как физические упражнения влияют на мозг
Как физические нагрузки влияют на работу мозга
Мозг и пассивное потребление
Не всякое сидение и лежание можно отнести к пассивному поведению. Мы пассивны только в том случае, когда тратим очень мало энергии: например, смотрим телевизор, листаем ленту инстаграма, занимаемся какой-то монотонной работой. В общем, буквально не двигаемся. Уровень активности любой деятельности измеряется в МЕТ – метаболическом эквиваленте, который, грубо говоря, показывает разницу нашего расхода энергии в состоянии покоя и при физических нагрузках. Если вы тратите на что-то меньше 1,5 МЕТ (чтение книги или сидение на лавочке) — вы в данный момент пассивны. А вот игра в приставку или просмотр какого-то ужастика, когда вы каждую минуту подпрыгиваете и вжимаетесь в кресло, расходует больше энергии — до 4,5 МЕТ.
Для нашего мозга, конечно, полезней состояние активности и вовлеченности в процесс. Пассивное потребление контента ухудшает память, концентрацию, способность переключаться между задачами, планировать и рассуждать логически. Поэтому, если уж вы сидите в социальных сетях, старайтесь быть буквально более активными: создавайте посты, оставляйте комментарии и общайтесь. Это отличная тренировка для мозга. Сериалы смотрите во время уборки, а на прогулках слушайте подкасты и аудиокниги.
Мозг и сидячий стресс
Возможно, вы слышали об «активных рабочих станциях» или даже пробовали работать за одной из них. Столы, за которыми можно стоять, ходить и даже бегать, появились в офисах как панацея от сидячего образа жизни и его негативного влияния на работоспособность сотрудников. Исследования показали, что такие станции могут быть полезными для здоровья, но при этом не снижают профессионального выгорания и не повышают продуктивность. Потому что проблема с офисной работой не столько в том, что мы сидим, сколько в ее продолжительности и стрессе, который она может вызывать.
На самом деле, сидеть все восемь часов рабочего дня необязательно — встать со стула нам мешают загруженность, попытки сделать больше за короткое время и гонка за результатом. Такая приверженность делу может выйти боком — и работодателю, и сотруднику. Потому что высокий уровень кортизола (который активно вырабатывается во время стресса) снижает когнитивные способности, мешает сосредоточиться и качественно выполнить работу.
Старайтесь как можно чаще двигаться в рабочее время: не пропускайте ланч (высококалорийные перекусы — верный путь к ожирению), общайтесь с коллегами лично, а не по телефону, хотя бы раз в день устраивайте себе 10-минутную прогулку на улице или даже внутри офиса, разминайте спину и ноги. Постарайтесь не засиживаться допоздна и включите в свое расписание регулярные тренировки. Потому что нет лучше профилактики пассивного поведения, чем умеренный спорт.
Мозг и разумный спорт
Регулярные тренировки невероятно полезны для всего организма и мозга в том числе. Они помогают нормализовать сон (во время которого образуются новые нейронные связи), притупляют реакцию на стресс, улучшают память и когнитивные способности. Необязательно каждый день тягать веса и бегать марафоны. Главное — заниматься спортом регулярно и постараться не перегружать себя. Особенно если есть проблемы с сосудами и заболевания вен. Невероятно, но наиболее подвержены варикозу не только люди, ведущие малоподвижный образ жизни, но также профессиональные спортсмены или, например, грузчики — то есть те, кто испытывает интенсивные физические нагрузки.
Чтобы улучшить когнитивные способности, нивелировать последствия сидения в офисе и при этом не навредить здоровью, стоит выбирать тренировки средней интенсивности с небольшой нагрузкой на ноги. Идеально подойдет гимнастика, легкая йога, упражнения, которые делаются лежа и сидя, долгие прогулки и плаванье.
«…Согласно научным данным физические упражнения оказывают положительное влияние на деятельность головного мозга»
Поговорили с доцентом Андреем Назаренко о пользе «физры» для ума.
Известное выражение «гимнастика для ума», под которым подразумевались различные интеллектуальные упражнения, вроде решения кроссвордов, головоломок, в последнее время все чаще употребляется в буквальном смысле. Гимнастика – для ума! Не гимнастика, так футбол, бег, плавание… Ученые подтверждают: занятия физической культурой и спортом вовсе не мешают, но даже могут благотворно влиять на нашу мыслительную деятельность, повышая уровень умственной и физической работоспособности человека. В частности, физическая культура способна воспрепятствовать процессам, связанным c старческим слабоумием, а также повышать уровень когнитивных функций мозга.
