运动能量补偿的行为机制

在美国，超过 70% 的成年人超重或肥胖，这使他们面临多种合并症的风险，包括心血管疾病、高血压、糖尿病、血脂异常、代谢综合征和某些癌症。 肥胖导致的更高死亡率使预期寿命减少了 6-7 年，美国每年有多达 300,000 人死于肥胖。 因此，肥胖治疗已成为医疗保健的主要焦点。

增加体力活动和能量消耗是控制体重的普遍建议，运动已成为治疗肥胖症最普遍、最经济、最促进健康的选择。

不幸的是，通过锻炼计划减轻的体重通常令人失望，而且更多的锻炼可能并不总能促进额外的体重减轻。 越来越多的证据表明，个人通过锻炼实现减肥的共同努力受到一组协调的补偿反应的阻碍，这些补偿反应致力于维持能量平衡，保存能量以确保满足重要器官的能量需求。 维持能量稳态并因此对抗运动引起的能量不足导致的体重减轻的主要补偿反应是增加能量摄入的驱动力。 这通常与饥饿无关，因为单次运动通常不会导致食欲、食物摄入或调节食欲的激素发生变化，而长期运动实际上可以改善对一餐的饱腹感反应。 进食的动机方面，被称为食物的强化价值，是独立于饥饿的体重和能量摄入的有力预测指标，尽管之前没有将其作为运动能量补偿的重要因素进行研究。 食物强化是通过激发对食物的更大注意力处理来开发的，称为注意力偏差。 这些行为构造由中枢多巴胺系统控制，该系统调节强化行为（如进食）的奖励方面，并且是比情感反应更强大的行为驱动力。 当对食物的动机需求超过对进食的抑制控制能力时，就会发生暴饮暴食。 因此，抑制控制较低的个体更容易受到食物强化方面的影响，并且更有可能过度食用高度强化、能量密集的食物。 有了额外的证据，饮食和运动行为共享相似的神经行为通路，这可能解释了为什么运动可以促进动物模型的进食，确定运动对食物强化、注意力偏差和食物线索抑制控制的影响将非常有趣在人类中。

我们的长期目标是通过制定干预措施来减少对运动消耗的能量的补偿，从而减少肥胖的发生率并改善肥胖的结果，从而改善运动作为减肥和减肥维持策略。 当前提案的总体目标是 1) 评估急性运动是否会改变食物强化、注意力偏差和食物线索的抑制控制，以及 2) 评估这种反应中的潜在性效应。 我们的中心假设是，运动训练会引起更大的食物强化和对食物线索的注意力偏向，同时减少抑制控制作为促进更多能量摄入以维持能量稳态的机制。 我们的假设是根据我们的初步数据制定的，这些数据表明对 12 周运动干预的大量（每周约 1,000 千卡）补偿反应无法用静息能量消耗、运动干预之外的身体活动或荷尔蒙的变化来解释食欲的调解员。 在使用不同运动剂量的两项不同研究中观察到这种补偿反应，表明这种补偿反应具有显着的一致性。 先前对动物模型的研究表明，运动有助于进食，有证据表明进食和运动奖励之间存在共同的神经行为通路，可以解释这种联系。 这些影响能量摄入的行为构造尚未被视为能量补偿机制，并且可能导致我们之前观察到的无法解释的补偿反应。 该项目的基本原理是，随着对能量补偿背后机制的更多了解，可以设计未来的干预措施来减弱这种反应，以提高锻炼作为减肥策略的效用。 为实现总体目标，我们将在肥胖、久坐的人群以及最需要有效减肥治疗的人群中追求以下具体目标和探索目标：具体目标：展示食物强化、注意力偏差和食物线索抑制控制方面的变化剧烈运动后。 根据我们的初步数据和之前的文献表明运动可能会增加食物奖励，我们的工作假设是剧烈运动会导致食物更加强化，增加对食物线索的注意力偏差，并减少对食物线索的抑制控制。

探索性目标：我们将探索性是否调节这些反应。 其他人已经证明了食物强化的性别差异，尽管性别在这种对运动的反应中所起的作用尚不清楚。

在拟议的研究完成时，预期的结果是确定有助于在锻炼计划中进行能量补偿的新机制。 这些结果将产生持续的影响，因为它们将为开发新的干预措施提供强有力的基于证据的原则证明，这些干预措施可以减弱对运动的补偿反应，提高其控制体重的效果。

