalica della digestione
L’ipotalamo
Ipotalamo: centri della fame e della
sazietà
Nuclei
ipotalamici
laterali (LH):
centro della
fame
Nuclei
ipotalamici
ventromediali
(VMH): centro
della sazietà
Il centro della fame, tonicamente attivo, sarebbe inibito dal centro della
sazietà a seguito di segnali nervosi e/o chimici correlati all’assunzione del
pasto e a parametri relativi al peso corporeo
Nucleo arcuato dell’ipotalamo
I circuiti neuronali responsabili della regolazione nervosa del bilancio tra
l’assunzione del cibo e il bilancio energetico si trovano nel nucleo arcuato
dell’ipotalamo. In questa zona, in prossimità dell’eminenza mediana, non
c’è barriera ematoencefalica per cui questi neuroni sono influenzati in
modo molto efficiente dai messaggi chimici circolanti.
Nel nucleo arcuato ci sono due importanti gruppi di neuroni:
Neuroni NPY/AgRP producono il neuropeptide Y e il peptide agoutirelated. Se attivati stimolano l’appetito e rallentano il metabolismo
determinando aumento di peso.
Neuroni POMC/CART producono promelanocortina (POMC) e il trascritto
regolato da cocaina e anfetamina (CART). Se attivati inibiscono
l’appetito e accelerano il metabolismo determinando diminuzione di peso.
Nucleo arcuato dell’ipotalamo
Metabolismo
Basale
Capacità cognitive e cibo
I circuiti neurali coinvolti nel comportamento alimentare sono associati con i centri
cerebrali che controllano l’omeostasi energetica e le funzioni cognitive.
Prima dell’assunzione del cibo, a seguito di segnali olfattivi o visivi provenienti dal
cibo si altera lo stato emotivo cerebrale.
Capacità cognitive e cibo
L’assunzione di cibo determina il rilascio di insulina che raggiunge l’ipotalamo e
l’ippocampo e attiva vie di trasduzione del segnale che promuovono l’attività
sinaptica e contribuiscono all’apprendimento e alla memoria. La mancanza di cibo
nello stomaco porta alla produzione di grelina che contribuisce alla plasticità
sinaptica e alle funzioni cognitive.
Capacità cognitive e cibo
L’ipotalamo regola l’appetito, ma coordina l’attività del tratto digerente e integra
le funzioni viscerali con le strutture del sistema limbico come l’ippocampo,
l’amigdala e la corteccia. Il cervello riceve informazioni sensoriali relative ai visceri
(nervo vago) che possono influenzare le emozioni. D’altra parte le emozioni
influenzano i visceri attraverso l’innervazione efferente del nervo vago. GLP1:
glucagon-like petide 1; IGF1: insulin-like growth factor 1
Leptina e funzioni cognitive
La leptina è sintetizzata nel tessuto adiposo e invia segnali al
cervello riducendo la sensazione di fame. I recettori della leptina
si trovano nell’ipotalamo, nella corteccia cerebrale e nell’ippocampo.
Nell’ipotalamo la leptina aumenta i livelli di BDNF e ciò potrebbe
mediare il suo effetto sull’assunzione di cibo e sul controllo
dell’omeostasi.
Nell’ipppocampo la leptina facilita la plasticità sinaptica. Topi
geneticamente obesi con disfunzione nei recettori per la leptina
mostrano alterato potenziamento a lungo termine (LTP) e difficoltà
nell’apprendimento spaziale.
D’altro campo la somministrazione di leptina nell’ippocampo migliora
le plasticità sinaptica e l’LTP.
Ippocampo
I circuiti
ippocampali sono
costituiti da sinapsi
eccitatorie che
usano come
neurotrasmettitore
il glutammato, in
grado di interagire
con diverse
sottoclassi di
recettori (NMDA,
AMPA, kainato,
mGluRs)
1)
2)
3)
Via perforante: dalla corteccia entorinale alle cellule dei granuli del giro dentato
Via delle fibre muscoidi: dalle cellule dei granuli alle cellule piramidali della CA3
Via dei collaterali di Schaffer: dalle cellule piramidali della CA3 alle cellule piramidali della CA1
Ippocampo
From Science oct 2012
Long Term Potentiation
Nel 1973 T. Bliss e T. Lomo hanno
scoperto che i circuiti nervosi
ippocampali
sono
particolarmente
sensibili alla storia della precedente
attività nervosa
LTP = un breve treno di stimoli ad
alta frequenza (100 Hz x 1')
aumenta l’ampiezza dei potenziali
postsinaptici eccitatori nei neuroni
bersaglio.
