На данный момент имеются многочисленные подтверждения структурно-функциональных изменений в разных областях мозга под влиянием физических упражнений, что в свою очередь положительно сказывается на познавательных способностях, эмоциональной регуляции, самооценке, чувстве собственной эффективности и т.д. [Mandolesi et al 2018]. Например, ряд исследований показывает, что у детей предподросткового возраста увеличен объем дорсального стриатума и гиппокампа по сравнению с менее физически активными сверстниками, что коррелирует с лучшим когнитивным контролем и памятью [Chaddock et al 2010a, 2014]. Множество данных указывает на улучшение когнитивных функций у детей и подростков вследствие разнообразной (преимущественно аэробной) физической нагрузки [Verburgh et al., 2014]. Положительный эффект физической активности на успехи учащихся обусловлен также развитием моторных навыков и стабилизацией их эмоционального состояния [Aadland et al 2017; Kayani et al., 2018].

Ряд ученых задаются вопросом об эволюционно-биологическом смысле и целесообразности такого рода процессов. В настоящее время не хватает полной теоретической модели, объясняющей, почему физические упражнения приводят к улучшению функций мозга, и почему это возникло в эволюции. Ряд антропологов [Raichlen, Alexander, 2017] придерживаются мнения, что улучшение мозговых функций вследствие двигательной активности у современного человека возникло как адаптация предков людей в борьбе за добывание пищи. Поиск пропитания согласует в себе как моторную активность, так и когнитивную деятельность. Это сочетание аэробной активности с контролем двигательных систем, пространственной навигацией и памятью, принятием решений и планированием, а также контролем сенсорных систем и внимания. Такая комбинация делает добывание пищи когнитивно-сложным поведением, которое может быть дополнительно усложнено изменением условий среды вследствие передвижения. Антрополог Дэниел Либерман, убежден, что человеческое тело, по своей биомеханике идеально приспособлено к умеренно интенсивной длительной физической нагрузке, такой как бег на длинные дистанции [Bramble, Lieberman, 2004; Lieberman 2012]. Либерман предполагает, что бег на длинные дистанции может быть специфической эволюционной адаптацией к групповой охоте на большие расстояния, что также согласуется с предположениями других авторов.

Тем не менее, у авторов нет четкого и ясного объяснения тому, почему же моторная нагрузка улучшает когнитивную деятельность. В основном имеют место простые указания на фактологические данные нейрофизиологических изменений под действием двигательной активности, особо отмечается роль нейротрофинов. Таким образом, если взглянуть на вышесказанные предположения с эволюционной перспективы, вывод может быть следующим: древние люди, у которых сильнее активировались когнитивные функции при моторной нагрузке, подвергались положительному отбору, что и послужило укреплению связки движение-когниция у потомков. Нежелание же людей подвергать себя интенсивной моторной нагрузке объясняется экономией энергии в условиях дефицита ресурсов, в которых эволюционировал наш вид.

Однако влияние интенсивной локомоции на активность нервной системы обнаружено не только у человека. Учитывая более свободный выбор методов, исследования на грызунах дали гораздо больше информации о физиологических изменениях, происходящих в центральной нервной системе животных.

В 2020 году в Behavior Brain Reasearch вышла статья [da Costa et al., 2020], в который приводится систематический обзор (и мета-анализ) о влиянии моторной нагрузки на мозг и поведение здоровых и модельных мышей с деменцией и болезнью Паркинсона. Поиск статей проводился по электронным базам данных Medline и Scopus за 2008-2019 годы. В общей сложности было найдено 430 статей, но только 103 из них были отобраны для анализа. В статьях, отобранных для анализа, авторы исследований акцентировали внимание в основном на таких структурах как гиппокамп, кора головного мозга, стриатум и весь мозг целиком. Сопоставив результаты выбранных исследований, авторы обзора утверждают, что моторная нагрузка, такая как бег, улучшила обучение и память животных. На нейрофизиологическом уровне мета-анализ показал, что физическая нагрузка увеличивает: церебральный нейротропный фактор мозга (BDNF) у здоровых мышей, у мышей с деменцией и болезнью Паркинсона. Было отмечено увеличение тропомиозиновых тирозинкиназных рецепторов (TrkB) у здоровых мышей и мышей с болезнью Паркинсона. Нейрогенез увеличивался у здоровых и трансгенных мышей с деменцией. Следствием моторной нагрузки стало уменьшение количества амилоидных бляшек у дементных моделей. Данные о нейровоспалительных процессах, окислительном стрессе и энергетическом обмене были недостаточными для однозначных выводов. О сосудистых изменениях и изменениях метаболизма глюкозы также сообщалось редко. Результатом вышеперечисленных нейрофизиологических эффектов бега в колесе стали, как уже было отмечено, улучшения в обучении и памяти, как у здоровых мышей, так и модельных мышей с нейродегенеративными заболеваниями, что указывает на превентивный терапевтический потенциал аэробной физической активности.

