Физическая активность и мозг
Зачем мы занимаемся бегом, аэробикой, плаванием? Чтобы лучше выглядеть, сбросить лишний вес, чтобы сосуды и сердце были в порядке… И вряд ли кто-то ходит в фитнес-клуб, чтобы улучшить память или внимание. А ведь давно известно: физические упражнения благотворно влияют не только на тело, но и на психику. Казалось бы, всё очевидно: если человек не злоупотребляет сидячим образом жизни, он меньше болеет, и мозгу от этого только польза. Но связь между физическими упражнениями и психическими функциями, как показали исследования последних лет, может быть более тесной и непосредственной.
Исследований тут масса. Например, в обзорной работе, опубликованной в «British Journal of Sports Medicine» несколько месяцев назад, утверждается, что возрастные ухудшения в когнитивных функциях у людей старше пятидесяти лет можно затормозить с помощью систематической физической активности. Пожилые люди, занимающиеся аэробикой в сочетании с упражнениями на сопротивление, лучше справляются с психологическими тестами, в которых нужно быстро переключаться с одной задачи на другую, тактически мыслить, сосредоточиваться и активно использовать рабочую память (так называют отдел памяти, работающий с актуальной информацией; подробно о том, что такое рабочая память и как она работает, см. «Наука и жизнь» № ). Людей старшего возраста привлекают к таким исследованиям по вполне понятным причинам: с возрастом мозг естественным образом слабеет, и потому становится проще оценивать факторы, которые тормозят этот процесс. Однако похожие данные есть и для молодых людей, и даже для детей. Так, в статье в журнале «Medicine & Science in Sports & Exercise» (апрель 2017 года) говорится, что у детей в возрасте от 9 до 11 лет физическая подготовка и хорошая рабочая память идут рука об руку: если у ребёнка развиты мышцы, то и тесты на память он будет выполнять хорошо и, что немаловажно, демонстрировать успехи в учёбе. (Всё это, конечно, сильно расходится с привычным представлением о глуповатом школьном силаче и умном, но хилом «ботанике».)
В статье в журнале «Neurology» за 2016 год отмечалось, что разница в биологическом возрасте мозга между теми, кто регулярно занимается физическими упражнениями, фитнесом, спортом, и теми, кто физически не активен, может составлять целых десять лет. В то же время важно, что именно человек делает. Несколько лет назад исследователи из университета Питтсбурга (США) сравнили, как в течение года изменялось состояние мозга у пожилых людей, которые либо ходили три раза в неделю на пешую прогулку быстрым шагом (довольно продолжительную — от 30 до 45 минут), либо выполняли упражнения на растяжку. Оказалось, что у тех, кто гулял, некоторые области префронтальной коры и гиппокампа, отвечающие за планирование и память, увеличились в размерах. Увеличение было небольшое, всего 2—3%, и всё же его хватило, чтобы перекрыть возрастное «съёживание» мозга. Гулявшие участники эксперимента показали хорошие результаты и в тестах на пространственную память. У тех же, кто в течение года делал растяжки, гиппокамп продолжил уменьшаться, как это обычно и происходит в пожилом возрасте.
Есть сведения, что физическая активность помогает уменьшить когнитивные нарушения при шизофрении и при болезни Паркинсона; в частности, у больных шизофренией за несколько месяцев вполне умеренных упражнений на 12% увеличивался гиппокамп. Наконец, те, кто занимается спортом, прекрасно знают, что физические упражнения снимают стресс и дают ощущение лёгкой эйфории.
Но почему всё это происходит? Почему благодаря физической активности исчезает стресс, улучшается память, увеличиваются какие-то области мозга? Здесь есть несколько объяснений. Начнём с эмоций и стресса.
Считается, что чувство эйфории, возникающее после длительной физической нагрузки, появляется благодаря эндоканнабиноидам — нейромедиаторным молекулам, которые синтезируются в мозге и действуют на нейроны различных нервных центров. У эндоканнабиноидов много функций: они участвуют в регуляции аппетита, влияют на память, обучение и эмоции и, кроме того, служат своеобразным внутренним обезболивающим, к которому мозг прибегает в самых разных случаях. Физические упражнения стимулируют выброс нейромедиаторов, снижающих тревожность и вызывающих лёгкое чувство радости.
