Эволюция -...

Эволюция

4 Вмиренауkи|[03]март2020

Эволюция

w w w.sci-ru.org [03]март2020|Вмиренауkи 5

ЗАЧЕМ МОЗГУ ФИЗИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ?

ЭВОЛЮЦИЯ

Illustration by Bryan Christie Design

В процессе эволюции человека его тело и разум оказались связаны, и, вероятно, это можно использовать для замедления старения мозга

Джин Александер и Дэвид Райхлен

Эволюция


Спортивная активность улучшает работумногихсистеморганов,ноэтиэффекты,какправило, связаны сулучшением физиче-скихспособностей.Например,когдавыхо-дитеилибегаете,вашимышцыпотребляютбольшекислорода,исовременемвашасер-дечно-сосудистаясистемаувеличитразмерсердцаисформируетновыекровеносныесо-суды.Такиеизменения—реакциянафизи-ческую нагрузку, они повышают выносли-востьорганизма.Нонакакуюнагрузкувта-комслучаереагируетмозг?

Для того чтобы ответить наэтот во-прос, надо пересмотреть наши представ-ления офизических упражнениях. Обычнолюдисчитают,чтотакимформамактивно-сти, как ходьба ибег, присущ автоматизм.Новтечениепоследнихдесятилетмыидру-гиеученыепровелиисследования,показав-шие,чтоподобныеобщепринятыепредстав-ленияошибочны.Насамомделефизическиеупражнения— это нетолько физическая,ноиумственнаядеятельность.Связьмеждуфизическойактивностьюиздоровьеммозга

1990-хгг.исследователисообщилиосерииоткрытий,опровер-гавшихглавнуюдогмунейробиологии.Десятилетиямисчита-лось,чтововзросломмозгенеобразуетсяновыхнейронов.Ког-даорганизмдостигаетзрелоговозраста,мозгначинаеттерятьнервныеклетки,неприобретаяновых,имышлениеухудшает-ся.Однакопоявилисьдоказательства,чтоновыенейронымо-гутобразовыватьсяивовзросломмозге.Водномзамечатель-ном эксперименте смышами ученые показали, что простое

беганье вколесе вызывает появление новых нейронов вгиппокампе— структуремозга,связаннойспамятью.Потомвдругихисследованияхобнаружилось,чтофи-зическиеупражненияположительновлияютинамозгчеловека,особенновпожи-ломвозрасте,ичтоонимогутдажеснижатьрискпоявленияболезниАльцгеймераидругих нейродегенеративных заболеваний. Изэтих открытий последовал важ-ныйвопрос:почемувообщефизическиеупражнениявлияютнамозг?

ОБ АВТОРАХДжин Александер (Gene Alexander) — профессор психологии и психиатрии и руководитель Лаборатории нейровизуализации, поведения и старения в Аризонском университете. Изучает старение мозга у здоровых людей и у тех, кто страдает от нейродегенеративных заболеваний.

Дэвид Райхлен (David Raichlen) — профессор биологии и руково-дитель лаборатории эволюционной биологии физической актив-ности в Южно-Калифорнийском университете. Исследует био-механику и физиологию физических упражнений с эволюцион-ной точки зрения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сегодня хорошо известно, что физические упражнения положительно влияют на мозг, особенно в пожилом возрасте.При этом не совсем понятно, почему физическая активность вообще влияет на мозг.Связь между физическими упражнениями и мозгом могла сформироваться давно, когда происходили ключевые со-

бытия в эволюции человека.

Эволюция


Illustrations by Tami Tolpa

можно проследить намиллионы лет назадктем временам, когда формировались от-личительные черты человечества. Если мысможем разобраться, как ипочему физиче-скиеупражнениявоздействуютнамозг,воз-можно, мы сумеем использовать соответ-ствующие физиологические подходы длясоздания новых комплексов упражненийдлястимуляциикогнитивныхспособностейпожилых людей. Это то, чем мы сейчас за-нимаемся.

