肥胖者腦網(wǎng)絡(luò)改變的研究進展*

羅偉強,羅光華,張洛愷

(南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射影像中心,湖南 衡陽 421001)

肥胖是一種慢性代謝性疾病,主要特征是能量攝入增多和能量消耗減少,使得體內(nèi)脂肪積累過多,進而導(dǎo)致許多共病的患病率及中老年死亡率增加[1]。體重指數(shù)(BMI)是國際上界定肥胖與否的主要標(biāo)準(zhǔn)。肥胖已成為一個公共衛(wèi)生問題,我國超重/肥胖患病率逐年增長,2020年我國成年人超重/肥胖率超過50%[2]。相較于正常體重者,肥胖者患相關(guān)疾病的風(fēng)險與肥胖程度呈正相關(guān),如內(nèi)分泌失調(diào)(如2型糖尿病)、呼吸系統(tǒng)問題(如睡眠呼吸暫停)、心血管疾病(如動脈粥樣硬化和心臟病發(fā)作)和癌癥(如子宮內(nèi)膜癌、肝癌和腎癌)等[3]。肥胖也與注意力缺陷、執(zhí)行功能差、決策受損及言語學(xué)習(xí)和記憶下降有關(guān)[4],此外,肥胖還會引起心理和情緒問題[5]。因此,即使肥胖對身體產(chǎn)生的不利影響較小,但鑒于其高患病率,仍可能對公眾健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

大腦中不同區(qū)域之間通過神經(jīng)纖維束進行信息傳遞,并形成復(fù)雜的功能網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)影像學(xué)是一種被廣泛使用的、可以無創(chuàng)評估腦結(jié)構(gòu)及功能改變的工具。神經(jīng)成像技術(shù)包括核磁共振成像(MRI)、正電子發(fā)射計算機斷層掃描(PET)和單光子發(fā)射計算機斷層掃描(SPECT)等,其中MRI通過結(jié)構(gòu)成像技術(shù)和功能成像技術(shù),不僅可以提供形態(tài)學(xué)方面的信息,還可以探尋大腦功能活動的變化。肥胖的異質(zhì)性和復(fù)雜性不太可能用單個大腦區(qū)域的功能崩潰來解釋。神經(jīng)成像研究發(fā)現(xiàn),肥胖者在認(rèn)知控制、獎賞回路和食欲調(diào)控方面存在差異[6-7],這些腦區(qū)的功能和連接異?？赡軙?dǎo)致肥胖者過度攝入高熱量食物,并影響飽食感受。此外,肥胖者在情緒調(diào)節(jié)和決策制定方面的變化,也可能與腦網(wǎng)絡(luò)的異常調(diào)控有關(guān)。因此,本文通過分析肥胖者和正常體重者的腦網(wǎng)絡(luò)差異,揭示肥胖者腦網(wǎng)絡(luò)的異常改變。

1 肥胖者腦網(wǎng)絡(luò)改變

1.1獎賞系統(tǒng) 獎賞系統(tǒng)也稱作中腦-多巴胺邊緣系統(tǒng),是由一系列前腦核團相互投射組成,由腹側(cè)被蓋區(qū)產(chǎn)生多巴胺,通過中腦皮質(zhì)邊緣通路投射到邊緣系統(tǒng),其神經(jīng)核團包括伏隔核、杏仁體、前額葉皮層等[8]。肥胖者在饑餓時更易受到食物線索的誘惑,其大腦獎賞系統(tǒng)的激活比正常體重者更顯著,且BMI較高的個體相對于BMI較低的個體對食物刺激表現(xiàn)出更大的注意力偏差[9]。相對于正常體重者,肥胖者在進食后部分與獎賞系統(tǒng)有關(guān)的腦區(qū)激活增加,這可能表明肥胖者體驗到更大的食物獎勵。然而,BMI與進食時紋狀體的激活程度呈負(fù)相關(guān),這與在觀看食物圖片時紋狀體激活程度更大相反,提示完成食物獎勵與食物線索刺激之間可能存在分離[10]。這可能是由于肥胖者多巴胺介導(dǎo)的獎賞回路功能減退,在進食時多巴胺釋放相對減少,身體為了彌補這種獎賞缺失而攝入過多的食物,而這種獎賞缺失通過條件作用產(chǎn)生了更大的預(yù)期性食物獎賞。也有可能是因為高糖和高脂肪食物的高攝入過多導(dǎo)致多巴胺受體下調(diào),肥胖者多巴胺受體可用性降低,需要過量的飲食來長期刺激獎賞系統(tǒng)[11]。而縱向研究發(fā)現(xiàn),相比于體脂穩(wěn)定或減少的青少年,大多數(shù)體重正?；虺氐w脂增加的青少年的紋狀體對食物線索的激活更顯著,這意味著美味食物的獎賞反應(yīng)下調(diào)可能發(fā)生于超重過渡到肥胖的階段[10]。這些研究結(jié)果表明,大腦獎賞系統(tǒng)發(fā)生的改變可能導(dǎo)致肥胖者更容易沉迷于高熱量食物,并難以控制食欲。

