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研究背景
大量研究发现对低热量饮食的反应不足归因于激素适应性超过了食物摄入的自我控制。也有一些研究表明，涉及自我调节的高级执行认知过程在健康的食物决策和体重管理中起着重要作用。如在热量摄入限制过程中，对负的能量平衡（negative energy-balance，笔者理解为能量流失，体重下降）的激素反应可以改变大脑参与进食过程的活动。但热量摄入限制过程中能量平衡信号（瘦素（leptin）和饥饿素（ghrelin））的变化是否能调节与食物摄入有关的大脑网络，改变认知控制相关区域的活动还不明确。
至此，来自加拿大蒙特利尔神经病学研究所的研究者们假设了中枢神经网络在热量摄入限制中作用：(1)fMRI下认知控制网络的激活可以预测减肥（2）早期体重减轻应导致能量平衡信号（瘦素和饥饿素），这将导致与奖励相关的区域活动增加并抵消自我控制机制。他们通过开始限制饮食前和1-3个月循环能量平衡激素和对食物线索的脑功能磁共振成像反应来验证这一假设。本文发表在Cell metabolism杂志。
实验材料和方法
24名被试（1名男性）的平均年龄为37.2（SD =±8.4）岁，身体质量指数(BMI)为30.4(SD=±3.2)kg/m2。接受了为期3个月的热量摄入限制计划。在fMRI中，被试在fMRI成像前3小时吃一顿标准早餐。在规定的时间采集静脉血液并在视觉模拟量表(VAS)上自我报告的饥饿水平。在fMRI期间，他们观看了216张美味食物或风景照片。
图1 实验设计
结果
该研究发现第1个月前额区域的活动和功能连接增加与第1个月和第3个月的体重减轻相关。体重减轻也与胃饥饿素增加和瘦素减少相关，并且这些变化与在奖励相关脑区的食物线索引起的反应相关。然而，瘦素的减少并没有抵消体重减轻;事实上，这与第3个月的进一步体重减轻有关。研究认为前额区与自我控制有关的激活与成功减肥和体重保持有关。这项研究支持了更高层次的认知脑功能在人体体重调节中的作用。（即，第三个月的瘦素轻微降低并不能解释第三个月体重的显著降低，而前额叶认知控制的脑区的激活与第三个月的体重降低显著相关）。
热量摄入限制导致体重减轻
研究者先对第1和第3个月限制热量摄入期间体重、体力活动、饥饿水平和能量平衡激素水平与基线相比的变化进行了分析，所有分析均采用线性混合效应模型。在热量摄入限制期内，体重指数有了显著的下降。两两比较显示，从基线到第1个月，从第1个月到第3个月，体重指数显著降低。通过视觉模拟量表(VAS)评估的自我报告的体力活动水平和饥饿水平在不同的疗程中没有显著差异。（图2A）
图2 自愿限制热量的影响
认知控制网络中的活动与减肥相关
第1个月的初始体重减轻与在食物-风景对比任务中与认知控制相关的区域(如dlPFC、IFG、dACC、顶叶下叶和尾状核)的Bold信号的(第1个月与基线相比)加强相关。第1个月时与认知控制相关的网络脑区在食物线索任务中的激活也与第1个月至第3个月的体重降低呈正相关。此外，这个网络在第3个月的激活降低与2年后的体重反弹有关。
研究者还使用独立成分分析对任务态fMRI数据进行成分分解。其中一个成分与任务态激活呈现高度相关。且该成分的大部分脑区与上述网络脑区高度重合，即被认为参与认知控制的右额顶叶网络。他们发现，在这个网络中，食物-环境的激活增加(第1个月与基线)与第一个月的体重降低显著相关。（图3-C）
图3第一个月的体重减轻与与认知控制相关的区域的变化有关
