Das ist Ihr Gehirn beim Fasten

Könnte das Fasten neuroprotektive Wirkungen haben?

Strukturelle und funktionelle Bildgebungsanalysen des Gehirns zeigen in Kombination mit Computeranalysen stark verbundene, zentral gelegene Regionen der menschlichen Hirnrinde, die einen „strukturellen Kern“ des Gehirns bilden. Via Gross L (2008) Von der Struktur zur Funktion: Abbildung der Verbindungsmatrix des menschlichen Gehirns. PLoS Biol 6 (7): e164. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060164.

Eine ketogene Diät wird seit Jahrzehnten zur Behandlung von arzneimittelresistenter Epilepsie bei Kindern eingesetzt. Aus Tiermodellen geht hervor, dass eine ketogene Diät therapeutische Vorteile bei Kopfschmerzen, neurodegenerativen Erkrankungen, Schlafstörungen und sogar bei potenziellem Gehirnkrebs haben kann. Dennoch wissen wir noch relativ wenig über die Mechanismen und Auswirkungen einer ketogenen Ernährung oder ketoseinduzierender Interventionen wie Fasten im menschlichen Gehirn.

Um mehr darüber zu erfahren, was wir über die Auswirkungen von Fasten und Ketose auf das Gehirn wissen, haben wir Shelly Xuelai Fan interviewt, eine Wissenschaftsautorin und Neurowissenschaftlerin, die sich auf die Hirnverjüngung spezialisiert hat. 2013 schrieb Shelly einen Artikel für den MIND-Blog von Scientific American über die potenziellen Vorteile eines fetthaltigen Gehirns. Sie hat auch Forschungsergebnisse in Nature Neuroscience und Annual Review of Neuroscience veröffentlicht.

Shelly praktizierte zwei Jahre lang einen 16/8-Fastenplan (nur 8 Stunden am Tag), hauptsächlich, weil sie nicht aufhören wollte, zu Mittag zu essen. Wenn sie zu Mittag aß, fühlte sie sich nachmittags träger, sagte sie, obwohl sie sonst nicht viele Veränderungen bemerkte. Aber innerhalb ihres Kopfes hätte intermittierendes Fasten die Reaktion ihrer Gehirnzellen auf Stress verändern können, möglicherweise mit einer geringeren oxidativen Schädigung der Zellbestandteile, einschließlich der DNA.

Ein Golgi-Fleck im Hippocampus. Die Färbung markiert Neuronen nach dem Zufallsprinzip - Sie können dendritische Stacheln (bei denen es sich um Synapsen handelt) als winzige Vorsprünge entlang neuronaler Äste (rechts unten) sehen. Foto von Shelly Fan.

LifeOmic: Können Sie uns etwas über Ihre Dissertation und Postdoc-Forschung zu Gehirngesundheit und -verjüngung erzählen? Welche Art von Fragen haben Sie untersucht und was waren einige Ihrer überraschendsten Ergebnisse?

Shelly, Autorin von Neurofantastic, Mitbegründerin von Vantastic Media.

Shelly: Mein Diplomarbeitsprojekt konzentrierte sich auf die Entwicklung einer neuen Behandlung für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Huntington und Parkinson. Alle diese Krankheiten haben eines gemeinsam: Die Gehirnzellen reichern nach und nach toxische Proteine ​​an, die die normale molekulare Maschinerie der Zellen verstopfen. Mit der Zeit, wenn sich diese Proteine ​​ansammeln, sterben die Neuronen ab. Es gibt Hinweise darauf, dass die Beseitigung der toxischen Proteine ​​das Überleben der Neuronen fördert und die Symptome verzögert (zumindest bei Mäusen).

Ich leitete ein Projekt, das ein modulares Peptid-Medikament für den Proteinabbau entwickelte. Einmal in das Blut injiziert, passiert es die Blut-Hirn-Schranke, greift nach seinem toxischen Zielprotein und schleppt es zum zelleigenen Abfallentsorgungssystem, einer Organelle, die als Lysosom bezeichnet wird. Das Peptid kann für verschiedene Arten von toxischen Proteinen angepasst werden, indem eines seiner Module ausgetauscht wird, ähnlich wie bei Legostücken. In Mausmodellen der Huntington- und Parkinson-Krankheit speicherte das jeweilige Peptid-Medikament Neuronen und verbesserte die Symptome.

