Когнитивное благополучие. Почему мозг нуждается в нашей физической активности?

Физические упражнения благотворно влияют на работу нервной системы, активируя весь каскад процессов, которые стимулируют образование структурных изменений в мозге, улучшая его работу. Понятие физической активности выходит далеко за рамки ухоженной фигуры и напрямую связано со здоровьем организма в целом. Это касается не только ежедневных посещений тренажерного зала, но и умеренных, даже спонтанных физических нагрузок. Поскольку вопросы, связанные с нейробиологией, определенно набирают популярность, всё большее внимание уделяется взаимосвязи между когнитивными способностями и процессами влияющими на эффективную работу мозга.

В следствии чего мы имеем уже устоявшийся тезис — физическая активность регулирует настроение, логическое мышление и скорость реакции. Она действует как настоящее средство от проблем, связанных с когнитивными процессами и общим функционированием центральной нервной системы.

Самый безопасный и надежный способ сохранить здоровье — это позаботиться о правильном питании и физических упражнениях. Фактически, сегодня появляется все больше исследований, показывающих многочисленные и долгосрочные преимущества регулярной физической активности. Это наиболее важный фактор, способствующий укреплению здоровья и предотвращающий возникновение болезней цивилизации и их факторов риска, таких как инсульты, сердечно-сосудистые заболевания, рак, ожирение и гиперхолестеринемия. До недавнего времени в это было трудно поверить, но физическая активность — это стимул, который не только задействует наши мышцы, но и мобилизует мозг.

Мозговой нейротрофический фактор роста (BDNF)

Все началось в 1982 году, когда ученые выделили белок, который оказался своего рода ключом к правильно функционирующему мозгу во всех аспектах. Вышеупомянутое открытие было названо мозговым нейротрофическим фактором роста, сокращенно BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor).

В последние годы, поскольку новаторский опыт прошлого показал, что физическая активность увеличивает экспрессию BDNF в головном мозге крыс, были проведены тысячи исследований, чтобы установить связь этого белка с улучшением настроения и когнитивных функций у людей после физических упражнений. Исследования BDNF инициировали поиск молекулярных изменений, которые связывают мышечные и нервные клетки в ответ на физическую активность.

Прежде чем вы почувствуете себя лучше после тренировки и увидите ясность мышления, а мозг достигнет обещанного «более высокого уровня», в организме произойдет множество процессов взаимодействия между миоцитами, образующими мышечную ткань, и нервными клетками. Ключевым игроком здесь является белок BDNF — один из основных драйверов роста. Вместе с другими белками, такими как фактор роста нервов (NGF) и нейротрофинами (белки, поддерживающие образование синапсов), он обеспечивает правильное функционирование нейронов, центральной и периферической нервной системы.

Это называется трофическим фактором, и означает, что он питает мозг и позволяет ему правильно функционировать. Однако фактор BDNF влияет не только на мозг. Помимо нервной системы, он также находится в сердце, скелетных мышцах, гладкомышечных клетках, легких, тромбоцитах и фибробластах. Так же способствует развитию стволовых клеток из которых впоследствии формируются клетки-мишени организма и последующему преобразованию в их конечные формы.

BDNF тесно связан с правильным функционированием химии мозга — нейромедиаторами, поскольку они играют ключевую роль в функционировании синапса, то есть структуры, которая необходима для передачи химических сигналов между нейронами. Питая мозг, способствуя образованию дендритных шипиков (структур, обеспечивающих прием сигналов между нейронами), он участвует в формировании памяти, связывании фактов, синаптической пластичности и коммуникации между нейронами.

Действуя через белковый рецептор тирозинкиназы (TrkB), который чрезвычайно важен для функционирования нервной системы, BDNF также способствует образованию и развитию еще незрелых нервных клеток и увеличивает выживаемость уже сформированных. BDNF — ключевой компонент функции мозга на протяжении всей жизни.

Снижение его уровня в организме взрослого человека вызывает нарушение функции гиппокампа — структуры, ответственной за «перенос» воспоминаний из кратковременной памяти в долговременную, в то время как дефицит BDNF на ранних стадиях развития может способствовать гиперактивности и нарушениям в развитии этой части мозга. В результате могут возникнуть значительные проблемы с усвоением новых фактов и их запоминанием.