热量摄入限制时的内侧前额叶（vmPFC）BOLD信号的下降
研究者将通过刺激价值计算的任务态实验的元分析得出的vmPFC脑区作为感兴趣区域进行分析。第一个月食物线索下vmPFC的激活较于基线显著降低。第三个月vmPFC（食物-风景）的激活较于基线显著降低，与体重的持续降低保持一致。与第1个月相比，第3个月vmPFC激活没有差异。研究者认为这反映了被试成功的自我调节。（图4A-B）
热量摄入限制时的食物喜好降低
对食物线索相对于风景线索的主观喜好评分反应了与vmPFC信号相似的时间效应:与基线相比，喜好评分在第一个月显著降低，并持续到第3个月。第3个月的喜好评分与第1个月没有显著差异。这些结果与先前的观察结果相一致，即在自愿限制热量摄入的过程中，对食物的渴望会减弱。此外，对食物和风景线索的喜好与食物线索vmPFC在所有时间中的激活相关，支持该区域在价值计算中的作用。综上所述，vmPFC信号和对食物线索的喜好在自愿限制热量摄入的过程中都有所下降，与之前的研究一致，这些信号与食欲的自我调节有关。(图4C-D)
在热量摄入限制期间vmPFC的功能连接改变
与基线相比，vmPFC与食物刺激的视觉处理相关脑区的功能连接在第1个月显著降低。这些脑区包括舌回和双侧枕叶。这些区域的大脑活动与聚焦于有价值刺激的视觉特征搜索有关，这些区域被认为向vmPFC发送经过处理的视觉信息。刺激的整体主观价值在vmPFC中被计算出来并用于决策。体重减轻还与先前与认知控制相关的左侧dlPFC和vmPFC的连接增强有关(通过使用元分析工具NeuroSynth中搜索关键词“认知控制”生成的mask)。据此，研究者提出这样一个模型，在这个模型中，有意识的热量摄入限制是由vmPFC中价值计算的变化，及其与计算刺激属性所涉及的视觉区域的连接减少，以及与自我控制所涉及的前额区域的连接增加所导致的。这些结果建立在先前的研究基础之上，这些研究表明dlPFC激活及其与vmPFC的连接与自我调节和减少食物消耗有关。(图4E-F)
图4 热量摄入限制后的vmPFC活动
在热量摄入限制的第一个月到第三个月，IFG活动量的逐渐减少
上述IFG和vmPFC的影响在第1个月至第3个月趋于减弱，此时右侧IFG/额顶皮层活动降低，vmPFC与左侧dlPFC的连接降低。与第1个月相比，第3个月右IFG的BOLD活动降低更多的参与者在2年随访中体重反弹更多。认知控制网络的激活和连接的变化无法持续，这可能与随后体重反弹有关。(图2B、3D)
在热量摄入限制期间，瘦素减少和胃饥饿素增加
瘦素和饥饿素都表现出对体重降低的适应性。血浆瘦素在时间差和采样时间上均有显著差异。第1个月和第3个月的水平都显著低于基线，第1个月和第3个月之间没有变化。总血浆生长素水平在第1个月呈显著上升趋势，在第3个月保持高水平，在第1个月和第3个月之间没有变化。血浆酰基饥饿素在第1个月出现显著升高，但在第3个月相对于基线没有显著差异。
第1个月相较于基线体重减轻的幅度与第1个月与基线相比餐前瘦素的对数和餐前饥饿素水平的变化显著相关。其中，体重减轻的幅度与瘦素的对数的变化负相关，总饥饿素的变化为正相关，而与酰基饥饿素的变化不相关。第3个月相较于基线体重减轻的幅度，与餐前瘦素水平的变化呈负相关，与餐前总饥饿素水平的变化呈正相关，但与无酰基饥饿素水平的变化无关。
没有发现时间对血糖和胰岛素水平有显著影响。此外，通过稳态模型评估的胰岛素敏感性在时间上没有显著差异。(图2B-F、图5A-B)
图5 瘦素和饥饿素水平的相关性
