摘要
本研究考察了48小时仅饮水禁食对一组成年人（n=10）的代谢、认知和电生理适应情况。在基线、24小时和48小时测量了血糖、β-羟基丁酸(BHB)、连线测验A(TMTA)和B(TMTB)表现以及听觉P300事件相关电位。血糖从基线的104.5±10.2 mg/dL逐渐降至48小时的69.2±7.9 mg/dL（-34%），而BHB从0.27±0.15 mmol/L升至2.73±0.81 mmol/L，表明出现了明显的营养性酮症。TMTB完成时间在同一时期改善了22%（从95.4±12.7秒到73.2±10.8秒），表明在早期酮症期间执行功能得到增强。P300潜伏期和振幅在所有时间点保持稳定，表明皮质处理速度和注意力资源分配保持不变。探索性性别分层分析显示，48小时时男性酮体升高程度大于女性（3.64±0.54 mmol/L vs 1.99±0.62 mmol/L），但在认知或电生理测量上没有相应差异。这些发现表明，延长禁食会引发向酮症的可预测代谢转变，不会损害执行功能，甚至可能改善执行表现，这突显了进一步研究急性营养性酮症对认知影响的必要性。
1. 引言
禁食已成为一种广泛研究的营养干预措施，对人类代谢健康、神经认知表现和疾病抵抗力具有广泛影响[1]。当热量摄入被限制时，身体会经历从主要葡萄糖氧化到利用脂肪酸衍生的酮体（最主要的是β-羟基丁酸(BHB)）的代谢转变[2]。虽然BHB在技术上是几种酮体中的一种，但在禁食期间它是化学性质最稳定且生理丰度最高的，因此是在研究和临床环境中评估营养性酮症程度的主要生物标志物[3]。这种代谢转变，通常称为代谢切换，通常在禁食开始后的12-24小时内开始，并随着时间推移而加深，促进线粒体效率，减少氧化应激，并激活自噬通路[4]。这些细胞水平的适应与神经保护作用和中枢神经系统中改善的生物能量稳定性相关[5]。
尽管长期禁食和间歇性禁食对其对代谢标志物、体重调节和全身炎症的影响已进行了广泛研究[6]，但对于禁食在最初48小时窗口期内的短期神经认知和电生理后果知之甚少——这一时期身体完全转变为以酮体为主导的能量状态。理论上，肝糖原的早期耗竭和血浆葡萄糖的减少可能会损害认知表现，特别是在需要快速信息处理的任务中[7]。然而，新兴证据表明，BHB可能作为高效的大脑替代燃料，维持甚至增强执行功能、认知灵活性和持续注意力等领域的神经网络活动[8]。
为了以受控且时效性的方式调查这些影响，我们在健康成人群体中进行了一项48小时仅饮水禁食方案。为了方法学的清晰性，参与者被指示在基线测试前一小时停止热量摄入。虽然允许摄入非热量液体（如水、黑咖啡、无糖茶），但所有热量饮料和食物来源在48小时期结束前都被严格禁止[9]。每位参与者在基线、24小时和48小时进行相同时间点的测试，以最小化昼夜节律对代谢、认知和电生理结果的影响[9]。
本研究因其整合了代谢、认知和皮质电生理测量而具有独特性。采集毛细血管血糖和BHB水平以确认代谢切换[10]。使用连线测验A(TMTA)和连线测验B(TMTB)来评估视觉扫描速度、心理运动处理、执行功能和集合转换能力[11]。通过WAVi脑电图衍生的听觉奇球范式中的P300潜伏期和电压测量神经处理速度和皮质激活，这被广泛认为是皮质效率的稳健、非侵入性指标[12]。
我们的主要目标是确定与短期禁食相关的代谢变化是否会损害、保持或增强认知表现和皮质处理效率。我们假设，尽管葡萄糖显著减少和BHB升高，但认知和电生理测量都将保持稳定，并且某些执行功能可能在营养性酮症期间显示出改善。此外，探索性分析考察了男性和女性在酮体生成幅度上是否存在差异，考虑到先前关于禁食期间底物利用存在性别特异性差异的证据[13]。
