Neurocognitive, behavioural and physiological effects of non-nutritive sweeteners in humans

Abstract

Non-nutritive sweeteners (NNS) constitute a promising tool toward sugar and energy intake reduction. However, NNS effects on appetite and eating behaviour in humans is not yet fully understood. Control of food intake is the result of a complex interaction between homeostatic and hedonic signals, that collectively act to govern eating behaviour. Since oral sweet taste sequentially precedes gastrointestinal chemosensation, it is possible that neurocognitive and reward-related mechanisms contribute to the control of food intake, beyond any physiological and/or post-absorptive signals. The work presented in this thesis takes a multidisciplinary approach using a combination of methodologies to examine the effects of NNS, and in particular stevia, on neurocognitive, behavioural and physiological responses in humans. Initially, I developed a battery of previously described neurocognitive tasks and tested its efficacy to detect differences in food-cue responses in healthy individuals when homeostatic signals are controlled (fasted vs fed state). A visual probe task (VPT) was shown to be sensitive to metabolic state changes and was selected for use in subsequent studies to dissect the effects of sweet taste and calories on food attentional bias (AB). In a next crossover double-blind randomised controlled trial (RCT), I examined the effects of a single exposure to a stevia-sweetened beverage on appetite, food intake and AB to food cues relative to sweet caloric (glucose, sucrose), non-sweet caloric (maltodextrin) and non-sweet non-caloric (water) controls in healthy lean adults. Results showed a significant reduction in total energy intake (meal and beverage) in the stevia-sweetened beverage condition compared to water. Only caloric beverages increased blood glucose levels, stevia and caloric beverages both influenced appetite ratings, but AB to food cues did not differ across conditions. In a following open-label RCT, I examined the effects of daily stevia consumption for 12 weeks on glucose homeostasis, body weight and energy intake in healthy lean adults. My findings suggest that daily stevia consumption does not affect glucose homeostasis, but has a significant effect on energy intake; individuals in the stevia group demonstrated a significant spontaneous reduction in energy intake compared to the control group. In the last piece of work, a double-blind crossover RCT in healthy lean adults, I investigated the neural correlates of acute physiological signals and food-cue elicited responses related to consumption of stevia in comparison with appropriate controls for sweetness and calories (glucose, maltodextrin, water) using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Stevia consumption demonstrated a longer-lasting and more robust blood oxygen dependent (BOLD) contrast decrease over time compared to other beverages in the brain. Consumption of stevia and caloric beverages elicited attenuated BOLD response in the visual cortex while performing a food VPT, compared to water. In conclusion, the research presented in this thesis provides considerable evidence that stevia consumption elicits benefits in appetite and food intake and induces a significant attenuation effect in the brain, without affecting physiological responses such as glucose homeostasis. The above findings could be indicative that stevia is beneficial for human consumption, and lays the foundations for this research moving into key clinical areas, such as obesity and type 2 diabetes mellitus.