Но есть и другие антистрессовые механизмы, которые включаются при занятиях спортом. Известно, что стресс и депрессия вызывают атрофию нейронов и синапсов: связи между нервными клетками слабеют и рвутся, а новые не образуются. Нервная клетка становится «неконтактной» и ненужной, общее разнообразие нервных цепочек уменьшается, а уменьшение числа нервных контуров в свою очередь сказывается на когнитивных способностях и на умении находить выход из трудных ситуаций. Два года назад исследователи из университета Джорджии (США) показали, что у крыс, которые ведут активный образ жизни, нейроны успешно сопротивляются стрессовому эффекту, сохраняя способность формировать всё новые и новые клеточные контакты. И происходит это благодаря нейропептиду галанину, уровень которого заметно увеличивается после физических упражнений и увеличивается как раз в зонах мозга, отвечающих за борьбу со стрессом. Антистрессовый эффект «фитнеса», обеспеченный галанином, проявлялся и в поведении крыс: животные, несмотря на неприятные обстоятельства, которые им устраивали в эксперименте, были активны и любопытны — иными словами, не очень переживали из-за неприятностей и не тонули в стрессе.
Если говорить о когнитивных функциях и об увеличении некоторых зон мозга, то одно объяснение напрашивается само собой: упражнения ведь заставляют сердце чаще биться, следовательно, в мозге улучшается крово-снабжение и он начинает работать лучше. В пользу такой гипотезы говорят результаты исследователей из Техасского университета в Далласе (США): в 2013 году они опубликовали в журнале «Frontiers in Aging Neuroscience» работу, в которой утверждали, что физические упражнения стимулируют кровоснабжение задней поясной коры и гиппокампа. И там и там усиливался обмен веществ и повышалась активность нейронов. Участники эксперимента, регулярно упражнявшиеся в спортзале, лучше проходили тесты на память, причём изменения происходили именно в такой последовательности: сначала улучшался кровоток, потом — «когнитивка».
Но кровь — это ещё не все. Клетки в нашем теле сами по себе не растут, им нужны молекулярные сигналы — специальные белки, которые действуют на клеточные рецепторы, подталкивая клетки к тем или иным действиям. Белки, стимулирующие рост и развитие нейронов, называются нейротрофинами, и самый активный среди них — BDNF (brain-derived neurotrophic factor, нейротрофический, или нейротропный, фактор мозга). BDNF включает гены, контролирующие рост нервных клеток и формирование новых синапсов, а значит, и нервных цепочек, и он особенно активен в гиппокампе и коре, то есть в областях, отвечающих за обучение и память. Было замечено, что и у животных и у человека уровень BDNF резко возрастает при физических упражнениях, что со скачком BDNF происходит прирост гиппокампа и улучшение когнитивных функций. Эксперименты на мышах показали: уровень сигнального белка остаётся высоким ещё в течение нескольких дней после «фитнеса». В 2013 году в журнале «Cell Metabolism» вышла статья, авторы которой описывали цепочку сигналов от мышц к мозгу. Исследователям удалось определить белок, выделяющийся из работающих мышц, который, действуя через несколько посредников, даёт сигнал специальным клеткам мозга синтезировать этот самый BDNF. То есть мышцы сами по себе дают мозгу стимулирующий сигнал.
Любопытно, что по одной из гипотез человеческий мозг эволюционировал по мере того, как человек становился физически более выносливым. Известно, что у более выносливых животных мозг больше, чем у менее выносливых (разумеется, если мы сравниваем животных примерно одинакового размера). С другой стороны, есть эксперименты по размножению грызунов-«атлетов». Особей, которые неутомимее прочих бегали в беличьем колесе, неоднократно скрещивали между собой, и в результате у потомков появлялись любопытные молекулярные особенности — у них повышался уровень разнообразных ростовых факторов, включая BDNF. В 2012 году в журнале «Proceedings of the Royal Society Biology B» появилась статья с описанием следующего варианта развития событий. Когда наши предки стали охотиться, наиболее удачливыми оказывались те, кто мог долго и упорно бежать, преследуя раненую добычу. Очевидно, самые выносливые особи получали эволюционное преимущество: они лучше питались, приносили добычу группе, пользовались популярностью у противоположного пола и т. д. Их гены переходили из поколения в поколение, в том числе и ген, обеспечивающий высокий уровень BDNF. Белок поначалу работал в мышцах, помогая расти нервам в них (вслед за усилением мышечной ткани должна была усилиться и её иннервация). Однако потом избыток BDNF добрался до мозга, и он резко «пошёл в рост». Конечно, были и другие важные эволюционные факторы, сделавшие человека «мозговитым», но связь мышц и мозга через BDNF вполне могла сыграть свою роль.
