膳食常量营养素摄入对认知功能和大脑的影响

原文作者：Anne-Katrin Muth Soyoung Q. Park

摘要：宏量营养物质——碳水化合物、脂肪和蛋白质——提供人体最佳机能所需的营养物质。摄入不足会损害身体和大脑健康。我们综合了膳食中的宏量营养素对健康成人认知功能的影响机制。摄入简单碳水化合物一直与全局认知功能降低有关，而复杂碳水化合物的摄入与大脑成功老化和改善记忆力有关。饱和脂肪酸的摄入与记忆力和学习成绩下降有关，而摄入n-3不饱和脂肪酸与记忆力呈正相关。当工作要求很高时，蛋白质摄入量能提高执行能力和工作记忆。个体差异对宏量营养素-认知关系的影响因素包括年龄，体育活动，葡萄糖代谢。神经相关因素反映了认知功能的研究结论：皮层厚度和脑淀粉样蛋白负荷与糖摄入相关，炎症状态和脑葡萄糖代谢与脂肪酸摄入相关。膳食宏量营养素影响大脑和认知的关键机制包括葡萄糖和胰岛素代谢、神经递质作用、大脑氧化和炎症。综上所述，宏量营养素摄入对认知功能的影响是长期、显著的，包括外围和中心机制。健康的饮食支持大脑的完整性和功能性，而营养不足会损害它。研究饮食可能是营养建议的关键，从而改善心理健康和大脑健康老化的状况。

关键词：大脑； 认知； 宏量营养素；神经递质 ；葡萄糖 ；炎症

人脑需要能量和营养才能发挥作用。宏量营养素——碳水化合物、蛋白质和脂肪——提供葡萄糖、脂肪酸和氨基酸等。宏量营养素的摄入必须在健康饮食中保持平衡；世界卫生组织建议碳水化合物摄入量为 55-75%，蛋白质摄入量为 10-15%，脂肪摄入量为 15-30%。然而，这些建议并未得到充分满足。

宏量营养素摄入不足会损害人体的最佳功能。它在心血管疾病、癌症和2 型糖尿病等可预防疾病的发展中发挥作用。越来越多的证据表明，心理和心理健康也会受到饮食摄入不足的影响，并可能与抑郁症、痴呆症和认知能力下降的风险增加有关。此外，来自宏量营养素成分的实验操作的证据，例如改变单餐中碳水化合物与蛋白质的比例，已被证明会严重影响认知功能。

本综述旨在综合以往研究，从急性、干预和长期全膳食研究中探讨宏量营养素对健康年轻人和老年人认知功能的影响，并了解宏量营养素影响认知功能的常见和独特机制。

1.1.碳水化合物和认知功能

碳水化合物是由碳、氢和氧原子组成的不同类型的生物分子。天然植物食物提供复合碳水化合物（如淀粉和纤维）需要将其分解成糖类。另一方面，加工食品（如零食和糖果）提供简单的糖类。糖类已经被分解并提供即时可用的单糖或双糖。

一般来说，简单的碳水化合物或糖类与较差的全局认知功能有关，正如多种评估认知功能的认知测试系列所评估的那样。例如，每天摄入60克糖，简易精神状态检查（MMSE）分数会降低，相当于延长10年寿命。除了这些综合评分法，发现记忆功能与糖类总摄入量呈负相关，尽管只是注意力有这一趋势。相反，Taylor及其同事发现执行控制力、工作记忆力、注意力和视觉空间处理也与糖摄入量呈负相关。

相比之下，富含纤维的饮食与较好的认知功能相关。一项大型队列的纵向研究(N frac14; 1609)提供了证据，证明定期较高的纤维摄入量(29克/天)与10年后成功老龄化(定义为没有残疾、抑郁症状、认知障碍和慢性疾病)之间存在关联。因此，碳水化合物类型会对大脑功能产生相反的影响。

不同的碳水化合物对葡萄糖代谢的影响程度不同，个体间差异很大。对于空腹血糖水平正常(NFG；即空腹血糖低于6 mmol/l)的个体，碳水化合物的急性摄入量不会影响记忆能力。然而，摄入富含碳水化合物的膳食后，空腹血糖受损的非糖尿病参与者在陈述性记忆任务中明显表现较差。同样，葡萄糖耐量差的参与者同时摄入至少6克纤维可提高记忆力。众所周知，膳食纤维会减弱葡萄糖代谢，从而有助于减缓与改善记忆力相关的葡萄糖释放。此外，葡萄糖调节和碳水化合物可用性也在老年人的选择性注意中发挥作用，但在年轻人中没有。血糖调节是指身体平衡可供细胞自由利用的葡萄糖及其储存形式——糖原的能力。在血糖调节良好的中老年人中，低血糖指数(GI)膳食导致使用视觉刺激的持续注意力表现优于高GI膳食。