Es gibt natürlich auch Möglichkeiten, das Lysosom, das zelleigene Abfallentsorgungssystem, zu aktivieren, um toxische Moleküle effizienter zu entfernen.

Kalorienreduzierung und körperliche Betätigung sind Beispiele, und so habe ich mich auch für die Auswirkungen von körperlicher Betätigung auf die Gesundheit und das Altern des Gehirns interessiert.

Meine Postdoc-Forschung konzentrierte sich darauf, wie Bewegung dem alternden Gehirn zugute kommt. Es hat einen Paradigmenwechsel im Bereich der Hirnalterung gegeben, da die Wissenschaftler zunehmend erkennen, dass der Alterungsprozess reversibel ist. Es gibt zum Beispiel zahlreiche Belege dafür, dass Bewegung bei älteren Mäusen die synaptische Plastizität steigert und das Lernen und Erinnern verbessert, zumindest für bestimmte Arten von Erinnerungen. Zumindest bei Mäusen gibt es Hinweise darauf, dass Sport die Geburt neuer Neuronen beschleunigt (ein Prozess, der als adulte Neurogenese bezeichnet wird), die dazu beitragen, ähnliche Erinnerungen voneinander zu trennen und die Stimmung zu verbessern.

"Eine signifikante Zunahme des Gehirnvolumens sowohl in den Regionen der grauen als auch der weißen Substanz wurde als Funktion des Fitnesstrainings bei älteren Erwachsenen festgestellt, die am aeroben Fitnesstraining teilnahmen, jedoch nicht bei älteren Erwachsenen, die am Dehnen und Kräftigen (nicht-aerob) teilnahmen ..." - Aerobic-Training erhöht das Gehirnvolumen bei alternden Menschen, 2006

Der Körper beeinflusst auch stark, wie gesund das Gehirn während des Alterns bleibt. Mein Labor stellte zuvor fest, dass, wenn Sie einer alten Maus das Blut von jungen Mäusen injizieren, etwas in jungem Blut dem Gehirn der alten Maus hilft, besser zu funktionieren.

Anmerkung des Herausgebers: Ob Bewegung und Fasten jugendfreundliche Faktoren stimulieren können, die das Altern des Gehirns beim Menschen verzögern, ist noch offen, obwohl es eindeutig Mechanismen gibt, die diese Interventionen mit einer Verringerung von Gehirnentzündungen und oxidativen Schäden in Verbindung bringen.

Lesen Sie weiter: Seien Sie schlau, trainieren Sie Ihr Herz: Trainingseffekte auf Gehirn und Kognition, Nature Reviews Neuroscience [PDF hier]

Diagramm, wie sich Mikrotubuli mit der Alzheimer-Krankheit zersetzen. Kredit: Alzheimer-Aufklärungs- und Überweisungszentrum, ein Dienst des Nationalen Instituts für Altern.

LifeOmic: Was bedeutet es, das Gehirn zu verjüngen oder „ein altes Gehirn wieder jung zu machen“? Was ist die überzeugendste Forschung, die Sie zu Interventionen gesehen haben, die die Alterung des Gehirns verzögern oder umkehren?

Shelly: Mein Labor untersucht hauptsächlich den Hippocampus, eine Gehirnregion, die für das räumliche und episodische Gedächtnis von entscheidender Bedeutung ist, dh die Erinnerung an autobiografische Ereignisse. Das junge Blut und andere systemische Manipulationen wie körperliche Betätigung, Kalorienreduktion und Metformin (ein Medikament gegen Diabetes Typ II) scheinen den gealterten Hippocampus auf zwei Arten zu erneuern.

Synaptic Transmission, NIH.