Пластичность мозгаДля того чтобы понять, почему физическиеупражненияполезныдлямозга,надоснача-ларассмотреть,какиеструктурымозгаиког-нитивныефункциисильнеевсегореагируютнаупражнения. В1990-хгг. ученые изИн-ститута биологических исследований Сол-ка,расположенноговЛа-ХойевКалифорнии,под руководством Фреда Гейджа (Fred Gage)иГенриеттыВанПрааг (HenrietteVanPraag)показали,чтобегусиливаетобразованиено-вых нейронов вгиппокампе умышей. Былоотмечено, что процесс, по-видимому, свя-зан свыработкой белка, который называет-ся «нейротрофический фактор мозга» (brain-derived neurotrophic factor, BDNF). BDNF вы-рабатывается повсему телу, атакже вмозгеиспособствуетростуивыживаниюобразую-щихся нейронов. Группа изИнститута Сол-каидругиеученыепоказали,чтовызванныйфизическими упражнениями нейрогенезугрызуновсопровождаетсяулучшениемвы-полнения задач, связанных спамятью. Этобыли поразительные результаты, посколькусатрофией гиппокампа взначительной сте-пени связано ухудшение памяти при старе-нии здоровых людей иособенно при такихнейродегенеративныхзаболеваниях,какбо-лезнь Альцгеймера. Результаты исследова-ний нагрызунах заложили представленияотом, что физические упражнения могутпротивостоятьухудшениюпамяти.

После данной работы ученые прове-ли еще ряд исследований ивыяснили,что улюдей, так же как угрызунов, аэроб-ные упражнения способствуют выработ-ке BDNF иувеличению объема ичисла свя-зейвключевыхобластяхмозга,втомчислевгиппокампе.Врандомизированномиссле-довании, выполненном Кирком Эриксоном(Kirk Erickson) иАртуром Крамером (ArthurKramer)вИллинойсскомуниверситетевЭр-бане-Шампейне,после12месяцеваэробныхупражнений упожилых людей повысилсяуровень BDNF, увеличился размер гиппо-кампаиулучшиласьпамять.

Новые нейроны в стареющем мозге

Физические упражнения вызывают благотворные изменения во взрослом мозге за счет образования новых нейронов и увели-чения числа связей между уже существующими. По-видимому, увеличение нейропластичности с помощью физической актив-ности обеспечивается в том числе и увеличением выработки белка, который называется «нейротрофический фактор мозга» (BDNF). Он способствует росту и выживанию нейронов. Недавно было показано, что этот процесс усиливается, если во время фи-зических упражнений добавляется когнитивная нагрузка.

Когнитивная на-грузка одновремен-но с физическими упражнениями позволяет увеличить нейропластичность, задействуя физиоло-гические связи между телом и мозгом, развившиеся у наших предков, охотни-ков-собирателей, которым требовалась многозадачность при поиске пищи.

Из стволовых клеток образуются клетки, которые затем станут новыми нейронами

BDNF

Новый нейрон активен и встроен в обуча-ющуюся сеть

Новая клетка мигрирует и развивается в незрелый нейрон

Новый нейрон

Стволовая клетка

Гиппокамп

Система движения

и контроля

Простран-ственная

память и навигация

Принятие решений и плани -рование

Сенсорные системы и под-

держание внимания

Эволюция


Другиеученыевходеразличныхисследо-ваний также обнаружили связь между фи-зическими упражнениями исостояниемгиппокампа. Внашей собственной работе,проведеннойвВеликобританиииопублико-ваннойвжурналеBrain Imaging and Behaviorв2019г.,участвовало7тыс.человексредне-го ипожилого возраста. Мы показали, чтоулюдей, которые тратили больше временинаумеренную или интенсивную физиче-скуюактивность,гиппокампбылбольшегообъема. Пока еще невозможно определить,связанылиданныеэффектыулюдейсней-рогенезом или же сдругими формами пла-стичности мозга, такими как увеличениечисла связей между уже существующиминейронами,новсовокупностиэтирезульта-тыясноуказывают,чтофизическиеупраж-нениямогутбытьполезныдлягиппокампаикогнитивныхфункций.

