Математические модели: ожирение по числам

На пути к большей точности в исследованиях ожирения.

«Как быть худым», цветная литография, английская школа, 20 век

Источник: изображения Бриджмена, использованные с разрешения

«… Когда вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в цифрах, вы кое-что знаете об этом; но когда вы не можете измерить это … ваши знания скудные и неудовлетворительные; это может быть началом знания, но вы едва продвинулись на научную ступень…

• Карьера, что нужно и что нельзя делать для родителей студентов колледжа
• Как есть меньше еды, когда едят вне дома
• Последнее табу
• Что я должен принести на первое назначение моего ребенка?
• Проблемы как плохие решения

Так написал 19-й век ирландский математик и физик лорд Кельвин, известный своими экспериментами по тепловой энергии (и для которых была названа шкала абсолютных температур Кельвина.) (Лекция, 1883, в « Популярных лекциях и адресах» , 1889, том 1). Слова особенно актуальны для изучения ожирения.

Американская школа, 20 век, Кредит: Copyright GraphicaArtis

• План воспитания счастливых, жизнерадостных детей
• Подрывает ли систематический расизм здоровье?
• Сексуальное желание и запах
• BIFF: 4 способа ответить на враждебные комментарии
• Кавано и реалии сексуального насилия в кампусах

Источник: изображения Бриджмена, использованные с разрешения

По сути, ожирение – это «нарушение энергетического баланса», основанное на Первом законе термодинамики, которое возникает, когда мы потребляем больше калорий, чем расходуем. Но, объясняют исследователи Кевин Холл и Хуен Го ( Gastroenterology , 2017), это всего лишь «полезная основа» и не дает какого-либо «причинного объяснения» того, почему некоторые люди более склонны к ожирению, чем другие. Они уточняют: «… профилактика ожирения часто ошибочно изображается как простой вопрос бухгалтерского учета», то есть, что 3500 ккал равны фунту, но это широко распространенное мнение, цитируемое на веб-сайтах и ​​во всех средствах массовой информации, является «наивным и неправильным», поскольку оно не принимать во внимание сложную и динамическую взаимосвязь между потреблением и расходами. (Холл и Чоу, Международный журнал по ожирению, 2013 г .; Томас и др., Международный журнал по ожирению , 2013 г.)

Хотя это соотношение было известно в течение многих лет, она упорно сохраняется в научной литературе. Например, в ответ на точку зрения (Guth, JAMA , 1/16, 2018) Холл и др. ( JAMA 6/12, 2018) оспаривают упрощенное понимание автора, основанное на правиле 3500 ккал на фунт, которое мало Снижение калорийности будет «постепенно» приводить к «существенной» потере веса с течением времени. Другими словами, правило 3500 ккал «чрезмерно обещает» (несмотря на постоянные усилия людей, сидящих на диете), и не происходит «медленной устойчивой потери веса», особенно из-за физиологических адаптаций организма.

И даже в недавно опубликованном профессиональном журнале исследователи использовали это «недействительное» правило для своих предполагаемых расчетов изменения веса в своем исследовании диабета 2 типа. (См. Комментарии Эндрю У. Брауна и его коллег из BMJ Open Diabetes Research and Care, 11 сентября 2018 г.)

Уилбур О. Atwater, исследователь ожирения начала 20-го века, установил энергетические ценности для белка, жира и углеводов

Источник: Wikimedia Commons / Public Domain

Правило 3500 ккал было установлено в конце 1950-х годов Максом Вишнофски ( Американский журнал клинического питания , 1958). Вишнофски признал, что изменение веса было сложным, с нерегулярной «серией взлетов и падений, с частыми периодами без видимого изменения веса», и правило 3500 ккал действительно зависело от нескольких переменных, включая продолжительность времени наблюдения, был ли кто-то голодание и увлажнение организма. Однако его упрощенное заключение было основано на небольшой выборке и краткосрочных наблюдениях, а также на «ограниченном понимании фундаментальных метаболических процессов», и его неточность привела к тому, что «многие пациенты задаются вопросом, почему их предписанная потеря веса меньше ожидаемой. »(Thomas et al., Журнал Американской академии питания и диетологии , 2014 г.) Тем не менее, это правило в 3500 ккал с его« фатальными недостатками »стало Евангелием, в результате чего пациентов обвиняли и потенциально стигматизировали или винят себя за недостаток силы воли и мотивации. (Холл и Кахан, Медицинские Клиники Северной Америки, 2018)

Именно Уилбур О. Атуотер, исследователь начала 20-го века, подтвердил закон сохранения энергии у людей и установил значения энергии, все еще используемые сегодня, для белка (4 кал / грамм); углеводы (4 кал / грамм); жир (9 кал / грамм); и алкоголь (7 кал / грамм). (Heymsfield et al, European Journal of Clinical Nutrition , 2017) Но, по словам Эллисона и его коллег, «немногие диетические компоненты окружены большим количеством дезинформации и мифов, чем калорий», что частично связано с нашим «отсутствием точных и практических методов» для оценки потребления калорий и для определения наших потребностей в калориях с течением времени. (Хеймсфилд и др., Американский журнал клинического питания , 1995)

Французский художник Робер Делоне, The Runners, 1926, частная коллекция

Источник: Wikimedia Commons / Public Domain

В течение многих лет исследователи принимали самоотчеты субъектов по потреблению калорий, а также по измерениям роста и веса и даже по физической активности. В настоящее время однозначно установлено, что эти самоотчеты часто являются неточными и приводят к «вопросам достоверности данных». Дурандхар и его коллеги ( Международный журнал ожирения , 2015) в ответ на использование самоотчетов подчеркивали , «… Что-то не лучше, чем ничего». Причины этого искажения включают неточную маркировку продуктов питания; неточные оценки порций; психологическое отрицание и самообман; неисправная память; или даже желая представить себя более благоприятно. (Heymsfield et al, 1995)