Tali
cambiamenti
dell'efficacia
sinaptica
sono
immediati e possono durare ore,
giorni e settimane
LTP: meccanismo molecolare
A seguito dell’attivazione del recettore NMDA viene prodotto un
messaggero retrogrado (NO) che attiva permanentemente la parte
presinaptica
LTP: caratteristiche
L’LTP ha tre proprietà interessanti tali da farlo ritenere un
possibile meccanismo neuronale alla base della memorizzazione
delle informazioni.
Associatività:
Richiede
contemporanea attivazione del
neurone pre- e post-sinaptico
(rilascio
di
glutammato
e
depolarizzazione)
Donald Hebb e la plasticità sinaptica
"When an axon of cell A is near enough to
excite a cell B and repeatedly or
persistently takes part in firing it…..A's
efficiency, as one of the cell firing B, is
increased"
From:
Hebb
DO,
The
organization
of
behavior
neuropsychological theory; New York, Wiley,1949.
:
a
L ’ efficacia della sinapsi tra due neuroni
aumenta ogni volta questi si trovano ad
essere attivi contemporaneamente.
LTP: caratteristiche
Specificità: ‘LTP è indotto solo a livello delle sinapsi
stimolate e non in quelle adiacenti
LTP: caratteristiche
Persistenza: Si mantiene per ore, giorni e settimane
in seguito ad un periodo di breve stimolazione
Ippocampo e memoria spaziale
La memoria spaziale dipende dall’integrità dell’ippocampo sia nei roditori che
nell’uomo
Deficit nell’esecuzione del test della
piscina di Morris si osservano in
roditori con blocco farmacologico
dei recettori NMDA e ablazione
genica del recettore NMDA.
Al contrario, l'iperespressione dei
recettori NMDA aumenta l'LTP e la
memoria spaziale
Memoria nell’uomo
Memoria esplicita (dichiarativa):
capacità di immagazzinare e
recuperare informazioni che sono
accessibili
alla
coscienza
e
possono
essere
espresse
mediante il linguaggio (ad es.
ricordare un numero telefonico o
un evento del passato).
Memoria implicita o procedurale (nondichiarativa): non è accessibile alla coscienza
e riguarda abilità motorie o percettive
acquisite e recuperate inconsciamente
Memoria nell’uomo
Memoria nell’uomo
L’ippocampo è importante per l’acquisizione e il consolidamento delle
memorie esplicite a breve termine in memorie stabili a lungo termine.
Distruggere l’ippocampo distrugge le memorie recentemente formate,
ma non quelle antiche che sono presumibilmente conservate nella
neocorteccia.
Grelina e funzioni cognitive
La GHrelina (GH-releasing, fattore di rilascio del GH, ormone della
crescita) è un ormone adipogenico sintetizzato e immesso in circolo
da cellule endocrine dello stomaco. La grelina, rilasciata quando lo
stomaco è vuoto, stimola l’appetito e aumenta l’assunzione di cibo,
quindi i suoi livelli aumentano durante il digiuno e calano dopo il
pasto.
I recettori per la grelina si trovano nel nucleo arcuato
dell’ipotalamo e nell’ippocampo.
Nell’ipotalamo la grelina promuove la riorganizzazione dei contatti
sinaptici.
Nell’ippocampo la grelina promuove l’LTP che va in parallelo con
l’aumentato apprendimento spaziale e la formazione di memoria.
Grelina e comportamento alimentare
Metabolismo energetico e capacità
cognitive
Il cervello consuma una enorme quantità di energia rispetto al resto del
corpo e i meccanismi coinvolti nel trasferimento di energia dal cibo ai neuroni
sono probabilmente fondamentali per il controllo delle funzioni cerebrali, per
cui le patologie metaboliche possono influenzare le capacità cognitive.
Le funzioni sinaptiche, a loro volta, possono alterare il metabolismo
energetico per cui i processi mentali possono influenzare le funzioni
somatiche.
Metabolismo energetico e capacità
cognitive
La produzione mitocondriale di energia è fondamentale per l’eccitabilità
neuronale e le funzioni sinaptiche. L’ATP può attivare il BDNF e l’IGF-1.
