Почему физические упражнения приносят пользу мозгу

Как показало недавнее исследование, регулярные тренировки не только укрепляют мышцы и повышают выносливость сердечно-сосудистой системы, но и тренирует мозг выделять большее количество восстанавливающего белка. Исследование, опубликованное в журнале Исследование мозга (Brain Research), показывает, что у взрослых, которые за несколько месяцев улучшили свою физическую форму, после одной тренировки наблюдается более высокий уровень выработки этого белка, стимулирующего работу мозга. Такая усиленная химическая реакция может объяснить, как регулярная физическая активность способствует развитию мышления и концентрации внимания.

На протяжении многих лет медицинское сообщество признавало связь между регулярной аэробной активностью и улучшением когнитивных функций. Основной движущей силой этого эффекта является специализированный белок, называемый нейротрофическим фактором головного мозга, или BDNF.

Этот белок можно сравнить со своего рода молекулярным удобрением для нервной системы.

Он помогает мозгу выращивать новые клетки, создает новые связи между существующими нейронами и поддерживает общий клеточный метаболизм.

Физическая активность побуждает организм высвобождать эту молекулу в кровоток, однако точные механизмы этого процесса остаются несколько неясными. Исследования, изучающие влияние отдельных тренировок и долгосрочных фитнес-программ на уровень этого белка, исторически давали противоречивые результаты.

Некоторые предыдущие исследования были сосредоточены в основном на пожилых людях или отдельных задачах, связанных с памятью. Это оставило существенные пробелы в нашем понимании того, как эта молекула влияет на другие типы когнитивных навыков у молодых, здоровых людей.

Фламиния Ронка, исследовательница из Института спорта, физических упражнений и здоровья при Университетском колледже Лондона решила прояснить эти взаимосвязи. Ронка и ее коллеги провели эксперимент, чтобы выяснить, могут ли специальные упражнения изменить реакцию мозга на физические нагрузки.

Ученые хотели в частности проследить за изменениями в префронтальной коре – области мозга, расположенной сразу за лобной частью. Префронтальная кора управляет нашими исполнительными функциями, выступая в качестве командного центра для сложного мышления.

Исполнительные функции включают такие важные повседневные навыки, как внимание, принятие решений и подавление импульсивного поведения.

Исследователи стремились проследить, как уровень белка BDNF в крови коррелирует с нейронной активностью в этой конкретной области мозга при выполнении различных умственных задач.

Исследователи также хотели изучить два различных способа распространения белка по организму. Молекулу можно измерить в плазме крови, которая представляет собой прозрачную жидкую часть крови.

Плазма крови содержит белок, который мгновенно проникает в мозг. В отличие от нее, сыворотка крови содержит белок, хранящийся внутри тромбоцитов – клеток, ответственных за свертывание крови.

Измерение уровня белка в сыворотке крови отражает более широкие возможности организма по его производству и хранению. Понимание различий между этими двумя методами доставки белка было ключевой целью эксперимента.

Чтобы проверить эти идеи, исследовательская группа набрала здоровых взрослых добровольцев, которые вели в основном малоподвижный образ жизни. Участники были случайным образом разделены на две группы, одна из которых выступала в качестве контрольной группы с обычным распорядком дня.

Другая группа участвовала в двенадцатинедельной программе аэробных тренировок. Эта фитнес-программа включала занятия на велотренажере четыре раза в неделю.

Интенсивность тренировок была рассчитана на постепенное увеличение. Участники начали с легкой езды на велосипеде и постепенно наращивали уровень нагрузки в течение трех месяцев.

Все участники посещали лабораторию в начале исследования, через шесть недель и в конце двенадцатой недели. Во время каждого посещения исследователи оценивали аэробную физическую форму участников.

Они это делали с помощью стандартного лабораторного теста, измеряющего максимальное количество кислорода, которое организм может использовать во время интенсивных физических нагрузок. Это измерение дает четкое и объективное представление о выносливости сердечно-сосудистой системы человека.

До и после этого интенсивного теста на велотренажере исследователи брали образцы крови из вены на руке. Эти образцы позволили им измерить концентрацию белка как в плазме, так и в сыворотке крови.

Помимо физических тестов, участники выполнили ряд умственных задач на компьютере. Эти задания включали тесты на пространственную память, а также задачи на исполнительные функции, требующие сосредоточенного внимания и строгого самоконтроля.

Пока участники решали компьютерные головоломки, они надевали специальную шапочку, оснащенную оптическими датчиками. Это носимое устройство для визуализации использует безопасные световые лучи для мониторинга уровня кислорода и кровотока во внешних слоях головного мозга.