要解决的问题的重要性。 超过 70% 的美国成年人肥胖 (BMI > 30) 或超重 (BMI 25-29.9)。 不良的饮食习惯和缺乏运动是导致这种流行病的主要原因。 超过 90% 的美国成年人在客观评估时未能达到身体活动建议，而超过 95% 的人未能达到固体脂肪和添加糖摄入量的建议 [5]。 肥胖对社会的影响体现在其相关的合并症中，包括心血管疾病、高血压、糖尿病、血脂异常、代谢综合征、胆结石、骨关节炎、睡眠呼吸暂停、过早死亡以及许多癌症，如乳腺癌、肝癌和结肠癌。 肥胖对经济的影响是惊人的，每年的医疗保健支出在 92-1170 亿美元之间，使肥胖成为美国最昂贵的健康问题之一 [8]。

不断升级的肥胖流行病表明大多数人无法满足他们的减肥需求。 抵御能量负平衡的进化保守机制在一定程度上是罪魁祸首 [9]。 这些机制包括对能量不足的代谢和行为反应，这些反应通过减少能量消耗或促进能量摄入来节约能量。 代谢适应通过与甲状腺功能、骨骼肌葡萄糖氧化和交感神经系统活动相关的机制减少静息和非静息能量消耗，约占 120 kcal/天。 另一方面，对能量不足的行为反应可能远远超过 120 千卡/天，包括能量摄入增加和体力活动减少。 许多人同意，抵抗运动引起的能量不足的最有效的补偿反应是增加能量摄入，因为能量摄入的速度远远超过能量消耗的速度。 人们对这种补偿反应的潜在机制知之甚少。

运动是最常见的减肥策略，在那些试图减轻体重的人中，运动的流行率为 65%。 事实上，大多数人都有能力增加他们的能量消耗以促进负能量平衡，而根据个人的有氧适能，运动强度可以长时间维持在比静息能量消耗率高 2 到 16 倍的水平。 因此，在单次锻炼期间可以消耗 250 至 2500 千卡，导致严重的能量不足，并且可以在几天内重复出现。 这促使美国运动医学学院发布单独的建议，以通过运动保持健康或支持减肥。 锻炼也是糖尿病预防计划 (DPP) 的主要组成部分之一，也是经典 Look AHEAD 试验的一个关键方面，主要是因为锻炼被认为在减肥和减肥维持中发挥作用。 然而，由于上述维持能量平衡的补偿反应，运动训练带来的体重减轻通常低于预期。

我们的初步数据与其他人一致，指出增加能量摄入是对运动引起的能量不足的主要补偿反应。 其他据称的补偿反应包括静息能量消耗 (REE) 减少、骨骼肌工作效率提高以及锻炼计划之外的习惯性身体活动减少 [9]。 尽管有大约 1,000 kcal/周的补偿反应，但我们已经两次证明在运动干预之外的 REE、总能量消耗和习惯性身体活动没有显着变化。 这支持了这样一个前提，即能量摄入的增加是这种对运动的补偿反应的主要原因，尽管这种反应背后的机制仍然未知。 确定这种补偿反应的机制是制定干预措施的必要第一步，旨在减弱伴随锻炼计划的能量摄入的补偿性增加。 这种干预措施将极大地改善作为体重控制策略的锻炼。

经常研究的导致运动时能量摄入增加的机制是饥饿感增加，通过食欲激素调节剂、基于实验室的食物摄入量和饥饿/饱腹感量表进行评估 [28-32]。 特别是，促食激素生长素释放肽的浓度升高和引起饱腹感的信号如肽 YY (PYY)、胰高血糖素样肽一 (GLP-1)、胰多肽 (PP)、胆囊收缩素 (CCK) 和瘦素的减少可能在参加运动训练时，所有这些都会被改变以促进更多的能量摄入。 然而，单次运动通常不会导致预期的食欲补偿性增加。 相反，饱腹感会在运动后 24 小时内持续存在，而长期运动实际上可以改善对一餐的饱腹感反应。 因此，可能涉及其他机制，需要新颖和创新的研究来更好地理解这种对运动的补偿反应背后的机制。

