肥胖者腦網絡改變的研究進展*

羅偉強,羅光華,張洛愷

(南華大學附屬第一醫院放射影像中心,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,使得體內脂肪積累過多,進而導致許多共病的患病率及中老年死亡率增加[1]。體重指數(BMI)是國際上界定肥胖與否的主要標準。肥胖已成為一個公共衛生問題,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,肥胖者患相關疾病的風險與肥胖程度呈正相關,如內分泌失調(如2型糖尿病)、呼吸系統問題(如睡眠呼吸暫停)、心血管疾病(如動脈粥樣硬化和心臟病發作)和癌癥(如子宮內膜癌、肝癌和腎癌)等[3]。肥胖也與注意力缺陷、執行功能差、決策受損及言語學習和記憶下降有關[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生嚴重影響。

大腦中不同區域之間通過神經纖維束進行信息傳遞,并形成復雜的功能網絡。神經影像學是一種被廣泛使用的、可以無創評估腦結構及功能改變的工具。神經成像技術包括核磁共振成像(MRI)、正電子發射計算機斷層掃描(PET)和單光子發射計算機斷層掃描(SPECT)等,其中MRI通過結構成像技術和功能成像技術,不僅可以提供形態學方面的信息,還可以探尋大腦功能活動的變化。肥胖的異質性和復雜性不太可能用單個大腦區域的功能崩潰來解釋。神經成像研究發現,肥胖者在認知控制、獎賞回路和食欲調控方面存在差異[6-7],這些腦區的功能和連接異常可能會導致肥胖者過度攝入高熱量食物,并影響飽食感受。此外,肥胖者在情緒調節和決策制定方面的變化,也可能與腦網絡的異常調控有關。因此,本文通過分析肥胖者和正常體重者的腦網絡差異,揭示肥胖者腦網絡的異常改變。

1 肥胖者腦網絡改變

1.1獎賞系統 獎賞系統也稱作中腦-多巴胺邊緣系統,是由一系列前腦核團相互投射組成,由腹側被蓋區產生多巴胺,通過中腦皮質邊緣通路投射到邊緣系統,其神經核團包括伏隔核、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有關的腦區激活增加,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相關,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生了更大的預期性食物獎賞。也有可能是因為高糖和高脂肪食物的高攝入過多導致多巴胺受體下調,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[11]。而縱向研究發現,相比于體脂穩定或減少的青少年,大多數體重正常或超重但體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下調可能發生于超重過渡到肥胖的階段[10]。這些研究結果表明,大腦獎賞系統發生的改變可能導致肥胖者更容易沉迷于高熱量食物,并難以控制食欲。

1.2默認網絡(DMN) DMN位于大腦中軸線上的皮層區,從前額葉內側延伸至后腦,包括扣帶回、前額葉內側區、丘腦背側區、楔葉及楔前葉、海馬、部分顳葉等結構[12]。獎勵、多巴胺和食物攝入控制之間存在緊密聯系,這對于肥胖的發生和發展具有重要意義,并且肥胖、物質成癮和非物質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和其他大腦網絡之間的相互作用。在面對高熱量食物線索的刺激時,與BMI相關聯的連接性增加區域位于DMN內[14]。有肥胖傾向的青少年在觀察食物線索時,與食物相關的紋狀體和感覺區域的大腦活動比正常體重者更高,這些區域中包含了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過度激活與任務表現差和注意困難有關[15]。這些研究表明肥胖與DMN的異常活動有關,但仍需要更多的研究來確定這種異常活動是不是肥胖本身導致的,或肥胖是不是DMN異常活動的結果之一。

1.3中央執行網絡(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域有著功能上的關聯,負責執行認知控制和決策制定等高級認知功能[16-17]。在抵抗食物渴望的研究中,一個以背外側前額葉皮層為中心的抑制網絡被激活[18],這種自我控制的能力在胃旁路手術后體重減輕最大的患者中顯著[19]。背外側前額葉皮層參與不同形式的沖突監控[20],超重的青少年在決策任務中暴露于食物線索時,額葉、顳葉、島葉和紋狀體的分布區域的激活程度提高,這些區域的激活增加通常與渴求相關,而背外側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,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前扣帶回皮層的皮質厚度降低,而袖狀胃切除術使得這些腦區的皮層厚度恢復[22]。額中回參與涉及愉悅/獎勵的決策過程,也接受內臟感覺信息,前扣帶回涉及對內部/外部刺激的執行控制,以及涉及對情緒信息的評價和情緒反應的調節,其功能受損可能導致認知/情緒處理之間的不平衡,從而增加暴飲暴食的風險[23]。而袖狀胃切除術可能有助于額中回和腹側前扣帶回皮層結構的改變,使得執行控制和情緒調節能力增強,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,而減重術后對應腦區功能活躍[24]。因此,肥胖者CEN的改變可能導致決策制定和食物選擇等方面發生偏差。