Важно упомянуть такой важный процесс, как образование новых нейронов, то есть нейрогенез. Это одно из наиболее интенсивно изучаемых сегодня явлений в неврологии, и описанный фактор роста является его ключевым элементом. Мозг взрослых млекопитающих, в том числе человека, обладает способностью создавать новые нервные клетки. Однако нейрогенез ограничен возрастом и возникает только в нескольких областях мозга, прилегающих к боковому желудочку и в гиппокампе. Исследования на мышах показали, что физические упражнения способствуют возникновению новых нейронных связей в этих областях мозга.

Это может происходить на разных стадиях развития, как у взрослых, так и пожилых людей. Улучшения в работе мозга, достигнутое в поведенческих тестах животных, связанное с использованием физических упражнений, однозначно указывает на положительный эффект нейрогенеза в гиппокампе и образование новых нейронных связей, участвующих в процессах обучения и памяти.

Спектр действия BDNF стал намного интереснее, когда ученые заметили, что у мышей, которых заставляли выполнять упражнения (бегать по кругу), не только был гораздо более высокий уровень этого белка в их гиппокампе. Деградация нервной системы у подопытных мышей — часть рабочего процесса исследования, но в этом случае наблюдения подтвердили гипотезу, что мозг активных грызунов гораздо более устойчив к повреждениям и дегенерации. Все благодаря поддержке роста, регенерации и выживания нейронов упомянутым BDNF.

Однако эксперименты с животными всегда являются прелюдией к ключевым выводам, имеющим отношение к человеку. Самое главное, чтобы результаты, полученные в лабораторных моделях, можно было экстраполировать на людей. Ещё в 2003 году было показано, что даже однократная физическая активность может значительно увеличить концентрацию BDNF в головном мозге и плазме человека. В эксперименте участвовали здоровые люди и с рассеянным склерозом. В результате 30-ти минутная велотренировка способствовала значительному увеличению указанного белка, что привело к заметной нейронной активности.

Увеличение значения BDNF, в процессе физической активности, влияет не только на мозг. Он может играть чрезвычайно важную роль в защите и регенерации различных тканей и улучшать васкуляризацию сердца и скелетных мышц. Более того, повышение уровня BDNF, на фоне физической активности, также может активировать AMPK, чрезвычайно ценный фермент для правильного метаболизма.

Неудивительно, что упражнения полезны для предотвращения развития диабета 2-го типа и значительно помогают в его лечении. У людей, страдающих этим типом заболевания, уровень BDNF значительно снижен, что приводит к ухудшению когнитивных способностей. Насколько сильно метаболические нарушения связаны с работой нервной системы, может продемонстрировать снижение уровня ацетилхолина в результате воспалений.

Инсулиноподобный фактор роста IGF-1

Инсулиноподобный фактор роста IGF-1 — один из белков, который играет важную роль в десятках сигнальных путей, которые активируются для правильного функционирования организма. Помимо фактора роста эритропоэтина и инсулина, он также является одним из основных используемых полипептидных допинговых агентов. В контексте здорового мозга этот белок является основным модулятором нейрональных функций, включая синаптическую пластичность. Он отвечает за правильное количество синапсов, синаптическую передачу, участвует в нейрогенезе и дифференцировке нейронов. Нейрогенез, вызванный физическими упражнениями, связан напрямую с увеличением этого фактора. Это относится и к увеличению уровня IGF-1 в ответ на физическую нагрузку и улучшению памяти, наблюдаемому позже.

Фактор роста эндотелия сосудов VEGF

Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) является основным регулятором процесса дифференцировки клеток, образования новых кровеносных сосудов (васкулогенез) и образования ветвей из уже существующей сосудистой сети (ангиогенез). VEGF модулирует физиологические функции клеток и является одним из первостепенных факторов роста и выживания эндотелия сосудов. Стимулирует развитие правильной сети кровеносной системы как в процессе формирования зародыша, так и в дальнейшем развитии организма.

Фактор роста эндотелия сосудов, играет важную роль в течении всего периода беременности: улучшает регенерацию в организме и регулирует месячный цикл у женщин. Физические упражнения значительно увеличивают как экспрессию самого VEGF, так и его рецепторов в головном мозге .

