Влияние питания на развитие мозга


В последние годы появилось много новых исследований, демонстрирующих влияние питания на работу мозга и состояние ЦНС человека. Исследование умственных способностей пожилых людей (старше 70 лет) в Норвегии показывает, что снижение внимания, памяти, способности к обучению более выражено при низком уровне потребления рыбы (менее 10 г/день) по сравнению с более высоким уровнем потребления — 100 г/день и более [1]. Некоторые виды пищи могут провоцировать развитие мигрени, другие, например, жирная рыба, — снижать частоту и силу головной боли. Дефицит железа у женщин фертильного возраста сопровождается снижением у них когнитивных функций, лечение препаратами железа и нормализация уровня гемоглобина восстанавливают нарушенное состояние ЦНС [2]. Недостаточное питание пожилых людей сопровождается более быстрым угнетением функций ЦНС — памяти, когнитивных функций, способности к адаптации. Сопоставление уровня различных жирных кислот в крови с состоянием ЦНС у более 2000 пожилых людей показало, что повышение уровня пальмитиновой, арахидоновой кислот, относящихся к омега-6 жирным кислотам, коррелировало с более выраженным снижением общих когнитивных функций [3].

Учитывая тот факт, что структурное развитие мозга начинается во внутриутробном периоде, а заканчивается после 3-летнего возраста, можно предположить, что недостаток тех или иных питательных веществ в грудном и раннем детском возрасте может приводить к нарушению развития и работы мозга. Подтверждением этого являются многочисленные исследования детей в развивающихся странах, в ситуациях голода и социальных потрясений, которые показывают, что недостаток питания приводит к выраженным нарушениям работы мозга, которые часто не восстанавливаются даже яри восполнении дефицита питания. У больных с квашиоркором и маразмом, перенесенными в первые годы жизни, когнитивные функции не восстанавливаются, даже при полном вос­полнении дефицита нутриентов.

В развитых странах белково-калорийное голодание у детей можно встретить только при недостаточной нутритивной поддержке детей с тяжелыми истощающими заболеваниями. Для общей детской популяции РФ более характерен дефицит отдельных минералов и витаминов, связанный с неправильным или неадекватным питанием.

К настоящему времени сложилось мнение, что для развития ребенка необходимы все питательные вещества, однако некоторые микронутриенты особенно важны для формирования мозга. К таким микронутриентам относятся железо, цинк, медь, холин, длинноцепочечные полиненасыщенные жирные кислоты (ДПНЖК). Недостаток этих нутриентов вызывает изменение нейроанатомии, нейрохимические и нейрофизиологические нарушения. Нейрохимические нарушения включают изменение синтеза нейропередатчиков, рецепто­ров. Нейрофизиологические механизмы отража­ют изменение метаболизма и прохождения сигналов по проводящим путям [4].

Железо


Влияние дефицита железа (ДЖ) на развивающийся мозг к настоящему времени хорошо изучено в экспериментальных, клинических и эпидемиологических исследованиях. Экспериментальные исследования позволяют понять механизмы нарушений, возникающих при ДЖ. Железо является элементом, необходимым для базовых процессов нейрогенеза, так как входит в состав фер­ментов, участвует в миелинизации нервных волокон, продукции нейропередатчиков и энергетическом метаболизме [5]. Биохимические нарушения при ДЖ выражаются в снижении окислительных процессов в гиппокампе и фронтальных отделах коры, снижении концентрации допамина, изменении жирнокислотного состава и структуры миелина в нервных волокнах [6]. ДЖ может начинаться во внутриутробном периоде в случае тяжелой анемии у беременной женщины или тяжелой артериальной гипертензии.

В постнатальном периоде ДЖ развивается при отсроченном введении прикорма, сниженном потреблении железа при неадекватном вскармливании. Самым значимым фактором ДЖ и железодефицитной анемии (ЖДА) у детей грудного и ран­него возраста является использование коровьего, козьего молока или кефира для вскармливания детей. Работы Ziegler E. [7] показали, что основной причиной развития ДЖ у детей при использовании коровьего молока являются пердиапедезные кровотечения из кишечника. Аналогичные данные были показаны в исследованиях отечественных ученых [8], которые определяли потери железа с гемоглобином (Нb) из кишечника у детей, получающих 400 мл кефира ежедневно после 6-месячного возраста. Следует отметить, что ДЖ также развивается при использовании больших объемов коровьего молока в рационе детей в возрасте старше года.

