Alimentation et croissance cérébrale

• Le cerveau présente des particularités anatomiques influençant ses capacités à capter les nutriments apportés par notre alimentation : barrière hémato-encéphalique, circulation sanguine finement régulée, grande variété de cellules coopérant entre elles.

• Le cerveau est l’un des organes les plus consommateurs sur le plan énergétique et métabolique (25 % de l’énergie et 20 % de l’oxygène utilisés par l’organisme entier).

• Le glucose est le principal substrat du métabolisme cérébral, mais il existe des substrats de « suppléance » : lactate, corps cétoniques, acides aminés et acides gras.

• Les acides gras polyinsaturés (AGPI) jouent plusieurs rôles clés dont le développement cérébral et les fonctions neurocognitives.

• Les lipides polaires laitiers contenus dans les membranes des globules gras du lait régulent des gènes importants pour le développement cérébral.

• Les acides aminés sont des éléments structurants du cerveau et les précurseurs de neuromédiateurs, notamment le tryptophane, la phénylalanine et les acides aminés branchés (leucine, isoleucine et valine).

• Certains micronutriments occupent une place de choix dans le développement neurologique : le zinc, le fer et l’iode, ainsi que les vitamines B9, B12, A et D

Introduction

Parler de développement cérébral sous-entend bien plus que le simple développement anatomique du cerveau, mais également le développement fonctionnel de cet organe : moteur ou sensoriel, capacités intellectuelles, santé mentale, etc. Pour cette raison, plus que l’alimentation qui recouvre la diététique, les pratiques alimentaires et les régimes, il convient dans ce chapitre de s’intéresser à la nutrition qui couvre le champ plus large des liens entre alimentation et santé. En conséquence, nous traiterons des répercussions morphologiques, mais également fonctionnelles cérébrales des carences des principaux nutriments impliqués dans l’organogenèse et le fonctionnement cérébral. La période anténatale et celle de la petite enfance sont particulièrement critiques dans le développement neurologique tant par la rapidité que par le caractère transitoire et fini des événements s’y déployant. Ainsi, des altérations survenant durant cette phase de croissance initiale peuvent induire des conséquences irréversibles pour le restant de la vie. Pour bien comprendre l’importance de cette période, mais sans reprendre le détail du développement cérébral abordé au chapitre 1, nous pouvons rappeler la précocité de la mise en place de certaines structures cérébrales essentielles. La fermeture du tube neural se fait dans le premier mois de la grossesse, impliquant qu’un statut nutritionnel maternel déficient avant la conception peut déjà avoir un retentissement délétère, comme cela est bien démontré pour la carence en folates par exemple. La prolifération embryonnaire des neurones puis leur migration sont très actives jusque durant les premiers mois de vie ; on estime que l’élaboration des membranes neuronales se poursuit jusque vers l’âge de 5 mois et que la production des divers neurotransmetteurs atteint sa pleine capacité seulement vers l’âge de 3 ans [1]. Ainsi, la survenue de difficultés alimentaires ou de carences tant chez la femme enceinte que chez le jeune enfant peut induire des anomalies définitives du développement cérébral. Comparativement aux autres organes, le cerveau présente des particularités anatomiques influençant ses capacités à capter les nutriments apportés par notre alimentation :

• la barrière hémato-encéphalique, véritable filtre entre la circulation systémique et cérébrale avec présence de transporteurs spécifiques;

• une circulation sanguine finement régulée (incluant une autorégulation) pour assurer un apport d’oxygène, mais également des nutriments le plus constamment possible en toute circonstance ; ainsi, en cas d’hypoglycémie, le débit cérébral sera capable d’augmenter à plus de 80 % de ses valeurs physiologiques ;

• une assez grande variété de cellules coopérant entre elles de manière extrêmement régulée  ; ainsi, les astrocytes contiennent les enzymes nécessaires au métabolisme du glycogène ou des neurotransmetteurs rendant obligatoires les échanges de métabolites entre astrocytes et neurones afin d’alimenter ces derniers.

