งานวิจัย: Intermittent metabolic switching, neuroplasticity and brain health

• Liver contain glycogen 700-900 kcal, which will last 10-14 hours in individual who are not exercising.
• Exercise accelerate depletion of glycogen in liver. Eg. By running 1 hours(600kcal), it will hasten the G-to-K switch for 4 hrs.

กลไก: การอดอาหารสลับกิน อาจส่งผลดีต่อระบบประสาท ทั้งตอนอดและตอนกลับมากิน

ตอนอด(อาจรวมการออกกำลังกาย, การกิน ketogenic diet, ฯลฯ ที่ทำให้เกิดการ burn ไขมัน จนเกิด ketone body)

• ในขณะอดอาหาร หรือ ออกกำลังกาย อย่างเหมาะสม ร่างกายจะเกิดการเผาผลาญไขมันเป็น ketone bodies(B-Hydroxybutyrate: BHB) ซึ่งใช้เป็นพลังงานของเซลล์ประสาทได้
  โดย mitochondria สามารถนำไปใช้สร้างได้ทั้ง ATP และ electron reducing agent(ตัวรับอนุมูลอิสระ e-) = AcetylCoA ในกระบวนการ electron transport chain จึงจัดว่าเป็นพลังงานสะอาดกว่า glucose
• ketone สามารถส่งเข้าสู่สมองโดย monocarboxylic acid transporters
• ketone ทำให้เกิดการ upregulate การ expression ของ BDNF(Brain-derived neurotrophic factor), และ อาจกระตุ้นการสร้าง mitochondria(biogenesis), synaptic plasticity, เพิ่ม cellular stress resistance
• เซลล์ Astrocyte ในสมอง ก็สร้าง ketone ได้เช่นกัน(ketogenesis) อาจเป็น local source ของ ketone ในสมอง
• การสลับโหลดพลังงาน(intermittent metabolic switching) ทำให้เกิด insulin sensitivity สูงขึ้น ทำให้เซลล์ประสาท นำ glucose ไปใช้ได้ดีขึ้นด้วย

ตอนกลับมากิน

• หลังจากอด/ออกกำลังกาย เมื่อลำไส้ กลับมาเจอ carbohydrate, glucose จะเกิดการหลั่งฮอร์โมน GLP1(glucagon-like peptide 1) โดย enteroendocrine cells ออกสู่กระแสเลือด
  • GLP1 สามารถกระตุ้น pancreas ให้หลั่ง insulin มากขึ้นได้ รวมถึงกระตุ้น insulin sensitivity ในเซลล์ร่างกาย ทำให้จัดการ glucose ได้ดีขึ้น
  • GLP1 สามารถผ่าน blood brain barrier เข้าสู่สมองได้ และ มีผลกับ neuron โดยตรง โดยเพิ่ม synaptic plasticity(ความยืดหยุ่นในการเชื่อมโยงของใยประสาท), เพิ่ม cognition, cellular stress resistance.

ผลการทดลอง

⚠️ข้อสังเกต

• ใน paper นี้ ศึกษาการอดในระยะสั้นเท่านั้น ซึ่งจะไม่เหมือนกับการอดอาหารต่อเนื่องยาวนาน(อดต่อเนื่องนานเป็นสัปดาห์หรือมากกว่า) ที่จะมีผลทำให้เกิดการสลายมวลกล้ามเนื้อ(muscle mass)
• ในเรื่องของ Metabolic switching, paper นี้ คัดเฉพาะ งานวิจัยที่มีการวัดความเข้มข้น ketone ในกระแสเลือดขณะอด หรือ งานวิจัยที่ใช้วิธีการที่ทำให้แน่ใจว่าเกิด ketone ในกระแสเลือดเท่านั้น(บางงานวิจัย แค่ทดลอง ทำ IF เฉยๆ แต่ไม่ได้ วัด ketone)
  • การทดลองส่วนใหญ่ในหนู จะเป็นการอดอาหารและวัด ketone แต่ไม่ค่อยมีการทดลองเกี่ยวกับออกกำลังกายกับ ketone มากนัก แต่ก็มีบางงานวิจัยที่พบว่า การออกกำลังกายความเข้มข้นสูง(vigorous exercise)ในหนู ทำให้เกิด ketone ได้เช่นกัน
• หนู มีอัตรา metabolism ที่สูงกว่ามนุษย์มาก ในมนุษย์อาจต้องมีการอดที่นานขึ้น หรือมีการออกกำลังกายร่วมด้วย จึงจะได้ความเข้มข้นเท่ากัน

