Das ist dein Gehirn beim Fasten

Könnte Fasten neuroprotektive Wirkungen haben?

Strukturelle und funktionelle Bildgebungsanalysen des Gehirns in Kombination mit Computeranalysen zeigen stark verbundene, zentral gelegene Regionen des menschlichen Kortex, 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, und neuere Erkenntnisse aus Tiermodellen legen nahe, dass eine ketogene Diät therapeutische Vorteile bei Kopfschmerzen, neurodegenerativen Erkrankungen, Schlafstörungen und sogar potenziell Hirntumor haben kann. Dennoch wissen wir noch relativ wenig über die Mechanismen und Auswirkungen einer ketogenen Ernährung oder ketoseinduzierender Interventionen wie Fasten auf das menschliche Gehirn.

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

Shelly übte während ihrer Postdoktorandenforschung zwei Jahre lang einen 16/8-Fastenplan (nur 8 Stunden am Tag essen), hauptsächlich, weil sie die Experimente zum Mittagessen nicht beenden wollte. Durch das Mittagessen fühlte sie sich nachmittags träger, sagte sie, obwohl sie sonst nicht viele Veränderungen bemerkte. Aber in ihrem Kopf könnte intermittierendes Fasten die Reaktion ihrer Gehirnzellen auf Stress verändert haben, möglicherweise mit weniger oxidativen Schäden an Zellbestandteilen, einschließlich DNA.

Ein Golgi-Fleck im Hippocampus. Die Färbung markiert zufällig Neuronen - Sie können dendritische Stacheln (wo sich Synapsen befinden) als winzige Vorsprünge entlang neuronaler Zweige sehen (rechts unten). Foto von Shelly Fan.

LifeOmic: Können Sie uns etwas über Ihre Dissertation und Postdoktorandenforschung zur Gesundheit und Verjüngung des Gehirns 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 allmählich toxische Proteine ​​an, die die normale molekulare Maschinerie der Zellen verstopfen. Mit der Zeit sterben Neuronen ab, wenn sich diese Proteine ​​ansammeln. 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 Peptidarzneimittel für den Proteinabbau entwickelte. Einmal in das Blut injiziert, tunnelt es durch 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 sowohl der Huntington- als auch der Parkinson-Krankheit rettete das jeweilige Peptidarzneimittel Neuronen und verbesserte die Symptome.

Zufällig gibt es auch natürliche Möglichkeiten, das Lysosom, das zelleigene Abfallentsorgungssystem, zu aktivieren, damit giftige Moleküle effizienter entfernt werden können.

Kalorienreduzierung und Bewegung sind beides Beispiele, und so habe ich mich teilweise für die Auswirkungen von Bewegung auf die Gesundheit und das Altern des Gehirns interessiert.

Meine Postdoc-Forschung konzentrierte sich darauf, wie Bewegung dem alternden Gehirn zugute kommt. Es gab einen Paradigmenwechsel im Bereich der Hirnalterung, da sich Wissenschaftler zunehmend bewusst werden, dass der Alterungsprozess reversibel ist. Zum Beispiel gibt es zahlreiche Hinweise darauf, dass Bewegung bei gealterten 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 Bewegung die Geburt neuer Neuronen erhöht (ein Prozess, der als adulte Neurogenese bezeichnet wird), die dazu beitragen, ähnliche Erinnerungen getrennt zu halten und die Stimmung zu verbessern.

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

Der Körper beeinflusst auch stark, wie gesund das Gehirn während des Alterns bleibt. Mein Labor hat zuvor festgestellt, dass, wenn Sie einer alten Maus das Blut junger Mäuse injizieren, etwas im jungen Blut dazu beiträgt, dass das Gehirn der gealterten Maus besser funktioniert.

Anmerkung des Herausgebers: Ob Bewegung und Fasten jugendfreundliche Faktoren stimulieren können, die die Alterung des Gehirns beim Menschen verzögern, ist noch offen, obwohl es eindeutig Mechanismen gibt, die diese Interventionen mit einer Verringerung der Entzündung des Gehirns und oxidativen Schäden verbinden.

