现阶段，生酮饮食（KD）已成为一种“网红”饮食模式，许多人通过这种饮食模式来帮助减肥和降糖。从本质上看，KD以低碳水、高脂肪和适量蛋白质为特征，因此人体新陈代谢的主要能量来源不再是葡萄糖，而转换成了脂肪。
相关研究显示，KD能够通过减少肿瘤生长所需的葡萄糖帮助对抗癌症，还有助于治疗帕金森病、阿尔茨海默病、多发性硬化症、睡眠障碍、自闭症、癫痫等脑部疾病。但截至目前，KD对大脑的确切作用机制，尤其是在生命晚期开始实施KD时的效果和影响，尚未完全明了。
近日，Cell Reports Medicine发表了研究成果发现，即使在小鼠衰老晚期阶段开始进行周期性KD干预，也能显著改善其记忆力，提升突触可塑性，从而逆转认知功能衰退。更重要的是，该研究揭示了KD通过调节皮层突触蛋白质组，特别是激活蛋白激酶A（PKA）信号通路，促进脑源性神经营养因子（BDNF）表达，进而发挥神经保护作用的分子机制。
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一、研究内容与思路
1、中年晚期周期性生酮饮食干预，增加BHB血浓度并降低老年小鼠血糖
生酮饮食（KD）给药的晚期生命时间范围：将20-23月龄小鼠随机纳入对照饮食（CD）或周期KD方案，治疗4个月。CD和KD每周循环交替，之前已经证明不会导致肥胖，因此这是该研究选择的饮食方案。此外，从中年开始的长期周期性KD给药，可以预防老年小鼠（24-26月龄）的年龄相关性记忆衰退，但在中年后期较短时间内给予KD饮食是否能改善记忆尚未得到研究。
在每个饮食周的最后一天和饮食交换之前，抽取血液测定代谢参数。与对照组相比，4个月的周期性KD给药显著降低了血糖，提高了β-羟基丁酸（BHB）血浓度（KD产生的主要酮体）。
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研究思路1：已有研究显示，KD可以改善大脑功能，但是KD对于老年人的影响还未可知。于是，作者以老年小鼠为模型，给予周期性KD，发现KD可以改善血糖；此外，KD产生的主要酮体BHB增加，而BHB可以在机体无法利用或缺乏葡萄糖的时候起到提供能量的作用，这可能是血糖降低的原因之一。

 

2、中年晚期周期性生酮饮食干预，能够保留老年小鼠的记忆和运动能力
作者探讨了KD在衰老过程中对脑功能的影响。实验发现，相比于CD小鼠，KD小鼠总活动量增加，运动协调能力增强，且它们保留了空间识别和工作记忆能力，表现为迷宫找逃逸洞的潜伏期缩短。
总之，通过一系列包括行为和运动功能的测试发现，中年晚期周期性KD干预既能改善大脑功能，也能提高运动能力。
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研究思路2：作者探讨了老年过程中KD对大脑功能的影响，大脑主要是用于工作记忆、协调等。对此，作者检测了CD小鼠和KD小鼠的记忆能力、运动能力以及空间协调能力，证实KD对大脑的改善作用。

 

3、中年晚期周期性生酮饮食干预，可改善老年小鼠海马突触可塑性
作者利用电生理记录分析了老年小鼠海马脑片的突触连接。兴奋性突触后电位（fepsp）结果表明，相比于CD小鼠，KD小鼠海马突触测量长时程（LTP）增强；此外，LTP定量检测证实，KD组较CD组LTP波幅增加15%。
进一步，作者将年幼小鼠脑片的LTP作为对照，分析发现，对照组跟KD小鼠的LTP无明显差异，表明KD饮食会随着年龄的增长逆转LTP损伤，从而使性能更接近年轻小鼠值。此外，作者还排除了LTP的增加是由于基础突触强度改变引起的突触后去极化的差异。
这一实验结果表明，中年晚期周期性KD干预可以影响海马，增加海马突触可塑性。
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研究思路3：KD干预能改善老年小鼠的记忆能力、运动及空间协调能力，而这些与大脑中的神经元活动息息相关。因此，作者检测了大脑海马的神经元结构，发现了LTP增加，而LTP是学习与记忆形成的核心机制，与上述老年小鼠记忆、协调能力增加结果一致。进一步，作者还检测了突触强度增加还是突触可塑性增强，排除了突触强度增加，表明LTP增加是因为突触可塑性增强。

 