Исследования распространенности ДЖА в развитых странах показали, что в Европе у 7,2% детей раннего возраста выявлялся ДЖ и у 2,3% -ЖДА [9]. В этой же работе было показано, что наиболее сильным фактором развития ЖДА было использование коровьего молока в рационе детей. В США ДЖ выявляется у 13% детей в возрасте 1 года. Исследование Gill et al. [10], проведенное в 21 центре в Великобритании, показало достоверное снижение уровня сывороточного ферритина и Нb в группе детей в возрасте 15 месяцев, получающих коровье молоко, по сравнению с группой детей, получающих обогащенную железом смесь.

Особенностью молочного питания детей ранне­го возраста в регионах России является использование большого объема коровьего молока. Например, по нашим данным, 3 и более порции коровьего молока в день получали 40% детей в Свердловской и 24% детей в Московской области [11]. Отечественные исследования показывают, что в Нижнем Новгороде средний объем коровьего молока и кефира в рационе детей 6-18 месяцев составляет 1000 мл/день [12], в Якутске — 30% детей старше 6 месяцев получают неадаптированные молочные продукты в количестве, превышающем 400 мл/день [13].


Влияние характера вскармливания на обеспеченность железом и распространенность ЖДА подтверждает тот факт, что в обследованных регионах число детей раннего возраста со сниженным уровнем Нв варьировало от 30% до 40%. Следствием недостаточного обеспечения железом является прежде всего нарушение миелинизации нервных волокон, что подтверждается не только в экспериментальных, но и клинических исследованиях. Клиническими проявлениями нарушения миелинизации является снижение проводимости сигналов по нервным путям [14]. Снижение проводимости звука и других сигналов замедляет восприятие информации, снижает амплитуду ответа и скорость реакции ребенка (табл. 1). Эти нарушения сохраняются не только в период заболевания, но и в последующие годы жизни. К настоящему времени имеются достоверные эпидемиологические доказательства снижения интеллекта, в особенности когнитивных функций, нарушения поведения и снижения моторной активности у детей, перенесших анемию в раннем детстве [15] (рис. 1).

Таблица 1.

Снижение проводимости звуковых сигналов у детей после перенесенной анемии*

Возраст, мес

Скорость проводимости звуковых сигналов, мс

Анемия в 6-12 мес.

Контроль

64,644,55
124,474,36
184,374,26

* По данным [14].

Цинк

Недостаток цинка в постнатальном периоде чаще всего связан с дефицитом цинка (ДЦ) в организме матери. Есть клинические исследования отечественных ученых, показывающие прямую достоверную корреляцию уровня цинка у матери и ребенка [16]. Во втором полугодии жизни распространенной причиной развития ДЦ у ребенка является нарушение вскармливания — позднее введение прикорма, большой объем злаковых (каши) и неадаптированных молочных продуктов в рационе.

Цинк является кофактором целого ряда важнейших ферментов, участвующих в метаболизме белка и нуклеиновых кислот. В экспериментальных исследованиях ДЦ у плода снижает количество ДНК, РНК и белка в мозге, кроме того, цинк участвует в регуляции процессов роста, так как входит в состав гормона роста и инсулиноподобного фактора роста.

Особая роль цинка для ЦНС обусловлена его нейросекреторной деятельностью. Цинк содержится в высокой концентрации в синаптических пузырьках особого вида нервных клеток, так называемых цинксодержащих нейронов. Эти нейроны способны секвестрировать слабо связанный с белком цинк, благодаря наличию в них специфического насоса в виде цинк-переносчика-3 (Zn-ТЗ), который располагается на мембране нейронов [17]. Общее количество цинка, содержащегося в этих нейронах, очень невелико и составляет около 5% всего цинка, содержащегося в мозге, однако активность этой небольшой фракции цинка составляет 100% активности всего цинка, содержащегося в тканях мозга [18]. Поэтому важно отметить, что только цинксодержащие нейроны содержат в своем составе активный цинк. Морфологически цинксодержащие нейроны концентрируются в районе гиппокампа, и можно предположить, что в процес­се передачи сигнала происходит высвобождение цинка в синаптическое пространство [19].