老年人由于血糖调节控制受损和营养不良，可能更容易受到碳水化合物对认知的影响。此外，平均水平以上的糖摄入暈与不良神经结果相关，例如淀粉样蛋白负担增加，皮质厚度减少(老年人)和全局认知受损。使用MMSE和简易精神状态问卷的纵向研究表明，碳水化合物摄入不足的营养不良也与老年人的认知评分低有关。相比之下，富含纤维的饮食与最佳的脑葡萄糖代谢相关，并最终获得较好的长期结果，即49岁及以上的成年人成功老龄化超过10年。因此，年龄放大了碳水化合物对血糖调节和认知能力的影响。

最后，胆固醇调节基因载脂蛋白E (APOE)的变异可能会调节碳水化合物摄入后的认知能力。与非携带者相比，epsilon等位基因(ε4)携带者与每年较高的认知衰退有关(-0. 126标准化衰退单位/年至-0.078 单位/年)。有趣的是，认知健康的ε4携带者似乎在记忆力方面受益于高GI膳食，尽管认知受损的ε4携带者和未携带者均表现出急性高GI膳食摄入和习惯性碳水化合物摄入对认知能力的影响呈负相关。然而，ε4携带者在摄入大量碳水化合物后表现出较差的注意力。这些研究表明，碳水化合物的摄入会影响人的注意力和记忆力，特别是ε4携带者。然而，碳水化合物摄入、葡萄糖代谢和脂质代谢通过ApoE相互作用导致阿尔茨海默病患者认知功能障碍的机制仍不清楚。

总之，这些结果表明，纤维摄入与更好的认知能力有关，而高糖或简单碳水化合物的摄入与认知功能受损有关。作为一种可能的潜在机制，葡萄糖调节引起碳水化合物摄入对个体的影响。记忆力对食物引起的葡萄糖变化高度敏感。高龄本身会增加血糖调节不佳的风险，后者会增加对碳水化合物摄入的敏感性，而年轻人在这方面似乎相对有弹性。最后，参与脂肪代谢和对阿尔茨海默病患者存在已知风险的APOE ε4基因型改变了碳水化合物摄入对记忆力和注意力的影响。

1.2.膳食脂肪酸和认知功能

膳食脂肪有四类：饱和脂肪、反式脂肪、单不饱和脂肪和多不饱和脂肪(通常分别缩写为MUFA 和PUFA)。饱和脂肪酸(SFA)存在于乳制品和肉制品中。加工食品富含反式不饱和脂肪。MUFA和PUFA 存在于橄榄油、坚果、鳄梨、蔬菜和植物种子油中。

膳食胆固醇是一种不饱和醇，普遍存在于肉类、蛋类和奶制品中。

关于膳食脂肪酸对认知功能影响的文献表明，含有omega-3 和omega-6必需脂肪酸的多不饱和脂肪酸通常与认知有益。富含多不饱和脂肪酸的饮食与改善记忆力和更快的精神运动处理速度有关。omega-3(即alpha;-亚麻酸，它是EPA、DPA和DHA的前体)在一项横断面研究中被证明对老年人的空间记忆和学习有益，在一项针对老年人的纵向研究中被证明对语义记忆有益，在一项针对60岁以上成年人的观察性研究中被证明对短期记忆和回忆有益，以及一项针对中老年人的横断面研究中被证明对记忆功能有意。Handing 及其同事的一项横断面研究表明，在60岁及以上的成年人中，使用东波士顿记忆任务，PUFA摄入量(没有其他脂肪酸)预测了延迟的故事回忆表现。

另一方面，SFA 的高摄入量已在横断面和纵向研究被证明会导致不同认知功能恶化，例如年轻成人的前瞻性记忆力，视觉空间学习和语言记忆力。同样，习惯性摄入含高反式脂肪的加工食品预示年轻女性较差的视觉空间学习和语言记忆能力。

胆固醇和MUFA 摄入量对认知功能的影响尚不清楚。一方面，两者都已被证明与更好的记忆，整体认知功能，以及阿尔茨海默症患者和轻度认知障碍的风险降低相关。另一方面，在一项对3960人进行的横断面研究中，胆固醇摄入量与全局认知测试成绩不佳有关，MUFA摄入量与学习和记忆成绩较差有关。