Erstens fördern diese Behandlungen die neuronale Kommunikation während des Lernens (synaptische Plastizität, nachgewiesen durch elektrische Aufzeichnungen). Auf molekularer Ebene stimulieren die Behandlungen die Produktion und / oder Aktivierung von Proteinen wie CREB, die die synaptische Plastizität unterstützen.

Anmerkung des Herausgebers: CREB (cAMP Response Element Binding Protein) ist ein Transkriptionsfaktor, der in der Lage ist, DNA zu binden und die Genexpression zu regulieren. CREB spielt eine gut dokumentierte Rolle bei der neuronalen Plastizität und der Bildung des Langzeitgedächtnisses im Gehirn. Es gibt Hinweise darauf, dass kognitive Stimulation, Bewegung und intermittierendes Fasten (bei Mäusen) den neurotrophen Faktor (BDNF) und den Serotonin-Signalweg des Gehirns verbessern können, die wiederum Transkriptionsfaktoren wie CREB aktivieren, die die Genexpression regulieren, die an neuronaler Plastizität, Stressresistenz und Zellüberleben beteiligt ist .

Diese Interventionen senken auch die globale Gehirnentzündung, von der angenommen wird, dass sie der Kognition zugute kommt.

Die mit Abstand überzeugendste Forschung, die ich in diesem Bereich gesehen habe, bezieht sich auf Bewegung, Kalorieneinschränkung und junges Blut. Übung hat bei weitem die meisten Beweise für Vorteile bei älteren Menschen. Kalorienreduzierung als Intervention ist für Menschen über einen längeren Zeitraum relativ schwer nachzuvollziehen, und ich habe noch keine gut durchgeführte Studie an Menschen in diesem Bereich gesehen. Es gibt tatsächlich einige Kontroversen darüber, ob die Kalorienreduktion bei nichtmenschlichen Primaten im Hinblick auf die Erhöhung der Lebenserwartung (der Länge eines gesunden Lebens) wirkt. Jungblut wurde beim Menschen noch nicht rigoros auf seine Anti-Aging-Wirkung getestet (es gibt einige zweifelhafte "Studien"), obwohl eine kürzlich durchgeführte Studie zur Behandlung der Alzheimer-Krankheit keine signifikanten Vorteile gezeigt hat. Das letztendliche Ziel ist es, bestimmte jugendfreundliche Faktoren aus dem jungen Blut herauszufiltern und diese in konzentrierter Form zu verabreichen.

LifeOmic: Wie sieht das alternde Gehirn metabolisch oder zellulär anders aus als das junge Gehirn?

Mitochondrion. Bildnachweis: Sterilgutassistentin, Wikimedia.

Shelly: Das gealterte Gehirn sieht in einigen Punkten anders aus (Blog-Post hier). Erstens nimmt die wichtigste Energiefabrik der Zelle, das Mitochondrium, mit zunehmendem Alter in Bezug auf Anzahl und Funktion ab. Eine Störung des Hirnstoffwechsels wurde mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht, aber ihre Rolle beim normalen altersbedingten Gedächtnisverlust ist weniger klar. Gealterte Neuronen haben auch Probleme, Nährstoffe in ihrer Umgebung zu erkennen. Dies gilt insbesondere für Glukose, die normalerweise die Hauptenergiequelle des Gehirns ist.

Anmerkung des Herausgebers: Hier kommt intermittierendes Fasten als interessante Intervention zur Verbesserung der Nährstoffsignalisierung oder der Insulinsensitivität ins Spiel.

Im Alter befindliche Neuronen im Hippocampus und präfrontalen Kortex weisen ebenfalls weniger Synapsen auf, obwohl sich die Gesamtzahl der Neuronen mit dem Alter nicht wesentlich zu ändern scheint. Schließlich haben gealterte Gehirne keine oder nur eine geringe Neurogenese und eine erhöhte Entzündung. Ob und wie diese Prozesse zum altersbedingten Gedächtnisverlust beitragen, ist jedoch unklar.