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

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

LifeOmic: Was bedeutet es, das Gehirn auf zellulärer Ebene 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 das Gedächtnis autobiografischer Ereignisse. Junges Blut und andere systemische Manipulationen wie Bewegung, Kalorienreduktion und Metformin (ein Typ-II-Diabetes-Medikament) scheinen den gealterten Hippocampus auf zwei Arten zu erneuern.

Synaptische Übertragung, 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, die die synaptische Plastizität unterstützen, wie CREB.

Anmerkung des Herausgebers: CREB (cAMP Response Element Binding Protein) ist ein Transkriptionsfaktor, der DNA binden und die Genexpression regulieren kann. 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 vom Gehirn abgeleiteten neurotrophen Faktor (BDNF) und die Serotonin-Signalübertragung verbessern können, die wiederum Transkriptionsfaktoren wie CREB aktivieren, die die Genexpression regulieren, die an der neuralen Plastizität, Stressresistenz und dem Überleben der Zellen 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, Kalorienreduzierung und junges Blut. Bewegung hat bei weitem die meisten Beweise für Vorteile bei älteren Menschen. Kalorienreduzierung als Intervention ist für Menschen über lange Zeiträume relativ schwer zu verfolgen, und ich habe noch keine gut durchgeführte Studie am Menschen in diesem Bereich gesehen. Es gibt tatsächlich einige Kontroversen darüber, ob die Kalorieneinschränkung bei nichtmenschlichen Primaten im Hinblick auf die Erhöhung der Gesundheitsspanne (der Länge eines gesunden Lebens) funktioniert. Junges Blut wurde beim Menschen noch nicht streng auf seine Anti-Aging-Wirkung getestet (es gibt einige zweifelhafte „Studien“), obwohl eine kürzlich durchgeführte Studie, in der es für die Alzheimer-Krankheit verwendet wurde, keine signifikanten Vorteile zeigte. Das letztendliche Ziel besteht darin, bestimmte „jugendfreundliche“ Faktoren aus dem jungen Blut zu isolieren 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-Beitrag hier). Erstens nimmt die Hauptenergiefabrik der Zelle, das Mitochondrium, mit zunehmendem Alter in Anzahl und Funktion ab. Ein gestörter Hirnstoffwechsel wurde mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht, aber seine Rolle beim normalen altersbedingten Gedächtnisverlust ist weniger klar. Gealterte Neuronen haben auch Probleme, Nährstoffe in ihrer Umgebung zu erfassen. Dies gilt insbesondere für Glukose, die normalerweise die Hauptenergiequelle des Gehirns ist.

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

Gealterte Neuronen im Hippocampus und im präfrontalen Kortex haben ebenfalls weniger Synapsen, obwohl sich die Gesamtzahl der Neuronen mit dem Alter nicht wesentlich zu ändern scheint. Schließlich haben gealterte Gehirne wenig bis gar keine Neurogenese und eine erhöhte Entzündung, obwohl unklar bleibt, ob und wie diese Prozesse zum altersbedingten Gedächtnisverlust beitragen.

Anmerkung des Herausgebers: Tiermodelluntersuchungen legen nahe, dass intermittierendes Fasten oder eine verringerte Häufigkeit von Mahlzeiten die Insulinsensitivität erhöhen, die zellulären Stressreaktionen verbessern und oxidative Schäden im Gehirn auf ähnliche Weise wie die Auswirkungen von Bewegung reduzieren können.