ผลของ Intermittent metabolic switching กับ ระบบประสาท [Neuronal adaptation to IMS]

ด้านพฤติกรรม(Behavioral adaptation)

• ทดลองในหนู โดยลดปริมาณอาหารลง(Caloric restriction:CR)เหลือ 60% ของปริมาณปกติต่อวันที่หนูกินอย่างไม่จำกัด(Ad libitum) และ จำกัดเวลากินในช่วง 4 ชม(Time restricted fasting) พบว่า มี ketone เกิดขึ้น
• หนูที่มีการอดตั้งแต่ในช่วงอายุวัยรุ่นไปจนถึงวัยชรา ไม่พบความถดถอยตามอายุในการเรียนรู้หรือความจำ และประสิทธิภาพการเคลื่อนไหว-ความคล่องแคล่ว(locomotor) ดีกว่าแม้อายุจะมากขึ้น เมื่อเทียบกับหนูที่กินอย่างไม่จำกัดตามต้องการ นอกจากนี้พฤติกรรมที่แสดงความวิตกกังวล(anxiety-liked behaviour)ก็ลดลงด้วย
• หนูวัยกลางคน(middle age) จำกัดอาหารด้วย calories ต่ำมาก 4 วันต่อเนื่องทุกสัปดาห์ เป็นเวลา 7 เดือน พบว่า สามารถจดจำทิศทาง(spatial memory) ในการทดลองเขาวงกต, การจดจำสัญลักษณ์พิเศษ(novel object recognition) ได้ดีกว่าหนูที่กินไม่จำกัดที่อายุเท่ากันอย่างมีนัยสำคัญ
• การออกกำลังกายและมีการใช้ความคิดไปด้วย หรือ มีการทำแบบฝึกสมองทันทีหลังออกกำลังกาย ให้ผลดีในการพัฒนาสมอง มากกว่าการออกกำลังกายอย่างเดียว(ที่ให้ผลรองลงมา) หรือ ทำแบบฝึกสมองเพียงอย่างเดียว(ที่ให้ผลต่ำสุด) ซึ่งอาจแสดงถึงการที่เมื่อมีการประสบภาวะอดอาหาร หรือออกกำลังกายเพื่อหาแหล่งอาหาร/ล่า ธรรมชาติมีความจำเป็นที่จะต้องทำให้สมองดีขึ้น เพื่อความอยู่รอด

ด้านการสร้างเซลล์ประสาทและแขนงประสาทใหม่(Neuronal network activity, synaptic plasticity and neurogenesis.)

