Study shows low carb diet may prevent, reverse age-related effects within the brain
A study using neuroimaging led by Stony Brook University professor and lead author Lilianne R. Mujica-Parodi, Ph.D., and published in PNAS, reveals that neurobiological changes associated with aging can be seen at a much younger age than would be expected, in the late 40s. However, the study also suggests that this process may be prevented or reversed based on dietary changes that involve minimizing the consumption of simple carbohydrates. 
To better understand how diet influences brain aging, the research team focused on the presymptomatic period during which prevention may be most effective. In the article titled "Diet modulates brain network stability, a biomarker for brain aging, in young adults," they showed, using large-scale life span neuroimaging datasets, that functional communication between brain regions destabilizes with age, typically in the late 40's, and that destabilization correlates with poorer cognition and accelerates with insulin resistance. Targeted experiments then showed this biomarker for brain aging to be reliably modulated with consumption of different fuel sources: glucose decreases, and ketones increase, the stability of brain networks. This effect was replicated across both changes to total diet as well as after drinking a fuel-specific calorie-matched supplement.
"What we found with these experiments involves both bad and good news," said Mujica-Parodi, a Professor in the Department of Biomedical Engineering with joint appointments in the College of Engineering & Applied Sciences and Renaissance School of Medicine at Stony Brook University, and a faculty member in the Laufer Center for Physical and Quantitative Biology. "The bad news is that we see the first signs of brain aging much earlier than was previously thought. However, the good news is that we may be able to prevent or reverse these effects with diet, mitigating the impact of encroaching hypometabolism by exchanging glucose for ketones as fuel for neurons."
What the researchers discovered, using neuroimaging of the brain, is that quite early on there is breakdown of communication between brain regions ("network stability").
"We think that, as people get older, their brains start to lose the ability to metabolize glucose efficiently, causing neurons to slowly starve, and brain networks to destabilize," said Mujica-Parodi. "Thus, we tested whether giving the brain a more efficient fuel source, in the form of ketones, either by following a low-carb diet or drinking ketone supplements, could provide the brain with greater energy. Even in younger individuals, this added energy further stabilized brain networks."
To conduct their experiments, brain network stability was established as a biomarker for aging by using two large-scale brain neuroimaging (fMRI) datasets totaling nearly 1,000 individuals, ages 18 to 88. Destabilization of brain networks was associated with impaired cognition and was accelerated with Type 2 diabetes, an illness that blocks neurons' ability to effectively metabolize glucose. To identify the mechanism as being specific to energy availability, the researchers then held age constant and scanned an additional 42 adults under the age of 50 years with fMRI. This allowed them to observe directly the impact of glucose and ketones on each individual's brain.
The brain's response to diet was tested in two ways. The first was holistic, comparing brain network stability after participants had spent one week on a standard (unrestricted) vs. low carb (for example: meat or fish with salad, but no sugar, grains, rice, starchy vegetables) diet. In a standard diet, the primary fuel metabolized is glucose, whereas in a low-carb diet, the primary fuel metabolized is ketones. However, there might have been other differences between diets driving the observed effects. Therefore, to isolate glucose vs. ketones as the crucial difference between the diets, an independent set of participants was scanned before and after drinking a small dose of glucose on one day, and ketones on the other, where the two fuels were individually weight-dosed and calorically matched. The results replicated, showing that the differences between the diets could be attributed to the type of fuel they provide to the brain.
Additional findings from the study included the following: Effects of brain aging emerged at age 47, with most rapid degeneration occurring at age 60. Even in younger adults, under age 50, dietary ketosis (whether achieved after one week of dietary change or 30 minutes after drinking ketones) increased overall brain activity and stabilized functional networks. This is thought to be due to the fact that ketones provide greater energy to cells than glucose, even when the fuels are calorically matched. This benefit has previously been shown for the heart, but the current set of experiments provides the first evidence for equivalent effects in the brain.