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

Shelly: Im Großen und Ganzen 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 Lernen ausgewählte Neuronen aktiviert. Diese Neuronen bilden dann eine Art Clique. Wenn ein Neuron reaktiviert wird (z. B. wenn Sie den Speicher abrufen möchten), besteht eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, dass andere in derselben Schaltung ebenfalls feuern. Im Wesentlichen verstärken sich die synaptischen Verbindungen während des Lernens. In ähnlicher Weise kann auch die synaptische Stärke schwächer werden. Die Fähigkeit, die synaptische Stärke zu verändern, wird als synaptische Plastizität bezeichnet, und Wissenschaftler glauben, dass dies unserer Fähigkeit zugrunde liegt, Dinge zu lernen und sich daran zu erinnern.

Ich habe bereits einige Möglichkeiten zur Erhaltung der Plastizität im Gehirn erwähnt: Aerobic-Übungen wie Laufen und Kalorienreduzierung sind beide „natürlichere Methoden“, um dies zu erreichen. Junges Blut und (vielversprechender) Metformin stellen einen pharmakologischen Ansatz dar, auf den sich viele Forscher konzentrieren.

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

Shelly: Laufen! Ich war ein Langstreckenläufer in der Grundschule. Ich habe es für das Stressmanagement verwendet, bin aber während meiner Promotion vom Bandwagen gefallen. Später im Labor habe ich mir tatsächlich das Gehirn von Läufern (Mäusen mit Laufrädern) und sesshaften Mäusen (Mäusen, die normalerweise in Schuhkartonkäfigen leben, also immer noch normal herumhasten) 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 Neurogenese oder die Geburt neuer Neuronenzellen haben. In einer kürzlich durchgeführten Naturstudie wurden keine Anzeichen für neue Neuronen im Gehirn gealterter menschlicher Spender gefunden (ausgezeichnete Nachrichten und Ansichten hier). Daher ist es möglich, dass Bewegung und andere neurogenese-stimulierende Behandlungen auf andere Weise dem alternden Gehirn zugute kommen . Meine Wette ist auf synaptische Plastizität und erhöhte Durchblutung.

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

LifeOmic: Während des Fastens beginnt das Gehirn, Ketonkörper zur Energiegewinnung zu verwenden, 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 Glucosegehalt, 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 passieren, und 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 sehr energieeffizient. BHB, ein Hauptketon, liefert mehr Energie (oder ATP-Moleküle, die die Energiewährung der Zelle sind) als Glukose pro Sauerstoffeinheit, die bei den biochemischen Reaktionen in unseren Zellen verwendet wird. Ketone stimulieren auch Hippocampus-Neuronen, um mehr Energie produzierende Mitochondrien zu bilden.

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

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

"Es ist jetzt klar, dass freiwilliges Training den Spiegel des aus dem Gehirn stammenden neurotrophen Faktors (BDNF) und anderer Wachstumsfaktoren erhöhen, die Neurogenese stimulieren, den Widerstand gegen Hirninsultationen erhöhen und das Lernen und die geistige Leistungsfähigkeit verbessern kann." - Übung: eine Verhaltensintervention zur Verbesserung der Gesundheit und Plastizität des Gehirns, Trends in Neuroscience

Drittens scheinen Ketone die Erregung im Gehirn wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Das Gehirn verwendet zwei Haupttypen von Neurotransmittern, Glutamat und GABA, um Informationen zu übertragen. Glutamat ist anregend und stimuliert das neuronale Geschwätz, während GABA es dämpft. Zu viel Erregung, wie bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen, und Neuronen sterben in einem Prozess ab, der als Exzitotoxizität bezeichnet wird. Bei Menschen, die zu Anfällen neigen, senken Ketone die Glutamatübertragung und erhöhen gleichzeitig die GABA an den Synapsen. Dies scheint großartig für die Hemmung von Anfällen (und möglicherweise für die Neuroprotektion) zu sein, aber Sie müssen sich fragen, was es mit einem normal funktionierenden Gehirn tut.