Dieta ipercalorica o esercizio troppo intenso possono portare ad una
eccessiva produzione di energia e alla produzione di radicali liberi
dell’ossigeno (ROS) che compromettono le funzioni cognitive forse riducendo
il BDNF.
BDNF
Brain-Derived Neurotrophic Factor è una neurotrofina che agisce su
determinati neuroni del sistema nervoso centrale e periferico,
contribuendo a sostenere la sopravvivenza dei neuroni già esistenti, e
favorendo la crescita e la differenziazione di nuovi neuroni e sinapsi.
E’ un eccellente esempio di molecola segnale sia per il metabolismo
energetico che per la plasticità sinaptica.
E’ molto abbondante sia nell’ippocampo (funzioni cognitive) che
nell’ipotalamo (regolazione metabolica).
Imparare un compito nuovo aumenta la plasticità sinaptica BDNF-mediata
nell’ippocampo.
La delezione genetica del gene per BDNF interferisce con la formazione
delle memorie.
BDNF influenza parametri energetici come la sensibilità all’insulina, e il
metabolismo del glucosio e dei lipidi.
Nell’uomo una mutazione di TrkB, il recettore per BDNF, è associata a
obesità iperfagica e alterati meccanismi di apprendimento e memoria.
IGF1
Il meccanismo con cui BDNF influenza il metabolismo e la plasticità
sinaptica sembra coinvolgere IGF1
Insulin-like Growth Factor 1 è sintetizzato nel fegato, nel
scheletrico e nel cervello dove i recettori per IGF1 si
soprattutto nell’ippocampo.
La riduzione di IGF1 nei roditori determina iperglicemia e
resistenza, mentre l’infusione cerebrale di IGF1 diminuisce
plasmatici di insulina
muscolo
trovano
insulinoi livelli
IGF1 è implicato nella plasticità del SN: interviene durante lo sviluppo, è
coinvolto nella sintesi e rilascio dei neurotrasmettitori e può contribuire al
recupero delle funzioni cognitive in patologie del sistema nervoso, diabete
e invecchiamento.
Nei roditori IGF1 e BDNF sembrano avere in comune il pathway di
segnalazione che include fosfatidilinostolo 3-chinasi (PI3K)/Akt/mTOR
che potrebbe integrare gli effetti di BDNF e IGF1 sul metabolismo
energetico, plasticità sinaptica e apprendimento e memoria
Via PI3K/Akt/mTOR
DHA è indispensabile per mantenere la permeabilità delle membrane e le funzioni
dei recettori. Può anche attivare pathways metabolici che influenzano molecole
come BDNF e IGF1
Il pathway Akt/mTOR è modulato anche da insulina e leptina
Effetto dei nutrienti sulle funzioni cognitive
Acidi grassi polinsaturi (PUFA) e
funzioni cognitive
In passato si riteneva che i lipidi della dieta potessero influenzare le
funzioni cerebrali tramite la loro azione sul sistema cardiovascolare,
mentre attualmente si comincia a capire che esercitano un’azione diretta
sul cervello.
In particolare, gli acidi grassi omega-3 sono normali costituenti delle
membrane cellulari e sono essenziali per le normali funzioni cerebrali.
La mancanza di acidi grassi omega-3 nei roditori altera l’apprendimento e
la memoria, mentre nell’uomo è associata a un elevato rischio di patologie
mentali come l’ADHD, dislessia, demenza, depressione, bipolarità e
schizofrenia
DHA e funzioni cognitive
L’acido grasso omega 3, acido docoesanoico (DHA), che gli esseri umani
ricevono fondamentalmente dalla dieta (pesce) costituisce più del 30% dei
fosfolipidi che compongono la membrana plasmatica dei neuroni ed è
cruciale per mantenere l’integrità di membrana, l’eccitabilità neuronale e
le funzioni sinaptiche. Probabilmente esercita le sue funzioni assicurando
la corretta fluidità di membrana nelle regioni sinaptiche.
In roditori modello per traumi cerebrali, l’aggiunta di DHA nella dieta
aumenta i livelli ippocampali di BDNF e migliora le funzioni cognitive.
Il miglioramento delle funzioni cognitive da parte di DHA può dipendere
dalle sue capacità di modulare la fluidità delle membrane sinaptiche, ma
anche dalla sua azione sul metabolismo; infatti DHA stimola l’utilizzazione
di glucosio, e le funzioni mitocondriali riducendo lo stress ossidativo.