Исследователи также показали пользуаэробных упражнений для других отделов

мозга.Например,наблюдалосьувеличениепрефронтальной коры— участка, располо-женного врайоне лба,— которое было свя-заносулучшениемисполнительныхкогни-тивныхфункций,такихкакпланирование,принятие решений имультизадачность.Эти способности, так же как ипамять,обычно ухудшаются иуздоровых пожи-лых людей, иособенно при болезни Аль-цгеймера. Ученые предполагают, что еслиречьнеидетогиппокампе,тоблаготворноевлияние физических упражнений намозгивтом числе напрефронтальную кору об-условленоувеличениемсвязеймеждусуще-ствующиминейронами,анеобразованиемновых.

Прямоходящие и активныеПоявлялось все больше данных отом, чтоаэробные упражнения могут способство-вать здоровью мозга, особенно упожи-лых людей, поэтому надо было выяснить,

Встань и берись за делоЗа 6–7 млн лет, прошедших с тех пор, как человеческая ветвь отделилась от ветви шимпанзе и бонобо, у нашего вида сформировался целый ряд особенностей, отличающих нас от других обезьян. Благотворное влияние на мозг сочетания когнитивной нагрузки и физических упражнений может быть обусловлено двумя эволюционными изменениями — переходом к прямохождению и образу жизни охотника-собирателя. Из-за этого люди стали физически более активны по сравнению с другими приматами и воз-росла наша способность к многозадачности.

Homo sapiensHomo erectus

ШимпанзеБонобоГориллыОрангутаны

Общий предок

Охота и собирательствоОколо 2 млн лет назад наши предки начали охотиться. При такой стратегии требуется гораздо больше аэробной активности, чем при питании растения-ми, как это делают обезьяны. И при этом нужно, чтобы мозг во время движения выполнял множество когнитивных задач.

ПрямохождениеПримерно 6–7 млн лет назад предки человека отказались от передвижения на четвереньках и встали на задние конеч-ности. Замена четвероногого перемещения на двуногое вызвала сложности с поддер-жанием равновесия и, вероятно, предъяви-ла новые требования к мозгу.

Эволюция


как именно физическая активность соз-дает нагрузку намозг, запуская когни-тивные улучшения вкачестве адаптации.Мыпредположили,чтодляначалахорошобылобыизучитьвзаимоотношениямеждумозгом ителом всвете эволюции. 6–7млнлет назад гоминины (группа, состоящаяизсовременных людей инаших ближай-шихвымершихродственников)отделилисьответви, идущей кнашим ближайшимнынеживущимродственникам(шимпанзеибонобо). Вэто время угомининов разви-лись некоторые анатомические иповеден-ческие адаптации, которые отличают насотостальныхприматов.Мыпредполагаем,что среди этих эволюционных измененийбылодва,обеспечивающихтусамуюсвязьмежду физической активностью имозгом,которую люди могут использовать внашевремя.

Во-первых,нашипредкиперешлиотпере-движения начетвереньках кпрямохожде-ниюназаднихногах.Такоедвуногоеполо-жениеозначает,чтобываютмоменты,ког-да наше тело опасно балансирует наоднойноге, аненадвух иболее конечностях, какэтоделаютдругиеобезьяны.Дляподдержа-нияравновесиянашмозгдолженучитыватьбольшоеколичествоинформацииивпроцес-се корректировать мышечную активностьвсего тела. Координируя все движения, мыодновременнодолжныследитьзапоявлени-емпрепятствийвокружающейсреде.Други-ми словами, просто из-за того, что мы дву-ногие,нанашмозгложитсяб льшаякогни-тивнаянагрузка,чемунашихчетвероногихпредков.