2. 方法
2.1 参与者
从健康诊所人群中招募了10名健康成年人（5名男性，5名女性；平均年龄33±11岁，范围20-53岁）。参与是自愿的，参与者表达了对理解禁食生理效应的兴趣。该研究作为探索性试点调查而非正式临床试验进行。纳入标准要求无代谢、神经或心血管疾病，且未使用已知会影响葡萄糖调节、酮生成或认知功能的药物或补充剂。所有参与者均提供了书面知情同意。
所有参与者均无代谢障碍、神经系统疾病、心血管疾病以及任何已知会干扰葡萄糖调节、酮体生成或认知表现的状况。无人服用可能改变本研究中代谢或神经认知变量的药物或补充剂。通过当地宣传和口碑推荐进行招募。在入组前，所有参与者均按照《赫尔辛基宣言》中规定的伦理原则提供了知情同意。
2.2 研究设计与禁食方案
该研究采用重复测量设计，每位参与者作为自身对照，在三个时间点进行测试：基线、24小时和48小时连续禁食[14]。基线测试在过夜禁食后进行，参与者被指示在到达前一小时停止热量摄入，以确保处于最小吸收后状态。从基线到48小时终点，参与者避免所有热量摄入，但允许饮水、黑咖啡或无糖茶；由于人工甜味剂和添加剂可能影响胰岛素和酮体生成[15]，因此禁止使用。随访会话安排在与基线相同的时间进行，以最小化昼夜节律变异，所有评估均在受控环境中进行。通过每次就诊时带时间戳的血糖和β-羟基丁酸(BHB)读数验证禁食依从性，预期的生物标志物轨迹（血糖下降，BHB上升）证实了依从性。
2.3 代谢测量
在每个时间点使用手持式测量仪获取毛细血管血糖和β-羟基丁酸(BHB)浓度[16]。BHB作为主要循环酮体，被广泛认为是营养性酮症最可靠的外周生物标志物[17]。虽然"酮体"一词在公众讨论中常用，但从生理学角度讲，这集体指BHB、乙酰乙酸和丙酮。在本研究中，BHB测量作为大脑酮体可用性的决定性指标。通过一次性采血针采集血液样本，BHB值记录到0.1 mmol/L，血糖记录到1 mg/dL[18]。所有测量均使用相同的测试设备和操作员，以保持方法学一致性。
2.4 咖啡因摄入
允许参与者维持习惯性咖啡因摄入（黑咖啡或无糖茶）。记录每日咖啡因使用情况，但未在参与者之间进行标准化。研究设计将此因素视为局限性。
2.5 认知表现测量
使用连线测验(TMT)评估认知表现，这是一种对健康个体中细微认知变化敏感的经验证的神经心理学工具[19]。A部分(TMTA)要求参与者尽快按升序连接一系列数字，提供视觉扫描能力、心理运动处理速度和序列效率的测量[20]。B部分(TMTB)通过要求在数字和字母之间交替升序排列（如1-A-2-B）增加了额外的执行需求，从而考验认知灵活性、分散注意力和集合转换能力[21]。在两个任务中，表现量化为完成序列所需的秒数，时间越短表示表现越好。
2.6 脑电图测量
使用WAVi研究脑测量系统通过听觉奇球范式记录的事件相关电位(ERPs)评估神经处理速度和皮质激活[22]。该方案可靠地诱发P300成分，即在目标刺激呈现后约300毫秒出现的ERP波形正向偏转[23]。P300潜伏期反映认知评估速度，而振幅（以微伏测量）被解释为皮质激活和注意力资源分配的指标[24]。
记录时参与者舒适地坐着，睁眼，注视视觉点以最小化眼部伪迹25。数据进行0.1-30 Hz带通滤波，排除包含运动或肌电噪声的时段，然后进行波形平均。潜伏期值从听觉刺激开始到P300波形峰值的时间（毫秒）测量，振幅值从基线到正向偏转峰值测量。