1.2默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(DMN) DMN位于大腦中軸線上的皮層區(qū),從前額葉內(nèi)側(cè)延伸至后腦,包括扣帶回、前額葉內(nèi)側(cè)區(qū)、丘腦背側(cè)區(qū)、楔葉及楔前葉、海馬、部分顳葉等結(jié)構(gòu)[12]。獎勵、多巴胺和食物攝入控制之間存在緊密聯(lián)系,這對于肥胖的發(fā)生和發(fā)展具有重要意義,并且肥胖、物質(zhì)成癮和非物質(zhì)成癮的獎勵處理存在共同點,這提示肥胖可能是一種成癮行為[13]。這些過程涉及DMN和其他大腦網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用。在面對高熱量食物線索的刺激時,與BMI相關(guān)聯(lián)的連接性增加區(qū)域位于DMN內(nèi)[14]。有肥胖傾向的青少年在觀察食物線索時,與食物相關(guān)的紋狀體和感覺區(qū)域的大腦活動比正常體重者更高,這些區(qū)域中包含了DMN的一部分[10]。肥胖者在觀看食物線索時,DMN的連接異常,而DMN過度激活與任務(wù)表現(xiàn)差和注意困難有關(guān)[15]。這些研究表明肥胖與DMN的異常活動有關(guān),但仍需要更多的研究來確定這種異?；顒邮遣皇欠逝直旧韺?dǎo)致的,或肥胖是不是DMN異常活動的結(jié)果之一。

1.3中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(CEN) CEN與前額葉、前扣帶皮層、頂下小葉、顳中回與顳下回后部的大部分區(qū)域有著功能上的關(guān)聯(lián),負(fù)責(zé)執(zhí)行認(rèn)知控制和決策制定等高級認(rèn)知功能[16-17]。在抵抗食物渴望的研究中,一個以背外側(cè)前額葉皮層為中心的抑制網(wǎng)絡(luò)被激活[18],這種自我控制的能力在胃旁路手術(shù)后體重減輕最大的患者中顯著[19]。背外側(cè)前額葉皮層參與不同形式的沖突監(jiān)控[20],超重的青少年在決策任務(wù)中暴露于食物線索時,額葉、顳葉、島葉和紋狀體的分布區(qū)域的激活程度提高,這些區(qū)域的激活增加通常與渴求相關(guān),而背外側(cè)前額葉皮層的激活與超重青少年食欲、食物選擇的增加相關(guān),這反映了超重青少年在食欲、食物選擇方面的更大沖突[21]。肥胖者額中回和腹側(cè)前扣帶回皮層的皮質(zhì)厚度降低,而袖狀胃切除術(shù)使得這些腦區(qū)的皮層厚度恢復(fù)[22]。額中回參與涉及愉悅/獎勵的決策過程,也接受內(nèi)臟感覺信息,前扣帶回涉及對內(nèi)部/外部刺激的執(zhí)行控制,以及涉及對情緒信息的評價和情緒反應(yīng)的調(diào)節(jié),其功能受損可能導(dǎo)致認(rèn)知/情緒處理之間的不平衡,從而增加暴飲暴食的風(fēng)險[23]。而袖狀胃切除術(shù)可能有助于額中回和腹側(cè)前扣帶回皮層結(jié)構(gòu)的改變,使得執(zhí)行控制和情緒調(diào)節(jié)能力增強,以更好地控制進食欲望。功能磁共振也表明肥胖者前額葉功能降低,而減重術(shù)后對應(yīng)腦區(qū)功能活躍[24]。因此,肥胖者CEN的改變可能導(dǎo)致決策制定和食物選擇等方面發(fā)生偏差。