• ในโรคลมชัก พบว่าหนูที่มีการอดอาหารข้ามวัน(Alternate day fasting) มีความทนทานของเซลล์ประสาทในสมองส่วน Hippocampus ต่ออาการชักได้ดีกว่า(เสียหายน้อยกว่า) และ มีการเกิดภาวะสมองเสื่อมน้อยกว่า(cognitive impairment), รวมถึงในมนุษย์ พบว่าผู้ป่วยเด็ก ที่ไม่ตอบสนองต่ออาหาร keto เมื่อทำ IF ก็มีความถี่ในการชักลดลง
• ในหนูทดลองที่ อดหรือออกกำลังกายเป็นประจำ มีการเกิดการเชื่อมโยงเซลล์ประสาท(synapse) ที่แข็งแรง(long-term potentiation) และมีแขนงประสาทที่หนาแน่นกว่า(dendritic density) หนูที่กินแบบไม่มีการอด(ad libitum) โดยในการทดลองจะมีทั้ง การอด IF22/2 เป็นเวลา 3 weeks อย่างเดียว หรือร่วมกับการวิ่งหมุนวงล้อ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า การอดอาหารร่วมกับการออกกำลังกาย สามารถเพิ่มความยืดหยุ่น ในการเชื่อมโยงและปรับแปลี่ยนแขนงประสาท (synaptic plasticity) ได้
• ในผู้ใหญ่(สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ไม่ว่าจะหนู ลิง มนุษย์ ฯลฯ) เซลล์ประสาทใหม่ยังสามารถถูกสร้างได้ ในสมองส่วน hippocampal dentate gyrus เซลล์ประสาทที่ถูกสร้างจะเปลี่ยน(differentiate)ตัวเองเป็น เซลล์ประสาทหลักในบริเวณนั้น(granule neuron) เพื่อเชื่อมต่อกับเซลล์ประสาทอื่นๆ ทั้งในพื้นที่ใกล้เคียงและจากสมองส่วนอื่นๆ ได้แก่ Entorhinal cortex ทางผ่านหลักของข้อมูลความจำ, Basal forebrain สมองส่วนหน้าเกี่ยวข้องกับความตั้งใจและอารมณ์, Mammillary bodies ที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลความจำ
• การวิ่งจะกระตุ้นการสร้างเซลล์ประสาทใหม่(Proliferation of the stem cells) ส่วนการอด(IF) จะเพิ่มการอยู่รอดของเซลล์ใหม่เหล่านั้น(survival of neurons)

กลไกทางชีวเคมีที่เกิดจากการสลับรูปแบบการเผาผลาญ [Signalling pathways impacted by IMS]

Neurotransmitters and neurotrophic factors

• ในหนูทดลอง พบว่าการอดอาหาร 18 ชม และการวิ่งวงล้อออกกำลังกาย กระตุ้น CREB(cAMP-responsive element binding protein) ให้ทำงานมากขึ้น ซึ่งเป็นหนึ่งใน transcription factors ที่อยู่บริเวณส่วนปลายของเซลล์ประสาท(Post-synaptic neuron) ส่งผลให้ แขนงใยประสาท(dendritic spine) และการสร้างการเชื่อมโยงใหม่(synaptogenesis) เกิดได้เร็วขึ้น และ อยู่ทนนานขึ้น(long-term potentiation)
  โดยการอดอาหารจะกระตุ้น CREB ในสมองส่วน hippocampal และ entorhinal cortex, ส่วนการออกกำลังกาย กระตุ้นใน hippocampal และ cerebral cortex

• Ketone สามารถเพิ่ม GABAergic tone* และ ketone อาจเป็นตัวกลางสำคัญ ที่ทำให้ระบบประสาทมีการตอบสนองต่อ Intermetabolic switching : IMS(การสลับไปมาระหว่างการใช้ Glucose และ Ketone) นอกจากนี้ยังมีผลต่อสารสื่อประสาทอื่นๆ ทั้ง Serotonin, Norepinephrine และ Dopamine ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญให้ระบบประสาทปรับตัว ขณะเกิด IMS

  • * [เพิ่มเติมจาก AI : ซึ่ง GABA(Gamma-Aminobutyric Acid) เป็นสารสื่อประสาทประเภทยับยั้ง(Inhibitory neurotransmitter) ที่สามารถ สามารถป้องกันอาการชัก(seizure) ซึ่งเกิดจากเซลล์ประสาท "ยิง" สัญญาณไฟฟ้ามั่วและแรงเกินไป นี่คือเหตุผลที่สูตรอาหาร Keto ถูกใช้รักษาโรคลมชักมานานนับร้อยปี]

• Heart rate variability(HRV) ซึ่งแสดงถึงความหลากหลายของจังหวะการเต้นของหัวใจ ซึ่งเป็นตัวชี้วัดความผ่อนคลายของระบบประสาท(ยิ่งสูงยิ่งดี) ในขณะอดอาหาร(Alternate day fasting, Time-restricted fasting) หรือนักกีฬาที่ออกกำลังกายเป็นประจำ มักจะมี HRV เฉลี่ยสูงขึ้น มีการศึกษาในหนูทดลองพบว่า BDNF มีผลต่อการเพิ่มขึ้นของ ความผ่อนคลายของระบบประสาท(Parasympathetic tone) ซึ่งส่งผลต่อมายัง ระบบควบคุมการเต้นของหัวใจ (Cardiovagal neuronal activity) ทำให้ค่า HRV สูงขึ้น (a, b, c, d, e)