Цинк в составе нейронов играет роль регулятора уровня глютамата, увеличивая его количество путем полимеризации и преципитации или замедляя его высвобождение. Таким способом регулируется передача сигналов с помощью нейротрансмиттера глютамата. Помимо этого в мозге существует целый ряд белков, включающих рецепторы, транспортные белки, такие как, например, α-макроглобулин и др., для нормального функционирования которых необходим цинк.

Исследования на животных показали, что ДЦ изменяет их поведение, причем определяющую роль играет возраст животного, тяжесть и длительность ДЦ. В экспериментальных исследованиях на крысятах было показано, что ДЦ в раннем неонатальном периоде вызывает помимо снижения роста также нарушения моторных функций [20]. У де­тей, рожденных у цинкдефицитных матерей, отмечаются некоторые особенности поведения, свидетельствующие об изменении функции гиппокампа. Многолетние исследования детей с ДЦ показали снижение у них способностей к обучению [21]. Есть данные о благоприятном влиянии обогащения рациона цинком на психоневрологическое развитие у детей в Индии [22], Гватемале и Китае [23].

Холин

В 1912 г. С. Funk впервые описал органическую молекулу, необходимую в небольших количествах для здоровья человека. В 1998 г. Национальная академия наук США признала важность холина для состояния здоровья человека и выпустила рекомендации по ежедневному потреблению холина для разных возрастных групп [24]. В этих рекомендациях отмечается, что холин может синтезироваться в организме в небольших количествах, однако дополнительное количество холина должно поступать в организм человека с продуктами питания. Источником холина в рационе могут быть многие овощи и мясные продукты, при этом максимальное количество холина содержится в яйцах, печени, арахисе.

В организме человека холин выполняет 3 основные биологические функции:

1) холин является предшественником фосфатидилхолина и сфингомиелина, входящих в состав большинства клеточных мембран организма человека;

2) холин является источником для синтеза не­которых сигнальных молекул и нейропередатчика ацетилхолина;

3) холин после взаимодействия с ферментами превращается в бетаин, метильные группы которого необходимы для процессов метилирования ДНК и ресинтеза метионина.

Экспериментальные исследования последних лет демонстрируют, что включение в рацион беременных животных дополнительного количества холина изменяет структуру и функцию гиппокампа у новорожденных: увеличение активности ответа нервных клеток, увеличение разветвленности пирамидных клеток гшшокампа [25]. Эти данные позволяют утверждать, что обогащение рациона холином увеличивает активность физиологических функций пирамидальных клеток гиппокампа, включая электрофизиологические свойства и морфологию.

Нейропсихологические проявления этих из­менений имеют отдаленные последствия (рис. 2). Процесс старения и утраты функций памяти был более быстрым у экспериментальных животных, матери которых не получали дополнительного включения холина в рацион.

Экспериментальные исследования показывают, что недостаток холина в фетальном периоде снижает активность пролиферации и миграции клеток-предшественников нейронов в гиппокампе у новорожденных мышей, изменяет активность синтеза некоторых белков за счет снижения процессов метилирования клеточной ДНК. Нарушение метилирования ДНК клеток мозга изменяет экспрессию генов, отвечающих за синтез белков, обеспечивающих нормальный клеточный цикл, и таким образом влияет на развитие мозга и деятельность ЦНС [26]. Увеличение уровня холина в рационе беременных самок крыс увеличивало зрительную и слуховую память у их потомства.

Следует отметить, что хотя все современные детские заменители грудного молока обогащены холином, имеются различия по составу холинпроизводных компонентов. Содержание холина в грудном молоке во многом зависит от рациона матери. Адекватное питание беременной и кормящей женщины, включающее мясные, молочные продукты, позволяет получить достаточный уро­вень холина. Грудное молоко при адекватном рационе кормящей женщины содержит достаточное количества холина и его производных.