Отслеживая движение крови по префронтальной коре, исследователи смогли оценить, насколько интенсивно работают различные участки мозга.

Этот метод визуализации, основанный на свете, позволяет получить представление о метаболических потребностях мозга в режиме реального времени.

По истечении двенадцати недель у группы, занимавшейся на велотренажерах, значительно улучшилась выносливость сердечно-сосудистой системы. Но уровень целевого белка в состоянии покоя у них не изменился по сравнению с началом исследования, что противоречило первоначальным предположениям исследователей.

Однако физические тренировки изменили реакцию их организма на острый стресс. После заключительного интенсивного теста на велотренажере у более подготовленных участников наблюдалось гораздо более интенсивное высвобождение связанного с сывороткой белка, чем в начале исследования.

Это специфическое увеличение было тесно связано с общим улучшением усвоения кислорода. По сути, чем большей выносливости сердечно-сосудистой системы участник достигал за три месяца, тем больше белка, стимулирующего работу мозга, вырабатывалось у него сразу после тяжелой тренировки.

Исследователи также обнаружили четкую связь между уровнем этого белка и тем, как функционирует мозг во время выполнения умственных задач. Более высокий уровень белка был связан с изменениями кровотока в определенных зонах префронтальной коры.

Эти нейронные изменения наблюдались только во время выполнения участниками тестов на внимание и контроль импульсов. Исследователи не наблюдали таких же изменений активности мозга во время тестов на память.

Данные визуализации мозга выявили специфическую картину в префронтальной коре во время тестов на внимание и торможение.

Более высокие уровни белка коррелировали со снижением исходного сигнала кровотока в этих областях.

В контексте когнитивного тестирования более низкий уровень сигнала при сохранении хорошей работоспособности иногда может указывать на то, что мозг работает более эффективно. Исследователи предполагают, что этот белок может помогать мозгу управлять энергией и клеточными коммуникациями таким образом, чтобы это требовало меньших общих метаболических затрат.

Ни одно из этих химических или нейронных изменений не привело к заметному улучшению результатов когнитивных тестов. Участники действительно быстрее справлялись с компьютерными задачами в течение двенадцати недель, но это происходило как в группе, занимавшейся велоспортом, так и в контрольной группе.

Поскольку результаты компьютерных тестов в обеих группах улучшились в равной степени, более быстрое время реакции, вероятно, было результатом простой практики, а не программы упражнений. Изменения в белке мозга не привели к статистически значимому улучшению результатов тестирования.

“Мы уже давно знаем, что физические упражнения полезны для нашего мозга, но механизмы, с помощью которых это происходит, до сих пор изучаются. Самый интересный вывод из нашего исследования заключается в том, что чем лучше физическая форма, тем больше пользы для мозга приносит одно занятие спортом, и это может измениться всего за шесть недель”, – отмечает Ронка важность этой химической адаптации.

Хотя эти физиологические изменения обнадеживают, данное исследование имеет некоторые ограничения.

Исследование начиналось с участием большей группы, но только двадцать человек прошли все необходимые лабораторные обследования и предоставили полезные данные.

Из-за небольшого размера выборки трудно сделать общие, окончательные выводы без дополнительных исследований. Исследователи отмечают, что небольшие группы часто участвуют в исследованиях, требующих частого забора крови и длительных физических нагрузок.

Экспериментальный дизайн исследования также был ориентирован исключительно на максимальную аэробную нагрузку. Остается неясным, вызовут ли более легкие упражнения, поднятие тяжестей или командные виды спорта аналогичное высвобождение белка в головном мозге.

Различные виды движений могут вызывать разные метаболические реакции со стороны нервной системы. Добавление различных видов физических упражнений в будущие исследования могло бы помочь составить более полную картину того, как движение способствует восстановлению мозга.

Еще одной переменной, которую исследователи не отслеживали, был гормональный статус участниц. Уровень гормонов может влиять на выработку белков головного мозга, и этот фактор следует попытаться контролировать в будущих экспериментах.

Технология визуализации, используемая в исследовании, также имеет определенные физические ограничения. Световые датчики могут измерять кровоток только во внешних слоях мозга, а это означает, что более глубокие структуры, такие как гиппокамп, не поддаются наблюдению.

В будущих исследованиях можно выяснить, как эти химические изменения влияют на использование энергии мозгом, помимо только создания новых клеток.

Понимание точной роли этого белка в ежедневном метаболизме мозга в конечном итоге может привести к разработке более эффективных программ физических упражнений для улучшения когнитивных функций.

Подпишитесь на сайт Психолог в интернете
в Telegram, ВКонтакте или в MAX
Помощь психолога