Что содержится в молоке? Как питание влияет на развивающийся мозг
Вы когда-нибудь замечали, что дети младше 6 месяцев пьют только молоко? Это происходит потому, что их пищеварительная система еще не достаточно развита, чтобы справиться со всеми различными продуктами и напитками, которые вы можете легко переварить. Возможно, вы также замечали, что в это же время дети не могут ходить, говорить или читать. Отчасти это связано с тем, что их мозг тоже еще не созрел настолько, чтобы позволить им выполнять те действия, которые вы можете с легкостью делать. Мозг в это время растет очень быстро, поэтому важно следить за тем, чтобы дети получали лучшее питание для роста мозга. Однако тестировать младенцев сложно, поэтому в нашем исследовании мы изучаем, как различные компоненты молока влияют на развитие мозга поросенка, ведь свиньи гораздо больше похожи на людей, чем вы могли подумать. Это исследование показывает, что некоторые компоненты молока могут способствовать развитию мозга.
Питание влияет на развитие мозга у младенцев
Вы, наверное, слышали, что диета, состоящая из фруктов, овощей, цельного зерна, молочных продуктов и нежирного мяса, поможет вам стать сильным, здоровым и умным. У детей и взрослых, которые могут есть твердую пищу, есть большой выбор продуктов, но как убедиться, что ребенок младше 6 месяцев получает правильное питание, если он пьет только молоко? По определению, млекопитающие - это группа животных, у которых есть молочные железы, способные вырабатывать молоко для питания младенцев в раннем возрасте. Молоко может показаться вам довольно простым, однако на сегодняшний день в человеческом молоке обнаружено более 3 000 различных компонентов. Ученые уже более 100 лет работают над тем, чтобы лучше понять, какие компоненты молока наиболее важны для обеспечения наилучшего роста и развития младенцев. Хотя большинство младенцев пьют молоко, некоторые дети не могут его пить и полагаются на другие источники питания. Это еще одна причина, по которой ученым важно выяснить, какие компоненты молока помогают младенцам развиваться, чтобы их можно было добавлять в рацион детей, которые не могут пить молоко. Несмотря на значительный прогресс, необходимо проделать еще большую работу, чтобы понять, как питание влияет на развивающийся мозг. Подобные исследования помогут обеспечить всем младенцам шанс на наилучшее развитие мозга, что поможет им учиться и запоминать информацию в дальнейшем.
Вы можете задаться вопросом, почему питание так важно для ребенка - ведь все они пьют молоко, разве этого недостаточно? Ученые обнаружили, что некоторые компоненты человеческого молока меняются с течением времени и у разных матерей в зависимости от генов матери и ее питания. Изучение этих изменений с течением времени и у разных матерей показало, что некоторые питательные вещества, такие как железо, холин и DHA [докозагексаеновая кислота (до-ко-са-гекса-е-но-вая кислота)], способствуют созреванию мозга [ 1, 2 ]. Хотя влияние этих пищевых компонентов было широко изучено, существует множество других компонентов молока, которые могут оказывать благотворное влияние на развитие мозга, но для выяснения этого вопроса необходимы дополнительные исследования.
Поэтому наши исследования направлены на изучение компонентов молока, которые могут способствовать развитию мозга у младенцев. Для этого мы сначала тестируем диетические компоненты на животных, поскольку зачастую сложно ответить на подробные научные вопросы на человеческих младенцах. В качестве подопытного животного мы используем поросят, потому что у них почти такая же пищеварительная система, как и у человеческих детей, а мозг поросенка растет так же, как и мозг человеческого ребенка. Поэтому мы можем сравнить, что может произойти, если человек выпьет эти компоненты молока, предварительно дав их поросенку. В данном исследовании мы хотели посмотреть, как добавление нескольких компонентов (мембраны молочных жировых глобул, лактоферрина и пребиотической смеси - описание каждого из них вы найдете в Глоссарии) повлияет на развитие как мозга [ 3 ], так и пищеварительной системы [ 4 ]. В этой статье мы остановимся на методах, которые мы использовали, чтобы понять, как диета, содержащая эти компоненты, влияет на рост мозга.
Как поросенок может помочь нам понять, как работают компоненты молока?
В области исследований питания очень важно изучать животных, которые в точности повторяют то, что происходит в нашем собственном организме. Использование животного для этих экспериментов позволяет ученым проследить на разных примерах, что происходит, начиная от роста тела и заканчивая функционированием органов, при употреблении различных диет. Поскольку мозг и пищеварительная система поросят похожи на человеческие, ученые могут лучше понять, какую роль играют компоненты диеты в организме, и использовать эту информацию для проведения аналогичных исследований на человеческих детях. Исследования на животных важны потому, что новый диетический компонент должен быть доказан как безопасный и эффективный в экспериментах на животных, прежде чем его можно будет тестировать на людях.
