Gruppo di Neurosceinze del Cibo: Prof. Raffaella Rumiati Foodcast Project Neuroscienze del cibo Francesco Foroni Gruppo di Neurosceinze del Cibo: Prof. Raffaella Rumiati SISSA - Trieste

Il dilemma dell’onnivoro Come categorizziamo e scegliamo i cibi Disponibilita’ grande e il fatto che siamo onnivori Esempio: ancora per I primati non umani il territorio e la dieta ristretta limita la scelta (scelta e’ tra un frutto piu’ o meno maturo) Esempio: entrare in un supermercato (gran disponibilita’, culturalmente raccolta/produzione/spostamento cibo) e possibilita’ della nostra dieta onnivora ci porta ad avere una scelta praticamente ‘infinita’

Cervello e Cibo La percezione degli alimenti coinvolge più modalità sensoriali (gusto, olfatto, tatto e vista)

Cervello e Cibo Però l’acquisto coinvolge principalmente la vista (e la memoria)

Il cibo negli occhi Alcune caratteristiche del cibo: aspetto visivo (es. colori) categorie di cibo (frutta, verdura, cereali) livello di trasformazione (cibi naturali vs. industriali; compound vs. elementi di base) contenuto calorico (alto o basso contenuto) arousal (attrattività) familiarità valenza (piace vs. non piace) Quali sono le caratteristiche che percepiamo nel cibo e possono guidare le nostre scelte A parte la distinzione tra cibi ad alto e basso contenuto calorico, l’effetto di certi aspetti sulle decisioni relative al cibo è stato studiato poco o male

Il cibo negli occhi Alcune caratteristiche dell’osservatore: Stati fisiologici (fame/sazieta’) Disturbi dell’alimentazione (obesita’ e anoressia) e patologie fisiche (diabete, colesterolo alto etc.) Tipologie del fisico (sottopeso/sovrappeso) Restrizioni alimentari (allergie e intolleranze) Scelte di vita (vegetariani, vegani, restrizioni religiose)

Il cibo negli occhi Alcune caratteristiche del contesto: eventi straordinari scarsità di cibo epidemia (es. «mucca pazza», «influenza aviaria») scarsità di cibo, la temporanea inaccessibilità per epidemie Noi useremo scenari e gruppi di soggetti selezionati per capire quali sono le modifiche e gli effetti sulla presa di decisione Esempio delle cocchette esempio dell’uovo

Il cibo negli occhi Esempio delle cocchette: influenza aviaria esempio dell’uovo: diossina

Metodi Comportamentali: tempi di reazione, giudizi, decisioni ecc. fMRI: risonanza magnetica funzionale EEG: elettroencefalografia Neuropsicologia fMRI: risonanza magnetica funzionale ( localizzazione delle funzioni nel cervello) Comportamentali: tempi di reazione, giudizi, decisioni etc. EEG: dove e come il cervello elabora l’informazione time-course di processi di elaborazione del cibo secondo una teoria dominante funzionale vs. percettivo

fMRI: risonanza magnetica funzionale 3tesla philips etc… Scanner dedicato alla ricerca. Sissa è parte del consorzio che lo gestisce Permette di studiare le attività celebrali durante l’elaborazione di informazioni o presa di decisione..

Cervello e cibo Queste informazioni vengono integrate nella corteccia orbito-frontale (OFC) e nell'amigdala che sono connesse all'ipotalamo laterale - che regola l'appetito - e al corpo striato, coinvolto nella motivazione, nel calcolo dei livelli di ricompensa e nell’apprendimento delle abitudini - Ippocampo, (memoria semantica); amigdala e corteccia prefontale (elaborazione di ciò che è evolutivamente rilevante, value computation) ; corteccia prefrontale Killgore et al. (2003)

EEG: elettroencefalografia Registra l’attivita’ elettrica del cervello continuamente (tracciato continuo a riposo). Metodo dei potenziali evento-relati : guardiamo alle risposte ancorate nel tempo alla presentazione di uno stimolo sperimentali BIOSEMI 128 canali (in house) dedicato alla ricerca Sistema estrememante avanzato per rilevare i marker elettrofisiologici della percezione del cibo

Marker: N400 Più usiamo un certo tipo di informazione nell’elaborazione dei cibi (es. informazioni sensoriale) più è forte il marker (N400) delle informazioni sensoriali

