Psychophysiological investigations on eating behaviour

Abstract

Introduction. Malnutrition is a global challenge with mortality rates caused by obesity surpassing those of undernutrition. Excessive and low quality food intake detrimentally impacts human and planetary health likewise. In contrast, high fiber diets are beneficial for host metabolism and for the environment. Yet, diet-related behaviour change remains challenging, both on the systemic and the individual level. It remains largely unclear how high fiber diets act on the host in detail, to what extent gut-brain communication is involved, and by which mechanisms eating behaviour may be modulated and maintained. To this end, I investigated underlying mechanisms of eating related psychophysiological markers in humans in three studies. Methods. I examined changes in brain connectivity networks as proxies for reward and selfreflective processing induced by severe weight loss through bariatric surgery in a clinical sample of obese compared to waiting list control patients (n = 48, Study 1). I combined data from two independent cross-sectional studies: overweight adults (n = 27) and post-bariatric surgery groups with age-, sex- and BMI-matched control groups (n = 40). Primary measures of interest were eating behaviour, microbial genera abundance, and fiber intake or weight loss success, respectively, next to short-chain fatty acids in feces and serum (Study 2). I analysed data from the LIFE-Adult cohort study (n = 8,943) relating habitual diet to weight status, depressive symptoms and personality traits (Study 3). Additionally, I conducted a withinsubject cross-over dietary intervention study (n = 60) including brain imaging, cognitive tasks and biomarkers, and a series of large-scale online studies (n = 16,379). Results. In Study 1, we found no significant post-surgery changes in brain connectivity in confirmatory analyses. Exploratory results showed increased connectivity between the reward network to medial posterior frontal regions relating to treatment success. In Study 2, eating behaviour linked differentially to two groups of microbial genera. Indeed, those linked to unhealthier eating were found to be informative of treatment success post-bariatric surgery, in terms of higher weight loss and improved eating traits. In Study 3, less frequent animal-based food intake was significantly related to lower BMI and to lower extraversion, not to depressive symptoms. Conclusion. These results propose a complex cross-talk between eating behaviour and psychophysiological markers and i) indicate a link between therapy-induced weight loss and reward-related brain processes, ii) provide first evidence for links between eating behaviour and gut microbiota and iii) replicate known associations of high fiber diets and weight status, as well as add new insights on diet-related differences in personality traits. Future interventional studies need to investigate causality of gut-brain communication and its mechanistic pathways related to fiber.

Einleitung. Mangelernährung ist ein globales Problem, wobei die durch Adipositas verursachte Sterblichkeitsrate die der Unterernährung übersteigt. Eine übermäßige, minderwertige Ernährung wirkt sich gleichermaßen negativ auf die menschliche und planetare Gesundheit aus. Im Gegensatz dazu ist eine ballaststoffreiche Ernährung vorteilhaft für den Stoffwechsel und die Umwelt. Das Ernährungsverhalten zu verändern, bleibt jedoch eine Herausforderung, sowohl auf systemischer als auch auf individueller Ebene. Es ist weitestgehend unklar, wie eine ballaststoffreiche Ernährung auf den Wirt wirkt, inwieweit Darm-Hirn-Kommunikation beteiligt ist und durch welche Mechanismen das Essverhalten moduliert und beibehalten werden kann. Methoden. Ich untersuchte Veränderungen von Gehirnkonnektivität, die mit Belohnung und Selbst-Reflexion assoziiert sind, nach bariatrischer Operation in einer klinischen Stichprobe im Vergleich zu Wartelisten-Patient:innen (n = 48) (Studie 1). In zwei unabhängigen Querschnittsstudien mit übergewichtigen Erwachsenen (n = 27) und solchen nach bariatrischer Operation sowie Kontrollgruppen (n = 40), betrachtete ich Essverhalten, die Abundanz mikrobieller Gattungen und Ballaststoffzufuhr bzw. therapeutischen Erfolg, sowie kurzkettige Fettsäuren in Feces und Serum (Studie 2). Ich analysierte den Zusammenhang zwischen Ernährung mit Gewicht, Depressivität und Persönlichkeit (n = 8,943, Studie 3). Auch führte ich eine randomisierte Ernährungsintervention (n = 60) mit Bildgebung des Gehirns, kognitiven Aufgaben und Biomarkern, sowie eine Serie von Online-Studien (n = 16,379) durch. Ergebnisse. In Studie 1 wiesen konfirmative Analysen auf keine signifikanten Veränderungen der Gehirnkonnektivität nach bariatrischer Chirurgie hin. Explorative Ergebnisse zeigten eine erhöhte Konnektivität zwischen dem Belohnungsnetzwerk und einer medial-posterioren frontalen Region in Verbindung mit dem Therapieerfolg. In Studie 2 war Essverhalten unterschiedlich mit zwei Gruppen von Bakterien verbunden. Diejenigen, die mit ungesundem Essen in Verbindung standen, waren ebenso mit dem Therapieerfolg nach bariatrischer Operation assoziiert. In Studie 3 stand die seltenere Aufnahme von tierischen Lebensmitteln in signifikantem Zusammenhang mit einem niedrigeren BMI und geringerer Extraversion, nicht aber mit Depressivität. Schlussfolgerungen. Die Ergebnisse zeigen ein komplexes Zusammenspiel zwischen Essverhalten und psychophysiologischen Markern und i) weisen auf einen Zusammenhang zwischen therapiebedingter Gewichtsabnahme und belohnungsbezogenen Gehirnprozessen hin, ii) liefern erste Belege für Zusammenhänge zwischen Essverhalten und Darmmikrobiota und iii) replizieren Assoziationen zwischen ballaststoffreicher Ernährung und Gewicht, und bringen neue Erkenntnisse über ernährungsassoziierte Persönlichkeitsunterschiede. Interventionsstudien sollten die Kausalität der Darm-Hirn-Kommunikation und ihre mechanistischen Wege im Zusammenhang mit Ballaststoffen untersuchen.