Rôle des macronutriments

Glucides et métabolisme énergétique cérébral

Le métabolisme cérébral est sans comparaison avec la taille du cerveau. C’est l’un des organes les plus consommateurs sur le plan énergétique et métabolique : il capte un quart de l’énergie et un cinquième de l’oxygène utilisés par l’organisme entier au repos, alors qu’il ne représente que quelques pourcents de la masse corporelle totale. Le glucose est le principal substrat, dit obligatoire, du métabolisme cérébral, puisqu’au repos 90 % de l’énergie sous forme d’adénosine triphosphate (ATP) est produite à partir du glucose. Cette importance est illustrée par les conséquences graves d’une hypoglycémie : des troubles neurologiques pouvant aller jusqu’au coma en passant par les convulsions. Cependant, il existe des substrats de « suppléance » pour répondre à certaines conditions comme le jeûne, l’hypoxie ou l’hypoglycémie prolongé ; il s’agit du lactate et des corps cétoniques (acétoacétate et β-hydroxybutyrate) principalement, mais aussi des acides aminés et des acides gras. Ainsi, le glucose ne peut pas être remplacé mais plutôt suppléé par le lactate lors de l’effort physique intense prolongé, ou par les corps cétoniques capables d’assurer, lors du jeûne, jusqu’à 60 % du support énergétique cérébral. La barrière hémato-encéphalique impose la présence de transporteurs :

• pour le glucose, les transporteurs dits Glut (glucose transporter) ; Glut1 assure l’apport de glucose aux cellules endothéliales et gliales, GluT3 aux neurones eux-mêmes ;

• pour les corps cétoniques, les monocarboxylate transporters (MCT).

Leur nombre augmente dans certaines situations comme le jeûne. Le glycogène cérébral est synthétisé et stocké dans les cellules gliales mais en faible quantité, avec une autonomie de production de glucose de quelques minutes seulement. Il semble jouer plutôt un rôle de « tampon » lors d’une augmentation brutale du besoin en glucose en permettant d’attendre l’adaptation sanguine nécessaire pour répondre à ce nouveau besoin, sa synthèse et son utilisation étant continues et étroitement régulées localement.

Lipides

Acides gras polyinsaturés

Les acides gras polyinsaturés (AGPI) jouent plusieurs rôles clés dans le développement cérébral et les fonctions neurocognitives. Parmi les AGPI, l’acide linoléique 18 : 2 n-6 (LA), l’acide alpha-linolénique 18 : 3 n-3 (ALA), l’acide docosahexaénoïque 22 : 6 n-3 (DHA) et l’acide arachidonique 20 : 4 n-6 (AA) occupent une place prépondérante dans la structure du développement cérébral ou la myélinisation durant la gestation et l’enfance. De plus, ils jouent un rôle fonctionnel prépondérant dans la production de plusieurs neurotransmetteurs influençant par exemple les systèmes gamma-amino-butyrique (GABA) ou cholinergique [1]. La quantité absolue d’apport en AGPI est importante ; par exemple, la quantité de DHA est essentielle pour le développement du cortex préfrontal relié aux capacités d’attention ou d’inhibition des actions [1]. Ainsi, chez l’enfant, un niveau élevé de DHA est associé à de meilleures capacités cognitives (quotient intellectuel [QI]) à l’âge de 12 ans [2] (voir chapitre 11). Les enfants ayant les taux de DHA les plus élevés dans la membrane érythrocytaire triplent leur capacité lors de tests sur les fonctions exécutives [3]. De plus, la quantité relative des AGPI entre eux régule aussi le développement neurologique puisqu’il existe une balance entre les oméga 3 et les oméga 6 par exemple. Ainsi, un rapport LA/ALA excessif durant la grossesse est inversement corrélé avec le développement mental et psychomoteur à l’âge de 6 mois [4], ou bien un apport excessif en LA durant l’allaitement est associé à des scores moteurs et cognitifs abaissés à 2 et 3 ans chez les enfants allaités et à un QI verbal plus faible à 5 ans [5] (voir chapitre 11). Cependant, les études interventionnelles de supplémentation en oméga 3 ont des résultats variables selon les auteurs : la supplémentation durant la grossesse avec du DHA améliore l’attention à l’âge de 5 ans selon certains, mais semble sans effet à l’âge d’un an pour d’autres. Les revues systématiques Cochrane1 ne retrouvent pas d’effets bénéfiques sur le développement neurocognitif d’une supplémentation en DHA durant l’allaitement ou dans les laits infantiles [6]. Chez l’enfant plus grand, les apports en AGPI ont un impact important sur le développement cérébral et les capacités intellectuelles. Ainsi, la consommation à l’âge d’un an de lait de croissance enrichi en DHA et AA améliore les capacités de langage à 2 ans [7].