Anmerkung des Herausgebers: Tiermodellstudien legen nahe, dass intermittierendes Fasten oder verringerte Mahlzeitenhäufigkeit die Insulinsensitivität erhöhen, die zellulären Stressreaktionen verbessern und den oxidativen Schaden im Gehirn verringern kann, ähnlich wie bei sportlichen Aktivitäten.

LifeOmic: Was ist synaptische Plastizität und wie können wir sie im alternden Gehirn erhalten?

Shelly: Im Allgemeinen ist synaptische Plastizität die Fähigkeit des Gehirns, Verbindungen zwischen Paaren funktionell verbundener Neuronen zu stärken oder zu schwächen. Neuronen bilden Funktionskreise durch spezialisierte Knoten, die als Synapsen bezeichnet werden. In der Synapse spricht ein Neuron mit einem anderen.

Eine zentrale Idee in den Neurowissenschaften ist, dass das Lernen ausgewählte Neuronen aktiviert. Diese Neuronen bilden dann eine Art Clique. Wenn ein Neuron reaktiviert wird (z. B. wenn Sie den Speicher abrufen möchten), ist die Wahrscheinlichkeit sehr viel höher, dass andere Neuronen in demselben Schaltkreis ebenfalls feuern. Im Wesentlichen stärken sich die synaptischen Verbindungen während des Lernens. In ähnlicher Weise kann auch die synaptische Stärke nachlassen. Die Fähigkeit, die synaptische Stärke zu verändern, wird als synaptische Plastizität bezeichnet, und Wissenschaftler glauben, dass sie unserer Fähigkeit zugrunde liegt, Dinge zu lernen und sich daran zu erinnern.

Ich habe bereits einige Möglichkeiten erwähnt, um die Plastizität des Gehirns zu erhalten: Aerobic-Übungen wie Laufen und Kalorienreduzierung sind eher „natürliche“ Methoden, um dies zu erreichen. Jungblut und (vielversprechender) Metformin stellen einen pharmakologischeren Ansatz dar, auf den sich viele Forscher konzentrieren.

LifeOmic: Wie können wir die Neurogenese im alternden Gehirn stimulieren? Welche Interventionen (für den Menschen) zur Stimulierung der Neurogenese sind in Ihrer Forschung und Ihrem Fachwissen vielversprechend?

Shelly: Laufen! Ich war ein Langstreckenläufer in der Grundschule. Ich habe es zur Stressbewältigung benutzt, bin aber während meiner Promotion vom Bandwagen gefallen. Später im Labor habe ich mir tatsächlich die Gehirne von Läufern (Mäusen mit Laufrädern) und sitzenden Mäusen (Mäusen, die normalerweise in Schuhkartonkäfigen leben, also immer noch normal herum huschen) angesehen. Die Auswirkung des Laufens auf die Neurogenese war so erstaunlich, dass ich wieder mit dem Laufen anfing.

Trotzdem muss ich betonen, dass es umstritten ist, ob Menschen über die Kindheit hinaus an Neurogenese oder an der Geburt neuer Neuronenzellen leiden. In einer kürzlich durchgeführten Nature-Studie wurden keine Anzeichen für neue Neuronen im Gehirn gealterter menschlicher Spender gefunden (hervorragende Neuigkeiten und Ansichten hier). Daher ist es möglich, dass körperliche Betätigung und andere neurogenesestimulierende Behandlungen auf andere Weise dem alternden Gehirn zugute kommen . Ich wette auf synaptische Plastizität und erhöhten Blutfluss.

Laufen Sie für die Gesundheit des Gehirns. Bildnachweis: marcovdz, Flickr.com

LifeOmic: Während des Fastens verwendet das Gehirn Ketonkörper, um einen Mangel an Glukose auszugleichen. Wie verwendet das Gehirn Ketonkörper und wie unterscheidet es sich von der Verwendung von Glukose durch das Gehirn?