Когда им исполнилось 2 дня, мы поместили 24 поросенка в отдельные клетки, чтобы убедиться, что они получают тот рацион, который мы хотим, чтобы они ели. Из них 12 поросят получали контрольный рацион (CONT), который представляет собой стандартную молочную смесь для поросят, подобную человеческой детской смеси. Остальные 12 поросят получали рацион, содержащий специальные ингредиенты (TEST), который представлял собой рацион CONT плюс три диетических компонента, упомянутых выше - мембрану молочных жировых глобул, лактоферрин и пребиотическую смесь. Все поросята в исследовании получали рацион пять раз в день в возрасте от 2 до 31 дня. Поскольку диета TEST отличалась от диеты CONT только наличием трех дополнительных компонентов, мы сравнили поросят, которых кормили этими диетами, чтобы понять, как диета TEST могла изменить развитие мозга поросят.
Забавный факт
Мозг свиньи составляет 1/10 часть человеческого мозга, но выглядит он как человеческий и растет так же, как и человеческий!
Магнитно-резонансная томография (МРТ) у поросят
Когда поросятам исполнилось 30 дней, их подвергли магнитно-резонансной томографии с помощью того же типа сканера, который используется для людей. Человек может лежать в аппарате МРТ и получать снимки своего мозга, не прикасаясь к телу. Аппарат МРТ имеет сильное, но безопасное магнитное поле, и атомы в теле выравниваются с этим полем, когда человек ложится в аппарат. Аппарат МРТ посылает сигналы, которые сбивают эти атомы, и когда атомы снова приходят в соответствие с полем, МРТ видит это и генерирует изображение мозга на основе полученных данных. Эти МРТ-сканирования помогли нам сравнить рост мозга поросят на диетах TEST и CONT, чтобы понять, отличаются ли они. Используя один и тот же тип МРТ-сканера для свиней и людей, мы также получили информацию, которая поможет ученым понять, что они могут ожидать увидеть, если человеческий ребенок будет получать диету, аналогичную той, которую получал поросенок (рис. 1). На рисунке 1 видно, что мозг поросенка и человека имеет схожее строение, поскольку в нем есть бугорки, называемые gyri, и бороздки, называемые sulci.
Забавный факт
Если вы когда-нибудь проходили магнитно-резонансную томографию или видели ее по телевизору, вы могли заметить, что она шумит. Это происходит из-за сигналов, посылаемых аппаратом МРТ, которые помогают создать изображение мозга.
Измерение миелинизации в мозге
Мозг состоит из клеток, называемых нейронами. Каждый нейрон имеет клеточное тело и длинный, похожий на хвост, аксон, который используется для передачи информации от одного нейрона к другому. На протяжении первых нескольких лет жизни в мозге происходит процесс, называемый миелинизацией. Если представить аксон в мозге как электрический шнур, то резиновое покрытие на нем будет тем, что ученые называют миелином. С возрастом миелиновая оболочка вокруг аксона становится толще, чтобы помочь ему работать эффективнее. Когда защитное покрытие старого электрического шнура начинает стираться, прибор не работает должным образом, потому что электричество неэффективно проходит через провод. То же самое происходит с аксоном, который плохо миелинизирован, из-за чего он работает менее эффективно. В основном миелинизация происходит в младенческом и детском возрасте, поэтому ученым важно понять, как питание в раннем возрасте помогает процессу миелинизации. Нам нужны правильно миелинизированные аксоны для выполнения повседневных функций, поэтому убедиться в том, что аксоны миелинизированы в раннем возрасте, очень важно.
Одним из способов анализа данных МРТ является процесс, называемый диффузионно-тензорной визуализацией (ДТИ). Этот метод МРТ оценивает, как быстро и куда движутся молекулы воды в мозге. Зная, как движется вода, мы можем понять, как выровнены нейроны и как происходит миелинизация в мозге; это важные способы измерения развития мозга. В целом лучше, когда нейроны в мозге выстроены так, что все они движутся в одном направлении, как лапша спагетти, выстроившаяся в одну линию, чем когда нейроны пересекаются друг с другом, как гигантская миска вареных спагетти.
В нашем исследовании мы использовали DTI, чтобы наблюдать различия в так называемой радиальной диффузии (dif-fu-siv-i-ty) между поросятами на каждой из диет и определить, насколько развит миелин в их мозге. Радиальная диффузия - это то, насколько быстро вода движется перпендикулярно (или поперек) выстроенных аксонов. Когда дети рождаются, у них нет большого количества миелина, окружающего их аксоны, поэтому вода может легко вытекать из аксонов, что приводит к высоким показателям радиальной диффузии (рис. 2). Однако по мере развития мозга младенцев миелин обволакивает аксоны, и для воды остается меньше места, чтобы выходить из аксонов, что приводит к снижению радиальной диффузии. По сравнению с поросятами CONT, у поросят, получавших рацион TEST, показатели радиальной диффузии были ниже в области мозга, называемой внутренней капсулой. Это указывает на то, что у поросят TEST, вероятно, было больше миелинизации во внутренней капсуле по сравнению с поросятами на диете CONT, что означает, что диета могла улучшить развитие мозга во внутренней капсуле. Эта область мозга важна, поскольку она одной из первых развивается у младенцев. Когда вы думаете о ребенке, вы видите, что одними из первых он может дотянуться до предметов и потрогать их - это потому, что внутренняя капсула помогает ему двигаться и ощущать окружающую среду.