Таблица 2.

Холинсодержащие компоненты грудного молока

Компоненты, мкмоль/лПреждевременные родыСрочные роды
Холин98±45116±22*
Глицерофосфохолин370±42362±70
Фосфохолин639±118570±136
Фосфатидилхолин90±ЛЗ82±6
Сфингомиелин104±9124±9

* р<0,05.

В таблице 2 представлены данные по составу холинпроизводных компонентов в грудном молоке у матерей после срочных и преждевременных родов [27].

Учитывая эти данные, в 2000 г. Институт ме­дицины американской академии выпустил рекомендация по ежедневному потреблению холина для разных групп населения (табл. 3).

Таблица 3.

Рекомендованные нормы ежедневного потребления холина для детей, беременных и кормящих женщин

ГруппыВозрастАдекватное потребление (AI)
Младенцы0-6 мес.125 мг
Младенцы6-12 мес.150 мг
Дети1-3 года200 мг
Женщины беременные и кормящие450-550 мг

Длинноцепочечные полиненасыщенные жирные кислоты

Особую роль в развитии и функционировании мозга играют ДПНЖК, а именно докозагексаеновая жирная кислота (DHA), относящаяся к омега-3 жирным кислотам, и арахидоновая жирная кислота (АА), представляющая омега-6 группу жирных кислот. Обе жирные кислоты можно отнести к условно эссенциалъным жирным кислотам для детей грудного и раннего возраста, так как несмотря на то, что в норме DHA и ARA синтезируются в организме человека из жирных кислот-предшественников, синтез DHA у детей грудного возраста существенно снижен и составляет, по расчетам, только 50% необходимого количества. Важность DHA для детей грудного возраста подтверждается их высоким содержанием в тканях мозга (до 35-40%) и сетчатки (60%).

Оценить степень и локальность снижения уровня DHA в мозге довольно сложно, так как ис­пользование животных моделей не позволяет полностью перенести полученные данные на человека. Тем не менее гистологические и морфометрические данные, полученные у DHA-дефицитных крысят, показывают достоверное снижение уровня DHA во фронтальных отделах коры, снижение размеров гиппокампа. Именно эти отделы мозга отвечают за функции памяти, решения задач и способности обучения [28].

Функции ДПНЖК. Роль ДПНЖК активно изучается в экспериментальных и клинических исследованиях. Современные данные позволяют выделить основные направления влияния DHA на развитие мозга:

1)  свойства мембран. Наличие DHA в мембранах нейронов влияет на свойства мембраны, взаимодействие мембраны с белками-факторами транскрипции, формирование синаптических «плотов», определяющих скорость прохождения сигналов. Кроме того, наличие DHA в мембране клетки способствует большей проницаемости для воды и ионов, большей пластичности и большим возможностям межклеточного взаимодействия;

2)   нейрогенез. DHA и АА важны для синтеза новых клеток и их мембран. Jordar et al. [29] было показано, что увеличение концентрации ОНА увеличивает активность синтеза астроцитов, количество дендритов и их разветвленность. Наличие DHA в экспериментальных исследованиях увеличивает нейрогенез нейростволовых клеток (рис. 3) [30]. В период быстрого роста и развития высвобождение DHA и АА из клеточных мембран является сигналом синтеза новых клеток [31];

3)   функция сетчатки. DHA составляет 50% всех жирных кислот в мембранах наружного сегмента палочек (НСП) сетчатки. DHA селективно включается в состав фосфолипидов фоторецепторов и в культуре клеток обеспечивает дифференциацию фоторецепторов сетчатки. Считается, что высокий уровень DHA в мембранах позволяет усилить эластичность и текучесть мембраны НСП. Высокое содержание DHA в мембранах НСП необходимо для наибольшей фотохимической актив­ности родопсина, зрительного пигмента палочек. Кроме того, есть данные о специфической функции DHA в органе зрения, которые показывают что DHA, связанная с внутренним фоторецептором, содержащим ретинол-связывающий белок, обеспечивает восполнение родопсина свежим хромофором. В экспериментах на животных длительное исключение DHA из рациона приводило к снижению его содержания в сетчатке [32].

