Мозг и физические упражнения. Изучение связи.
Столько последнее время валится информации на тему взаимосвязи физической активности, даже, точнее говоря, специфической физической активности с состоянием мозговой деятельности, когнитивными функциями, что захотелось поделиться.
Итак, статья в New York Times "How Exercise Could Lead to a Better Brain"
(http://www.nytimes.com/2012/04/22/magazine/how-exercise-could-lead-to-a-better-brain.html). Спасибо за ссылку Георгию Попову.
Для тех, кому легче читать по-русски, я перевела:
КАК УПРАЖНЕНИЯ МОГУТ ПРИВЕСТИ К ЛУЧШЕМУ СОСТОЯНИЮ МОЗГА
The New York Times, 2012/04/22
Ценность игр, связанных с тренировкой ума, может быть гипотетической - так отвечает на вопрос, как сделать себя умнее, в своей статье Dan Hurley, но есть другой, легкий в достижении, научно доказанный путь сделать себя умнее. Ходите пешком или плавайте. За более, чем десять лет, специалисты в нейронауках и психофизиологи накопили фактические доказательства существенной связи между физическими упражнениями и мыслительными (интеллектуальными) способностями. Но самые последние результаты исследований проясняют, что это не просто какая-то связь, а явная взаимосвязь. Используя усложненные технологии для проверки работы отдельных нейронов - и для наращивания мозгового вещества - ученые в последние несколько месяцев открыли, что физические упражнения, по-видимому, строят мозг, который сопротивляется физическому уменьшению и увеличивает когнитивную гибкость. Упражнения, как предлагают считать последние данные нейронаук, делают больше для поддержки (стимуляции) мышления, чем делает само мышление.
Самые убедительные доказательства приходят из нескольких новых исследований лабораторных животных, живущих в наполненных, стимулирующих клетках. Давно известно, что так называемые «обогащенные» среды - дома, наполненные игрушками и увлекательными, оригинальными задачами - приводят к улучшению мыслительных способностей лабораторных животных. В большинстве случаев такие средовые обогащения включают и «беличье» колесо, потому что мыши и крысы вообще любят бегать. Так было до недавнего времени, когда было проведено небольшое исследование для выяснения отдельных эффектов бега и игр с новыми игрушками или другими увлекательными для ума занятиями, которые не увеличивают частоту сердечных сокращений.
Таким образом, в прошлом году команда исследователей под руководством Justin S.Rhodes, профессором психологии в Beckman Institute for Advanced Science and Technology в Университете Иллинойса, объединила мышей в четыре группы и посадила их в четыре типа различных условий жизни. Одна группа жила в мире чувственного и вкусового изобилия, обедая лесными орешками, фруктами и сыром, иногда их пищу посыпали корицей, всю ее омывали по-разному пахнущей водой. Их «постели» были с разноцветными пластиковыми куполоами, занимающими угол клетки. Мячики неоновых цветов, пластиковые тоннели, кубики для обгрызания, зеркала и качели наполняли разные части клетки. Группа 2 имела доступ ко всем тем же удовольствиям плюс у них было маленькое дискообразное «беличье» колесо (колесо для бега). В клетке третьей группы не было никаких украшений и развлечений, и эти мыши получали стандартную, простую еду. И дома четвертой группы содержали колеса для бега, но больше ни одной игрушки или удовольствия (развлечения).
Все животные прошли серии когнитивных тестов в начале исследования и у них была взята инъекция мозгового вещества, позволяющая ученым отслеживать изменения в их мозговых структурах. Затем они бегали, играли или если их среда была обедненной, валялись в своих клетках в течение нескольких месяцев.
После этого команда Rhodes’а поместила мышей снова в серию тех же когнитивных тестов и проверила состояние мозговых тканей. Оказалось, что игрушки и вкусы, независимо от вида стимуляции, не улучшали мозг животных.
«Только одна вещь имеет значение», - сказал Rhodes, - «и это то, было ли у них беговое колесо». У животных, которые тренировались, неважно, имели они другие занятия в клетках или нет, был более здоровый мозг, и они показали значительно лучшие результаты в когнитивных тестах, чем другие мыши. Животные, которые не бегали, каким бы обогащенным их мир ни был, не улучшили свои результаты по мыслительным способностям в сложных, продолжительных исследованиях, которые проводила команда Rhodes’а. «Им нравятся игрушки», - сказал Rhodes, и мыши редко сидели в пустых, тихих участках их клеток. Но несмотря на то, что они тоже тренировались, они не становились умнее.
Почему физические упражнения формируют мыслительные способности так, как мышление не может? Мозг, как все мускулы и органы, - это ткань, и ее функция ухудшается при низком уровне использования и с возрастом. Начиная со второй половины нашего третьего десятилетия, большинство из нас теряет ежегодно около 1 процента от объема гиппокампа, ключевой части мозга, связанной с памятью и определенными видами обучения.