中枢多巴胺 (DA) 系统对于体验奖赏（即 DA 奖励假说），该系统的适应性最初是为了解释毒瘾而提出的。 有趣的是，运动和饮食行为在很大程度上是由这个中央 DA 系统驱动的，因为控制 DA 摄取和运输的遗传多态性与运动和饮食奖励有关。 这为这些行为之间的神经行为串扰提供了可能性，解释了为什么为减肥而锻炼的人经常会扭曲部分控制，以食物的形式寻求锻炼的奖励，并从高脂肪、高热量中获得更大的快乐。 -糖，高能量食物，不受饥饿影响。 有证据表明，老鼠的进食和运动奖励之间存在这种直接的相互作用，其中产生低水平多巴胺能反应的车轮运行促进了进食。 在人类中，有证据表明，运动会促进过度补偿（摄入的能量多于消耗的能量）的人更想吃东西，因为运动可能具有增强食物奖励以增加能量摄入的敏感作用。 不同药物的增强作用之间类似的神经行为串扰也是已知的，特别是涉及内源性阿片类药物和大麻素系统，而其中一种药物的给药增加了另一种药物的增强作用。 因此，运动可能会增加食物的有益方面，从而增加能量摄入，这是一种可能的情况，尽管这尚未在人类身上得到充分评估。

饮食的有益方面是影响能量摄入的重要意志行为反应，通过定义一个人的食物强化价值来评估。 食物强化是衡量一个人有多想参与特定饮食行为的量度，因为发现食物高度强化的人“想要”食物的程度更高。 与享乐价值（即喜好）相比，食物强化是食物摄入量的更强有力的预测指标，并且是体重的有力预测指标。 导致能量不足的食物剥夺会增加食物强化，因此运动引起的能量不足可能会增加食物强化，作为促进进食行为和维持能量平衡的机制。 尚未进行任何研究来描述和测试人类对运动的这种行为反应。

增加行为的强化价值是通过“激励敏感化”来实现的。 激励敏化是一种行为过程，在该过程中，反复暴露会增加环境中刺激的显着性，从而产生注意力偏差。 这会产生神经适应，从而增加行为的激励或强化价值。 因此，在阐明饮食的动机影响时，对食物线索的注意力偏见是一个额外相关且重要的结构，需要考虑。 对食物线索的注意力偏差增加预示着暴饮暴食的倾向和体重状况，肥胖的人对食物线索有更大的注意力偏差，尤其是对能量密集的可口食物。 当对食物的动机需求超过抑制控制进食的能力时，就会发生暴饮暴食，因此，食物或食物强化的意识/注意力偏向增强可能导致抑制控制减少的人暴饮暴食。 这使得抑制控制较差的个体更容易受到食物的有益影响，从而增加能量摄入并促进体重增加。 这种关联尚未与运动一起进行评估，并且运动介导的食物强化和注意力偏差的增加可能遵循与以前观察到的主要使用久坐个体的横截面数据不同的模式。 根据我们最近的初步数据，38/44 名参与者在 12 周的运动干预后表现出某种形式的积极补偿，运动可能会降低抑制控制作为促进能量摄入的额外机制，或食物强化和对食物线索的注意力偏差可能会增加到大于一个人的抑制控制所能减轻的程度。

拟议研究贡献的意义 预期的贡献是加深对支撑运动能量补偿机制的理解。 这一贡献将意义重大，因为这将为开发未来的试验和治疗提供必要的信息，以促进随着时间的推移通过锻炼计划更成功和持续的减肥，降低肥胖和相关并发症的发生率。 这些结果旨在提高科学知识并直接为与肥胖治疗和预防相关的临床实践提供信息。 目前，行为补偿反应通常不被认为是运动引起的体重减轻的可改变障碍，这可能是由于其背后机制的未知性质或它们如何被修改。 必须确定新的机制，因为对能量摄入（饥饿/饱腹感）的传统介质的研究似乎没有提供明确的结论。 确定食物强化、注意力偏差和食物线索抑制控制在运动引起的能量摄入增加中的作用，将导致未来针对这些机制的研究，以提高运动控制体重的有效性。

创新 肥胖症治疗的现状是无效的，不断升级的肥胖流行病就是证据。 肥胖治疗的锻炼计划通常不会将能量补偿视为减肥的一个组成部分。 我们的初步数据和其他人已经证实了对运动的补偿反应，并且更多的能量摄入是最大的补偿来源。 然而，人们对介导这种补偿反应的机制知之甚少。

拟议的研究是创新的，因为它通过关注运动能量补偿的潜在机制来挑战当前的肥胖研究范式。 具体来说，食物强化、注意力偏差和对食物线索的抑制控制是意志行为反应，将被评估为运动补偿反应中的重要中介。 这些结构是体重状况和能量摄入的有力预测指标，但尚未在运动背景下进行评估。 有证据表明运动可以影响食物强化、注意力偏差和食物线索抑制控制的神经行为过程，本研究的假设不仅非常新颖，而且可能性很大。 Kyle Flack 博士（PI，一位经验丰富的营养学家、运动和行为生理学家）和 Craig R. Rush 博士（Co-I，一位在注意力偏差和抑制控制方面具有专长的经验丰富的行为科学家）的调查团队是一个额外的新颖方面，特别适合执行此建议。 成功完成将为肥胖治疗开辟新视野，包括新的干预措施，重点是减轻运动引起的食物强化改变、注意力偏差和对食物线索的抑制控制。