Neuropsicologia Popolazioni neurologiche di interesse: Pazienti con il morbo di Parkinson Pazienti con demenze studio dei pazienti neurologici (es. morbo di Parkinson e demenze primarie) Neuropsicologia: es. morbo di Parkinson e Demenze Primarie (si studiano le capacita’ residue nei pazienti per inferire come il cervello elabora e decide guardando cio’ che e’ compromesso) (vascolari e tumori celebrali)

Neuropsicologia Deficit specifico categoriale (trovato per la prima volta in pazienti con encefalite erpetica ma poi replicato anche in pazienti con altre eziologie). Il fatto che un paziente abbia un deficit selettivo per una categoria e l’altro abbia un deficit selettivo per l’altra categoria, significa che le due categorie sono relativamente indipendenti. Questo pattern iniziale e’ stato poi replicato in molto altri pazienti anche con altre eziologie (=malattie). Una spiegazione possibile e’ stata proposta da Warrington and Shallice secondo cui il riconoscimento visivo delle cose viventi dipende piu’ dalle caratteristiche percettive (colore, tessitura etc) mentre quello delle cose non viventi dipende piu’ dalle caratteristiche funzionali (a che cosa serve un oggetto, come lo manipoliamo etc): deficit specifici ci permettono di suggerire come e` organizzata la memoria semantica Questo e’ un modello in natura che ti permette di strudiare la struttura del sistema semantico perche’ il modo in cui si ‘sgertola’ e’ molto sistematico....

Cervello e Cibo Le neuroimmagini suggeriscono come l’elaborazione del cibo coinvolga talamo e cortecce sensoriali primarie (per es., l'insula, olfattiva, visiva e somatosensoriale) Mentre si vedono i cibi si attivano 1000 altre cose: nome, esperienze, calorie e valore per noi (affettivo/economico) etc.

Cervello e Cibo Temporale laterale Temporale laterale Orbitofrontale Amigdala Queste informazioni vengono integrate nella corteccia orbito-frontale (OFC) e nell'amigdala che sono connesse all'ipotalamo laterale - che regola l'appetito - e al corpo striato, coinvolto nella motivazione, nel calcolo dei livelli di ricompensa e nell’apprendimento delle abitudini - lobo temporale laterale sx (memoria semantica), fusiform gyrus [classificazione, memorizzazione di oggetti]; bulbo olfattivo, fusiform giairus [classificazione degli oggetti e odori]; lobo temporale dx (memoria semantica) - Ippocampo, lobo temporale laterale (memoria semantica); amigdala e corteccia prefontale (elaborazione di ciò che è evolutivamente rilevante)( value computation) Temporale laterale Ippocampo Orbitofrontale Killgore et al. (2003)

Neuropsicologia (1) Pazienti con parkinson sviluppano forme di conpulsione...sesso, computer, gioco Studio di Marilena: problemi con queste categorie sono gia’ mostrati in letteratura ...non si sa se il cibo rientra in quelle dimensioni che per il deficit del sistema del reward vengono affrontate conpulsivamente.

Neuropsicologia (1) Pazienti con il morbo di Parkinson Distribution of weight in 22 patients with PD 1 month before surgery (M−1), 3 months after surgery (M+3) and 16 months after surgery (M+16). Normal weight, 18⩽ BMI< 25 kg/m2; overweight, 25 ⩽ BMI <30 kg/m2; obese BMI ⩾ 30 kg/m2. The number of patients who were overweight (BMI ⩾25) increased statistically over the three successive observation times (p<0.001). slide con imagine dei parkinson: approccio compulsivo al cibo -> nuclei subtalamici coinvolti nel controllo inibitorio con il cibo DBS si fa su pazienti refrattari alle cure farmacologiche Bannier et al. (2009)

Neuropsicologia (1) CIBO? ...non si sa se il cibo rientra in quelle dimensioni che per il deficit del sistema del reward vengono affrontate conpulsivamente. Non solo per migliorare la riabilitazione e cura dei pazienti, ma anche per comprendere I processi sottostanti CIBO?