Упражнения при этом, думается, замедляют или поворачивают вспять физическое увядание мозга, как это происходит и с мышцами. Хотя ученые думали до последнего времени, что люди были рождены с определенным количеством нервных клеток и что невозможно сгенерировать еще, сейчас они знают больше. В 1990-х годах, используя технику маркирования клеток новорожденных клеток, исследователи определили с помощью вскрытий, что взрослый человеческий мозг содержит несколько новых нейронов. Новые клетки были особенно распространены в гиппокампе, показывая, что нейрогенез - или создание новых клеток мозга - сначала происходил здесь. Даже более воодушевляюще, ученые обнаружили, что физические упражнения запускают нейрогенез. Мыши и крысы, которые бегали в течение нескольких недель, в целом имели в два раза больше новых нейронов в их гиппокампах, чем малоподвижные животные. Их мозг, как и другие мускулы, «набирал вес».
Но это был неописуемый эффект - физические упражнения имели преимущества в функционировании вновь сформировавшихся нейронов - это было наиболее потрясающим. Мозговые клетки могут улучшить интеллект, только если они присоединяются к существующей работе нейронных сетей, а многие не делают этого, вместо этого создавая лишь бесцельное дребезжание около себя в мозге долгое время до самой смерти.
Единственный путь встроить нейроны в нейронные сети, однако, - это чему-то учиться. В исследовании 2007 года новые мозговые клетки мышей создавали петли в нейронных сетях этих животных, если мыши учились ориентироваться в водном лабиринте, это задание было когнитивно, а не физически трудным. Но эти мозговые клетки были очень ограничены в том, что они могли делать. Когда после исследователи изучали мозговую активность, они обнаружили, что новые связавшиеся, переплетенные клетки загорались (активизировались), только когда животные снова ориентировались в лабиринте, а не в то время, когда они практиковались в других когнитивных заданиях. Навыки, записанные в этих клетках, не переносились на другие виды мышления грызунов.
С другой стороны, физические упражнения, похоже, делают нейроны подвижными. Когда исследователи в отдельном исследовании заставляли мышей бегать, мозг этих животных с готовностью связывал много новых нейронов в нейронные сети. Но эти нейроны не активизировались позже только во время бега. Они также загорались, когда животные применяли когнитивные навыки, такие как исследование незнакомой окружающей среды. У мышей бег, в отличие от обучения, создавал мозговые клетки, которые могут быть многозадачными.
Как именно упражнения переделывают умственные способности на молекулярном уровне пока полностью не ясно, но исследование предполагает, что упражнения помогают увеличиваться чему-то, называемому нейротрофическим фактором головного мозга (brain-derived neurotropic factor) или BDNF, - это вещество, усиливающее клетки и аксоны, защищает соединения между нейронами и вызывает нейрогенез. Ученые не могут непрямую изучить подобные эффекты на мозге человека, но они обнаружили, что после тренировок у большинства людей повышается уровень BDNF в их крови.
Мало кто из исследователей думает, что большее количество BDNF объясняет все мозговые изменения, связанные с физическими упражнениями. Полный процесс почти обязательно вовлекает множественные сложные биохимические и генетические каскады реакций. Последнее исследование мозга пожилых мышей, например, нашло 117 генов, которые экспрессировались (проявлялись) по-разному в мозге животных, начавших программу по бегу, в сравнении с теми, которые оставались малоподвижными, и ученые смотрели только на маленькую порцию из множества генов, которые могли бы различно экспрессироваться в мозге из-за упражнений.
Какой же тип упражнений производит эти желанные эффекты - это другой неотвеченный и интригующий вопрос для изучения. «Не ясно, должна ли активность быть упражнениями на выносливость», - сказал психолог и специалист в нейронауках Arthur F. Kramer, директор Beckman Institute в Университете Иллинойса и выдающийся эксперт в области упражений и мозга. Ограниченное количество исследований за несколько прошедших лет обнаружили когнитивные преимущества среди пожилых людей, которые занимались тяжелой атлетикой (поднимали различные веса) в течение года и не занимались другими упражнениями. Но большая часть исследований в настоящий момент и все эксперименты на животных включают бег и другие аэробные нагрузки.
Какой бы ни была активность, из большинства последних научных исследований возникла мысль, что упражнения не должны быть изнуряющими, чтобы они были эффективными для мозга. Когда группе из 120 пожилых мужчин и женщин предписали программу по ходьбе пешком и растяжкам для большого исследования в 2011 году, у тех, кто ходил пешком, к концу исследования, через год, вырос размер гиппокампа. В то время, как те, кто занимался растяжками, потеряли в его объеме в соответствии с нормальной атрофией. Кроме того, занимавшиеся ходьбой показали более высокие результаты по уровню BDNF в их крови, чем группа по растяжке, а также они лучше прошли когнитивные тесты.
В результате, исследователи делают вывод, что те, кто ходил пешком, восстановили в молодости своего гиппокампа 2 года и более. 65-летние достигли уровня 63-летних просто благодаря ходьбе, что является вдохновляющей новостью для каждого, кто волновался, что все мы столкнемся в наши поздние годы с жизнью медленного (или не очень медленного) мыслительного ухудшения.