接近初步数据。 我们关于运动能量补偿的初步研究表明，无论运动能量消耗如何（1500 对 3000 kcal），尽管每周补偿反应大约为 1,000 kcal，但静息能量消耗（kcal/24 小时）和非运动身体活动没有显着变化/周）或锻炼频率（每周 2 次与 6 次）。 这证明了久坐不动的人在进行为期 12 周的不包括饮食限制的运动干预时表现出的能量补偿的总体规模。 重要的是，REE 前后变化的缺乏和非运动性身体活动表明能量摄入的变化是造成这种 1,000 kcal/周补偿反应的主要原因。 此外，食欲和饱腹感的激素调节剂的变化与这种补偿反应无关。 出于这个原因，研究的重点是确定在进行减肥运动时促进能量摄入增加的新机制，以开发能够减轻这种反应并从而改善减肥效果的干预措施。 食物的强化价值、注意力偏差和对食物线索的抑制控制是已知在饮食行为和体重状态中发挥重要作用的行为结构。 正如我们所指出的，研究这些行为结构如何受到运动的独特影响是有很强的合理性的，重点是 DA 奖励系统中可能将运动和饮食行为联系起来的共享神经行为通路。 这已在啮齿动物中观察到，在啮齿动物中引起多巴胺能反应的运动会促进进食，但尚未在人类身上进行充分研究。

研究设计。 这项试点研究将使用平衡交叉设计来评估单次运动和单次久坐活动对超重至肥胖、久坐的成年人的食物强化、注意力偏差和食物线索抑制控制的急性影响（n =60，30 名男性，30 名女性）。 食物强化、注意力偏差和食物线索抑制控制的差异将在条件（运动与久坐活动）、时间（运动前与运动后）和性别（男性与女性）之间确定。 与非运动控制条件和运动前条件相比，这将使我们能够确定运动如何影响能量摄入的行为中介。

环境。 所有研究活动都将在位于肯塔基州列克星敦的肯塔基大学（英国）临床和转化科学中心（CCTS）、人类行为药理学实验室（LHBP）和营养评估实验室（NAL）进行。英国校园周边。

参与者、招募和筛选。 招募将包括 72 名居住在社区的超重至肥胖 (BMI 25-45 kg/m2) 男性 (n=36) 和女性 (n=36)，年龄在 18-45 岁之间，目前未从事运动或减肥活动，也不在过去的 12 个月内体重减轻或增加超过当前体重的 5%。 符合条件的参与者还将 (1) 没有任何心脏、肺部或代谢健康状况，(2) 能够安全地进行锻炼，(3) 不服用任何可能影响能量消耗或摄入的药物或膳食补充剂，以及 (4 ) 未被诊断出患有进食障碍、临床抑郁症或焦虑症，并且 (5) 每周进行少于 150 分钟的中度至剧烈身体活动（通过基线加速度计评估）。 女性参与者还必须处于绝经前且未怀孕或哺乳。 安全参加锻炼的能力将使用健康史和身体活动准备问卷 (PAR-Q+) 来确定，并由研究医师审查。 将采用印刷和在线媒体相结合的方法，从肯塔基州列克星敦地区招募参与者。 将根据基本纳入标准（年龄、活动水平、BMI）对感兴趣的个人进行筛选，如果最初认为符合条件，将邀请他们进行筛选访问以进一步评估资格。 根据我们之前在肯塔基大学进行的为期 12 周的运动干预，我们预计总体保留率为 85%，剩下 n=60 人完成两次评估访问。

程序访问 1（第 1 周）。 研究协调员将与每位参与者会面，进行 30 分钟的介绍会。 此时，参与者将解释研究、回答问题、完成必要的筛查问卷（健康史、PAR-Q+）、完成 Accu-Check 血糖测试，如果被认为符合资格和兴趣，则签署知情同意书。 注册后，参与者还将完成食物频率问卷 (DHQ-3)，评估身体成分 (BodPod)，并测量腰围。 还将为参与者提供 ActiGraph 加速度计，以客观评估接下来 7 天的身体活动，并安排至少八天后进行第 2 次访问。 将指示参与者在参加研究时不要故意改变饮食行为（即 开始节食）。