• IMS(อดอาหารและออกกำลังกาย) กระตุ้นการแตกแขนงของเซลล์ประสาท(neuroplasticity) ผ่านกระบวนการหลั่ง BDNF เพราะ มีการทดลอง นำตัวรับ BDNF ออก(TrkB tyrosine kinase) จะทำให้ IMS ไม่สามารถกระตุ้นการแตกแขนงของเซลล์ประสาท(neuroplasticity)ได้อีก (a)

• Ketone body(BHB) จากการอดอาหาร, ออกกำลังกาย, อาหาร keto สามารถกระตุ้นการสร้าง BDNF ในสมองส่วน Hippocampus ได้ ซึ่งอาจแสดงถึงว่า โดยตัว Ketone เอง สามารถทำตัวเป็นสัญญาณ (signal) บอกเซลล์ประสาท ว่าได้เกิด Metabolic switch ขึ้นแล้ว (a, b)

• การอดและออกกำลังกาย ยังทำให้มีการหลั่ง Fibroblast growth factor2(FGF2) ในสมองส่วน Cerebral cortex, striatum และ hippocampus พบว่ามีส่วนสำคัญในการกระตุ้นการแบ่งตัวของ stem cell ในสมอง, ช่วยปกป้องเซลล์ประสาท จากสารพิษ(excitotoxic), อนุมูลอิสระ(oxidative stress), ความเครียดจากการออกกำลังกาย(metabolic stress) นอกจากนี้ยังมีหน้าที่สำคัญใ นการควบคุมการสร้างและลบความทรงจำ ส่วนที่เกี่ยวข้องกับความกลัว(memories of fearful event)(a) ซึ่งสัณนิษฐานว่า มีความสำคัญในการเพิ่ม neuroplasticity ในช่วงที่มีการอดหรือขาดแคลนอาหาร

• การสร้างไมโทคอนเดรียใหม่(Mitochondrial biogenesis)

  • ในการตอบสนองต่อการอดอาหารและการออกกำลังกาย พบว่า มีการสร้างเพิ่มขึ้นของ mitochondria ในเซลล์กล้ามเนื้อ และเซลล์ประสาท เรียกกระบวนการนี้ว่า Mitochondrial biogenesis
    • ซึ่งพบว่ากระบวนการถูกควบคุมโดยกลไก reactive oxygen species, CaMKII, AMPK, SIRT1, PGC1α
  • มีแนวโน้มที่ หากเซลล์ประสาท มี mitochondria มาก จะสามารถเกิด neuroplasicity ได้ดีขึ้น
    • มีการทดลอง ไม่ให้หนูสามารถเกิด mitochondria biogenesis ได้ ด้วยการเอา PGC1α ออก พบว่า กระบวนการสร้าง synapse ลดลง และ ไม่มีการตอบสนองต่อ BDNF ในการสร้างแขนงประสาทเพิ่ม
    • การศึกษาเพิ่มเติมพบว่า PGC1α สามารถกระตุ้น BDNF expression ได้ และ BDNF ก็สามารถกระตุ้น PGC1α ได้เช่นกัน
  • มีสมมติฐานต่อมาคือ การสร้าง mitochondria เพิ่มในเซลล์​ประสาท เป็นผลจากการต้องการพลังงานในการสร้าง synapse ใหม่ หรือ เพื่อคงสภาพ (potentiated) synapse นั้นๆ
  • การอดอาหารและออกกำลังกาย ยังช่วยเพิ่ม metabolic efficiency, stress tolerance ให้กับ mitochondria ในเซลล์ประสาท
    • โดยพบได้ในหนูทดลอง จากการแสดงออกของยีน SIRT3 หลังการออกกำลังกาย(ยิ่งมากยิ่งดี) ซึ่งช่วยทั้งการต้านทานต่อการกระตุ้นระบบประสาทที่มากเกินไป(Excitotoxicity) และช่วยควบคุมให้การส่งผ่านพลังงานใน electron transport chain, TCA cycle ดำเนินได้อย่างปลอดภัย ไม่เกิด Oxidative stress จาก Reactive oxygen species