Благодаря своему влиянию на образование новых кровеносных сосудов и деление клеток, этот белок выполняет нейропротекторные и нейротрофические функции. Он может продуцироваться и высвобождаться эндотелиальными клетками периферических сосудов и клетками мозга, включая астроциты и нейрональные стволовые клетки. Кроме того, периферическое производство VEGF после пересечения гематоэнцефалического барьера (под действием белка иризина) влияет на активность нейронов и поддерживает нейрогенез в гиппокампе.

Данный процесс является сутью взаимосвязи между работой мышц и нервной системой. В этом «мероприятии» задействованы иммунные клетки, мышцы и печень. Они, в свою очередь, оказывают значительное влияние на мозг, который посредством биохимических изменений активирует выработку VEGF.

Фактор роста нервов NGF

Фактор роста нервов (NGF), наряду с BDNF, является ключевым белком, участвующим в формировании и функционировании новых нейронов. Более того, это главный медиатор воспалений. Взаимодействуя с киназой TrkA, он стимулирует фактор транскрипции — белок цАМФ. В результате этих процессов увеличивается выживаемость клеток и усиливаются нейронная пластичность мозга: обучение, память и логическое мышление.

NGF увеличивается в ответ на стрессовые стимулы и аллергические заболевания, а также после физических упражнений. В одном исследовании с участием 49-ти спортсменов и такого же количества человек, не занимающихся физической активностью, было замечено, что уровень NGF значительно увеличивается не только в головном мозге, но и в сыворотке крови тренирующихся людей.

Аналогичные выводы были сделаны в результате двухлетнего исследования. Физическая активность напрямую связана со значительным увеличением уровней NGF и BDNF. В то же время оказалось, что увеличение содержания этих белков тесно коррелировало с количеством потерянной жировой ткани у испытуемых и улучшением их когнитивных способностей.

Астроциты

Наряду с влиянием физических упражнений на нейроны (даже косвенно, влияя на вышеупомянутые белки), активность также оказывает влияние на структуры, которые интегрируют клеточную среду мозга и создают нейроглию. Астроциты, основные глиальные клетки головного мозга, позволяют нейронам функционировать должным образом и играют неоценимую роль в регулировании потока энергии от кровеносных сосудов к нервным клеткам.

Их функции были известны ранее, но только в последние несколько лет стало ясно, что глиальные клетки взаимодействуют друг с другом, накапливая информацию, что влияет на правильную передачу нервных импульсов между нейронами.

Поскольку только правильно функционирующие астроциты могут поддерживать работу нейронов, было высказано предположение, что вызванное физическими упражнениями улучшение работы нервных клеток может быть достигнуто просто за счет лучшего функционирования астроцитов. Так оно и есть. Физические упражнения улучшают работу этих клеток и существенно влияют на их состояние.

Уже через месяц бега на беговой дорожке значительно увеличивается количество астроцитов и улучшается их функционирование. Также известно, что физические упражнения влияют на структуру и функцию глиальных клеток. Они улучшают иммунный ответ в нервной системе, уменьшая образование воспаления в головном мозге и подавляя активацию провоспалительных факторов (снижают активацию микроглии).

Тренировка, память и умственные аспекты

Физические упражнения способствуют образованию новых синапсов и связей между нервными клетками. В результате человек просто быстрее думает и запоминает. Метаанализ (исследование, направленное на статистический вывод на основе ранее опубликованных данных), охватывающий в общей сложности 59 экспериментов (с 1947 по 2009 год), подтвердил положительную корреляцию между физической активностью и когнитивными способностям.

Другой анализ, включающий 29 рандомизированных испытаний, оценивающих взаимосвязь между аэробными упражнениями и работоспособностью мозга в группе людей около 18 лет, показал эффективную взаимосвязь между упражнениями и вниманием, скоростью обработки информации и памятью.

К аналогичным выводам пришли результаты экспериментов с детьми школьного возраста. Умеренная физическая активность (аналогичная фитнесу), явно положительно влияет на способности к обучению и результаты школьного обучения.

Повышение уровня BDNF во время и после тренировки также оказывает благоприятные последствия для спортсменов, увеличивая «восприятие телесной осознанности».