Использование в питании детей смесей, не обогащенных DHA, приводит к снижению содержания этой жирной кислоты в мембранах клеток [33]. Включение DHA в детские молочные смеси позволяет приблизить уровень DHA в организме ребенка к показателям детей, получающих грудное молоко (рис. 4).

Данные современных исследований показыва­ют, что недостаточное содержание DHA в рационе сопровождается снижением остроты зрения у младенцев. В клинических исследованиях удалось продемонстрировать, что чувствительность сетчатки (и острота зрения) зависит от обеспеченности DHA и повышается при дополнительном включении DHA в рацион ребенка [34]. В работе D. Hoffman et al. [35], изучавшего влияние дополнительного введения DHA в рацион детей первого го­да жизни, было продемонстрировано увеличение скорости реакции сетчатки на световой импульс при включении DHA в рацион (рис. 5). Предполагалось, что такое младенческое снижение остроты зрения не имеет в дальнейшем никаких последствий для ребенка. Однако в настоящее время ученые считают, что недостаточные сигналы, поступающие в кору мозга от зрительного аппарата в раннем постнатальном периоде, затрудняют образование тесных синаптических связей, особенно в случаях наличия асимметрии между глазами и способствует развитию амблиопии [35].

Источники ДПНЖК. Новорожденный ребенок получает необходимое количество АА и DHA из материнского молока. Содержание липидов в грудном молоке зависит от рациона матери, про­должительности грудного вскармливания и ряда других факторов.

В отличие от грудного молока многие стандартные детские молочные смеси не содержат ДПНЖК. Дети, получающие эти продукты, зависят от возможностей эндогенного синтеза ДПНЖК в организме. В целом ряде исследований было продемонстрировано, что у грудных детей на искусственном вскармливании снижается уровень ДПНЖК в мембранах эритроцитов. Также было показано, что содержание ДПНЖК в тканях у детей на искусственном вскармливании, в частности в коре мозга, ниже по сравнению с уровнем ДПНЖК у детей, получающих естественное вскармливание. Исследования тканей при посмертной биопсии детей, погибших от синдрома внезапной смерти, показали, что уровень DHA в мозге у детей, получавших грудное молоко, достоверно выше по сравнению с детьми, получавшими искусственное вскармливание [36].

ДПНЖК и когнитивные функции. Многочисленные экспериментальные, морфологические и клинические исследования показали, что обеспеченность или дефицит DHA в рационе беременной женщины, кормящей матери или рационе ребенка первых лет жизни влияет существенным образом на когнитивные функции. Причем возраст проявления этих нарушений может быть различным. Например, снижение уровня циркулирующей в плазме DHA у детей грудного возраста проявлялось в специфических нарушениях когнитивности в виде снижения скорости решения проблемы, внимания; у детей раннего возраста — в виде нарушения способности к сосредоточению [37]; у дошкольников и школьников — в виде нарушения памяти и внимательности [38]. Более того, имеются данные об улучшении обучаемости и развития школьников, получавших в младенчестве добавки DHA, хотя в более ранние сроки никаких измене­ний не было выявлено [39]. Представляют интерес исследования L. Krabbendam et al. [40], которые показали, что снижение уровня DHA в крови новорожденных детей впоследствии (в возрасте 7 лет) сопровождается поведенческими нарушениями. Интересно отметить, что эти нарушения не зависели от уровня DHA в крови в возрасте 7 лет.

Изучения влияния DHA на развитие когнитивных функций у детей вызывает многочисленные дискуссии, связанные со сложностью оценки этих функций у детей в младенческом и раннем возрасте. В настоящее время исследователи пришли к мнению, что наилучшими показателями развития когнитивных функций в раннем возрасте являются два высокоспецифичных параметра — это память и скорость обработки информации (скорость принятия решения). Принимая во внимание эти показатели, удается более полно выявить влияние характера вскармливания на коэффициент интеллектуального развития и когнитивные функции. Оценивая действие этих факторов питания, следует учитывать также генетический полиморфизм, в частности, например, генов, ответственных за активность работы десатураз жирных кислот (FADS 1, 2), так как в конечном итоге взаимодействие факторов питания и наследственности человека определяет его фенотип [41].