Shelly: Normalerweise verwendet das Gehirn hauptsächlich Glukose als Energiequelle. Unter Bedingungen mit niedrigem Glucosespiegel, wie beim Fasten oder bei einer ketogenen Diät, bildet die Leber Ketonkörper aus Acetyl-CoA, das durch Oxidation von Fettsäuren erzeugt wird. Diese Ketonkörper können die Blut-Hirn-Schranke überwinden, und die Neuronen verwenden sie dann als Brennstoff.

Im Vergleich zu Glukose scheinen brennende Ketone mehrere Vorteile für die Gesundheit des Gehirns zu haben.

Erstens sind sie äußerst energieeffizient. BHB, ein Hauptketon, liefert mehr Energie (oder ATP-Moleküle, die Energiewährung der Zelle) als Glucose pro Sauerstoffeinheit, die für die biochemischen Reaktionen in unseren Zellen verwendet wird. Ketone stimulieren auch die Hippocampusneuronen, um energiereichere Mitochondrien zu bilden.

Anmerkung des Herausgebers: Mit anderen Worten, Ketone veranlassen unsere Zellen und Gehirnzellen, effizienter zu werden, da sie harte Zeiten vor sich haben.

Zweitens ist BHB ein epigenetischer Regulator. Es kann die Expression bestimmter Gene im Gehirn steigern. Darunter befindet sich BDNF (Gehirn-abgeleiteter neurotropher Faktor), ein wichtiges „nahrhaftes“ Protein, das den neuronalen Tod hemmt, die synaptische Plastizität und die Neurogenese fördert. Viele Vorteile des Trainings auf dem Gehirn sind auf BDNF zurückzuführen, und es ist möglich, dass Training BHB im Blut fördert, das wiederum in das Gehirn gelangt, um seine Magie zu entfalten.

„Es ist jetzt klar, dass freiwilliges Training die Gehalte an neurotrophen Faktoren (BDNF) und anderen Wachstumsfaktoren des Gehirns erhöhen, die Neurogenese stimulieren, den Widerstand gegen Hirnverletzungen erhöhen und das Lernen und die geistige Leistungsfähigkeit verbessern kann.“ - Übung: Eine Verhaltensintervention zur Verbesserung des Gehirns Gesundheit und Plastizität, Trends in den Neurowissenschaften

Drittens scheinen Ketone die Erregung im Gehirn auszugleichen. Das Gehirn verwendet zwei Haupttypen von Neurotransmittern, Glutamat und GABA, um Informationen zu übertragen. Glutamat ist anregend und stimuliert das Nervengeschwätz, während GABA es dämpft. Zu viel Erregung, wie im Fall vieler neurodegenerativer Erkrankungen, und Neuronen sterben bei einem als Excitotoxizität bezeichneten Prozess ab. Bei Menschen, die zu Anfällen neigen, senken Ketone die Glutamatübertragung, während sie die GABA an den Synapsen erhöhen. Dies scheint für die Hemmung von Anfällen (und möglicherweise für die Neuroprotektion) von Vorteil zu sein, aber Sie müssen sich fragen, was dies für ein normal funktionierendes Gehirn bedeutet.

Ketone hemmen auch die Produktion von freien Radikalen, die ungepaarte Elektronen enthalten, die sie sehr reaktiv (und sehr gefährlich) machen. Erhöhter oxidativer Stress durch freie Radikale ist ein Hauptmerkmal des Alterns und der Neurodegeneration. Freie Radikale sind eine unglückliche Nebenwirkung des Glukosestoffwechsels. Wenn Sie den Glukoseverbrauch senken, wie im Fall einer ketogenen Diät (oder beim Fasten), wird die Menge an freien Radikalen direkt gesenkt. Darüber hinaus stimulieren Ketone die Aktivität unseres angeborenen Antioxidanssystems, um diese Moleküle zu bekämpfen.

LifeOmic: Stimmt es, dass Ketose zu einer verbesserten „mentalen Klarheit“ führt?

Shelly: Ich bin nicht sicher, wie dies wissenschaftlich gemessen werden kann (sollten wir beispielsweise Tests im Arbeitsspeicherbereich oder in anderen Arten von Speichern durchführen? Oder Multitasking-Fähigkeiten?) Meines Wissens gibt es keine konkreten Beweise dafür Dies, obwohl es definitiv eine beliebte Meinung in R / Keto und anderen Foren ist.