1.4突顯網(wǎng)絡(luò)(SN) SN的主要功能區(qū)位于前扣帶回、前腦島和前輔助運動區(qū),此外還包括杏仁核、下丘腦、腹側(cè)紋狀體、丘腦和特定的腦干核等,主要調(diào)節(jié)大腦兩個主要控制網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部(DMN)和外部(CEN)處理之間的切換[25-26]。SN在肥胖者大腦中的活動中更活躍,與對食物(特別是可口和高能量食物)的動機、欲望和渴望相關(guān)[27]。在食物線索刺激下,肥胖者的前扣帶回皮層、杏仁核、紋狀體和丘腦等SN的核心結(jié)構(gòu)異常激活,這可能是食物刺激獎賞加工差異的基礎(chǔ),肥胖者殼核的靜息功能連接性的增加與精神加工的速度成反比,并導(dǎo)致認(rèn)知功能受損[28]。因此,由于食物線索的自主加工和獎賞加工之間的不平衡,SN的異常激活可能導(dǎo)致肥胖患者的暴飲暴食[29]。有研究表明,肥胖者的杏仁核體積大于正常體重者[30]。杏仁核對高脂肪食物線索有反應(yīng),且肥胖者在靜息時尾狀核-杏仁核功能連接增加,并與情緒飲食行為得分相關(guān),說明杏仁核在情緒和飲食行為方面有一定的作用[31]。因此,肥胖者SN的改變可能導(dǎo)致其情感調(diào)節(jié)和食物獎賞等方面出現(xiàn)偏差。

1.5視覺網(wǎng)絡(luò) 視覺處理是獎賞回路的重要輸入接口,由梭狀回和顳下回2個區(qū)域形成的腹側(cè)視覺通路可受食物線索的刺激[32]。梭狀回是一個復(fù)雜的大腦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的一部分,不僅對面部表情識別很重要,也對食物有關(guān)的視覺刺激有反應(yīng)[33]。食物圖片刺激使得雙側(cè)梭狀回持續(xù)激活,食物的相對價值(高熱量與低熱量)影響正常體重成年人的梭狀回反應(yīng),超重與梭狀回對食物線索的反應(yīng)增加有關(guān)[34]。顳上回參與了面部刺激中的情緒感知,與視覺感知和感覺統(tǒng)合有關(guān),袖狀胃切除術(shù)使得左側(cè)顳上回的皮質(zhì)厚度增大,這可能反映了手術(shù)誘導(dǎo)視覺加工相關(guān)區(qū)域結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[22]。因此,肥胖者的視覺系統(tǒng)與正常體重者相比存在一些差異,這些差異可能涉及視覺皮層和視覺注意力方面的變化。

1.6額頂網(wǎng)絡(luò)(FPN) FPN位于額葉和頂葉的交界處,主要包括外側(cè)前額葉皮層、后頂葉皮層等腦區(qū),在認(rèn)知控制和任務(wù)需求的適應(yīng)性實施中起核心作用,調(diào)節(jié)獎賞和認(rèn)知功能,并與飲食行為密切相關(guān)[35]。有研究表明,獎賞和認(rèn)知系統(tǒng)與食欲和飲食行為密切相關(guān),FPN的低活動混淆了飽腹的過程,并導(dǎo)致對食物的更大敏感性[36]。超重者抑制控制能力下降,在食物特異任務(wù)中,控制相關(guān)腦區(qū)的激活顯著小于正常體重個體[37]。正常體重者和超重肥胖者之間FPN存在顯著的差異,且與暴飲暴食傾向的飲食行為密切相關(guān)[38]。因此,FPN功能的改變可能會導(dǎo)致肥胖者認(rèn)知控制能力降低,并難以控制飲食習(xí)慣。