Neuropsicologia (2) Pazienti con demenze (semantiche, Alzheimer) Alzheimer si sa che sono meno compromessi dei pazienti con demenza semantica nella modalita’ olfattiva In stadi avanzati pazienti con demenza semantica possono anche mostrare comportamenti inappropriati con gli oggetti/cibo (salame/mandarino) funzionale e semantico: deficit specifici e in base alla localizzazione inferiamo come e’ organizzata la memoria semantica Alzeimer e demenze Demenza semantica e’ un tipo di demenza che colpisce soprattutto la memoria semantica (i pazienti non ricordano piu’ il significato di cose/oggetti comuni ma inizialmente si relazionano con l’oggetto in modo appropriato) Questo e’ un modello in natura che ti permette di strudiare la struttura del sistema semantico perche’ il modo in cui si ‘sgertola’ e’ molto sistematico....

Stimoli FRIDa (Foodcast Research Image Database) 900 immagini di cibi e non cibi APRICOT (in preparazione) di 300 foto di cibo naturale e industriale (con informazioni organolettiche e diverse dimensioni ) e utensili da cucina Non c’è disponibilità di un tool-kit e stimoli.

Foroni et al. (2013) in Frontiers in Human Neuroscience FRIDa http://foodcast.sissa.it/neuroscience/ Scarsa disponibilita’ dei pochi databases Validazione del database su variabili di interesse Cibo naturale/trasformato Diverse categorie …controlli per diversi aspetti: oggetti legati al cibo (stesse associazioni); cibo marcio (cibo non piu’ edibile); oggetti naturali (stessa caratteristiche sensoriali); FRIDa: open source, validato, controlli stimoli, controlli per popolazione, vasto etc. DISTINZIONE: NATURALE/TRASFORMATO Wragam (catching fire) turning point dell’evoluzione neuro-cognitiva e’ stato la trasformazione del cibo, cucinare perche’ ha permesso di incorporare piu’ energie con meno sforza lasciandoci anche il tempo di sviluppare il nostro intelletto in altre attivita’…. Foroni et al. (2013) in Frontiers in Human Neuroscience

Contenuto calorico Alcuni esempi dalla validazione di FRIDa Siamo in grado di stimare il contenuto calorico?

Contenuto calorico? Reale (Kcal/100g) Diverso contenuto-> stimato bene 145 Kcal per 100g 290 Kcal per 100g 39.4 87.6 Reale (Kcal/100g) Percepito (0-100)

Contenuto calorico? Reale (Kcal/100g) Stesso contenuto-> stimato bene 27 Kcal per 100g 28 Kcal per 100g 19.6 18.0 Reale (Kcal/100g) Percepito (0-100)

Contenuto calorico? Reale (Kcal/100g) Diverso contenuto-> stimato male 392 Kcal per 100g 115 Kcal per 100g 74.5 74.4 Reale (Kcal/100g) Percepito (0-100)

Contenuto calorico? Reale (Kcal/100g) Stesso contenuto-> stimato male 19 Kcal per 100g 19 Kcal per 100g 17.5 9.5 Reale (Kcal/100g) Percepito (0-100)

Contenuto calorico Contenuto Calorico Stimato (0-100) Ecco I resultati Cio che dice la genete/la realta’ del contenuto… Voi? C’e’ un’altissima correlazione tra realta’ e stima…cioe’ siamo in grado di stimare molto accuratamente… In realta’ noi abbiamo scoperto che questa capicita’ dipende anche dal tipo di cibo…ma la letteratura non ha fatto distinzioni ancora… Contenuto Calorico Reale (Kcal/100gr) Articolo in preparazione

Cibo trasformato Cibo naturale APRICOT database Cibo trasformato Cibo naturale 160 Kcal 250 gr. Questo database con informazioni orgalolettiche e diverse quantita’ e diversi cibi… Permette di studiare le pulsioni e I desideri dei cibi e quali sono I fattori che li determinano Status: Validazione

Fattori visivi Ma come facciamo a stimare il contenuto calorico dei cibi?? Non e’ che possiamo sapere il preciso contenuto calorico dei cibi...anche perche’ quando non si sapeva...e chi non e’ informato tendono ad avere una discreta capacita’ di stima anch’essi. Siamo interessati a studiare qual’è il ruolo dei fattori visivi (es. il colore) nella presa di decisione sul cibo. Il colore influenza la nostra percezione e opinione su un cibo? Sappiamo che il colore dei cibi e in particolare la luminosità del rosso e verde è una strategia nella scelta dei cibi ampiamente utilizzata dai primati non umani, perché il colore è indicativo del livello di maturità della frutta e del contenuto energetico o proteico (Rushmore et al., 2012).