Во-вторых,образжизнигомининовизме-нилсятак,чтоунихвозросуровеньаэроб-ной нагрузки. Согласно ископаемым дан-ным,нараннихэтапахэволюциичеловеканашипредкибылиотносительнооседлымидвуногимиобезьянами,питавшимисяпре-имущественно растениями. Однако около2млн лет назад климат стал суше ихолод-нее— икак минимум одна группа предковчеловека начала питаться иначе: охотить-сянаживотныхисобиратьпищуназемле.Охота исобирательство были преобладаю-щимистратегиямипитанияулюдейнапро-тяжении почти 2млн лет, илишь пример-но 10тыс. лет назад появились земледелиеискотоводство. Вместе сГерманом Пон-цером (Herman Pontzer) изДюкского уни-верситета иБрайаном Вудом (Brian Wood)изКалифорнийского университета вЛос-Анджелесемыпоказали,чтоприохотеисо-бирательстве наши предки перемещались

набольшиерасстояния,поэтомуунихбылогораздо больше аэробной активности, чемудругихобезьян.

Увеличение ежедневной физической ак-тивности сопровождалось повышениемтребованийкработемозга.Уходяприпоис-кепищинабольшиерасстояния,охотники-собирателидолжныбыливнимательносмо-треть посторонам, чтобы незаблудиться.Такойориентациейвпространствезанима-ется гиппокамп, тот самый участок мозга,длякоторогополезныфизическиеупражне-нияикоторыйимееттенденциюатрофиро-ватьсясвозрастом.Крометого,нашипред-кидолжныбылипомнить,гдеониужебыва-ли раньше ивкакое время были доступныопределенныевидыпищи.Мозгиспользуетданнуюинформацию,работаяскратковре-меннойидолговременнойпамятью,такчтолюди могут принимать решения иплани-ровать свои маршруты, идля выполненияэтих когнитивных задач наряду сдругимиобластямииспользуютсягиппокампипре-фронтальная кора. Наконец, охотники-со-бирателичастоотправляютсязаедойгруп-пами,итогдаонимогутразговаривать,втовремякакихмозгзанимаетсяподдержани-ем равновесия иопределением положениявпространстве.Подобнаямногозадачностьотчасти контролируется префронтальнойкорой, которая тоже имеет тенденцию ис-тончатьсясвозрастом.

Несмотря нато что любому животномувпоисках пищи нужно ориентироватьсяиопределять, где искать еду, охотники-со-биратели должны заниматься этим вовре-мя быстрых перемещений, иногда нарас-стояние свыше 20км. При высокой скоро-стимногозадачностьстановитсяещеболеесложной итребует более оперативной пе-реработки информации. Сэволюционнойточкизрениябылобывыгодноиметьмозг,готовый решать множество задач вовре-мя ипосле поиска пищи, чтобы снаиболь-шей вероятностью раздобыть еду. Однакодля создания иподдержания такого мозгаивтомчиследляформированияивыжива-нияновыхнейроновтребуетсябольшоеко-личествоэнергетическихресурсов,поэтомуесли эта система неиспользуется регуляр-но,тоона,по-видимому,невыгодна.

Мы подробно описали эволюцион-ный нейробиологический взгляд насвязьмозга сфизической активностью вста-тье, опубликованной в2017г. вTrends in Neurosciences. Для современного человекаэтасвязьимеетпринципиальноезначение.Сейчаснамненужнозаниматьсяаэробной

Эволюция


физическойактивностью,чтобынеумеретьсголоду. Атрофия мозга исопутствующиеей когнитивные нарушения, обычные пристарении,могутбытьотчастивызванына-шимсидячимобразомжизни.

Нодлятогочтобыспомощьюфизическойактивности затормозить процесс ухудше-ния когнитивных функций иполностьюреализовать все возможности этого подхо-да, недостаточно просто увеличить объемтренировок. Учитывая нашу модель, дажелюди,которыеужеимеютбольшоеколиче-ство аэробной активности, могут захотетьизменить свои привычки. Вполне возмож-но,чтомыневсегдаупражняемсятак,что-бы вполной мере использовать возникшиевпроцессеэволюциимеханизмыподдержа-нияработымозга.