使用听觉奇球范式诱发P300成分。数据进行带通滤波（0.1-30 Hz）和基线校正（相对于刺激开始的-200至800毫秒）。排除包含眨眼、眼动或肌肉伪迹的时段，每位参与者平均至少30个无伪迹试验。
2.7 统计分析
使用GraphPad Prism（第10版）进行统计分析。由于这是小样本的探索性试点研究，分析重点在于基线、24小时和48小时的个体内变化。对血糖、β-羟基丁酸(BHB)、连线测验(TMTA和TMTB)和P300参数使用重复测量方差分析。所有值均报告为平均值±标准差，显著性设定为p<0.05，但由于研究的试点性质，需谨慎解释。
3. 结果
3.1 代谢适应
代谢数据显示，在48小时禁食期间，从葡萄糖主导代谢向酮体利用的转变清晰且渐进。基线平均空腹血糖为104.5±10.2 mg/dL，符合过夜禁食后的正常血糖水平。24小时后，血糖降至87.7±8.6 mg/dL，约下降16%，48小时时，水平达到69.2±7.9 mg/dL，比基线总下降近34%。血糖和酮体之间的这种反向关系在图1中清晰展示，说明了向营养性酮症的协调代谢转变。
同时，β-羟基丁酸(BHB)水平急剧上升，反映了预期的向脂肪酸氧化和酮体生成的代谢转换[27]。图中显示基线BHB值平均为0.27±0.15 mmol/L，表明酮症程度最低。24小时时，浓度增加至1.09±0.38 mmol/L，48小时时，水平达到2.73±0.81 mmol/L，标志着进入显著的营养性酮症状态[28]。这一观察结果与先前关于长期禁食期间脂质动员和酮体生成存在性别差异的文献一致，但由于当前样本量，无法得出明确结论[29]。
3.2 认知表现：处理速度与执行灵活性
连线测验表现显示两种任务之间的不同模式，表明禁食对认知领域的选择性影响。TMTA完成时间（主要反映处理速度和视觉扫描）从基线平均值42.1±6.8秒增加到24小时的48.3±7.2秒，48小时进一步增加到50.2±7.5秒。如图2左侧面板所示，这种轻微减慢（在此小样本中未达到统计学显著性）可能反映了在高度依赖心理运动速度的任务中，对葡萄糖可用性降低的短暂适应。
相比之下，TMTB表现在此期间显著改善。基线完成时间平均为95.4±12.7秒。如图2右侧面板所示，24小时时，参与者以82.5±11.9秒完成任务，48小时时，平均完成时间降至73.2±10.8秒，比基线提高了22%[30]。鉴于TMTB表现强烈依赖于认知灵活性、工作记忆和集合转换能力，这种改善表明早期营养性酮症可能选择性支持执行功能[31]。
3.3 P300指标的皮质处理效率
电生理指标在禁食期间保持稳定[32]。如图3左侧面板所示，P300潜伏期在基线为272毫秒，24小时为266毫秒，48小时为267毫秒。电压同样表现出可忽略的净变化（基线14.5 μV，24小时13.9 μV，48小时14.5 μV），图3右侧面板对此进行了详细说明。潜伏期无系统性延长表明禁食不会导致皮质刺激评估速度减慢，而保持的电压表明注意力资源分配和网络参与稳定[33]。结合TMTB表现的改善，这些发现表明，在早期酮症期间，神经效率不仅得以维持，甚至可能针对执行控制功能进行了优化。
3.4 按性别区分的酮体反应
鉴于酮体显著上升以及48小时时性别差异的提示，BHB轨迹分别针对男性和女性进行了分析[34]。如图4所示，男性从24小时到48小时的斜率更陡，最终在研究终点达到更高的平均酮体水平。尽管存在这种代谢差异，但在此样本中，行为和电生理测量并未因性别而有定性差异。这种模式表明，至少在本研究观察到的范围内，更广泛的酮体暴露生理范围不一定转化为健康成人48小时内可测量的执行表现或P300指数差异。