Со временем у гена, кодирующего BDNF, стали появляться новые варианты, и сейчас эффект от нейротропного фактора, скорее всего, будет зависеть от того, в каком именно виде ген BDNF достался индивидууму. У этого гена есть особый вариант, который можно найти примерно у 30% людей, — у его носителей некоторые зоны мозга меньше, чем у других, а сам человек более предрасположен к психоневрологическим и нейродегенеративным болезням. Исследователи из Миланского университета обнаружили, что если в геноме есть такой особый ген BDNF, то физические упражнения не действуют против стресса и тревожности. (Учитывая роль белка BDNF в мозге, неудивительно, что от него зависит и стрессовая реакция.) Впрочем, физические упражнения влияют на активность целого ряда генов в мозге, многие из которых не имеют прямого отношения к синапсам и передаче нейронных импульсов. Так что придётся подождать, пока исследователи получат полную картину того, как мышцы действуют на мозг, хотя начать заниматься спортом можно уже прямо сейчас.
Словарик
Синапс — соединение между двумя нейронами или между нейроном и какой-то другой клеткой, где происходит передача нервного импульса с помощью веществ-нейромедиаторов разной природы.
Гиппокамп — область мозга, отвечающая за кратковременную память и превращение её в память долговременную. Кроме того, гиппокамп обеспечивает ориентацию в пространстве и участвует в формировании эмоций.
Префронтальная кора — отдел коры больших полушарий головного мозга, представляющий собой переднюю часть лобных долей. Префронтальная кора чрезвычайно тесно связана с большинством структур мозга, а её основная функция — управление мышлением в целом и регуляция поведения в соответствии с внутренними мотивами и планами.
Зачем мы занимаемся бегом, аэробикой, плаванием? Чтобы лучше выглядеть, сбросить лишний вес, чтобы сосуды и сердце были в порядке… И вряд ли кто-то ходит в фитнес-клуб, чтобы улучшить память или внимание. А ведь давно известно: физические упражнения благотворно влияют не только на тело, но и на психику. Казалось бы, всё очевидно: если человек не злоупотребляет сидячим образом жизни, он меньше болеет, и мозгу от этого только польза. Но связь между физическими упражнениями и психическими функциями, как показали исследования последних лет, может быть более тесной и непосредственной.
Исследований тут масса. Например, в обзорной работе, опубликованной в «British Journal of Sports Medicine» несколько месяцев назад, утверждается, что возрастные ухудшения в когнитивных функциях у людей старше пятидесяти лет можно затормозить с помощью систематической физической активности. Пожилые люди, занимающиеся аэробикой в сочетании с упражнениями на сопротивление, лучше справляются с психологическими тестами, в которых нужно быстро переключаться с одной задачи на другую, тактически мыслить, сосредоточиваться и активно использовать рабочую память (так называют отдел памяти, работающий с актуальной информацией; подробно о том, что такое рабочая память и как она работает, см. «Наука и жизнь» № ). Людей старшего возраста привлекают к таким исследованиям по вполне понятным причинам: с возрастом мозг естественным образом слабеет, и потому становится проще оценивать факторы, которые тормозят этот процесс. Однако похожие данные есть и для молодых людей, и даже для детей. Так, в статье в журнале «Medicine & Science in Sports & Exercise» (апрель 2017 года) говорится, что у детей в возрасте от 9 до 11 лет физическая подготовка и хорошая рабочая память идут рука об руку: если у ребёнка развиты мышцы, то и тесты на память он будет выполнять хорошо и, что немаловажно, демонстрировать успехи в учёбе. (Всё это, конечно, сильно расходится с привычным представлением о глуповатом школьном силаче и умном, но хилом «ботанике».)
