Физические упражнения и головной мозг
Все хотят быть в хорошей физической форме. Вот только регулярные занятия спортом у многих слишком часто переходят в категорию тех дел, которые выполняют, только когда это удобно. В этой главе я объясню, почему физические нагрузки обязательно должны быть включены в распорядок дня. Нет другого настолько же эффективного способа запустить процессы нейропластичности и нейрогенеза.
Физические упражнения прямо и немедленно воздействуют на физические и эмоциональные симптомы стресса. Упражнения снимают остаточное напряжение в нервно-мышечном веретене, в результате чего прерывается петля реакции на стресс со стороны головного мозга. Прерывая петлю реакции на стресс, вы даете мозгу понять, что организм больше не испытывает стресс и можно расслабиться.
Раньше считалось, что физические нагрузки способствуют укреплению здоровья из-за благоприятного воздействия на систему кровообращения и сердце. Недавние исследования не только подтвердили это утверждение, но и доказали, что упражнения способствуют более активному снабжению мозга кислородом и укреплению мелких кровеносных сосудов – капилляров.
Физические упражнения снижают кровяное давление за счет повышения работоспособности сердечно-сосудистой системы. При увеличении частоты сердцебиения начинается синтез предсердного натрийуретического гормона (ПНГ) в предсердиях. Этот гормон сдерживает реакцию организма на стресс, затормаживая функцию оси ГГН и ее реакции «бей или беги».
Это происходит за счет того, что ПНГ преодолевает гематоэнцефалический барьер и присоединяется к рецепторам гипоталамуса, ослабляющим активность оси ГГН. Тем временем другие области мозга, включая миндалевидное тело, синтезируют ПНГ. Этот гормон подавляет кортикотропин-рилизинг фактор, о котором шла речь в главе 2 и который является частью цепочки нейрохимических процессов, стимулирующих реакцию «бей или беги» и возникновение паники. Таким образом, ПНГ блокирует один из наиболее весомых факторов развития панического состояния. Он также останавливает выброс адреналина и снижает уровень сердцебиения, подавляя еще одну причину панической атаки. Вся эта деятельность ПНГ помогает сохранять спокойствие.
Аэробные упражнения снижают тревожность. Психологические изменения, происходящие при занятиях спортом, превышают негативный эффект психологических факторов, способствующих повышению тревожности. Например, в ходе одного из исследований участникам был введен тетрапептид холецистокинина (CCK-4) фрагмент гормона холецистокинина, характерный своей способностью вызывать тревогу даже у здоровых и психологически устойчивых взрослых людей. Было отмечено, что если участники эксперимента до введения вещества в течение 30 минут занимались физическими упражнениями, то уровень тревоги у них был ниже, чем когда они просто отдыхали перед введением вещества.
Физические упражнения способствуют снижению стресса благодаря тому, что они:
• отвлекают внимание;
• снижают мышечное напряжение;
• поддерживают ресурсы мозга (нейропластичность и нейрогенез);
• повышают синтез ГАМК и серотонина;
• улучшают стрессоустойчивость и самоконтроль;
• мобилизуют чувства для совершения действий.
Результаты одного из исследований показали, что программа аэробных упражнений из 12 занятий способствует снижению некоторых симптомов посттравматического стрессового расстройства (ПТСР). Это значительное достижение, так как симптомы ПТСР долгосрочны и нерегулярны. Физические упражнения должны входить в комплексную стратегию профилактики и лечения общей тревожности и ПТСР. Физические упражнения повышают уровень специфических нейромедиаторов, имеющих антидепрессивный эффект. Вот одна из схем того, как это происходит: благодаря физическим упражнениям повышается синтез нейромедиаторов ГАМК и серотонина. Самые простые движения тела вызывают выброс ГАМК, основного ингибиторного нейромедиатора. Антидепрессанты в форме лекарственных препаратов, такие как «Валиум» или «Ативан», воздействуют на рецепторы ГАМК, чтобы успокоить человека, но они обладают серьезными побочными эффектами, включая развитие депрессии. Кроме того, они вызывают зависимость. Как только человек перестает принимать эти препараты, симптомы тревожности возвращаются и усиливаются.
Физические упражнения повышают уровень серотонина, тогда как его низкий уровень связывают с депрессией и беспокойством. Уровень серотонина повышается, когда организм расщепляет жирные кислоты, служащие «топливом» для мышц. Эти жирные кислоты конкурируют с аминокислотой триптофаном (участвующей в синтезе серотонина) за место на транспортных белках, что повышает концентрацию жирных кислот в токе крови. После преодоления гематоэнцефалического барьера триптофан начинает участвовать в синтезе серотонина. Синтез серотонина также повышается под действием белка BDNF, на количество которого влияют в том числе физические упражнения.