"This effect matters because brain aging, and especially dementia, are associated with "hypometabolism," in which neurons gradually lose the ability to effectively use glucose as fuel. Therefore, if we can increase the amount of energy available to the brain by using a different fuel, the hope is that we can restore the brain to more youthful functioning. In collaboration with Dr. Eva Ratai at Massachusetts General Hospital, we're currently addressing this question, by now extending our studies to older populations," said Mujica-Parodi.
"Additional research with collaborators at Children's National, under the direction of Dr. Nathan Smith, focuses on discovering the precise mechanisms by which fuel impacts signaling between neurons. Finally, in collaboration with Dr. Ken Dill and Dr. Steven Skiena, at Stony Brook, we're working on building a comprehensive computational model that can incorporate our understanding of the biology, from individual neurons to whole brains to cognition, as it develops." 

De door de computer vertaalde Engelse tekst (let op: gelet op de vaak technische inhoud van een artikel kunnen bij het vertalen wellicht vreemde en soms niet helemaal juiste woorden en/of zinnen gevormd worden)

Onderzoek toont aan dat een koolhydraatarm dieet leeftijdgerelateerde effecten in de hersenen kan voorkomen, omkeren
Een studie met neuroimaging onder leiding van professor en hoofdauteur van de Stony Brook University, Lilianne R. Mujica-Parodi, Ph.D., en gepubliceerd in PNAS, onthult dat neurobiologische veranderingen die verband houden met veroudering op een veel jongere leeftijd kunnen worden gezien dan verwacht, eind jaren 40. De studie suggereert echter ook dat dit proces kan worden voorkomen of omgekeerd op basis van veranderingen in het dieet waarbij de consumptie van eenvoudige koolhydraten tot een minimum wordt beperkt.
Om beter te begrijpen hoe voeding hersenveroudering beïnvloedt, richtte het onderzoeksteam zich op de presymptomatische periode waarin preventie het meest effectief kan zijn. In het artikel getiteld "Dieet moduleert de stabiliteit van het hersennetwerk, een biomarker voor hersenveroudering, bij jongvolwassenen", toonden ze met behulp van grootschalige datasets voor neuroimaging-levensduur aan dat functionele communicatie tussen hersenregio's met de leeftijd destabiliseert, meestal eind jaren veertig, en dat destabilisatie correleert met slechtere cognitie en versnelt met insulineresistentie. Gerichte experimenten toonden vervolgens aan dat deze biomarker voor hersenveroudering betrouwbaar kan worden gemoduleerd met het verbruik van verschillende brandstofbronnen: glucose neemt af en ketonen nemen toe, de stabiliteit van hersennetwerken. Dit effect werd herhaald bij zowel veranderingen in het totale dieet als na het drinken van een brandstofspecifiek calorie-aangepast supplement.
"Wat we met deze experimenten vonden, brengt zowel slecht als goed nieuws met zich mee", zegt Mujica-Parodi, een professor in de afdeling biomedische technologie met gezamenlijke benoemingen in het College of Engineering & Applied Sciences en de Renaissance School of Medicine aan de Stony Brook University, en een faculteitslid in het Laufer Center for Physical and Quantitative Biology. 'Het slechte nieuws is dat we de eerste tekenen van hersenveroudering veel eerder zien dan eerder werd gedacht. Het goede nieuws is echter dat we deze effecten mogelijk kunnen voorkomen of omkeren met een dieet, waardoor de impact van oprukkende hypometabolisme door het uitwisselen van glucose wordt verminderd voor ketonen als brandstof voor neuronen. "
Wat de onderzoekers ontdekten, gebruikmakend van neuroimaging van de hersenen, is dat er al vrij vroeg een storing is in de communicatie tussen hersengebieden ("netwerkstabiliteit").