Ketone hemmen auch die Produktion von freien Radikalen, die ungepaarte Elektronen enthalten, die sie hochreaktiv (und hochgefährlich) machen. Erhöhter oxidativer Stress durch freie Radikale ist ein wichtiges Kennzeichen für Alterung und Neurodegeneration. Freie Radikale sind eine unglückliche Nebenwirkung des Glukosestoffwechsels. Wenn Sie den Glukoseverbrauch senken, wie im Fall einer ketogenen Diät [oder während des Fastens], wird die Menge an freien Radikalen direkt gesenkt. Darüber hinaus stimulieren Ketone die Aktivität unseres angeborenen Antioxidanssystems zur Bekämpfung dieser Moleküle.

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

Shelly: Ich bin mir nicht sicher, wie dies wissenschaftlich gemessen werden kann (sollten wir beispielsweise Tests im Arbeitsgedächtnisbereich 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.

Kürzlich gab es eine Studie, in der das EEG verwendet wurde, um Gehirnwellenmuster herauszufiltern, die mit einem erfolgreichen oder einem erfolglosen Wortrückruf verbunden sind, und der erstere (erfolgreicher Rückruf) wurde als eine Art „mentale Klarheit“ beschrieben, sodass das Betrachten von Gehirnwellen ein Ausgangspunkt sein kann .

Anmerkung des Herausgebers: Bei Menschen mit eingeschränkter Stoffwechselfunktion 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. Für einige kann intermittierendes Fasten oder eine ketogene Diät auch zu schnellem Verlust und verbesserter Stimmung führen.

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

Shelly: Die Ausrichtung auf den Insulinweg und seneszierende Zellen sind zwei sehr gut dokumentierte Wege, um den neuronalen Stoffwechsel, die synaptische Plastizität sowie das Lernen und Gedächtnis im alternden Gehirn aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann die Modulation von IGF-Signalwegen (Insulinsignalwegen) die Neurogenese und das Gedächtnis bei gealterten Mäusen fördern. Der Trick besteht jedoch darin, einen Weg zu finden, um diese Signalwege mithilfe spezifischer kleiner chemischer Medikamente zu aktivieren. In letzter Zeit gab es weitaus mehr Interesse an der Erforschung von Senolytika, bei denen es sich um Medikamente handelt, die seneszierende Zellen eliminieren. Tatsächlich glauben einige Alterungsexperten, dass diese Wirkstoffklasse innerhalb des nächsten Jahrzehnts auf dem Markt erhältlich sein könnte, und es wurde gezeigt, dass diese Wirkstoffe die Gehirnfunktion bei gealterten Mäusen erhöhen. Senolytika stehen zwar nicht in direktem Zusammenhang mit der Manipulation des Stoffwechsels, bieten jedoch einen sehr starken Proof-of-Concept-Nachweis dafür, dass die Eliminierung seneszierender Zellen ein wirksames Mittel ist, um ein gealtertes Gehirn gesund zu halten.

Schema eines einzelnen Pyramidenneurons. Bildnachweis: Amyleesterling, Wikimedia.

Das Interesse an metabolischen Interventionen für die Gesundheit des Gehirns ist in den letzten Jahren sicherlich in die Höhe geschossen (die Gesellschaft für Neurowissenschaften bietet zum Beispiel weiterhin IF / Energie / Stoffwechsel-Symposien an). Die sich abzeichnende Verbindung zwischen Stoffwechsel, Darmmikrobiom und Gehirngesundheit wird das Interesse aufrecht erhalten!

Bei LifeOmic erstellen wir eine Reihe von LIFE-Apps, die Ihnen Präzisionsmedizin bieten. Diese Apps fördern Lifestyle-Interventionen, mit denen Sie gesünder leben können, einschließlich Bewegung, entzündungshemmender Diäten, Stressbewältigung und intermittierendem Fasten. Genauso wichtig ist jedoch, dass unsere Apps es Ihnen, Ihren Ärzten und Forschern ermöglichen, die Auswirkungen dieser Interventionen zu verfolgen und andere Gesundheitsindikatoren zu integrieren. Wenn Sie sich für unsere LIFE-Apps anmelden, können Sie Daten in die Wissenschaft des gesunden Alterns einbringen.

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