В своей книге Spark: The Revolutionary New Science of Exercise and the Brain («Искра: Революционно новая наука о физических упражнениях и мозге») Джон Рэти отмечает, что регулярная аэробная нагрузка успокаивающе действует на организм и повышает стрессоустойчивость. Аэробные упражнения повышают порог физических реакций. Они способствуют укреплению инфраструктуры нейронов головного мозга за счет активации генов, отвечающих за синтез особых белков, защищающих клетки от повреждений и болезней.
Физические упражнения повышают порог стрессоустойчивости нейронов. Некоторые люди жалуются, что устают, выполняя упражнения. На это я всегда отвечаю, что это очень хорошо. Фактически к этому стоит стремиться, занимаясь спортом, потому что вы точно знаете, что получаете взамен. Вы выходите из зоны комфорта и становитесь сильнее. Рэти отмечает, что физические упражнения стимулируют процесс «стресс-восстановление», который способствует укреплению тела и мозга. На клеточном уровне этот процесс происходит по трем направлениям:
• реакция окисления;
• реакция обмена веществ;
• реакция раздражения (возбуждения).
Оксидативный стресс происходит в клетках во время преобразования глюкозы в энергию, что позволяет клеткам «сжигать топливо». При поглощении глюкозы клетками выделяются побочные вещества. Митохондрии, которые называют «энергетическими станциями» клетки, обеспечивают синтез из глюкозы аденозинтрифосфата (АТФ) универсального источника энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. В результате этого происходит образование свободных радикалов, о чем рассказывалось в главе 5. Как правило, клетки производят защитные энзимы в качестве внутренних антиоксидантов, которые ликвидируют побочные продукты. Когда клетки не в состоянии синтезировать достаточное количество АТФ, происходит метаболический стресс: у клеток словно заканчивается «топливо». Это происходит или из-за недостатка глюкозы, или из-за того, что глюкоза не может попасть в клетку. Наконец, когда в клетках синтезируется недостаточно АТФ, чтобы поддержать возросшую потребность в энергии из-за избыточной активности глутаминовой кислоты, наступает эксайтотоксический стресс.
К счастью, физические упражнения обеспечивают механизмы восстановления, способные справиться с разными типами стрессов. Эти механизмы восстановления укрепляют весь организм, включая мозг. Процесс «стресс-восстановление» выходит за рамки простого укрепления и способствует фактической перестройке на разных уровнях.
Названия молекул, наиболее активно участвующих в восстановительных процессах, звучат как наборы букв, но эти молекулы выполняют чрезвычайно важные функции. Например, физические упражнения стимулируют выработку следующих белков:
• инсулиноподобный фактор роста-1 (ИФР-1, или IGF-1);
• фактор роста эндотелия сосудов (VEGF);
• фактор роста фибробластов (FGF-2).
ИФР-1 – белок, синтез которого осуществляется в мышцах, когда клетки нуждаются в энергии во время физической активности. Он повышает образование рецепторов для приема инсулина. Так как глюкоза – основной источник энергии для мозга, ИФР-1 участвует в процессе доставки глюкозы в клетки мозга и управляет уровнем глюкозы. ИФР-1 взаимодействует с белком BDNF, количество которого в мозге повышается во время физических упражнений, и вместе они активируют нейроны для синтеза серотонина и глутаминовой кислоты. Несмотря на то что при хроническом стрессе повышается уровень кортизола и снижается уровень ИФР-1, физические упражнения меняют эту ситуацию на обратную.
Снабжение клеток «топливом» для выработки энергии – процесс чрезвычайно важный. Физические упражнения – один из способов укрепления сосудистой системы и роста новых сосудов. Сигнальный белок VEGF вырабатывается клетками для стимулирования роста новых сосудов в существующей сосудистой системе в организме и мозге. VEGF повышает проницаемость гематоэнцефалического барьера, что позволяет веществам, необходимым для процесса нейрогенеза, попадать в клетки мозга во время физических упражнений.
Наконец, факторы роста фибробластов играют ключевую роль в процессе нейрогенеза. Они стимулируют регенерацию и рост тканей в организме, а находясь в мозге, участвуют в процессе долгосрочной потенциации (Ratey, 2008).
В совокупности эти восстанавливающие факторы предотвращают разрушительное воздействие хронического стресса, контролируют уровень гормона стресса кортизола, а также повышают выработку регулирующих нейромедиаторов (серотонина, дофамина и норадреналина), благодаря чему человек сохраняет спокойствие и позитивный настрой и чувствует себя полным энергии. Кроме того, доказано, что физические упражнения стимулируют некоторые генетические процессы, укрепляющие здоровье, долговечность и иммунологические функции мозга. Вызванная физическими упражнениями транскрипция – генетический процесс биосинтеза молекул РНК на соответствующих участках ДНК – помогает обеспечивать свойство нейропластичности головного мозга, включая стимулирование выработки белка BDNF, который способствует улучшению памяти, а также процессу нейрогенеза в гиппокампе.