1.7情景記憶 飲食行為是記憶研究的一個新興前沿[39]。情景記憶涉及來自前額葉、頂葉和內(nèi)側(cè)顳葉皮層區(qū)域之間的相互作用,其中包括海馬體、海馬內(nèi)側(cè)皮層、海馬周圍皮層和海馬旁皮層[40]。記憶是一個重要的認(rèn)知系統(tǒng),肥胖與記憶障礙之間存在相互影響,可能是由于認(rèn)知因素與飲食行為及食欲控制的許多方面密切相關(guān)[41]。作為內(nèi)側(cè)顳葉皮層的一個重要結(jié)構(gòu),海馬通過整合內(nèi)部感受(如饑餓/飽腹)和外部信息(如嗅覺、食物圖像),在飲食行為中發(fā)揮著重要作用[42]。在進行記憶提取任務(wù)時海馬的激活增加,提示海馬是情景記憶編碼和提取的關(guān)鍵[43]。高糖和高脂飲食會損害海馬依賴的學(xué)習(xí)和記憶過程,進而促進體重增加,并繼續(xù)高糖高脂飲食攝入的可能性,從而進一步加劇海馬功能和記憶提取功能受損,最終導(dǎo)致超重/肥胖者的情景記憶功能受損[44]。超重/肥胖的功能性神經(jīng)改變包括內(nèi)側(cè)顳葉皮層、額葉、頂葉和外側(cè)顳葉皮層[40-45],不健康的飲食習(xí)慣會對大腦功能產(chǎn)生不利影響,肥胖與上述大腦中參與情景記憶編碼的特定區(qū)域損傷有關(guān)。

2 小結(jié)與展望

許多研究支持肥胖是一種復(fù)雜的代謝和神經(jīng)性疾病的理論,并強調(diào)了腦網(wǎng)絡(luò)變化在肥胖的發(fā)生發(fā)展中的重要作用。肥胖者在認(rèn)知控制、獎賞回路和食欲調(diào)控方面表現(xiàn)出異常活動,這些改變可能導(dǎo)致對高能量食物的過度攝入和影響飽食感受。肥胖者的情緒調(diào)節(jié)和決策制定功能受到影響,可能與腦網(wǎng)絡(luò)的異常調(diào)控有關(guān),這可能增加了情緒性進食和沖動性食物選擇的風(fēng)險。神經(jīng)成像技術(shù)讓人們能夠深入研究肥胖者的腦網(wǎng)絡(luò)變化,這些研究結(jié)果為進一步探索肥胖癥的病因和治療提供了重要線索,從而了解肥胖與腦網(wǎng)絡(luò)變化之間的動態(tài)關(guān)系,有助于開發(fā)肥胖個體化的治療策略,改善肥胖者的健康狀況。

盡管人們對肥胖者腦網(wǎng)絡(luò)改變的了解有所增加,但仍然存在一些未解決的問題和需要探索的方向。肥胖者腦網(wǎng)絡(luò)的改變并不代表著因果關(guān)系。有研究認(rèn)為肥胖和大腦變化之間有因果關(guān)系,但腦網(wǎng)絡(luò)的異常是由身體脂肪過多引起的,還是腦網(wǎng)絡(luò)的變化促進了體重增加,這仍然是一個有爭論的問題。未來需要進行更多的縱向研究,以進一步驗證肥胖者腦網(wǎng)絡(luò)改變與肥胖發(fā)展的關(guān)系;深入探索和理解不同肥胖程度、病程和年齡的患者之間腦網(wǎng)絡(luò)功能變化的差異;考慮不同生活方式、心理和環(huán)境因素對腦網(wǎng)絡(luò)改變的影響,以更全面地了解肥胖癥的多因素發(fā)病機制;探討干預(yù)措施對腦網(wǎng)絡(luò)改變的影響,如行為干預(yù)、藥物治療和手術(shù)手段,以便開發(fā)個體化的治療策略。未來的研究將有助于人們更好地理解肥胖癥的神經(jīng)機制,提供更精準(zhǔn)的診斷和治療方法,以及制定更有效的預(yù)防策略,從而提高肥胖者的治療效果和生活質(zhì)量。