"We denken dat naarmate mensen ouder worden, hun hersenen het vermogen verliezen om glucose efficiënt te metaboliseren, waardoor neuronen langzaam verhongeren en hersennetwerken destabiliseren", zegt Mujica-Parodi. "We hebben dus getest of het geven van een efficiëntere brandstofbron aan de hersenen, in de vorm van ketonen, hetzij door een koolhydraatarm dieet te volgen of door ketonsupplementen te drinken, de hersenen meer energie zou kunnen geven. Zelfs bij jongere individuen, deze toegevoegde energie verder gestabiliseerde hersennetwerken. "
Om hun experimenten uit te voeren, werd de stabiliteit van hersennetwerken vastgesteld als een biomarker voor veroudering door gebruik te maken van twee grootschalige datasets voor hersenneuroimaging (fMRI) van in totaal bijna 1.000 individuen van 18 tot 88 jaar. Destabilisatie van hersennetwerken ging gepaard met verminderde cognitie en werd versneld met Type 2 diabetes, een ziekte die het vermogen van neuronen om glucose effectief te metaboliseren blokkeert. Om het mechanisme te identificeren als specifiek voor de beschikbaarheid van energie, hielden de onderzoekers de leeftijd constant en scanden nog eens 42 volwassenen onder de 50 jaar met fMRI. Hierdoor konden ze direct de impact van glucose en ketonen op de hersenen van elk individu observeren.
De reactie van de hersenen op voeding werd op twee manieren getest. De eerste was holistisch, waarbij de stabiliteit van het hersennetwerk werd vergeleken nadat de deelnemers een week hadden doorgebracht op een standaard (onbeperkt) vs. koolhydraatarm dieet (bijvoorbeeld: vlees of vis met salade, maar zonder suiker, granen, rijst, zetmeelrijke groenten). In een standaarddieet is glucose de primaire metabole brandstof, terwijl in een koolhydraatarm dieet de metabole primaire brandstof ketonen is. Er kunnen echter andere verschillen zijn tussen diëten die de waargenomen effecten veroorzaken. Om glucose en ketonen als het cruciale verschil tussen de diëten te isoleren, werd daarom een onafhankelijke groep deelnemers gescand voor en na het drinken van een kleine dosis glucose op één dag en ketonen op de andere dag, waarbij de twee brandstoffen individueel gewicht hadden- gedoseerd en calorisch op elkaar afgestemd. De resultaten repliceerden en toonden aan dat de verschillen tussen de diëten konden worden toegeschreven aan het type brandstof dat ze aan de hersenen leveren.
Bijkomende bevindingen uit het onderzoek waren onder meer: Effecten van hersenveroudering kwamen op 47-jarige leeftijd tot stand en de snelste degeneratie trad op 60-jarige leeftijd op. Zelfs bij jongere volwassenen, jonger dan 50 jaar, voedingsketose (ongeacht of deze werd bereikt na een week dieetverandering of 30 minuten na het drinken van ketonen) verhoogde de algehele hersenactiviteit en stabiliseerde functionele netwerken. Aangenomen wordt dat dit te wijten is aan het feit dat ketonen meer energie aan cellen leveren dan glucose, zelfs wanneer de brandstoffen op elkaar zijn afgestemd. Dit voordeel is eerder aangetoond voor het hart, maar de huidige reeks experimenten levert het eerste bewijs voor gelijkwaardige effecten in de hersenen.
"Dit effect is belangrijk omdat hersenveroudering, en met name dementie, wordt geassocieerd met" hypometabolisme ", waarbij neuronen geleidelijk het vermogen verliezen om glucose effectief als brandstof te gebruiken. Als we daarom de hoeveelheid beschikbare energie voor de hersenen kunnen vergroten door een andere brandstof, de hoop is dat we de hersenen kunnen herstellen naar een jeugdiger functioneren. In samenwerking met Dr. Eva Ratai van het Massachusetts General Hospital gaan we op dit moment in op deze vraag door onze studies nu uit te breiden naar oudere populaties, "zei Mujica- Parodi.
"Aanvullend onderzoek met medewerkers van Children's National, onder leiding van Dr. Nathan Smith, richt zich op het ontdekken van de precieze mechanismen waarmee brandstof de signalering tussen neuronen beïnvloedt. Ten slotte, in samenwerking met Dr. Ken Dill en Dr. Steven Skiena, in Stony Brook , we werken aan het bouwen van een uitgebreid rekenmodel dat ons begrip van de biologie kan integreren, van individuele neuronen tot hele hersenen tot cognitie, naarmate deze zich ontwikkelt. "