Когда во время физических упражнений увеличивается циркуляция крови, запасы белка BDNF, скопившиеся возле синапсов, освобождаются. Во время физических упражнений ИФР-1, VEGF и FGF-2 проникают через гематоэнцефалический барьер, через сеть капилляров, а также через слой защитных клеток, предотвращающих, например, проникновение в клетки бактерий. Эти три белка взаимодействуют с BDNF для стимулирования на молекулярном уровне процессов, отвечающих за обучение и запоминание.
Стволовые клетки способны дифференцироваться в нейроны и клетки глии в ходе процесса, который активизируется благодаря физическим упражнениям. Тем не менее одни лишь физические нагрузки не обеспечат поддержку новых нейронов. Как показывают результаты исследований, для этого необходима также интеллектуальная среда. Иными словами, для сохранения функциональности новых нейронов требуется сочетать умственную деятельность с физическими нагрузками. Вероятно, поэтому некоторые профессиональные спортсмены отличаются интеллектом, а некоторые им не блещут.
Доказано, что физические упражнения, особенно при выполнении их в новой, стимулирующей обстановке, способствуют процессу нейрогенеза. Обучение чему-то новому – важное условие, так как развитие новых нейронов происходит в области гиппокампа, отвечающего за функции обучения (памяти). Таким образом, физические упражнения и обучение чему-то новому в совокупности стимулируют нейрогенез. Благодаря физическим упражнениям новые нейроны образуются, а благодаря обучению они выживают. Поэтому наиболее эффективными можно назвать физические упражнения, при которых происходит повышение активности сердечно-сосудистой системы и обучение какому-то новому навыку.
Самых лучших результатов добивается человек, который добровольно и осознанно решает регулярно заниматься спортом. В этом случае он не испытывает стресса, а в его мозге продуцируются тэта-волны, появляющиеся, когда мозг сосредоточен на одном источнике информации. Тэта-ритм не продуцируется, когда человек ест, пьет или автоматически выполняет какие-то действия. Занятия спортом – это не то, что человек выполняет механически, в силу привычки; это осознанное решение. Так как за процесс принятия решений отвечает лобная доля, активация этой области головного мозга – основная часть процесса нейрогенеза. Иными словами, невозможно научиться чему-то новому, если не приложить к этому усилий и не сосредоточить на этом внимание.
Подведем итоги сказанному: существуют убедительные доказательства, что физические упражнения стимулируют процесс обучения. Однако этот эффект проявляется после занятия физическими упражнениями, потому что во время интенсивных упражнений кровь отливает от префронтальной коры, чтобы помочь организму справиться с физической нагрузкой. Так как префронтальная кора – центр исполнительных функций мозга, без ее участия процесс обучения невозможен. После завершения физических упражнений кровь вновь приливает к префронтальной коре, а человек получает повышенную способность к концентрации. Так что, как советовал Джон Рэти, не стоит готовиться к поступлению на юридический факультет, не отрываясь от эллиптического тренажера в спортзале. Для максимального результата начните штудировать учебную литературу после того, как позанимаетесь спортом.
Можно ли включить физические упражнения в школьную программу, чтобы помочь ученикам повысить свои когнитивные навыки? Один из подобных примеров – эксперимент в городе Нейпервилле к западу от Чикаго. Там в школьную образовательную программу включили физическую подготовку, чтобы улучшить академическую успеваемость и социальное поведение школьников. Когда ученики восьмого класса приняли участие в Международном мониторинговом исследовании качества школьного математического и естественно-научного образования TIMSS (в выполнении этого международного теста участвовали 230 тысяч школьников из разных стран мира), они заняли первое место по результатам в секции естественно-научного образования и шестое в секции математики (после Сингапура, Кореи, Тайваня, Гонконга и Японии). Для понимания контекста учтите тот факт, что 50 % школьников из перечисленных азиатских стран обычно занимают верхние строчки международных образовательных рейтингов, в то время как в США этого уровня достигают только 7 % учеников. Таким образом, для США результаты школьников из Нейпервилла были значительно выше средних.
Результаты эксперимента обусловлены многими факторами. Одним из них может быть то, что только в 6 % классов старшей школы в США проводятся уроки физической культуры или занятия в спортзале. Другим фактором может быть то, что американские школьники проводят в среднем пять часов в день перед экраном телевизора, монитора компьютера или мобильного устройства. Положительное влияние физических упражнений на процесс обучения привлекло внимание департаментов образования некоторых штатов. Согласно данным департамента образования Калифорнии, школьники с более высокими показателями уровня физической подготовки также имеют более высокие результаты тестов, кроме того, физические упражнения в целом оказывают положительное влияние на память учеников, концентрацию и поведение в классе.