4、中年晚期周期性生酮饮食干预可增加老年小鼠皮质神经元树突结构复杂性
作者进一步验证了大脑皮质神经元变化情况。实验发现，KD小鼠的树突结构复杂性增加，神经元树突棘总数增加，尤其是粗短棘的数量。
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研究思路4：KD小鼠突触可塑性增强，而这应当伴随着神经元形态和/或树突中突触接触部位的形态-结构变化。对此，作者评估了老年小鼠神经元的形态结构，确定突触功能的改变是否与突触组织的重排有关。

 

5、中年晚期长期、周期性生酮饮食干预通过camp介导的信号通路、突触囊泡运输和肌动蛋白细胞骨架动力学调节老年小鼠皮质突触
作者给予小鼠周期性KD饮食喂养1年，之后进行蛋白质组学分析KD和CD小鼠的突触前和突触后蛋白，分析发现差异表达蛋白136个，突触前蛋白123个，突触后蛋白13个。go分析发现了一组功能相关的生物过程，这些过程与肌动蛋白动力学、突触囊泡运输和camp介导的上调蛋白信号传导相关。STRING数据库显示了肌动蛋白动力学相关蛋白之间的强关联，其中膜联蛋白V、β-肌动蛋白、Wiskott-Aldrich综合征蛋白家族成员3和ras相关的C3肉毒毒素底物1是KD治疗后上调最高的蛋白。
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研究思路5：第四部分的时候，作者发现，KD饮食可以通过改善海马以及皮质神经结构来改善老年小鼠的大脑功能，那这一环节涉及到什么作用机制呢？对此，作者进行了蛋白组学检测，发现了相关的作用分子途径。

 

6、在皮质神经元中，周期性KD和BHB干预使得PKA活化，下游底物磷酸化
进一步，作者决定更详细地探索camp介导的信号通路。Camp激活PKA，PKA通过调节许多蛋白质磷酸化在神经元功能中发挥重要作用。对此，作者进行了实验来检测老年小鼠前额叶皮质中磷酸化PKA底物的表达水平，发现KD干预促进了PKA活性。体外实验中，给予原代皮质神经元细胞BHB处理1h后检测磷酸化PKA底物的表达水平，发现PKA活性得到促进，此外，磷酸化camp反应结合蛋白/camp反应结合蛋白比率增加，表明KD激活了camp相关信号通路。
最后，作者开展了体外实验评估PKA活性的变化，以支持camp信号随酮体生成而增加的观点，发现BHB处理后YFP/CFP比值显著增加，表明激酶活性增加。总之，这些实验表明，与脑功能相关蛋白的表达增加，并证实了KD治疗后camp信号通路的激活。
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研究思路6：蛋白质组学获得相关信号通路后，接下来是开展实验验证。对此，作者将目光主要集中在camp信号通路上，通过体内体外实验证实，KD治疗和其主要酮体BHB治疗都可以激活camp信号通路。

 

7、中年晚期周期性生酮饮食干预可增加老年小鼠前额叶皮质脑源性神经营养因子表达和MAP2磷酸化
作者检测了一系列突触蛋白的蛋白丰度，包括PKA激活的典型下游靶点脑源性神经营养因子(BDNF)。与增加的pCREB/CREB比率一致，实验结果显示，BDNF的蛋白表达升高，KD小鼠的PKA表达增加；有趣的是，微管相关蛋白2(MAP2)，一种与神经元树突组织相关的蛋白，在KD小鼠中被发现高度磷酸化。
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研究思路7：作者从突触蛋白角度入手，进一步分析camp/PKA的下游分子机制，发现BDNF的增加，此外，还意外发现了与神经元树突相关的MAP2蛋白磷酸化的增加。以上蛋白结果均表明：KD饮食可以从神经元层面改善老年小鼠大脑功能，从而抗衰老。

 

二、小结
这个研究证明，周期性生酮饮食及其主要酮体可以改善老年小鼠的脑功能和运动活动，即使这一饮食干预是在晚年才开始的。此外，该研究还表明周期性生酮饮食诱导皮质突触蛋白质组的变化，直接影响突触组织的结构和功能，从而改善记忆和衰老过程中的神经元功能，这是以前未发现的。
BHB或许不是生酮饮食和酮体起效的唯一分子，但这一结果表明了可以通过在正确的细胞中直接操纵信号通路来改善老化的大脑，或通过补充BHB等酮体来实现对大脑记忆功能的保护。如果可行的话，对于很多“碳水脑袋“来说，意味着不需要遵循低碳的生酮饮食也能获得同样的好处。

 

参考文献：

 

[1] Acuña-Catalán, Diego et al. “Ketogenic diet administration later in life improves memory by modifying the synaptic cortical proteome via the PKA signaling pathway in aging mice.” Cell reports. Medicine vol. 5,6 (2024): 101593. doi:10.1016/j.xcrm.2024.101593

 

撰写：MIE

编辑：小饼干