Поскольку BDNF играет ключевую роль в правильном функционировании мозга, некоторые исследования четко связывают дефицит этого белка с серьезными психическими расстройствами, такими как депрессия, шизофрения, тревожность и посттравматическое стрессовое расстройство. Накопленные данные предоставляют результаты крупных метаанализов, подтверждающих, что физическая активность может уменьшить симптомы депрессии и тревоги у подростков с клинически подтвержденными психическими заболеваниями. Однако важно то, что влияние упражнений на психическое здоровье, по-видимому, довольно сильно коррелирует с их «дозой». У взрослых в этом контексте лучше всего работает умеренная физическая активность.

Движение и вторая молодость мозга

Среди множества исследований, посвященных влиянию физической активности на мозг, важны те, которые касаются стареющего организма. Это важно в контексте нейродегенеративных заболеваний, основным фактором риска которых является возрастная периодизация. У пожилых, физически активных людей проблемы с когнитивными функциями возникают гораздо позже. Известно, что объем и кровоснабжение гиппокампа, области мозга, которая имеет решающее значение для консолидации памяти, связаны с уровнем физической подготовки.

Чем в лучшей физической форме тело, тем лучше состояние мозга. Рандомизированное контролируемое исследование 120-ти здоровых людей старше 65 лет показало: что шесть месяцев физических упражнений обращает вспять возрастную потерю объема гиппокампа и улучшает результаты тестирования пространственной памяти. Не менее интересные данные предоставляет обширный метаанализ, охватывающий 42 исследования проводимых с 1966 по 2010 год.

Исследования с участием почти 4000 человек показали, что аэробные тренировки улучшают память, ассоциации и способность логического мышления. Более того, физически активные люди старшего возраста лучше используют ресурсы своего мозга при выполнении различных двигательных задач, чем люди того же возраста, ведущие малоподвижный образ жизни. Пожилые люди с высоким уровнем аэробных способностей имеют большую нейронную активность в областях, ответственных за координацию и поведение.

Ассоциативно-логическое мышление

Интересное исследование было проведено в контексте сравнения внимательности с физической активностью. Цель заключалась в определении изменений уровня BDNF и, как следствие, различий в когнитивных способностях испытуемых.

Эксперимент, проведенный с 19-ю пожилыми добровольцами, показал, что всего лишь 35 минут физической активности в день значительно повысили уровень нейротрофина как в сыворотке, так и в мозге респондентов по сравнению с терапией медитациями и традиционной когнитивной терапией. Произошедшие изменения, конечно же, отразились на улучшении памяти и самочувствия респондентов.

Физическая активность и дегенерация нейронов

Статистика беспощадна: общества стареют, и в результате число людей, страдающих деменцией, резко увеличивается. Согласно Всемирному отчету о болезни Альцгеймера, в настоящее время в мире около 50 миллионов человек страдают нейродегенеративными заболеваниями. По оценкам, через 11 лет это число может увеличиться до 75 миллионов, а в 2050 году достигнет 115 миллионов. Болезнь Альцгеймера является наиболее распространенной формой старческого слабоумия и составляет 60-70% всех ее случаев (статистика 2022 года).

Эпидемиологические данные указывают на то, что некоторые факторы образа жизни, такие как регулярные упражнения и непрерывная познавательная деятельность, например, обучение новым навыкам, упражнения на логическое мышление, насыщенная социальная жизнь, могут отсрочить возрастное ухудшение памяти и снизить риск дегенерации нейронов. Ежегодно публикуются сотни результатов исследований в контексте поиска клеточных изменений, которые могут привести к развитию болезни Альцгеймера.

На данный момент известно все больше о механизмах её образования, но до сих пор нет «чудодейственного» средства от этой дисфункции мозга. Однако можно сказать наверняка, что нейроны людей, страдающих болезнью Альцгеймера, характеризуются значительно сниженными уровнями BDNF и NGF, особенно в структуре мозга, ответственной за память, то есть в гиппокампе.