Lipides polaires laitiers

Les lipides polaires laitiers sont les constituants des membranes des globules de lait ; ils représentent environ 5 % de la matière grasse laitière. Ce sont des lipides amphiphiles constitués d’une tête hydrophile et d’une queue hydrophobe. Ils incluent les phospholipides (glycérophospholipides et sphingomyélines) et les sphingolipides (cérébrosides, céramides et gangliosides). Dans le lait humain, les principaux composants des membranes de globules sont la sphingomyéline (SM) et la phosphatidylsérine (PS) ; alors que dans le lait de vache, la phosphatidylethanolamine (PE) prédomine. L’intérêt pour les lipides polaires laitiers dans le développement neurocognitif est relativement récent, et les données scientifiques encore rares. Les études animales chez le rat démontrent que les lipides polaires laitiers régulent des gènes importants pour le développement cérébral (par exemple le brain-derived neurotrophic factor [BDNF]). Chez la femme enceinte, la supplémentation en lipides polaires laitiers n’influence pas les mensurations fœtales. Chez l’enfant à terme, une supplémentation associée à de la lactoferrine semble accélérer le neurodéveloppement à l’âge d’un an avec de meilleurs scores neuromoteur, langagier et cognitif [8]. Chez l’enfant de 2 à 6 ans, une supplémentation en lipides polaires laitiers pendant 4 mois réduirait les troubles du comportement. Enfin, concernant la production de neurotransmetteurs, la consommation de lécithines (et de choline) augmente la libération d’acétylcholine par les neurones cérébraux, ouvrant des perspectives dans le traitement des troubles mnésiques ou la maladie d’Alzheimer par exemple.

Protéines

Introduction

Les protéines résultent de l’assemblage d’acides aminés. Les acides aminés jouent plusieurs rôles essentiels :

• un rôle structural, le cerveau étant constitué en grande partie de lipides, mais également de protéines ;

• un rôle fonctionnel, en tant que précurseurs de neurotransmetteurs, d’enzymes et d’hormones essentielles au bon fonctionnement cérébral. Durant la grossesse, les protéines ne traversent pas la barrière placentaire en quantité importante. En revanche, les acides aminés provenant de la circulation maternelle peuvent rejoindre le fœtus. Le profil plasmatique de l’amino-acidogramme est un élément potentiellement régulateur de la synthèse des neurotransmetteurs car le passage de la barrière hémato-encéphalique du tryptophane se fait, par exemple, en compétition avec d’autres acides aminés de structure proche (tyrosine ou leucine). Ainsi, les apports alimentaires en acides aminés spécifiques semblent pouvoir influencer la neurotransmission.

Carence

Les études animales démontrent que la carence d’un seul acide aminé essentiel peut mimer les conséquences délétères sur le plan neurologique d’une carence protéique globale : anomalie histologique cérébrale, altération des capacités d’apprentissage et réduction de la flexibilité cognitive. Chez l’humain, des études anciennes ont démontré qu’en situation de carence alimentaire des supplémentations protéiques durant la grossesse semblent améliorer les capacités d’interaction entre l’enfant et sa mère à l’âge de 18 mois, et cela indépendamment de l’apport énergétique. De plus, une supplémentation durant le jeune âge améliore les performances intellectuelles et sociales à court terme mais également à l’âge adulte [8].

Voie mTorC1 : lien entre acides aminés et cerveau ?

Un mécanisme pouvant relier les apports en acides aminés et le neurodéveloppement passe par la voie mTorC1 (mammalian target of rapamycin complex 1) qui est une sérine/thréonine kinase régulant, durant l’embryogenèse du système nerveux central, la prolifération cellulaire, la migration et la différenciation des neurones. Les acides aminés jouent un rôle essentiel dans la régulation de cette voie, comme la leucine ou l’arginine qui activent mTorC1 dans les neurones. Des anomalies de cette voie de signalisation conduisent à différents troubles neurocognitifs allant des difficultés d’apprentissage jusqu’au retard mental.

Acides aminés candidats : tryptophane, phénylalanine et acides aminés branchés

Parmi les différents acides aminés, certains jouent un rôle prépondérant dans le neurodéveloppement en tant que précurseurs des neurotransmetteurs : il s’agit du tryptophane, de la phénylalanine et des acides aminés branchés (leucine, isoleucine et valine).