• mTOR(Mechanistic/Mammalian target of rapamycin)

  • พบว่าเมื่อมีสารอาหาร cell มีการตอบสนองด้วยการ activate mTOR ซึ่งจะกระตุ้นให้มีการสังเคราะห์โปรตีนและสังเคราะห์ไขมันสะสม(Growth mode) แต่การ Fasting จะยับยั้ง mTOR
    • มีการใช้ mTOR inhibitor rapamycin(ตัวยับยั้ง mTOR) พบว่าในสัตว์ทดลองหลายชนิดมีอายุไขที่ยืนนานขึ้น เช่น หนู เป็นต้น แต่ยังไม่มีการทดลองในคน
  • AMPK จะถูกเปิดใช้งาน เวลาที่พลังงานในเซลล์ต่ำ(ขณะอดอาหาร) - เวลาที่ ATP ในเซลล์หมด เหลือ ADP, AMP ในสัดส่วนมากขึ้น
    • หนูทดลองที่มีการให้ AMPK เสริม(agonist) เป็นช่วงๆ พบว่ามีความสามารถทางสติปัญญาและการเคลื่อนไหวดีขึ้น(enhanced cognition and motor system)
    • แต่เมื่อให้ AMPK ต่อเนื่องเป็นเวลานานกลับได้ผลตรงข้ามคือ ความสามารถในการปรับเปลี่ยนของระบบประสาท(neuroplasticity)ลดลงแทน แสดงถึงความสำคัญของการกินสลับกับการอด (จะอดอาหารและอยู่ในสภาวะพลังงานต่ำอย่างต่อเนื่องอย่างเดียว ก็เป็นโทษเช่นกัน)