В статье в журнале «Neurology» за 2016 год отмечалось, что разница в биологическом возрасте мозга между теми, кто регулярно занимается физическими упражнениями, фитнесом, спортом, и теми, кто физически не активен, может составлять целых десять лет. В то же время важно, что именно человек делает. Несколько лет назад исследователи из университета Питтсбурга (США) сравнили, как в течение года изменялось состояние мозга у пожилых людей, которые либо ходили три раза в неделю на пешую прогулку быстрым шагом (довольно продолжительную — от 30 до 45 минут), либо выполняли упражнения на растяжку. Оказалось, что у тех, кто гулял, некоторые области префронтальной коры и гиппокампа, отвечающие за планирование и память, увеличились в размерах. Увеличение было небольшое, всего 2—3%, и всё же его хватило, чтобы перекрыть возрастное «съёживание» мозга. Гулявшие участники эксперимента показали хорошие результаты и в тестах на пространственную память. У тех же, кто в течение года делал растяжки, гиппокамп продолжил уменьшаться, как это обычно и происходит в пожилом возрасте.
Есть сведения, что физическая активность помогает уменьшить когнитивные нарушения при шизофрении и при болезни Паркинсона; в частности, у больных шизофренией за несколько месяцев вполне умеренных упражнений на 12% увеличивался гиппокамп. Наконец, те, кто занимается спортом, прекрасно знают, что физические упражнения снимают стресс и дают ощущение лёгкой эйфории.
Но почему всё это происходит? Почему благодаря физической активности исчезает стресс, улучшается память, увеличиваются какие-то области мозга? Здесь есть несколько объяснений. Начнём с эмоций и стресса.
Считается, что чувство эйфории, возникающее после длительной физической нагрузки, появляется благодаря эндоканнабиноидам — нейромедиаторным молекулам, которые синтезируются в мозге и действуют на нейроны различных нервных центров. У эндоканнабиноидов много функций: они участвуют в регуляции аппетита, влияют на память, обучение и эмоции и, кроме того, служат своеобразным внутренним обезболивающим, к которому мозг прибегает в самых разных случаях. Физические упражнения стимулируют выброс нейромедиаторов, снижающих тревожность и вызывающих лёгкое чувство радости.
Но есть и другие антистрессовые механизмы, которые включаются при занятиях спортом. Известно, что стресс и депрессия вызывают атрофию нейронов и синапсов: связи между нервными клетками слабеют и рвутся, а новые не образуются. Нервная клетка становится «неконтактной» и ненужной, общее разнообразие нервных цепочек уменьшается, а уменьшение числа нервных контуров в свою очередь сказывается на когнитивных способностях и на умении находить выход из трудных ситуаций. Два года назад исследователи из университета Джорджии (США) показали, что у крыс, которые ведут активный образ жизни, нейроны успешно сопротивляются стрессовому эффекту, сохраняя способность формировать всё новые и новые клеточные контакты. И происходит это благодаря нейропептиду галанину, уровень которого заметно увеличивается после физических упражнений и увеличивается как раз в зонах мозга, отвечающих за борьбу со стрессом. Антистрессовый эффект «фитнеса», обеспеченный галанином, проявлялся и в поведении крыс: животные, несмотря на неприятные обстоятельства, которые им устраивали в эксперименте, были активны и любопытны — иными словами, не очень переживали из-за неприятностей и не тонули в стрессе.
Если говорить о когнитивных функциях и об увеличении некоторых зон мозга, то одно объяснение напрашивается само собой: упражнения ведь заставляют сердце чаще биться, следовательно, в мозге улучшается крово-снабжение и он начинает работать лучше. В пользу такой гипотезы говорят результаты исследователей из Техасского университета в Далласе (США): в 2013 году они опубликовали в журнале «Frontiers in Aging Neuroscience» работу, в которой утверждали, что физические упражнения стимулируют кровоснабжение задней поясной коры и гиппокампа. И там и там усиливался обмен веществ и повышалась активность нейронов. Участники эксперимента, регулярно упражнявшиеся в спортзале, лучше проходили тесты на память, причём изменения происходили именно в такой последовательности: сначала улучшался кровоток, потом — «когнитивка».