На грызунах исследуются и отставленные во времени эффекты двигательной активности. В одном из таких исследований [Merkley, et al., 2014] было показано, что ранний жизненный опыт, такой как период добровольного бега у молодых крыс, может изменить протекание взрослого нейрогенеза на оставшуюся часть жизни животного. Полученные результаты свидетельствуют о том, что количество пролиферирующих и дифференцирующихся нейрональных предшественников не изменяется у бегающих животных после первых недель, однако скорость созревания и выживаемости нейронов в течение четырех недельного периода после деления клеток была увеличена вплоть до 11-месячного возраста (конец периода исследования). В работе было убедительно показано, что период физической активности в молодом возрасте способствует изменениям в протекании нейрогенеза, которые сохраняются в течение длительного времени. В другом исследовании [Shevtsova et al., 2017] на большой выборке животных (40 крыс в опыте и 40 в контроле) было еще раз подтверждено, что взрослый нейрогенез играет существенную роль в обучении и памяти, а также показано, что физическая активность в раннем возрасте оказывает положительное влияние на когнитивные процессы в последующей жизни.

В связи с рассматриваемой темой, отдельного внимания заслуживает трансгенерационная передача или эпигенетическое наследование фенотипа. Как многократно показано, аэробная нагрузка - например бег, езда на велосипеде и т.п. - дает антидепрессивный, противотревожный эффект, способствует общему ощущению благополучия [DeBoer et al., 2012; Mammen, Faulkner, 2013; Deslandes, 2014]. В 2017 году в журнале Nature была опубликована статья, в которой авторы привели первое доказательство того, что активное моторное поведение самцов мышей влияло на поведенческий фенотип потомства. Бег в колесе изменял уровень содержания малых некодирующих РНК в сперме самцов. А как уже было известно, эти небольшие некодирующие РНК оказывают влияние на посттранскрипционную регуляцию генов, и таким образом, могут изменять траекторию развития мозга потомства и связанного с ним аффективного поведения, что в данном случае сказалось на снижении тревожности [Short et al., 2017].

Целью другого исследования было выяснить, улучшает ли бег в колесе беременными самками депрессивно-подобное поведение, память и нейрогенез их потомства. Выяснилось, что да, улучшает. У потомства, как женского, так и мужского пола было снижено депрессивно-подобное поведение, в то же время только самцы продемонстрировали улучшение эпизодической памяти. Так же у потомства мужского пола наблюдалось увеличение количества незрелых нейронов в вентральном гиппокампе, тогда как у самок наблюдалась усиленная пролиферация клеток в дорсальной части гиппокампа. Таким образом, результаты показали, что активность беременных самок приносит пользу потомству обоих полов, при указанном выше гендерном различии [Yau et al., 2019].

Таким образом, наличие у животных механизмов, обеспечивающей влияние бега на работу нервной системы и даже физиологию потомства, уже не вызывает сомнений. В чем может заключаться биологический смысл этого явления, общего для человека и животных?