1.4突顯網絡(SN) SN的主要功能區位于前扣帶回、前腦島和前輔助運動區,此外還包括杏仁核、下丘腦、腹側紋狀體、丘腦和特定的腦干核等,主要調節大腦兩個主要控制網絡的內部(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[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的核心結構異常激活,這可能是食物刺激獎賞加工差異的基礎,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,并導致認知功能受損[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,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,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的改變可能導致其情感調節和食物獎賞等方面出現偏差。

1.5視覺網絡 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個區域形成的腹側視覺通路可受食物線索的刺激[32]。梭狀回是一個復雜的大腦區域網絡的一部分,不僅對面部表情識別很重要,也對食物有關的視覺刺激有反應[33]。食物圖片刺激使得雙側梭狀回持續激活,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,超重與梭狀回對食物線索的反應增加有關[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合有關,袖狀胃切除術使得左側顳上回的皮質厚度增大,這可能反映了手術誘導視覺加工相關區域結構發生變化[22]。因此,肥胖者的視覺系統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額頂網絡(FPN) FPN位于額葉和頂葉的交界處,主要包括外側前額葉皮層、后頂葉皮層等腦區,在認知控制和任務需求的適應性實施中起核心作用,調節獎賞和認知功能,并與飲食行為密切相關[35]。有研究表明,獎賞和認知系統與食欲和飲食行為密切相關,FPN的低活動混淆了飽腹的過程,并導致對食物的更大敏感性[36]。超重者抑制控制能力下降,在食物特異任務中,控制相關腦區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[38]。因此,FPN功能的改變可能會導致肥胖者認知控制能力降低,并難以控制飲食習慣。

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、頂葉和內側顳葉皮層區域之間的相互作用,其中包括海馬體、海馬內側皮層、海馬周圍皮層和海馬旁皮層[40]。記憶是一個重要的認知系統,肥胖與記憶障礙之間存在相互影響,可能是由于認知因素與飲食行為及食欲控制的許多方面密切相關[41]。作為內側顳葉皮層的一個重要結構,海馬通過整合內部感受(如饑餓/飽腹)和外部信息(如嗅覺、食物圖像),在飲食行為中發揮著重要作用[42]。在進行記憶提取任務時海馬的激活增加,提示海馬是情景記憶編碼和提取的關鍵[43]。高糖和高脂飲食會損害海馬依賴的學習和記憶過程,進而促進體重增加,并繼續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/肥胖的功能性神經改變包括內側顳葉皮層、額葉、頂葉和外側顳葉皮層[40-45],不健康的飲食習慣會對大腦功能產生不利影響,肥胖與上述大腦中參與情景記憶編碼的特定區域損傷有關。

2 小結與展望

許多研究支持肥胖是一種復雜的代謝和神經性疾病的理論,并強調了腦網絡變化在肥胖的發生發展中的重要作用。肥胖者在認知控制、獎賞回路和食欲調控方面表現出異常活動,這些改變可能導致對高能量食物的過度攝入和影響飽食感受。肥胖者的情緒調節和決策制定功能受到影響,可能與腦網絡的異常調控有關,這可能增加了情緒性進食和沖動性食物選擇的風險。神經成像技術讓人們能夠深入研究肥胖者的腦網絡變化,這些研究結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絡變化之間的動態關系,有助于開發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絡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。肥胖者腦網絡的改變并不代表著因果關系。有研究認為肥胖和大腦變化之間有因果關系,但腦網絡的異常是由身體脂肪過多引起的,還是腦網絡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絡改變與肥胖發展的關系;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絡功能變化的差異;考慮不同生活方式、心理和環境因素對腦網絡改變的影響,以更全面地了解肥胖癥的多因素發病機制;探討干預措施對腦網絡改變的影響,如行為干預、藥物治療和手術手段,以便開發個體化的治療策略。未來的研究將有助于人們更好地理解肥胖癥的神經機制,提供更精準的診斷和治療方法,以及制定更有效的預防策略,從而提高肥胖者的治療效果和生活質量。