• IMS - associated peripheral signals

  • Ghrelin - เป็นฮอร์โมนแห่งความหิว ที่จะหลั่งออกมาจากเซลล์ในลำไส้เข้าสู่กระแสเลือด ในเวลาที่อดอาหาร มีผลในการกระตุ้น hippocampus plasticity(ความยืดหยุ่นของสมองส่วน hippocampus) เช่นกัน และ ในหนูทดลองยังพบว่ามีผลในเรื่องการลดความวิตกกังวล(anxiolytic effect)ได้
  • Myokines - เป็นกลุ่มโปรตีนที่หลั่งออกมาจากกล้ามเนื้อตอนที่ออกกำลังกาย
    • Interleukin 6 (IL-6) โดยปกติจะหลั่งตอนที่มีการตอบสนองต่อการติดเชื้อ หรือเมื่อเนื้อเยื่อมีการบาดเจ็บเสียหาย(tissue damaging) แต่พบว่า หลังการออกกำลังกายหนัก(vigorous exercise)หรือการอด(Fasting) ก็ทำให้หลั่งได้เช่นกัน และมีผลช่วยเพิ่ม insulin sensitivity ของกล้ามเนื้อ และ neuroplasticity ด้วย(จากการทดลองในหนูที่ถูก knockout IL-6)
    • Insulin-like growth factor 1(IGF1) และ Fibrobrast growth factor 2(FGF2) ทั้งคู่ถูกสร้างจาก neuron และ astrocyte แต่ก็ถูกสร้างจากกล้ามเนื้อได้ มีผลช่วยเพิ่ม neuroplasticity โดยสำหรับ FGF2 กลไกยังไม่แน่ชัด ส่วน IGF1 ที่สร้างออกมาจากเซลล์กล้ามเนื้อตอนออกกำลังกาย สามารถเข้าสู่กระแสเลือดไปที่สมอง และ กระตุ้นการหลั่ง BDNF และ neuroplasticity ได้(หนูทดลองที่ถูกเอา IGF1 ออก พบว่าส่งผลอย่างมากต่อ neuroplasticity) แต่กลับกัน กรณีของการ Fasting จะทำให้ปริมาณ IGF1 ลดลง แต่ก็มีสมมติฐานว่า Fasting ก็ทำให้ความไว(sensitivity)ของตัวรับ ดีขึ้นด้วย
    • Irisin ถูกสร้างจากกล้ามเนื้อในขณะออกกำลังกาย โดยสามารถเปลี่ยน white fat เป็น brown fat ได้ ซึ่งสามารถผลิตความร้อนได้ดีกว่า และ เมื่อเข้าสู่สมองก็มีผลในเรื่องกระตุ้นการหลั่ง BDNF เช่นกัน
    • Cathepsin B มีผลอย่างมากในเรื่องของ memory recall, และ aerobic fitness โดยสัมพันธ์กับปริมาณ Cathepsin B ที่พบในกระแสเลือด (ในหนูทดลองที่ขาด Cathepsin B จะทำให้การออกกำลังกายไม่สามารถกระตุ้นความจำได้)
    • Ketone(BHB)
      • มีการทดลองฉีด ketone เข้าในหนู พบว่าทำให้สมองมีการหลั่ง BDNF ที่สมองส่วน hippocampus ได้ และเมื่อผ่านไป 5 วัน พบว่าความจำและการเรียนรู้ทิศทางดีขึ้น
      • กลไกของ ketone ขณะ Fasting ที่ทำให้เกิดการสร้าง BDNF คือ ketone จะทำให้เกิดการยับยั้ง Histone deacetylase(HDACs) ซึ่งเป็นโปรตีนที่คอยจับกับ DNA ที่ยับยั้งการเกิด gene transcription ทำให้เกิดการสร้าง BDNF มากขึ้น
        • ส่วนการออกกำลังกาย จะทำให้ปริมาณของ HDACs ใน hippocampus ลดลง จาก Lactate, IGF1, Irisin ทำให้เกิดการสร้าง BDNF มากขึ้น
        • เมื่อรวมสองกลไกเข้าด้วยกัน คือ การออกกำลังกายในขณะ Fasting จะทำให้มีการสร้าง BDNF มากขึ้นไปอีก กว่าการทำเพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง
      • นอกจากนี้ ketone ยังกระตุ้น Cytochromic transcription factor NF-kB ในเซลล์ประสาท และส่งผ่านไปยัง Nucleus และกระตุ้นการสร้าง BDNF ขึ้น
      • นอกจากนี้ ketone ยังสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการสร้าง membrane lipid ในเซลล์ประสาทได้ ซึ่งอาจมีประโยชน์ต่อกระบวนการ Myelination(การสร้างฉนวนหุ้มเซลล์ประสาท ทำให้รับส่งสัญญาณได้รวดเร็วขึ้น)
      • กลไกเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า ketone ไม่ใช่เพียง biomarker ที่บ่งบอกถึง Metabolic switch หรือเป็นเพียงแหล่งพลังงานให้กับเซลล์ประสาทเท่านั้น ตัวมันเองยังทำหน้าที่เป็นตัวส่งสัญญาณ(signal) ที่สามารถกระตุ้นกลไกในเซลล์ประสาท ให้เกิด neuroplasticity, neuronal stress resistance, cognition ดีขึ้น

IMS and acute CNS injury

• พบว่า IMS ไม่ว่าจะอดอาหารหรือออกกำลังกาย ทำให้การบาดเจ็บและการฟื้นฟูระบบประสาทหายเร็วขึ้น หรือเกิดผลกระทบจากการบาดเจ็บน้อยลง ตัวอย่างอาการบาดเจ็บเช่น อาการชัก, Stoke และ การกระแทก เป็นต้น
  • โดยถ้ามีการ Fasting หรือออกกำลังกายเป็นประจำ ไม่ว่าจะก่อนหรือหลังการบาดเจ็บ จะทำให้ผลการบาดเจ็บของระบบประสาทลดลงและฟื้นตัวได้เร็วขึ้น

IMS and neurological disorder

• IMS ช่วยชะลอและยับยั้งการดำเนินของโรคทางความเสื่อมของระบบประสาทได้ ในที่นี้คือ Alzheimer's, Parkinson's diseases