В качестве замены для самоотчетов теперь у нас есть более совершенные инструменты измерения, такие как метод воды с двойной маркировкой, метод, разработанный для «свободно живущих» людей в начале 1980-х годов, для оценки уровня метаболизма и общих ежедневных расходов в течение нескольких недель. и двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия – DXA-сканирование – была разработана в 1970-х годах для измерения состава тела, но даже они не полностью свободны от ошибок. (Томас и др., Американский журнал клинического питания , 2014 г .; Томас и др., Европейский журнал клинического питания , 2018 г .; Хеймсфилд и др., Обзоры ожирения , 2018 г.) Кроме того, в условиях свободной жизни, используя наши современные методы, мы ограничены на периоды наблюдения – «снимки» – около двух недель. (Холл и др., Американский журнал клинического питания , 2012 г.)

Морис Бразил Прендергаст, американский художник, Большой Бостонский альбом для зарисовок в общественном саду: дизайн для велосипеда, 1895-97 гг.

Источник: Музей Метрополитен, Нью-Йорк, Общественное достояние, Коллекция Роберта Лемана, 1975

Однако в последнее время исследователи теперь используют «проверенные математические модели», и они установили, например, что так называемое диетическое плато, которое возникает после шести месяцев диеты, когда потеря веса, похоже, прекращается, на самом деле является гораздо более функция пациентов, «испытывающих экспоненциальный спад приверженности диете» (Freedhoff and Hall, The Lancet , 2016; Hall and Guo, 2017) По причинам, которые не до конца понятны, приверженность диете, включая «поддержание правильного выбора питания и поведения» «настолько сложен, что он плохой даже в краткосрочных исследованиях, когда предоставляется вся пища». (Freedhoff and Hall, 2016) Исследователи, тем не менее, подчеркивают, что существует значительная индивидуальная изменчивость, и хотя потеря веса и поддержание сложны, Есть много историй об успешных диетах. Кроме того, хотя есть некоторая метаболическая адаптация к потере веса, и потеря веса может замедлить метаболизм по комплексным причинам, включая то, что расход калорий снижается с потерей веса (Hall, Obesity , 2018), гормональные «посредники» изменения аппетита (Heymsfield et al. , Ожирение , 2017) и значительная физическая активность необходима для поддержания потери (Холл, 2018), это не объясняет шестимесячное плато, описанное многими людьми, сидящими на диете. Именно «кажущаяся безвредной прерывистая потеря» приверженности диете, т. Е. «Поведенческая усталость» (Hall and Kahan, 2018), является основной причиной ответственности. (Томас и др., Американский журнал клинического питания , 2014 г.)

Гонка в Древней Греции

Источник: Wikimedia Commons / Public Domain

Математические модели также могут быть особенно полезны при моделировании экспериментальных планов, которые не были бы этическими или практическими. Другим «новым применением» является их использование для прогнозирования, исходя из краткосрочных результатов, каких пациентов будет более успешным в их потере веса в долгосрочной перспективе, то есть, чтобы определить, кто является «ответчиками» на конкретное вмешательство, и если нет По мнению Эллисон и его коллег, чтобы предложить изменение стратегии, (Доусон и др., Advances in Nutrition , 2014). Кроме того, исследователи использовали математическую модель для оценки сложных взаимодействий между генетическими и негенетическими способами передачи ожирения и оценить показатели распространенности. (Ejima et al., Ожирение , 2018). Эта модель предсказывает, что распространенность ожирения, к сожалению, достигнет 41% населения США к 2030 году.

Эллисон и его коллеги (Иванеску и др., Международный журнал ожирения , 2016), тем не менее, ценят важность проверки их математических моделей. Например, модель, полученная из одной конечной выборки, не всегда будет также предсказывать общую совокупность, из которой была взята выборка, или новую выборку из другой совокупности – явление, которое они называют сокращением достоверности . Для проверки модели требуются новые наборы данных. Прекрасный пример того, как исследователи использовали четыре различных классических исследования, в том числе работы Клода Бушара и Анселя Киса, для проверки своей модели, см. Томас и ее коллеги в Американском журнале клинического питания, 2014 год.

Итог: в течение многих лет исследования ожирения страдали от серьезных методологических недостатков, из-за которых некоторые исследователи подчеркивали необходимость более качественных, а не обязательно дополнительных исследований. Например, когда люди думают, что придерживаются диет, они могут, даже неосознанно, не делать этого. Кроме того, многочисленные исследования основывались не на точных измерениях, а на общеизвестно неточных собственных отчетах о потреблении калорий, расходе калорий, росте и весе. Даже эмпирическое правило, в котором 3500 ккал равняется одному фунту, является упрощенным и ошибочным. Чтобы исправить эти дефекты, исследователи начали создавать математические модели, пытаясь повысить точность измерений и выяснить, почему людям так сложно терять вес и, в частности, поддерживать эту потерю во времени. Ни одна модель не является идеальной: модели могут иметь то, что исследователи называют сокращением достоверности , и даже математические модели настолько хороши, насколько те данные, из которых они изначально получены. Все исследования находятся в стадии разработки. Тем не менее, эти математические модели являются огромным улучшением за годы неточных данных, и исследователи ожирения значительно выиграют от их включения в свои исследования. Лорд Кельвин одобрил бы.

Примечание. Об одном веб-инструменте для оценки потери веса с течением времени см. Планировщик веса тела. (Холл и Кахан, 2018)

Портрет лорда Кельвина, ирландского математика и физика, до 1907 года, автор Хуберт фон Геркомер. Музей Глазго.

Источник: Wikimedia Commons / Public Domain