Но кровь — это ещё не все. Клетки в нашем теле сами по себе не растут, им нужны молекулярные сигналы — специальные белки, которые действуют на клеточные рецепторы, подталкивая клетки к тем или иным действиям. Белки, стимулирующие рост и развитие нейронов, называются нейротрофинами, и самый активный среди них — BDNF (brain-derived neurotrophic factor, нейротрофический, или нейротропный, фактор мозга). BDNF включает гены, контролирующие рост нервных клеток и формирование новых синапсов, а значит, и нервных цепочек, и он особенно активен в гиппокампе и коре, то есть в областях, отвечающих за обучение и память. Было замечено, что и у животных и у человека уровень BDNF резко возрастает при физических упражнениях, что со скачком BDNF происходит прирост гиппокампа и улучшение когнитивных функций. Эксперименты на мышах показали: уровень сигнального белка остаётся высоким ещё в течение нескольких дней после «фитнеса». В 2013 году в журнале «Cell Metabolism» вышла статья, авторы которой описывали цепочку сигналов от мышц к мозгу. Исследователям удалось определить белок, выделяющийся из работающих мышц, который, действуя через несколько посредников, даёт сигнал специальным клеткам мозга синтезировать этот самый BDNF. То есть мышцы сами по себе дают мозгу стимулирующий сигнал.
Любопытно, что по одной из гипотез человеческий мозг эволюционировал по мере того, как человек становился физически более выносливым. Известно, что у более выносливых животных мозг больше, чем у менее выносливых (разумеется, если мы сравниваем животных примерно одинакового размера). С другой стороны, есть эксперименты по размножению грызунов-«атлетов». Особей, которые неутомимее прочих бегали в беличьем колесе, неоднократно скрещивали между собой, и в результате у потомков появлялись любопытные молекулярные особенности — у них повышался уровень разнообразных ростовых факторов, включая BDNF. В 2012 году в журнале «Proceedings of the Royal Society Biology B» появилась статья с описанием следующего варианта развития событий. Когда наши предки стали охотиться, наиболее удачливыми оказывались те, кто мог долго и упорно бежать, преследуя раненую добычу. Очевидно, самые выносливые особи получали эволюционное преимущество: они лучше питались, приносили добычу группе, пользовались популярностью у противоположного пола и т. д. Их гены переходили из поколения в поколение, в том числе и ген, обеспечивающий высокий уровень BDNF. Белок поначалу работал в мышцах, помогая расти нервам в них (вслед за усилением мышечной ткани должна была усилиться и её иннервация). Однако потом избыток BDNF добрался до мозга, и он резко «пошёл в рост». Конечно, были и другие важные эволюционные факторы, сделавшие человека «мозговитым», но связь мышц и мозга через BDNF вполне могла сыграть свою роль.
Со временем у гена, кодирующего BDNF, стали появляться новые варианты, и сейчас эффект от нейротропного фактора, скорее всего, будет зависеть от того, в каком именно виде ген BDNF достался индивидууму. У этого гена есть особый вариант, который можно найти примерно у 30% людей, — у его носителей некоторые зоны мозга меньше, чем у других, а сам человек более предрасположен к психоневрологическим и нейродегенеративным болезням. Исследователи из Миланского университета обнаружили, что если в геноме есть такой особый ген BDNF, то физические упражнения не действуют против стресса и тревожности. (Учитывая роль белка BDNF в мозге, неудивительно, что от него зависит и стрессовая реакция.) Впрочем, физические упражнения влияют на активность целого ряда генов в мозге, многие из которых не имеют прямого отношения к синапсам и передаче нейронных импульсов. Так что придётся подождать, пока исследователи получат полную картину того, как мышцы действуют на мозг, хотя начать заниматься спортом можно уже прямо сейчас.
Словарик
Синапс — соединение между двумя нейронами или между нейроном и какой-то другой клеткой, где происходит передача нервного импульса с помощью веществ-нейромедиаторов разной природы.
Гиппокамп — область мозга, отвечающая за кратковременную память и превращение её в память долговременную. Кроме того, гиппокамп обеспечивает ориентацию в пространстве и участвует в формировании эмоций.
Префронтальная кора — отдел коры больших полушарий головного мозга, представляющий собой переднюю часть лобных долей. Префронтальная кора чрезвычайно тесно связана с большинством структур мозга, а её основная функция — управление мышлением в целом и регуляция поведения в соответствии с внутренними мотивами и планами.