Забавный факт
Возможно, вы слышали, как кто-то говорил, что мозг состоит в основном из жира. Это правда, и миелин - это большая часть того, что делает мозг жирным. Теперь вы понимаете, почему для детей важно, чтобы в их рационе присутствовали полезные жиры?
Различия в концентрации серого вещества
Другой способ анализа данных МРТ называется воксельной морфометрией (VBM). Все МРТ-изображения состоят из так называемых "вокселей"; вы можете представить себе, что мозг разделен в цифровом виде на множество крошечных трехмерных кубиков размером 0,7 мм с каждой стороны. Каждый кубик содержит мозговую ткань, которая может быть серым веществом, белым веществом или иногда их комбинацией (рис. 3). Серое вещество - это часть мозга, содержащая в основном тела клеток нейронов, которые плотно упакованы друг с другом, что делает его серым по цвету. Участки белого вещества в мозге состоят в основном из миелина, и оно кажется белым из-за большого количества жира в миелине. Чтобы проанализировать различия в мозге с помощью VBM, мы сначала "сегментируем" или разделяем мозг каждого поросенка на изображение, содержащее только кубики серого вещества, и изображение, содержащее только кубики белого вещества. Это легко сделать с помощью компьютерной программы. Затем мы можем сравнить изображения серого или белого вещества у поросят на разных диетах, чтобы увидеть, есть ли в их мозге участки с разным количеством серого или белого вещества.
Проведя анализ VBM на поросятах из этого исследования, мы заметили различия в распределении серого вещества между поросятами, которых кормили двумя рационами. Интересно, что по сравнению с поросятами TEST поросята, получавшие рацион CONT, имели больше серого вещества в области коры головного мозга, где расположены тела многих клеток нейронов. Вы можете подумать, что больше - значит лучше, когда речь идет о мозге, но в раннем возрасте мозг производит гораздо больше нейронов, чем нам нужно во взрослом возрасте. Затем мозг проходит через процесс, называемый "обрезкой", когда ненужные нейроны удаляются, чтобы освободить место для нейронов, которые нам действительно нужны. Поскольку у поросят на диете TEST было меньше серого вещества по сравнению с поросятами CONT, мы предполагаем, что у поросят TEST обрезка нейронов происходила в более раннем возрасте, что может означать, что диета TEST помогла мозгу поросят развиваться быстрее. Кроме того, область мозга, в которой мы наблюдали различия в количестве серого вещества, расположена рядом с зонами, контролирующими движение и сенсорную информацию. Представляете, как это может быть полезно для человеческих детей?
Забавный факт
Сразу после рождения наш мозг растет быстрее, чем в любое другое время нашей жизни. Поэтому очень важно правильно питаться в младенчестве, чтобы не замедлить рост мозга.
Почему эта работа важна?
Когда мы смотрим на результаты визуализации мозга, полученные в ходе этого исследования, вырисовывается очень интересная картина. Оба метода визуализации мозга рассказывают одну и ту же историю, указывая на то, что у поросят TEST наблюдался опережающий рост мозга по сравнению с поросятами CONT. Исследования на человеческих детях также показали, что добавление молочных жировых глобул в рацион ребенка может способствовать развитию мозга [ 5, 6 ]. Это может быть связано с тем, что мембрана молочных жировых глобул содержит молекулу сфингомиелина (sfing-goh-mahy-uh-lin), которая необходима для производства миелина. Эти исследования на людях подтверждают наши выводы о том, что кормление поросят диетой, содержащей молочные жировые глобулы, способствует развитию их мозга. Важно помнить, что диета TEST для поросят также содержала лактоферрин и пребиотическую смесь, но необходимо провести дополнительные исследования, чтобы понять, какую роль эти компоненты могут играть в развитии мозга. Теперь мы знаем, что диета, содержащая эти соединения, способствует росту мозга поросят, и необходимо провести дополнительные исследования на людях, чтобы выяснить, верно ли то же самое для мозга человеческих младенцев. До прочтения этой статьи вы, возможно, смотрели на ребенка, пьющего молоко, и не задумывались об этом. Теперь вы знаете, что молоко не только важно для ребенка, но и особые компоненты, содержащиеся в нем, помогают ему правильно мыслить, двигаться и развиваться!
Этическое заявление
Исследование было одобрено Институциональным комитетом по уходу и использованию животных Иллинойского университета в Урбане-Шампейне.