Задумайтесьотом,какмногиеизнасвы-полняют аэробные упражнения. Часто мыприходим для этого вспортзал ипользуем-сястационарнымтренажером.Втакойтре-нировке самой сложной когнитивной за-дачейбудетрешить,какойканалсмотретьнавстроенном телевизоре. Более того, по-мимо отсутствия когнитивных задач, свя-занных сдвижением вменяющейся среде,натренажере исчезают некоторые пробле-мы,связанныесподдержаниемравновесияирегулированиемскорости.

Может быть, такая форма физическихупражнений— самообман? Наши пред-ки эволюционировали внепредсказуемоммире. Может быть, мы могли бы изменитьнаши упражнения так, чтобы добавить

вних когнитивные задачи, скоторымисталкивалисьнашипредки—охотники-со-биратели?Еслимысумеемулучшитьфизи-ческие упражнения, добавив кним когни-тивную активность, то, вероятно, мы смо-жемповыситьэффективностьупражнений,предназначенных для улучшения когни-тивных способностей упожилых людей,идаже изменить течение таких нейродеге-неративныхзаболеваний,какболезньАль-цгеймера.

Двигайся и думайПоявляется все больше исследований, гдепоказано, что физические упражнения,стимулирующие когнитивную деятель-ность, действительно полезнее для мозга,чем упражнения без когнитивной состав-ляющей.Например,ГердКемперманн(GerdKempermann) иего коллеги изЦентра ре-генеративной терапии вДрездене изуча-ли эту возможность, сравнивая рост ивы-живаемость новых нейронов вгиппокампемышейпослефизическойнагрузкиипослефизической нагрузки всочетании сдосту-пом кобогащенной среде. Они обнаружи-ли,чтоэффектысуммируются:физическиеупражнения сами посебе были полезныдлягиппокампа,однакосочетаниефизиче-ской активности скогнитивной нагрузкойвстимулирующей среде было еще лучше,способствовалоформированиюещебольше-гоколичествановыхнейронов.Использова-ниемозгавовремяипослетренировки,по-видимому,способствовалоповышеннойвы-живаемостинейронов.

Недавномыначалипроводитьиисследо-вания налюдях. Результаты обнадежива-ют. Например, изучалось влияние сочета-ния физической икогнитивной нагрузокналюдейсзаметносниженнымикогнитив-ными способностями. Кэй Андерсон-Хэн-ли (CayAnderson-Hanley)изЮнион-коллед-жавСкенектадипредлагалаодновременнофизическую икогнитивную нагрузку лю-дям сумеренными когнитивными наруше-ниями,тоестьимеющимповышенныйрискразвитияболезниАльцгеймера.Безусловно,преждечемможнобудетсделатьчеткиевы-воды, требуются еще дополнительные ис-следования, нопока результаты позволя-ют предположить, что людям, укоторыхуже есть некоторые когнитивные ухудше-ния, может быть полезно сочетание фи-зических упражнений синтеллектуальносложнойвидеоигрой.Крометого,Андерсон-Хэнли сколлегами показали, что увзрос-лыхздоровыхлюдейсочетаниефизических

Министерство здравоохранения США рекомендует заниматься

аэробными упражнениями как минимум 150 минут в неделю, если нагрузка

средней интенсивности, или минимум 75 минут в неделю,

если нагрузка высокой интенсивности. Выполнение

упражнений в таком или большем объеме полезно для

организма и может улучшать работу мозга

Эволюция


упражнений синтеллектуально сложнойвидеоигрой вызывает большее увеличениеуровня циркулирующего BDNF, чем однитолько физические упражнения. Подобныерезультаты еще сильнее укрепляют пред-ставленияотом,чтопользамозгуотфизи-ческойнагрузкиобеспечиваетсяспомощьюBDNF.

Внашем исследовании мы разработа-ли игру, предназначенную для того, чтобыспециальнонагрузитьтекогнитивныеспо-собности, которые имеют тенденцию ухуд-шатьсясвозрастомибылинеобходимына-шимпредкамприпоискепищи.Участникиполучают умеренную аэробную нагрузкузасчет езды навелосипеде иодновременноиграютвигру,гдедолжныориентироватьсявпространстве ивыполнять задания, тре-бующиевниманияипамяти.Чтобыоценитьперспективность такого подхода для улуч-шения когнитивных показателей уздоро-выхпожилыхлюдей,мысравниваемчеты-регруппы:сигройифизическимиупражне-ниями,супражнениямиибезигры,сигройибез упражнений иконтрольную группу,где участники смотрят видео про природу.Насегодня результаты кажутся многообе-щающими.