Заведующий кафедрой медико-биологических дисциплин Поволжской академии спорта, доцент, кандидат биологических наук, кандидат в мастера спорта по бадминтону, руководитель образовательной программы «Функциональная подготовка спортсменов высокой квалификации» Андрей Назаренко в блоге в Instagram регулярно делится со своими подписчиками интересными фактами из научных журналов, касающимися влияния физической культуры и спорта на организм человека. Вот, к примеру, один из его постов:
«Умеренные физические упражнения являются мощным фактором для улучшения нейропластичности, памяти, внимания, исполнительных функций человека, а также снижения риска развития деменции, болезни Альцгеймера и Паркинсона за счёт более быстрого транспорта крови к головному мозгу, насыщенной кислородом, гормонами, нейро-медиаторами и питательными веществами. Согласно научным данным (M.W. Beckett et al., 2015), всего 30 мин. физической активности в день помогло здоровым людям на 48% уменьшить вероятность заболевания артритом, болезнью Альцгеймера на 40-50% и уменьшить чувство тревоги на 48%.»
— Андрей Сергеевич, о пользе физических упражнений в последние годы говорят в основном применительно к теме старения.
— Тема положительного влияния физкультуры на человека, в разных возрастных периодах и с учетом особенностей организма, всегда будет актуальной. Что касается темы старения, то сразу скажу, что физическая культура не останавливает возрастные процессы старения организма, в частности, клеток головного мозга, но может снижать их интенсивность. У взрослого человека возрастные процессы изменения в организме, в частности, в нервных клетках, происходят постоянно, и мы не можем их остановить. Но физическая культура не только замедляет старение клеток, но и поддерживает их возбудимость, проводимость, пластичность и лабильность (функциональная подвижность, скорость протекания элементарных циклов возбуждения в нервной и мышечной тканях) на хорошем уровне. Например, физические упражнения вызывают больший приток крови к головному мозгу, что улучшают способности восприятия человека и повышают его способность мыслить острее.
— А как же рекомендации нагружать мозг интеллектуальной работой?
«Спортивные игры, в совокупности к вышеописанному, влияют на более совершенную координацию движений и баланс тела, а также на увеличение базальных ганглий за счет большего образования двигательных условных рефлексов и повышения скорости сенсомоторной реакции. Таким образом, наибольшего положительного эффекта для мозга и, в целом, для организма можно добиться, комбинируя разные виды физических упражнений и видов спорта.»
— Объясните, механизм этого влияния…
— Людей интеллектуального склада, писателей, ученых, физкультура способна сделать «еще умнее»?
«В то же время, у людей, которые занимаются силовыми тренировками, наблюдается не только поддержание необходимого уровня мышечной массы, силы, минерализации костей, но и улучшение ассоциативной памяти и исполнительных функций.»
— В одном из постов вы утверждаете, что силовые тренировки улучшают ассоциативную память…
— Это не я утверждаю, а наука. В этом посте я ссылаюсь на конкретное научное исследование. Речь в нем о работе со штангой в зале (силовая работа). Силовые упражнения вызывают активацию различных нервных центров головного мозга и большого количества мышечных групп, выброс гормонов, что также несет в себе положительный эффект.
«Идеальным вариантом положительного воздействия/взаимодействия на организм человека является комбинация силовых и аэробных тренировок. В особенности такое комбинирование важно, для стимуляции образования новых нейронов за счёт активации различных участков головного мозга и большого гормонального отклика от суммации разнонаправленных физических нагрузок. Возрастные процессы старения уменьшают объем мозговой ткани у человека, что может быть нивелировано аэробными упражнениями, которые стимулируют образование новых нервных клеток и кровеносных сосудов. Например, у физически активных пожилых людей объём гиппокампа, отвечающий за память и процесс обучения, больше на 2% по сравнению с неактивными сверстниками.»
— Еще один ваш пост посвящен эффекту от сочетания силовых и аэробных тренировок…
— Речь о комбинировании разных видов упражнений. Это не только бег, плавание и силовые тренировки в зале (фитнес), но и баскетбол, хоккей, футбол, волейбол и т.д. По свежим данным научных исследований занятия бегом стимулирует образование в гиппокампе новых нейронов. Гиппокамп – это часть лимбической системы головного, участвующая в механизмах формирования эмоций, памяти. Да, в процессе возрастных изменений или стресса может происходить отмирание нервных клеток. Но доказано, что есть в гиппокампе доли, где происходит процесс образования небольшого количества новых клеток. И физические упражнения, в частности, занятия бегом, по данным ученых, могут стимулировать этот процесс.
«Большинство научных исследований показывает, что 2,5-5 часов умеренной или интенсивной мышечной активности в неделю может принести максимальную пользу для здоровья человека (E.J. Benjamin et al., 2019). При этом сверхинтенсивная (чрезмерная) мышечная нагрузка более 10 часов в неделю может снижать пользу для здоровья человека.»
— И еще вы говорите, что физическая нагрузка не должна быть слишком большой и интенсивной…
— Что значит «уменьшение объема мозга» и как могут помочь решить эту проблему спортивные тренировки?
— Еще я читал о влиянии физической культуры на «белые провода». Что это такое?