Эксперименты по оценке взаимосвязи между физической активностью и риском развития этого нейродегенеративного заболевания показали, что упражнения значительно снижают риск психической деменции и развития болезни Альцгеймера на 28% и 45% соответственно. Физические упражнения могут положительно влиять на многие аспекты функции мозга, которые нарушаются при неврологических заболеваниях. Они улучшают нарушенную синаптическую пластичность, правильное восприятие стимулов, значительно снижают образование вредных и патологических изменений головного мозга. Умеренная ежедневная физическая активность уменьшает вероятности неврологических воспалений в головном мозге у пациентов с Альцгеймером.

Бег, тренировки или танцы?

Однако возникает вопрос, какой вид активности будет наиболее подходящим для улучшения работы мозга, в том числе стареющего? Кажется, что лучшее решение — совместить силовые тренировки с аэробной нагрузкой. Тренировки с отягощениями противодействуют потере мышечной массы, и оба эти элемента значительно влияют на стареющее тело. С другой стороны, аэробная активность может защитить от сердечно-сосудистых заболеваний и метаболического синдрома, которые являются одними из наиболее распространенных хронических заболеваний, связанных с возрастом. Ключевым фактом здесь является то, что оба вида деятельности благоприятно влияют на активность BDNF.

Из исследований на животных известно, что сочетание физических упражнений, сенсорного восприятия и когнитивной активности оказывает наибольшее влияние на формирование новых нейронов и нейропластичность. В случае с людьми, занятием, которое идеально сочетает в себе все эти элементы, независимо от возраста мозга, является танец. В одном недавнем шестимесячном исследовании сравнивали эффекты обычных фитнес-тренировок и танцев. Были проанализированы 38 человек, а затем оценены: внимание, память, респираторная эффективность, нейротрофические факторы (BDNF и NGF) и, прежде всего, структурные изменения в мозге участников. Результаты были потрясающими.

Танцы, по сравнению с обычными физическими нагрузками, значительно увеличили активность нескольких областей мозга: поясной коры, мозолистого тела и первичной соматосенсорной коры. Таким образом, были задействованы, все области, которые отвечают, в том числе, за создание новых нервных клеток, координацию, передачу нервных сигналов и правильную реакцию на раздражители. Наблюдаемые изменения, конечно, также были связаны с увеличением вышеупомянутого BDNF.

Результаты этого эксперимента показали, что танец, благодаря своему многофункциональному «прокогнитивному» действию, может быть эффективным средством поддержки работы мозга и противодействия пагубным последствиям его старения.

Как это бывает в науке, постоянно ведутся дискуссии о наиболее полезной для мозга форме активности, ее продолжительности и интенсивности. Принимая во внимание, например, огромное разнообразие людей, их здоровье и взаимодействие сотен переменных, многое еще предстоит изучить в этом вопросе. Одно можно сказать наверняка: утверждение «никогда не забывайте тренировать ноги» также имеет смысл с нейробиологической точки зрения.

Стоит задуматься, почему люди, страдающие дисфункцией двигательных нейронов, рассеянным склерозом, спинальной мышечной атрофией и другими неврологическими заболеваниями, так сильно подвержены негативным изменениям, которые происходят в их мозгу, когда их движения становятся ограниченными. Люди, которые не могут выполнять физические упражнения и вынуждены оставаться в постели, не только теряют мышечную массу, но могут получить значительные повреждения нервной системы.

Исследование на лабораторных животных показало, что мыши, неспособные использовать задние лапы в течение 28 дней, показали значительные изменения в субвентрикулярной зоне мозга, то есть в той области, где образуются новые нейроны. Ограничение физической активности уменьшило количество их нервных стволовых клеток на 70%. Более того, в случае ограниченной активности, как нейроны, так и олигодендроциты не были полностью зрелыми.

Проведенный эксперимент свидетельствует о том, что задействование ног, особенно при выполнении упражнений с отягощением, посылает в мозг сигналы, которые необходимы для производства здоровых нервных клеток. Ограничение физических упражнений значительно снижает количество кислорода в организме, и в результате анаэробная среда отрицательно влияет на обмен веществ в организме. Отключение работы нижних конечностей также повлияло на работу двух генов, один из которых — CDK5Rap1 — важен для правильного функционирования митохондрий, то есть клеточной «фабрики», создающей энергию, необходимую организму.

Физическая активность играет ключевую роль в активации клеточных механизмов для предотвращения возрастного снижения эффективности нервной системы как при естественном физиологическом старении, так и при возрастных патологиях мозга.