Vor kurzem gab es eine Studie, in der mithilfe des EEG Gehirnwellenmuster untersucht wurden, die mit einem erfolgreichen oder einem erfolglosen Abrufen von Wörtern verbunden waren. Der erstere (erfolgreiche Abruf) wurde als eine Art „geistiger Klarheit“ beschrieben, sodass das Betrachten von Gehirnwellen ein Ausgangspunkt sein könnte .

Anmerkung des Herausgebers: Bei Menschen mit eingeschränkten Stoffwechselfunktionen oder mitochondrialer Dysfunktion kann Ketose die neuronale Erregbarkeit verbessern und Entzündungen reduzieren, was zu einer Verbesserung der Symptome kognitiver Störungen führen kann, die von einigen Menschen als geistige Klarheit bezeichnet werden könnten. Bei manchen kann intermittierendes Fasten oder eine ketogene Diät auch zu schnellem Verlust und verbesserter Stimmung führen.

LifeOmic: Welche Rolle können oder können metabolische Interventionen, die auf den Insulinweg und seneszierende Zellen abzielen, wie z. B. Kalorienreduktion und intermittierendes Fasten, für eine gesunde Alterung des Gehirns spielen?

Shelly: Die gezielte Untersuchung des Insulinweges und der alternden Zellen sind zwei sehr gut dokumentierte Wege, um den neuronalen Stoffwechsel, die synaptische Plastizität sowie das Lernen und Gedächtnis im alternden Gehirn aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann die Modulation von IGF-Signalwegen (Insulin Signaling) die Neurogenese und das Gedächtnis bei gealterten Mäusen ankurbeln. Der Trick besteht jedoch darin, einen Weg zu finden, um diese Wege mithilfe spezifischer kleiner chemischer Wirkstoffe zu aktivieren. In letzter Zeit gab es ein weitaus größeres Interesse an der Erforschung von Senolytika, bei denen es sich um Medikamente handelt, die seneszierende Zellen eliminieren. Tatsächlich glauben einige Alterungsexperten, dass diese Medikamentenklasse in den nächsten zehn Jahren auf dem Markt sein könnte, und es wurde gezeigt, dass diese Medikamente die Gehirnfunktion bei gealterten Mäusen erhöhen. Senolytika stehen zwar nicht in direktem Zusammenhang mit der Stoffwechselmanipulation, bieten jedoch einen überzeugenden Proof-of-Concept-Effekt. Die Eliminierung alternder Zellen ist ein wirksames Mittel, um ein gealtertes Gehirn gesund zu halten.

Schema eines einzelnen pyramidenförmigen Neurons. Bildnachweis: Amyleesterling, Wikimedia.

Das Interesse an metabolischen Interventionen für die Gesundheit des Gehirns ist in den letzten Jahren zweifellos in die Höhe geschossen (die Society for Neuroscience bietet beispielsweise weiterhin Symposien zu IF / Energie / Stoffwechsel an). Die entstehende Verbindung zwischen dem Stoffwechsel, dem Darmmikrobiom und der Gehirngesundheit wird das Interesse aufrechterhalten!

Bei LifeOmic erstellen wir eine Reihe von LIFE-Apps, die Ihnen Präzisionsmedizin bieten. Diese Apps fördern Interventionen im Lebensstil, mit denen Sie gesünder leben können, einschließlich Bewegung, entzündungshemmender Ernährung, Stressbewältigung und zeitweiligem Fasten. Genauso wichtig ist es jedoch, dass Sie, Ihre Ärzte und Forscher mit unseren Apps die Auswirkungen dieser Interventionen verfolgen und andere Gesundheitsindikatoren integrieren können. Wenn Sie sich für unsere LIFE-Apps anmelden, können Sie dazu beitragen, Daten in die Wissenschaft des gesunden Alterns einzubringen.

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