Naturali vs. Trasformati Evoluzione sistema visivo: tricromatico Verde –> Rosso Acerbo –> Maturo «Quanto attraente è quest’immagine?» Immagini con diverse quantità di ROSSO e VERDE Sappiamo che il colore dei cibi e in particolare la luminosità del rosso e verde è una strategia nella scelta dei cibi ampiamente utilizzata dai primati non umani, perché il colore è indicativo del livello di maturità della frutta e del contenuto energetico o proteico (Rushmore et al., 2012). Secondo alcune ipotesi il sistema visivo nell’uomo si è evoluto per distinguere al meglio la maturazione (di frutta e foglie) e quindi il passaggio da tonalità piu’ verdi a tonalità più rosse. Questa evoluzione biologica ha ancora un ruolo? Siamo più attratti e desideriamo I cibi più rossi e meno quelli verdi? E se è così si applica a tutti i cibi indiscriminatamente? Anche dove il colore non è indicativo di più o meno maturazione? Abbiamo chiesto di valutare quanto erano attraenti immagini di cibo e non cibo e ora vi mostriamo I risultati rispetto alla quantità di rosso e verde dell’immagine. Abbiamo testato se i giudizi della gente su quanto un cibo era attraente (usando 260 cibi naturali e trasformati) siano legati alla quantità di rosso e verde nell’immagine.

Attrattività e colori Attrattività del cibo Quantità di colore Articolo in preparazione

Attrattività e colori Attrattività del cibo Quantità di colore Articolo in preparazione

Attrattività e colori Attrattività del cibo Quantità di colore Questo effetto è presente per entrambi i tipi di cibi (naturali e processati). Però la distinzione tra queste due categorie gioca un ruolo importante nel predire quanto un cibo è attraente (processati più attraenti che cibi naturali). Questo effetto non è significativo per i non cibi!!!!!! Questa è un’esemplificazione del successo dell’approccio multidisciplinare e del valore della ricerca neuroscientifica sul cibo. Questo risultato non solo migliora la nostra comprensione dell’elaborazione e presa di decisione sul cibo... Ma questi principi possono avere il potenziale per essere usati efficacemente nella comunicazione per aiutare le scelte in tempo di crisi o di individui in difficoltà (diete, disturbi alimentari) Dieta : insalata contro la carbonara e le lasagne Gli spianci e I pomodori per I bambini Obesi e anoressici Quantità di colore Articolo in preparazione

Studio: metodo EEG Ipotesi: elaboriamo i cibi naturali in base ai loro aspetti percettivi (gusto, odore) e quelli trasformati in base alla loro funzione. EEG ci permette di studiare come il cervello risponde agli stimoli ambientali. La componente N400 e’ presente e molto evidente quando il cervello percepisce un’incongruenza concettuale. In linea con la teoria sensoriale-funzionale N400 = marker elettrofisiologico dell’elaborazione della congruenza N400 o n400 epr, in psicofisiologia e neurofisiologia, è la sigla che definisce un particolare tipo di potenziale evento-correlato (Event-Related Potentials) (risposta cerebrale misurabile a uno stimolo interno o esterno). Esso è un particolare potenziale evento-correlato che misura elettrofisiologicamente l'elaborazione semantica del nostro cervello. Si tratta di un metodo non invasivo di monitoraggio dei processi cerebrali in tempo reale e come tale può essere utilizzato per ottenere evidenze elettrofisiologiche del funzionamento del cervello e dei processi psicologici. L'N400 componente dell'ERP è principalmente correlata all'elaborazione del linguaggio ed è stato registrato in associazione ad esempi di incongruenza semantica trovate nelle frasi, parole o cifre presentate visivamente.[1] All'elettroencefalogramma si presenta come una deflessione negativa del segnale elettrico registrato che raggiunge il picco intorno ai 400 ms dalla presentazione dello stimolo, anche se può presentarsi dai 250 ai 500 ms, e solitamente il segnale è più forte negli elettrodi delle aree centro-parietali. La N400 è parte della normale risposta cerebrale a parole o altri stimoli significativi, incluse parole presentate visivamente o per via uditiva, segni della lingua dei segni, immagini, volti, suoni immersivi, e odori.