— Речь, видимо, о белом веществе, которое передает электрические и химические импульсы между нервными клетками. Белое вещество определяет скорость и качество функционирования мозга, а именно количество сформированных нервных путей. Белое вещество выполняет функцию проводника. Отсюда, по аналогии с электричеством, и «провода». Физическая культура и спорт стимулирует оптимальное проведение возбуждения между нервными клетками или от клеток к органам. Если белое вещество уменьшается, то снижается скорость возбуждения и проводимость нервных процессов.
— И все-таки, что лучше кроссворд или тренировка?
— Зарядка 30 минут нивелирует последствия 10 часов сидения за столом… Это и мозга касается тоже?
— У нас в любом случае все связано с работой мозга. Если заниматься физическими упражнениями систематически по 30-40 минут в день, эффект будет. Это может быть просто прогулка 30-минутная в хорошем темпе. Главное – движение и разнообразие, бадминтон, футбол, хоккей, бег, лыжи, плавание и т.д.
— С какого момента тема взаимосвязи занятий физической культурой, спортом и мозга стала такой актуальной?
— Тема взаимосвязи занятий физической культурой, спортом и организма человека всегда была актуальной. В последние 15-20 лет, когда проблемы с сердечно-сосудистыми заболеваниями, ожирением, диабетом, онкологией, различными заболеваниями нервной системы стали более острее. Скорее всего, как происходит: стал повышаться процент различных заболеваний у людей, например, увеличилось число страдающих болезнью Альцгеймера, синдромом Паркинсона… Стали искать средства снижения рисков. Вот говорят, могут помочь снижать риски биодобавки и т.д. Но не факт, что они будут полноценно усваиваться и давать максимальный эффект. А физические упражнения (двигательная активность) доступны для всех людей и всегда запускают работу различных центров головного мозга, мышц и внутренних органов, что способствует поддержанию нормального функционирования организма человека и его физической работоспособности. Конечно же, нельзя забывать про сбалансированное питание, полноценный сон, отсутствие вредных привычек, благоприятные условия для труда и отдыха. В совокупности с вышеописанным это лучший тип воздействия, и занятия физкультурой должны быть нормой жизни.
Утомлённые спортом: как интенсивные физические нагрузки влияют на работу мозга
Интенсивное занятие спортом приводит к утомлению мозга и снижает качество принимаемых человеком решений. К такому выводу пришли учёные из парижского медицинского центра Питье-Сальпетриер. Результаты их исследования опубликованы в журнале Current Biology.
Специалисты центра выяснили, что высокие физические нагрузки влияют на мозг подобно интеллектуальной работе, потому что в обоих случаях активно задействуется один и тот же участок головного мозга. Речь идёт о боковой части префронтальной коры, отвечающей за так называемый когнитивный контроль — немедленную реакцию на быстро меняющиеся обстоятельства.
Идею подобного исследования учёным подсказали во французском Национальном институте спорта экспертизы и эффективности (INSEP), где проходят подготовку спортсмены, участвующие в Олимпийских играх. В INSEP заметили, что некоторые атлеты страдали от так называемого синдрома перетренировки, при котором их спортивные результаты резко снижались из-за чувства сильной усталости. Исследователи задались вопросом, можно ли это состояние объяснить утомлением головного мозга, к которому обычно приводит умственная работа.
Чтобы выяснить это, учёные провели эксперимент, для которого отобрали 37 профессиональных спортсменов-мужчин в возрасте около 35 лет. Атлеты продолжили свои обычные тренировки, увеличив при этом нагрузки на 40%. Исследователи тщательно отслеживали их физическое состояние, проводили поведенческое тестирование и делали функциональную МРТ головного мозга.
Высокие нагрузки вызвали сильное утомление у атлетов. В это время им было предложено принять решение по ряду гипотетических бизнес-проектов. Большинство участников эксперимента принимали более импульсивные и непродуманные решения. Например, долгосрочным проектам, которые сулили большую выгоду, они предпочитали быструю прибыль.
«Результаты нашего исследования указывают на тот факт, что состояние нейронной мозговой сети играет существенную роль: если мозг утомлён, то человек иначе подходит к принятию решений», — заявил главный автор исследования Матиас Пессиглион.
Такие результаты учёные объяснили тем, что когнитивный контроль требуется людям как при умственной работе, так и при физической. В первом случае человек постоянно анализирует различные варианты решений, а во втором просчитывает, хватит ли ему сил для выполнения упражнения, или думает, как ему поступить в неожиданных ситуациях.
По мнению учёных, полученные данные пригодятся не только в подготовке спортсменов, но и смогут дополнить экономическую теорию выбора, которая, как правило, игнорирует подобные изменения в нервной системе человека. Также они полагают, что контроль за уровнем утомлённости поможет избежать неверных решений в политической, судебной и экономической сферах.
В будущем исследователи надеются найти способ защитить от перегрузок участок мозга, отвечающий за когнитивный контроль.
Физическая активность и мозг
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» № 7, 2017 г.). 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.