Многие другие исследователи проверяютэффект отсочетания физических упраж-нений скогнитивными задачами. По-видимому, вближайшем будущем мы нач-нем лучше понимать, как использоватьтакуюнагрузкудляподдержанияиулучше-ния когнитивных способностей уздоровыхлюдейиутех,ктовсвязисболезньюимееткогнитивныенарушения.

Помимо специально разработанных про-цедур,описанныхвыше,активироватьспо-собности мозга возможно спомощью заня-тийспортом,вкоторомаэробныеупражне-ниясочетаютсяскогнитивнымизадачами.Например,недавномыпоказали,чтоусту-дентов, которые бегают попресеченнойместностиимноготренируютсяподоткры-тымнебом,усиливаетсясвязьмеждуобла-стями мозга, обеспечивающими исполни-тельныекогнитивныефункции,посравне-нию создоровыми, номенее подвижнымимолодыми людьми. Дальнейшие исследо-вания помогут выяснить, окажутся ли этиулучшенияболеезначительными,чемубе-гунов,тренирующихсявменеесложныхус-ловиях,напримернабеговойдорожке.

Многое еще предстоит узнать. Но, хотяпокаещеранодаватьконкретныерекомен-дациипросочетаниефизическихупражне-ний скогнитивными задачами, мы можем

уверенно утверждать, что физическиеупражнения—этоключевойфактордлясо-храненияхорошейработымозгавпожиломвозрасте. Согласно рекомендациям Мини-стерства здравоохранения исоциальныхслужбСША,необходимозаниматьсяаэроб-нымиупражнениямикакминимум150ми-нутвнеделю,еслинагрузкасреднейинтен-сивности,илиминимум75минутвнеделю,еслинагрузкавысокойинтенсивности(либоиспользоватьадекватнуюкомбинациюобо-их видов нагрузки). Выполнение упраж-нений втаком или большем объеме полез-но для организма иможет улучшать рабо-тумозга.

Вдальнейшем клинические испыта-ния расскажут нам больше обэффектив-ности физических упражнений скогни-тивными элементами: например, какиевиды умственной ифизической активно-стинаиболееполезны,каковыдолжныбытьоптимальная интенсивность ипродолжи-тельностьупражненийдляулучшенияког-нитивных способностей. Новсвете имею-щейсянатекущиймоментинформациимысчитаем, что, продолжив тщательные ис-следования, витоге сможем использоватьсвязи между мозгом ителом изадейство-вать возникшую впроцессе эволюции спо-собность улучшать пластичность впожи-ломвозрастеспомощьюфизическихупраж-нений.Совместнаятренировкателаимозгапоможетсохранятьострыйумнапротяже-ниивсейжизни.

Перевод: М.С. Багоцкая

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ

ПонцерГ.Эволюцияитренировки//ВМН,№3,2019.

Exercise,APOEGenotype,andtheEvolutionoftheHumanLifespan.David

A.RaichlenandGeneE.AlexanderinTrendsinNeurosciences,Vol.37,No.5,

pages247–255;May2014.

AdaptiveCapacity:AnEvolutionaryNeuroscienceModelLinkingExercise,

Cognition, and Brain Health. David A. Raichlen and Gene E. Alexander in

TrendsinNeurosciences,Vol.40,No.7,pages408–421;July2017.

DifferentialAssociationsofEngagementinPhysicalActivityandEstimated

CardiorespiratoryFitnesswithBrainVolumeinMiddle-AgedtoOlderAdults.

David A. Raichlen et al. in Brain Imaging and Behavior. Опубликовано

онлайн 17.06.2019. https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11682-

019-00148-x

Эволюция -...

Documents