Дьяконова В.Е. сформулировала гипотезу о том, что эффекты двигательной активности имели место уже на ранних этапах эволюции животных, поэтому распространяются на различные таксономические группы и имеют консервативную нейрохимическую основу [Korshunova et al., 2016; Aonuma et al., 2020]. Результаты экспериментов, проведенных на моллюске, большом прудовике Lymnaea stagnalis согласуются с данной гипотезой. Было показано, что после периода интенсивной локомоции улитка легче принимает решение в ситуации неопределенности, где принятием решения является выбор из двух альтернатив – движения в сторону света или в тень [Korshunova et al., 2016]. Кроме того, было выяснено, что эффекты интенсивной локомоции на принятие решения сохраняются во времени, по крайне мере в течении двух часов после нагрузки [Dyakonova et al., 2019; Aonuma et al., 2020]. Также были обнаружены, происходящие вследствие моторной нагрузки изменения как на нейромедиаторном уровне, так и на уровне биоэлектрических свойств мембран нервных клеток [Dyakonova et al., 2019; Aonuma et al., 2020].

Есть основания полагать, что в общей активации поведения, например, увеличении скорости передвижения, в больше степени задействован такой древний, распространенный в живой природе и важный для многих физиологических функций медиатор как серотонин. Однако когнитивный эффект интенсивной локомоции (принятие решения) у Lymnaea, вероятней всего, опосредован другими сигнальными молекулами [Aonuma et al., 2020]. В связи с этим тема требует дальнейшего исследования и развития. Тем не менее, вышеприведенные данные свидетельствуют в пользу гипотезы об общем нейрохимическом базисе эффектов двигательной активности.

Также в контексте данной темы особую роль играет понятие преадаптации, которая рассматривается как обладание организмом определенными характеристиками, которые делают его более приспособленным к будущим изменениям окружающей среды. Дьяконова с соавторами [Aonuma et al., 2020] предполагает, что отсроченные поведенческие изменения являются проявлением преадаптации к менее знакомой среде, с которой животное может столкнуться после периода интенсивной локомоции. Новая среда означает высокую неопределенность, низкую предсказуемость событий и избыток новой информации. Это серьезные трудности для животного, которые снижают его шансы на выживание, поэтому преадаптация к возможно новым условиям кажется биологически оправданной.

1. Aadland K, Ommundsen Y, Aadland E, Kolbjørn S., Brønnick, Lervåg A, Geir K., Resaland and Vegard F. Moe. (2017) Executive Functions Do Not Mediate Prospective Relations between Indices of Physical Activity and Academic Performance: The Active Smarter Kids (ASK) Study. Front. Psychol., 29 June 2017 | https://doi.org/10.3389/fpsyg.2017.01088

2. Aonuma H., Mezheritskiy M., Boldyshev B., Totani Y., Vorontsov D., Zakharov I., Ito E and Varvara Dyakonova V (2020). The Role of Serotonin in the Influence of Intense Locomotion on the Behavior Under Uncertainty in the Mollusk Lymnaea stagnalis. Front. Physiol., 17 March 2020 | https://doi.org/10.3389/fphys.2020.00221

3. Bramble, D., and Lieberman, D. (2004). Endurance running and the evolution of Homo. Nature 432, 345–352. doi: 10.1038/nature03052

4. Chaddock, L., Erickson, K. I., Prakash, R. S., Kim, J. S., Voss, M. W., VanPatter, M.,et al. (2010a). A neuroimaging investigation of the association between aerobic fitness, hippocampal volume and memory performance in preadolescent children. Brain Res. 1358, 172–183. doi: 10.1016/j.brainres.2010.08.049

5. Chaddock-Heyman, L., Erickson, K. I., Holtrop, J. L., Voss, M. W., Pontifex, M. B., Raine, L. B., et al. (2014). Aerobic fitness is associated with greater white matter integrity in children. Front. Hum. Neurosci. 8:584. doi: 10.3389/fnhum.2014.00584

6. da Costa Daniele TM, de Bruin PFC, de Matos RS, de Bruin GS, Maia Chaves, C Junior, de Bruin VMS. 2020. Exercise effects on brain and behavior in healthy mice, Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease model—A systematic review and meta-analysis, Behavioural Brain Research, Volume 383, 2020, 112488, ISSN 0166-4328, https://doi.org/10.1016/j.bbr.2020.112488.