Τα μη θερμιδογόνα γλυκαντικά αποτελούν ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για τη μείωση της πρόσληψης σακχάρων και ενέργειας. Ωστόσο οι επιδράσεις τους στην όρεξη και τη διατροφική συμπεριφορά των ανθρώπων δεν έχουν πλήρως αποσαφηνιστεί. Η ρύθμιση της πρόσληψης τροφής αποτελεί το αποτέλεσμα μιας πολύπλοκης αλληλεπίδρασης ομοιοστατικών και ηδονικών σημάτων, τα οποία συλλογικά διαμορφώνουν τη διατροφική συμπεριφορά. Δεδομένου ότι η γλυκιά γεύση στο στόμα προηγείται χρονικά της χημειοαισθητικής επεξεργασίας στο γαστρεντερικό σύστημα, είναι πιθανό ότι νευρογνωστικοί μηχανισμοί καθώς και μηχανισμοί που σχετίζονται με την ανταμοιβή συμβάλουν στον έλεγχο της πρόσληψης τροφής, πέραν των φυσιολογικών ή/και μεταπορροφητικών σημάτων. Το έργο που παρουσιάζεται στη παρούσα διατριβή υιοθετεί μια διεπιστημονική προσέγγιση χρησιμοποιώντας συνδυασμό μεθοδολογιών για να εξετάσει τις επιδράσεις των μη θερμιδογόνων γλυκαντικών, και ειδικότερα της στέβιας, σε νευρογνωστικές, συμπεριφορικές και φυσιολογικές αποκρίσεις στον άνθρωπο. Αρχικά, αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε ένα σύνολο νευρογνωστικών δοκιμασιών και αξιολογήθηκε η ικανότητά τους να ανιχνεύουν διαφορές στις αποκρίσεις σε ερεθίσματα τροφής (food cue responses) σε υγιή άτομα, όταν υπάρχουν έντονες μεταβολικές διακυμάνσεις (κατάσταση νηστείας έναντι μεταγευματικής κατάστασης). Η δοκιμασία διερεύνησης οπτικής προσοχής (visual probe task) φάνηκε να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε μεταβολικές διακυμάνσεις (νηστεία / μεταγευματικό στάδιο) και επιλέχθηκε για περαιτέρω εξέταση της επίδρασης της γλυκύτητας και της θερμιδικής αξίας στην προσοχή προς τροφικά ερεθίσματα. Σε επόμενη διπλά τυφλή, τυχαιοποιημένη, διασταυρούμενη κλινική δοκιμή διερευνήθηκαν οι μεταγευματικές επιδράσεις ροφήματος με στέβια στην όρεξη, την ενεργειακή πρόσληψη και την προσοχή σε τροφικά ερεθίσματα, συγκριτικά με θερμιδογόνα γλυκά (γλυκόζη, σουκρόζη), θερμιδογόνα μη γλυκά (μαλτοδεξτρίνη) και μη θερμιδογόνα μη γλυκά (νερό) ροφήματα, σε υγιείς ενήλικες φυσιολογικού βάρους. Παρατηρήθηκε σημαντική μείωση της συνολικής ενεργειακής πρόσληψης (σύνολο ροφήματος και επόμενου γεύματος) μόνο στη συνθήκη στέβιας σε σύγκριση με το νερό. Μόνο τα ροφήματα που περιείχαν θερμίδες αύξησαν τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα, ενώ τόσο η στέβια όσο και τα θερμιδικά ροφήματα επηρέασαν τις αξιολογήσεις της όρεξης, ωστόσο δεν καταγράφηκαν διαφοροποιήσεις στην προσοχή προς τροφικά ερεθίσματα. Σε μια επακόλουθη τυχαιοποιημένη μελέτη (open-label RCT), διερευνήθηκαν οι επιδράσεις της καθημερινής κατανάλωσης στέβιας για διάστημα 12 εβδομάδων στη γλυκαιμική απόκριση, το σωματικό βάρος και την ενεργειακή πρόσληψη σε υγιείς, φυσιολογικού βάρους ενήλικες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η καθημερινή κατανάλωση στέβιας δεν επηρέασε την ομοιόσταση της γλυκόζης, ωστόσο είχε σημαντική επίδραση στην ενεργειακή πρόσληψη· συγκεκριμένα, τα άτομα της ομάδας στέβιας παρουσίασαν σημαντική μείωση της ενεργειακής πρόσληψης σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου. Στην τελευταία μελέτη, μια τυχαιοποιημένη διασταυρούμενη διπλά τυφλή μελέτη σε υγιείς, φυσιολογικού βάρους ενήλικες, διερευνήθηκαν τα νευρικά σήματα των φυσιολογικών σημάτων και των αποκρίσεων που προκαλούνται από ερεθίσματα τροφής μέσω της δοκιμασία διερεύνησης οπτικής προσοχής, σε σχέση με την κατανάλωση στέβιας, σε σύγκριση με κατάλληλες συνθήκες ελέγχου ως προς τη γλυκύτητα και τις θερμίδες (γλυκόζη, μαλτοδεξτρίνη, νερό), μέσω λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας (fMRI). Η κατανάλωση στέβιας εμφάνισε πιο παρατεταμένη και εντονότερη μείωση του σήματος BOLD (blood oxygen level–dependent) με την πάροδο του χρόνου, σε σύγκριση με τα άλλα ροφήματα. Επιπλέον, τόσο η κατανάλωση στέβιας όσο και των θερμιδικών ροφημάτων προκάλεσαν μειωμένη απόκριση του BOLD σήματος στον οπτικό φλοιό κατά την εκτέλεση της δοκιμασίας διερεύνησης οπτικής προσοχής, σε σύγκριση με το νερό. Συμπερασματικά, η έρευνα που παρουσιάζεται στη παρούσα διατριβή παρέχει σημαντικές ενδείξεις ότι η κατανάλωση στέβιας επιφέρει οφέλη στην όρεξη και την ενεργειακή πρόσληψη και προκαλεί μείωση στα νευρικά σήματα στον εγκέφαλο μετά την κατανάλωση, χωρίς να επηρεάζει φυσιολογικές αποκρίσεις όπως η ομοιόσταση της γλυκόζης. Τα παραπάνω ευρήματα θα μπορούσαν να υποδηλώνουν ότι η στέβια είναι ωφέλιμη για ανθρώπινη κατανάλωση και θέτουν τα θεμέλια για τη μετάβαση της έρευνας αυτής σε καίρια κλινικά πεδία, όπως η παχυσαρκία και ο σακχαρώδης διαβήτης τύπου 2.