4. 讨论
本试点研究考察了健康成人48小时仅饮水禁食期间系统性代谢适应、执行功能和皮质处理效率之间的相互作用。尽管规模有限，但研究结果为早期营养性酮症的急性神经认知后果提供了几项新见解。
如预期，禁食引发了显著的代谢转变，表现为血糖下降约34%和β-羟基丁酸(BHB)上升十倍。这种转变与从糖原耗竭到肝脏生酮的经典进展一致35。重要的是，我们的发现支持新兴证据，即BHB不仅作为高效的大脑底物，还作为促进线粒体效率、减少氧化应激和增强神经营养通路的信号分子[37]。
在认知方面，处理速度和执行灵活性之间出现了分离。心理运动速度(TMTA)略有减慢，可能反映了葡萄糖可用性降低，而执行集合转换(TMTB)在48小时内提高了22%。这种选择性增强表明，支持高级认知的前额叶网络在早期酮症条件下保持稳健，甚至可能得到促进。这些结果扩展了先前的研究，表明即使葡萄糖减少，酮体可用性也可以维持或增强高级认知[38]-[40]。
电生理结果进一步强调了这种韧性。P300潜伏期和振幅均保持稳定，表明皮质刺激评估速度和注意力资源分配保持不变。鉴于P300潜伏期对病理性神经减慢的敏感性，这里的稳定性是一个显著发现。据我们所知，很少有研究直接考察短期禁食期间的事件相关电位，我们的结果提供了早期证据，表明在急性热量剥夺下皮质效率得以维持[41]-[43]。
探索性性别分层分析显示，48小时时男性酮体水平高于女性，与先前报告的性别特异性代谢反应一致[44]。然而，这些差异并未对应认知或电生理测量的变化，表明在短期禁食期间，皮质功能对酮体暴露的生理范围具有韧性。
从转化角度看，这些数据挑战了长期认为葡萄糖限制必然损害大脑功能的假设[45]。相反，我们的发现表明，急性禁食维持皮质效率，并可能选择性增强执行灵活性。这对各种现实环境具有相关性，包括间歇性禁食方案、耐力运动和发生短期热量剥夺的职业环境。通过整合代谢、认知和电生理标志物，本研究提供了初步证据，表明早期酮症在健康成人中是一种认知上可持续的状态。
5. 结论
总之，这项试点调查表明，48小时仅饮水禁食会引发从葡萄糖到酮体利用的快速而显著的代谢切换，不会对执行认知或皮质处理效率产生不利影响。事实上，以TMTB表现为指标的执行灵活性得到增强，表明在急性热量剥夺期间，酮体可用性可能选择性支持高级认知过程[46]。
这些发现为越来越多的证据做出了贡献，挑战了人类大脑严格依赖连续葡萄糖供应以实现最佳性能的观点。相反，数据支持代谢灵活性的概念，即大脑可以轻易适应替代底物而不会功能受损[47]。
虽然小样本量和缺乏对照组限制了普适性，但代谢变化的稳健性和神经认知功能的保持为更大规模、受控研究提供了令人信服的理由。未来研究应探索酮体促进执行功能的机制基础，将禁食时间延长至48小时以上，并评估个体代谢表型的作用，包括性别差异在调节禁食神经认知反应中的作用[32]。
总之，早期营养性酮症在健康成人中似乎是一种认知上可持续的状态，可能在性能优化和治疗环境中都有应用。此处展示的代谢韧性和神经认知稳定性突显了禁食作为一种值得进一步临床和转化探索的生理状态[48]。
利益冲突声明
作者声明在本论文出版方面不存在利益冲突。
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