Incongruenza nel cibo Sensoriale ‘ha un sapore amaro’ incongruente Naturale Trasformato Sensoriale ‘ha un sapore amaro’ incongruente ‘e’morbido’ congruente Funzionale ‘e’ adatto per un pranzo di nozze’ incongruente ‘e’ adatto a uno spuntino’ congruente Sensoriale ‘ha un sapore dolce’ incongruente ‘ha un sapore salata’ congruente Funzionale ‘e’ adatto per il pranzo al sacco’ incongruente ‘e’ adatto a un piatto principale’ congruente Compito: un’immagine di cibo (naturale vs trasformato) e una frase sul sensoriale (e’ dolce, e’ molle etc.) o sul funzionale (e’ adatto ad uno spuntino o ad un matrimonio). Frasi possono essere congruenti (la banana immagine e la frase ‘e’ dolce’) o incongruenti (pizza immagine e la frase adatta ad un matrimonio). Se usiamo gli aspetti sensoriali nell’elaborazione dell’informazione sulla banana, allora queste due frasi mostreranno risposte celebrali diverse...N400!

Studio EEG Siamo interessati a studiare la componente N400 che riflette la distanza tra due frasi: una congruente e una incongruente Piu’ importanti sono gli aspetti sensoriali nell’elaborazione dell’immagine di un cibo, piu’ ampia sara l’N400. cioè la frase incongruente produce (rispetto a quella congruente) una risposta (negativa) intorno ai 400ms più forte.. Si guardano le differenze nelle risposte del cervello mentre si elaborano queste frasi N400 = marker elettrofisiologico dell’elaborazione della congruenza

Compito + + + + + + Cibo Trasformato Cibo Naturale Corretto Corretto Es. Eventi ‘FUNZIONALI’ Es. Eventi ‘SENSORIALI’ Compito + + Adatto ad un matrimonio Cibo Trasformato E’ dolce 500-1500 ms 500-1500 ms + + 2000 ms 2000 ms 400-800 ms 400-800 ms Abbiamo aggregato I dati e vi mostro qui solo 4 onde come esempio che rappresentano la differenza tra congruente e incongruente…piu’ e’ negativa l’onda piu’ vuol dire che il cervello percepisce il cibo in quella modalita’…. + + 1100 ms 1100 ms Cibo Naturale Si No Si No 300-600 ms 300-600 ms Corretto Corretto

Onde: Congruente - Incongruente Sensoriale Funzionale Il cibo trasformato viene ‘trattato’ dal nostro cervello come se fosse cose artificiali/artefatti umani. Quindi il cibo naturale e il cibo trasformato sono percepiti in modo diversi e vengono trattati in modo diverso (400ms). Naturale Transformato

Normo-peso vs. sotto-peso Sensoriale Funzionale Naturale Transformato NORMO-PESO SOTTO-PESO Manca l’inversione

Prospettive future Expo 2015   Expo 2015 Sviluppo delle strategie di comunicazione efficaci in ogni occasione ma specialmente durante una situazione di crisi Il cibo e la sua elaborazione (modi di elaborare) ci ha permesso di essere uomo sapience ma la sfida ora e’ sfamare 7Miliardi di persone e ridurre I rischi e effetti collaterali della modalita’ produttiva/culinaria verso cui stiamo andando (obesita’, diabete, allergie e intolleranze) La sfida a cui siamo chiamati da expo 2015 e’ studiare come affrontare e risolvere questa situazione a tutti i livelli. Noi neuroscienziati affrontiamo questa sfida studiando come le conoscenze sul cibo sono organizzate nel cervello e come il nostro cervello e nostro corpo prendano le decisioni sul cibo.

Team Members Dr. Marilena Aiello Dr. Francesco Foroni Prof. Raffaella Rumiati Dr. Giulio Pergola Dr. Fabrizio Pizzagalli Emanuela Liacic Giulio Tosatti Georgette Argiris Chiara Serra

Sostenibilita’ Abitudine al cibo all-year around => cibo da grandi distanze Esposizione massiva e disponibilita’ continua dei cibi ha modificato e alterato la nostra memoria semantica (conoscenza) dei cibi sulla loro provenienza e sulla loro relativa disponibilita’ in un dato luogo e in un dato momento dell’anno. Sostenibilita’ non si mappa neuroscientificamente ... La conoscenza necessaria per realizzare la sostenibilita’ non e’ piu’ parte della nostra normale cognizione. Possiamo studiare quello che ci puo’ aiutare ad essere piu’ sostenibili e a ripristinare le conoscenze perdute.