胃饥饿素与瘦素的变化与奖赏区域的提示反应性相关
研究者认为，体重减轻引起的饥饿素和瘦素的变化会增加大脑在观看食物线索时对奖赏相关区域的激活，而这将导致暴饮暴食和节食失败，这与他们的实验结果相一致。第1个月餐前饥饿素水平的增加与第1个月mPFC、尾状核和视觉皮层活动的增加有关，所有这些区域都与食欲处理有关。体重减轻引起的第1个月餐前瘦素水平下降也与mPFC和视觉皮层活动增加有关。这表明，与基线相比，第1个月的代谢适应增加了第1个月的食物线索引起的大脑激活。第1个月餐前饥饿素水平的增加与第1个月mPFC、尾状核和视觉皮层活动的增加有关，所有这些区域都与食欲处理有关。体重减轻引起的第1个月餐前瘦素水平下降也与mPFC和视觉皮层活动增加有关。这表明，与基线相比，第1个月的代谢适应增加了第1个月的食物线索引起的大脑激活。（图5C-F）
胃饥饿素与瘦素的变化并不对应体重的持续下降
最后研究者探究了负能量平衡信号是否可以通过增加与价值相关的食物线索的激活和食物摄入量来抵消参与者持续减肥的努力。
第1个月与基线相比瘦素的减少与第3个月与第1个月相比体重进一步降低显著负相关，且与第2年的体重持续降低显著正相关。与基线相比，饥饿素水平的增加与3个月或2年的体重变化没有显著关系，虽然该影响的方向与导致体重增加的饥饿素适应相反。这些结果表明，瘦素的减少和胃饥饿素的增加并不对应体重的降低，即使它们增加了与奖励相关的食物线索反应性。事实上，瘦素的减少预示着后续体重的进一步降低。这可能是因为食欲控制较好的人体内瘦素的减少幅度更大，他们的体重减轻得更多。（图5G-H）
在该研究中，瘦素和饥饿素对减肥的适应性并不能解释节食在长期内的不持续性。这些结果表明，瘦素在第1个月的减少是成功减肥的标志，与未来的减肥和/或维持有关。事实上，在一篇前瞻性研究中，第1个月的体重降低预示着8年后体重的下降。而本文的结果与瘦素水平在热量摄入限制期间的降低可能促进食物摄入增加和导致减肥平台期或体重反弹的观点不一致。且这一理论最近受到了质疑。最近一项针对自愿减肥试验的荟萃分析综述得出结论，瘦素水平下降似乎不能预测体重反弹。此外，即使瘦素药物治疗的个体接受热量摄入限制改变能量消耗和神经对食物线索的反应，它不影响随意的食物摄入量。在限制热量饮食或胃旁路手术后，给予瘦素也不能使体重减轻更多。这也许可以解释为什么瘦素药物治疗减肥的结果令人失望以及相关的文献相对匮乏。
结论
虽然研究者的小样本量在神经成像的研究中是常见的，但它限制了该研究的统计能力和研究结果的通用性。尽管存在这些局限性，该研究与将决策和自我调节作为人类体重控制的核心的模型是一致的。另一方面，尽管这里没有测量到的其他激素可能也有贡献，但这一假说并未得到支持，即来自瘦素、饥饿素或胰岛素的自我平衡的饥饿信号会抵消个体限制热量。因此，研究者对已有研究将瘦素等饥饿信号通路作为辅助性靶点，用于与热量摄入限制联合治疗肥胖的方法抱有消极看法。进一步的，研究者认为以认知控制为目标的策略在减肥中发挥了重要作用。（综上，科学减肥还是要靠意志力！）
参考文献：
Neurocognitive and hormonal correlates of voluntary weight loss in humans
S Neseliler, W Hu, K Larcher, M Zacchia, M Dadar… - Cell metabolism, 2018 - Elsevier
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