Особенность микронутриентов состоит в том, что их дефицит вызывает изменения в наиболее тонкой и существенной для жизни человека сфере, сфере когнитивных функций, которые включают память, внимание, способность к сосредоточению и обучению, эмоциональную сферу и др. Эти нарушения могут быть мало заметны на ранних этапах развития, но могут приводить к долговременным неблагоприятным последствиям в работе ЦНС, что может сопровождаться снижением способности к обучению, поведенческими нарушениями и в конечном итоге снижением качества жизни взрослого человека.

O.K. Нетребенко

Российский государственный медицинский университет, г.Москва

Литература

1. Nurk E., Drevon CBefsum H. et al. Cognitive perform­ ance among the elderly aad dietary fish intake: Hordaland health study. Am. J. Clin. Nutr. 2007; 86:1470-1478.

2. Murrey L., Beard L. Iron treatment normalizes cognitive functioning in young women. Am. J. Clin. Nutr. 2007; 85: 778-787.

3. Beydoun M., Kaufman J.S., Satia J. et al. Plasma ω-3 fatty acids and the risk of cognitive decline in older adults: the Atherosclerosis Risk in Communities Study, Am. J. Clin. Nutr. 2007; 85: 1103-1111.

4. Georgieff M.K. Nutrition and developing brain: nutri­ent priorities and measurements. Am. J. Clin. Nutr. 2007; 85: 614-620.

5. Beard J.L, Wieslnger JA., Connor J.R. Pre and postweaning iron deficiency alters myelination in Sptraue-Dawley rats. Dev. Neurisc. 2003; 5: 308-315.

6. Rao R., Georgieff M.K. Perinatal aspects of iron metabolism. Acta Paediatr. Suppl. 2002; 91: 124-129.

7. Ziegler E., Fomon S. Cow milk feeding in infancy: fur­ ther observation on blood loss from gastrointestinal tract. J. Pediatr. 1999; 116: 11-18.

8. Сафонова А. Клинико-физиологическое обоснование оптимальных подходов к использованию молочных продук­тов в питании детей раннего возраста: автореф. дисс. …канд. мед. наук. М., 2004.

9. Male CPersson LA., Freeman V. et al. Prevalence of iron deficiency in 12-nionths-old infants from 11 European areas and Influence of dietary factors on iron status (Euro-Growth Study). Acta. Ped. 2001; 90: 492-498.

10. Gill D.G., Vincent S., Segal D.S. Follow-on formula in the prevention of iron deficiency: a multicenter study. Acta Ped. 1997; 86 (7): 683-689.

11. Нетребенко О.К., Лаводо К.С., Старовойтов М.Е. и дp. Распространенность железодефицитных состояний у детей первых двух лег жизни. Педиатрия. 1996; 4: 14-19.

12. Васильева ОА. Характеристика питания детей ран­него возраста в крупном промышленном центре и пути его со­вершенствования: автореф. дисс … канд. мед. наук. Н. Нов­город, 2002.

13. Црокопьева СИ. Характер и особенности питания де­тей первого года жизни в условиях Республики Саха (Яку­тия): автореф. дисс. … канд. мед. наук. М., 2005.

14. Roncagliolo M., Garrido M., Walter Т. et al. Evidence of altered central nervous system development in infants with iron deficiency anemia at 6 months: delayed maturation of audi­tory brainstem responses. Am. J. Clin. Nutr. 1998; 68 (3): 683-690.

15. Walter T. Impact of iron deficiency on cognition in infancy and childhood. Eur. J. Clin. Nutr. 1993; 47: 307-316.

16. Легонькова Т.И. Клиническое значение дефицита цинка для матери и ребенка: автореф. дисс.  канд. мед. на­ук. Смоленск, 2004.

17. Fredericson С., Suk S., Silva D. et al. Importance of zinc in the central nervous system: the zinc-containing neu­rons. J. Nutr. 2000; 130: 1471S-1484S.

18. Colvin R.A., Davis N., Nipper W. et al. Zinc transport in the brain: routs of xinc influx and efflux in neurons. J. Nutr. 2000; 130: 1484-1487.