有趣的是，体育锻炼可能会减轻SFA摄入对认知的不利影响。一项横断面研究表明，消耗大量SFA的前运动员并未遭受自我报告的认知困难。事实上，正如人类和动物研究所证明，饮食和运动共同影响能量稳态和突触可塑性。同时锻炼进一步增加了二十二碳六烯酸(属于omega-脂肪酸的DHA)摄入的益处。更重要的是，如啮齿动物所示，运动可以通过脑源性神经营养因子改善高脂肪饮食对突触可塑性的负面影响。

膳食脂肪酸对认知功能的影响遵循以下模式：饱和脂肪酸、反式脂肪和胆固醇在很大程度上与功能受损有关，而MUFA 和PUFA 的摄入通常是有益的。这对于执行功能、记忆和整体认知能力尤其如此。因此，研究需要明确膳食脂肪的类型，以研究它们对认知的具体影响。在老年人中，高脂肪摄入与痴呆风险有关，而PUFA和MUFA摄入可能起到保护作用。

1.3.蛋白质和认知功能

蛋白质是骨骼、肌肉、皮肤和血液的组成部分，并产生激素和神经递质。膳食蛋白质可以来源于植物或动物(包括动物副产品，如鸡蛋或奶制品)。动物源性蛋白质含有足够比例的所有必需氨基酸，使其成为完整的蛋白质。另一方面，植物蛋白是不完整的蛋白质，除了大豆等一些例外。消化系统将蛋白质分解成在体内具有多种用途的氨基酸。特别令人感兴趣的是，色氨酸和酪氨酸：两者都在认知功能中发挥关键作用，因为它们是多巴胺和血清素的前体(另见神经递质作用)。

为期21天的高蛋白饮食干预(每天3 g/kg的动物源性蛋白质与通常的蛋白质摄入量相比)的结果揭示了干预期后抑制go/no go任务的益处以及在一项相对要求较高，需要认知控制来抑制不期望的反应的任务，但不是要求较低的持续注意任务中的反应时间。这些结果表明，蛋白质可能会提高在更复杂任务中的任务表现。

此外，纵向和横断面研究的证据表明，不论老年人或年轻人，通过蛋白质摄入的酪氨酸水平与流体智力(基于图形类比、字母系列和实际问题的表现得出的综合评分)和工作记忆（基于信件更新、n-back 和空间更新的综合评分）显著相关。然而，在老年人中，也有报道称高蛋白摄入与数字减法之间存在负相关。作者提出这一负面发现可能是由于纤维蛋白原同时增加，这是一种与心血管疾病和痴呆风险相关的炎症生物标志物。

关于长期记忆的结果可能是功能特异性的。Kuuml;hn发现蛋白质摄入与情景记忆之间存在正相关关系，例如年轻人和老年人的面部职业和场景编码，而蛋白质摄入与语义记忆之间没有关联。这可能是由色氨酸与酪氨酸水平的高度相关性驱动的。两种氨基酸在消耗研究中都显示在长期记忆中发挥作用：色氨酸参与陈述性记忆巩固，而酪氨酸在空间记忆中发挥作用。此外，食物中存在的其他营养素，例如B族维生素，可能会混淆研究结果并解释蛋白质认知的改善。老年人的认知困难可能部分是由于蛋白质摄入不足。事实上，大多数研究发现老年人的蛋白质摄入量与整体认知功能之间存在正相关(r范围从0.18到0.29)，而其他研究报告了无效的发现。习惯性蛋白质摄入作为一种保护因素似乎可以减轻老年人的认知能力下降并与PUFA一起降低轻度认知障碍或痴呆的发生率。Kuuml;hn 和Hensel提供的证据表明，老年人的平均每日酪氨酸摄入量为2.8g，这大大低于WHO 的建议。

蛋白质摄入过多可能与摄入不足一样有害。最近一项针对老年人(年龄gt; 65岁)的研究发现，与蛋白质摄入正常的个体(15% 及以下)相比，高蛋白质摄入(gt;总能量摄入的16. 5%)与轻度认知障碍的发生率增加相关，这一摄入量对应WHO推荐的蛋白质摄入目标。

同样，过量的酪氨酸摄入，会随着蛋白质摄入量的增加而增加，与老年人的工作记忆能力下降相关，这是通过3-back任务测量的(但与较低的工作记忆负荷无关)。值得注意的是，100e200 mg/kg体重的酪氨酸给药剂量远高于WHO推荐的最低水平(25 mg/kg/天)。

总之，蛋白质摄入选择性地增强工作记忆和情景记忆(但不是语义记忆)，主要是在任务要求很高的情况下。尤其是在高龄时，充足的蛋白质摄入至关重要，因为蛋白质摄入不足和过量都与不良后果有关。

2.结论和未来展望

我们回顾了将宏量营养素摄入和认知表现与潜在机制联系起来的人类研究。

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