7. DeBoer, L. B., Powers, M. B., Utschig, A. C., Otto, M. W., and Smits, J. A. J. (2012). Exploring exercise as an avenue for the treatment of anxiety disorders. Expert Rev. Neurother. 12, 1011–1022. doi: 10.1586/ern.12.73

8. Deslandes A.C. Exercise and mental health: what did we learn in the last 20 years? Front. Psychiatry, 13 June 2014 | https://doi.org/10.3389/fpsyt.2014.00066

9. Dyakonova, T. L., Sultanakhmetov, G. S., Mezheritskiy, M. I., Sakharov, D. A., and Dyakonova, V. E. (2019). Storage and erasure of behavioural experiences at the single neuron level. Sci Rep. 9:14733. doi: 10.1038/s41598-019-51331-5

10. Korshunova, T. A., Vorontsov, D. D., and Dyakonova, V. E. (2016). Previous motor activity affects transition from uncertainty to decision-making in snails. J. Exp. Biol. 219, 3635–3641

11. Kayani S., Kiyani T, Wang J, Sánchez M, Kayani S and Qurban H. Physical Activity and Academic Performance: The Mediating Effect of Self-Esteem and Depression. Sustainability 2018, 10, 3633; doi:10.3390/su10103633

12. Lieberman, D. E. (2012). Human evolution: those feet in ancient times. Nature 483, 550–551. doi: 10.1038/483550a

13. Mammen, G., and Faulkner, G. (2013). Physical activity and the prevention of depression: a systematic review of prospective studies. Am. J. Prev. Med. 45, 649–657. doi: 12.1016/j.amepre.2013.08.001

14. Mandolesi L., Polverino A., Montuori1 S., Foti F., Ferraioli G., Sorrentino P and Sorrentino G. (2018). Effects of Physical Exercise on Cognitive Functioning and Wellbeing: Biological and Psychological Benefits. Front. Psychol., 27 April 2018 | https://doi.org/10.3389/fpsyg.2018.00509

15. Merkley, C. M., Jian, C., Mosa, A., Tan, Y. F., and Wojtowicz, J. M. (2014). Homeostatic regulation of adult hippocampal neurogenesis in aging rats: long-term effects of early exercise. Front. Neurosci. 8:174. doi: 10.3389/fnins.2014.00174

16. Raichlen, D. A., Alexander, G. E. (2017). Adaptive Capacity: An Evolutionary Neuroscience Model Linking Exercise, Cognition, and Brain Health. Trends in Neurosciences. Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.tins.2017.05.001

17. Shevtsova, O., Tan, Y. F., Merkley, C. M., Winocur, G., and Wojtowicz, J. M. (2017). Early-age running enhances activity of adult-born dentate granule neurons following learning in rats. eNeuro 4:ENEURO.0237-17.2017. doi: 10.1523/ENEURO.0237-17.2017

18. Short, A., Yeshurun, S., Powell, R. et al. Exercise alters mouse sperm small noncoding RNAs and induces a transgenerational modification of male offspring conditioned fear and anxiety. Transl Psychiatry 7, e1114 (2017). https://doi.org/10.1038/tp.2017.82

19. Verburgh, L., Königs, M., Scherder, E. J., and Oosterlaan, J. (2014). Physical exercise and executive functions in preadolescent children, adolescents and young adults: a meta-analysis. Br. J. Sports Med. 48, 973–979. doi: 10.1136/bjsports-2012-091441

20. Yau Suk-Yu, Lee Thomas Ho-Yin, Formolo Douglas Affonso, Lee Wing-Lun, Li Leo Chun-Kit, Siu Parco M., Chan Chetwyn C. H. Effects of Maternal Voluntary Wheel Running During Pregnancy on Adult Hippocampal Neurogenesis, Temporal Order Memory, and Depression-Like Behavior in Adult Female and Male Offspring. Front. Neurosci., Volume 13, Page 470, 21 May 2019. https://doi.org/10.3389/fnins.2019.00470

Новость подготовил ©Максим Межерицкий
13.04.2020