• Le tryptophane est le précurseur de la sérotonine, impliquée elle-même dans les fonctions motrices et sensitives, comme la perception de la douleur, ou dans la régulation de l’humeur et de certaines fonctions cognitives. Plusieurs troubles psychiatriques sont associés à des anomalies de la transmission sérotoninergique comme la schizophrénie ou les dépressions sévères. Le tryptophane apporté par l’alimentation est converti pour 3 à 5 % en sérotonine. Quelques rares études ont évalué l’impact neurocognitif d’apports de tryptophane chez l’enfant. La supplémentation orale chez le nourrisson augmente l’excrétion urinaire de sérotonine et de mélatonine, et semble favoriser l’endormissement rapide. De même, une corrélation a été démontrée entre les apports alimentaires de tryptophane et le comportement ou la régulation de l’humeur [9].

• La phénylalanine est un précurseur important des neurotransmetteurs. Elle est métabolisée en tyrosine, elle-même à l’origine des catécholamines (dopamine, noradrénaline, adrénaline)  ; elle produit également la phényléthylamine qui module la transmission noradrénergique et augmente les taux circulants de dopamine. La réduction des taux cérébraux de tyrosine est associée à une baisse des performances neurocognitives comme la mémoire, ou des altérations de l’humeur. Une étude chez l’enfant de supplémentation en tyrosine rapporte une réduction des épisodes dépressifs [10].

• Enfin, les acides aminés branchés (leucine, isoleucine et valine) interviennent dans de multiples voies du métabolisme cérébral : production énergétique, synthèse protéique, régulation du glutamate ou synthèse de neurotransmetteurs comme la sérotonine ou la dopamine, stimulation de la voie mTORC1, décrite précédemment. Cependant, et à notre connaissance, aucune étude n’a évalué l’impact d’une supplémentation en acides aminés branchés sur le neurodéveloppement de l’enfant.

Noël Peretti, professeur des universités-praticien hospitalier, pédiatre nutritionniste, chef du service de gastroentérologie, hépatologie et nutrition pédiatriques, Hôpital Femme Mère Enfant, Hospices Civils de Lyon, Bron ; Université Lyon 1, Laboratoire CarMeN, INSERM, INRAE, UMR1060, Pierre-Bénite

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Références

[1] Cusick SE, Georgieff MK. The role of nutrition in brain development : the golden opportunity of the “first 1000 days”. J Pediatr 2016 ; 175 : 16‒21. [2] Dalmeijer GW, Wijga AH, Gehring U, et al. Fatty acid composition in breastfeeding and school performance in children aged 12 years. Eur J Nutr 2016 ; 55(7) : 2199‒207. [3] Adjepong M, Yakah W, Harris WS, et al. Whole blood n-3 fatty acids are associated with executive function in 2-6-year-old Northern Ghanaian children. J Nutr Biochem 2018 ; 57 : 287‒93. [4] Kim H, Kim H, Lee E, et al. Association between maternal intake of n-6 to n-3 fatty acid ratio during pregnancy and infant neurodevelopment at 6 months of age : results of the MOCEH cohort study. Nutr J 2017 ; 16(1) : 23. [5] Bernard JY, Armand M, Peyre H, et al. EDEN Mother-Child Cohort Study Group. Breastfeeding, polyunsaturated fatty acid levels in colostrum and child intelligence quotient at age 5-6 years. J Pediatr 2017 ; 183 : 43‒50. e3. [6] Jasani B, Simmer K, Patole SK, Rao SC. Long chain polyunsaturated fatty acid supplementation in infants born at term. Cochrane Database Syst Rev 2017 ; 3(3) : CD000376. [7] Devlin AM, Chau CMY, Dyer R, et al. Developmental outcomes at 24 months of age in toddlers supplemented with arachidonic acid and docosahexaenoic acid : results of a double blind randomized, controlled trial. Nutrients 2017 ; 9(9) : 975. [8] Li F, Wu SS, Berseth CL, et al. Improved neurodevelopmental outcomes associated with bovine milk fat globule membrane and lactoferrin in infant formula : a randomized, controlled trial. J Pediatr 2019 ; 215 : 24‒31. e8. [9] Harada T, Hirotani M, Maeda M, et al. Correlation between breakfast tryptophan content and morning-evening in Japanese infants and students aged 0-15 years. J Physiol Anthropol 2007 ; 26(2) : 201‒7. [10] Akimitsu O, Wada K, Noji T, et al. The relationship between consumption of tyrosine and phenylalanine as precursors of catecholamine at breakfast and the circadian typology and mental health in Japanese infants aged 2 to 5 years. J Physiol Anthropol 2013 ; 32(1) : 13.