访问 2 和 3（第 2 周和第 3 周）。 在访问 2 当天，参与者将记录他们在测试访问之前食用的具体食物、数量和一天中的时间。 将指示参与者在访问 3 之前的一天中的同一时间吃与访问 2 之前相同的食物。访问 2 和 3 将安排在参与者将在一周的同一天的同一时间能够练习“通常”的饮食行为，即不在节假日或特殊场合。 在下午餐后恰好四小时到达 LHBP 后，参与者将在一次剧烈运动或久坐活动之前和之后完成对食物强化、注意力偏差和食物线索抑制控制的评估，其中一次访问以运动为特色另一次以久坐活动为特色。 访问的顺序将被平衡。 在每组评估之前，将针对饥饿和运动享受进行视觉模拟量表 (VAS)。 对于女性参与者，这些访问将在卵泡期进行，这将通过月经周期问卷进行评估。 参与者将佩戴加速度计以记录评估访问之间的清除期间的身体活动，并被指示保持久坐不动。

剧烈运动。 在访问 2 或访问 3（取决于平衡顺序）期间，参与者将在急性运动前后完成食物强化、注意力偏差和抑制控制的评估。 将为参与者提供采用 smart-cal™ 技术的 Polar A-300 心率监测器，该技术会考虑个人的性别、年龄、体重、活动水平和心率，以估算锻炼期间消耗的总能量（千卡）会话，消耗的千卡实时显示。 参与者将在实验室研究人员的监督下使用椭圆测力计 (Octane Fitness ZR8) 进行锻炼，锻炼时间为消耗 500 kcal 所需的时间。 参与者将以至少 65% 心率储备 (HRR) 的自选强度进行锻炼，这是开始锻炼计划的久坐人士通常规定的强度。 根据我们实验室之前进行的研究，即使是最久坐不动的人也可以达到 500 千卡的能量消耗，根据体重和运动强度进行持续 30 到 70 分钟的运动。 根据能量消耗而不是持续时间或强度来规定锻炼回合将使所有参与者完成的总工作量标准化。 虽然运动的强度和持续时间都可以控制，但由于参与者的体重差异，运动时间或总工作量仍然会有所不同。 500 kcal 的能量消耗专门用于确保运动量（强度 * 时间）足以在长期计划中产生减肥效果并引发多巴胺能反应。 参与者将被允许在运动期间和运动后饮用 0.5 升水。 参与者将在完成锻炼课程后短暂休息 15 分钟，然后重复评估食物强化、注意力偏差和食物线索的抑制控制（运动后评估 1）。 参与者将在运动和久坐活动结束后 60 分钟重复这些评估（运动后评估 2）。

剧烈的久坐活动。 参与者将在急性久坐活动 (TV) 前后完成对食物强化、注意力偏差和抑制控制的评估。 参与者将观看 60 分钟的电视，从各种电视情景喜剧 (DVD) 中选择，其中没有可能以食物为特色的商业广告。 在电视观看测试期间和之后，参与者将获得 0.5 升饮用水。

统计分析线性混合模型将作为随机效应与运动和时间相适应，以考虑重复测量和性别作为固定效应。 如果合适，将转换响应变量。 对于二元解释变量，将假定随机效应的非结构化协方差矩阵，但如果需要，将考虑替代方案。 将评估饥饿/饱腹感和运动乐趣的 VAS 量表评级，并在必要时进行调整。 功效分析：由于我们的三个响应变量，我们将为回归模型使用 0.05/3 = 0.017 的 Bonferroni 校正 I 型错误率。 在 n = 60、30 名男性和 30 名女性的线性回归模型中，平衡开始有和没有运动，然后交叉到其他治疗，我们将有 80% 的能力检测 R 平方为 20.4% 或更高的模型（ nQuery 8.5.1）。 与线性回归相比，我们的混合模型将改善模型拟合并减少方差估计，从而增加功效或减少可检测到的 R 平方类型的度量。

探索性目标：通过将性别作为我们线性混合模型方法中的固定效应，我们的研究旨在确定性别在假设的运动引起的能量摄入行为中介变化中可能发挥的作用。 之前在动物身上的工作已经确定了饮食奖励/强化的性别效应，其中女性有更大的神经行为驱动力来消费食物。 然而，尚不清楚性是否可能在对运动的反应中发挥作用，值得进行这种探索。