Gruppo N: animali a
dieta standard
Gruppo L: animali a
dieta iperlipidica
N9: animali a dieta
standard + 9,11-CLA
L9: animali a dieta
iperlipidica + 9,11-CLA
N10: animali a dieta
standard + 10,12-CLA
L10: animali a dieta
iperlipidica + 10,12-CLA
Risposte comportamentali
CONGELAMENTO:
FUGA:
EVITAMENTO:
N
L
24%
44%
24%
46%
32%
N9
10%
L9
19%
54%
N10
30%
27%
36%
54%
5%
L10
33%
28%
42%
62%
30%
Evitamenti
Fughe
Congelamenti
Grassi saturi e funzioni cognitive
Le diete con elevato contenuto di grassi saturi influenzano negativamente
le funzioni cognitive.
Roditori nutriti con diete ad elevato contenuto di grassi saturi mostrano
un declino delle capacità cognitive e ridotti livelli ippocampali di plasticità
sinaptica mediata da BDNF. Inoltre queste diete aggravano i danni
neurologici dei traumi cerebrali.
La somministrazione degli antiossidanti, curcumina e Vitamina E, annulla
gli effetti negativi della dieta suggerendo che gli effetti della dieta sulla
plasticità sinaptica sono mediati dallo stress ossidativo.
Antiossidanti e funzioni cognitive
Il cervello è molto sensibile al danno ossidativo perché ha un elevato
carico metabolico e una grande abbondanza di materiali ossidabili.
I mirtilli hanno una grande capacità antossidante e migliorano la plasticità
ippocampale, l’apprendimento e la memoria. Il loro effetto benefico
dipende probabilmente dalla loro capacità di mantenere l’omeostasi
metabolica, e di proteggere le membrane dalla perossidazione lipidica.
L’acido alfa lipoico (che si trova nel cuore, fegato, spinaci, broccoli e
patate) è un coenzima necessario per mantenere l’omeostasi energetica
nei mitocondri. L’acido alfa lipoico migliora i deficit di memoria in animali
modello di Alzheimer.
Antiossidanti e funzioni cognitive
La vitamina E (che si trova negli oli vegetali, nelle noci, nelle verdure a
foglie verdi e nei cereali) è implicata nelle funzioni cognitive in quanto
diminuiti livelli serici di vitamina E sono associati con deficit di memoria
negli anziani. La vitamina E migliora le funzioni mitocondriali. La vitamina
E presumibilmente migliora la plasticità sinaptica proteggendo le
membrane dall’ossidazione.
Il curcumino riduce i deficit di memoria in animali modello di Alzheimer e
traumi cranici. E’ un potente antiossidante che probabilmente protegge il
cervello dalla perossidazione lipidica e dai radicali liberi.
Folati e funzioni cognitive
I folati si trovano in cibi come gli spinaci, il succo d’arancia e il lievito. Il
fegato produce folati a seguito dell’assorbimento intestinale di vitamina
B.
Adeguati livelli di folati nella dieta sono indispensabili per le funzioni
cerebrali e la mancanza di folati può provocare patologie neurologiche
come depressione e deficit cognitivi. L’aggiunta di folati alla dieta (anche
in associazione a vitamina B) previene deficit cognitivo e demenza durante
l’invecchiamento e potenzia gli effetti degli antidepressivi.
Bisogna però utilizzare i folati con cautela per evitare possibili effetti
collaterali
Flavonoidi e funzioni cognitive
I flavonoidi sono composti polifenolici, metaboliti secondari delle piante.
I flavonoli appartengono alla famiglia dei flavonoidi e si trovano in vari
frutti (mirtilli), nel cacao e nel Ginkgo biloba.
Nei roditori, la somministrazione di estratto di Ginkgo biloba migliora la
perdita di memoria associata a ischemia cerebrale.
La somministrazione nella dieta dell’epicatechina (cacao e tè verde)
aumenta la densità di spine dendritiche e la formazione di memorie
ippocampo-dipendenti. L’effetto positivo dell’epicatechina sulla formazione
di memorie è potenziato dall’attività fisica
Effetto additivo della dieta e
dell’esercizio fisico
Exc: esercizio fisico
HF: high fat diet
Neurogenesi nel cervello di mammifero
DG: giro dentato
SVZ: zona sub-ventricolare
Fattori che influenzano la neurogenesi
Effetto della dieta sulla modulazione
della neurogenesi