Gretchen Reynolds
Итак, статья в New York Times "How Exercise Could Lead to a Better Brain"
(http://www.nytimes.com/2012/04/22/magazine/how-exercise-could-lead-to-a-better-brain.html). Спасибо за ссылку Георгию Попову.
Для тех, кому легче читать по-русски, я перевела:
КАК УПРАЖНЕНИЯ МОГУТ ПРИВЕСТИ К ЛУЧШЕМУ СОСТОЯНИЮ МОЗГА
The New York Times, 2012/04/22
Ценность игр, связанных с тренировкой ума, может быть гипотетической - так отвечает на вопрос, как сделать себя умнее, в своей статье Dan Hurley, но есть другой, легкий в достижении, научно доказанный путь сделать себя умнее. Ходите пешком или плавайте. За более, чем десять лет, специалисты в нейронауках и психофизиологи накопили фактические доказательства существенной связи между физическими упражнениями и мыслительными (интеллектуальными) способностями. Но самые последние результаты исследований проясняют, что это не просто какая-то связь, а явная взаимосвязь. Используя усложненные технологии для проверки работы отдельных нейронов - и для наращивания мозгового вещества - ученые в последние несколько месяцев открыли, что физические упражнения, по-видимому, строят мозг, который сопротивляется физическому уменьшению и увеличивает когнитивную гибкость. Упражнения, как предлагают считать последние данные нейронаук, делают больше для поддержки (стимуляции) мышления, чем делает само мышление.
Самые убедительные доказательства приходят из нескольких новых исследований лабораторных животных, живущих в наполненных, стимулирующих клетках. Давно известно, что так называемые «обогащенные» среды - дома, наполненные игрушками и увлекательными, оригинальными задачами - приводят к улучшению мыслительных способностей лабораторных животных. В большинстве случаев такие средовые обогащения включают и «беличье» колесо, потому что мыши и крысы вообще любят бегать. Так было до недавнего времени, когда было проведено небольшое исследование для выяснения отдельных эффектов бега и игр с новыми игрушками или другими увлекательными для ума занятиями, которые не увеличивают частоту сердечных сокращений.
Таким образом, в прошлом году команда исследователей под руководством Justin S.Rhodes, профессором психологии в Beckman Institute for Advanced Science and Technology в Университете Иллинойса, объединила мышей в четыре группы и посадила их в четыре типа различных условий жизни. Одна группа жила в мире чувственного и вкусового изобилия, обедая лесными орешками, фруктами и сыром, иногда их пищу посыпали корицей, всю ее омывали по-разному пахнущей водой. Их «постели» были с разноцветными пластиковыми куполоами, занимающими угол клетки. Мячики неоновых цветов, пластиковые тоннели, кубики для обгрызания, зеркала и качели наполняли разные части клетки. Группа 2 имела доступ ко всем тем же удовольствиям плюс у них было маленькое дискообразное «беличье» колесо (колесо для бега). В клетке третьей группы не было никаких украшений и развлечений, и эти мыши получали стандартную, простую еду. И дома четвертой группы содержали колеса для бега, но больше ни одной игрушки или удовольствия (развлечения).
Все животные прошли серии когнитивных тестов в начале исследования и у них была взята инъекция мозгового вещества, позволяющая ученым отслеживать изменения в их мозговых структурах. Затем они бегали, играли или если их среда была обедненной, валялись в своих клетках в течение нескольких месяцев.
После этого команда Rhodes’а поместила мышей снова в серию тех же когнитивных тестов и проверила состояние мозговых тканей. Оказалось, что игрушки и вкусы, независимо от вида стимуляции, не улучшали мозг животных.
«Только одна вещь имеет значение», - сказал Rhodes, - «и это то, было ли у них беговое колесо». У животных, которые тренировались, неважно, имели они другие занятия в клетках или нет, был более здоровый мозг, и они показали значительно лучшие результаты в когнитивных тестах, чем другие мыши. Животные, которые не бегали, каким бы обогащенным их мир ни был, не улучшили свои результаты по мыслительным способностям в сложных, продолжительных исследованиях, которые проводила команда Rhodes’а. «Им нравятся игрушки», - сказал Rhodes, и мыши редко сидели в пустых, тихих участках их клеток. Но несмотря на то, что они тоже тренировались, они не становились умнее.
Почему физические упражнения формируют мыслительные способности так, как мышление не может? Мозг, как все мускулы и органы, - это ткань, и ее функция ухудшается при низком уровне использования и с возрастом. Начиная со второй половины нашего третьего десятилетия, большинство из нас теряет ежегодно около 1 процента от объема гиппокампа, ключевой части мозга, связанной с памятью и определенными видами обучения.
Упражнения при этом, думается, замедляют или поворачивают вспять физическое увядание мозга, как это происходит и с мышцами. Хотя ученые думали до последнего времени, что люди были рождены с определенным количеством нервных клеток и что невозможно сгенерировать еще, сейчас они знают больше. В 1990-х годах, используя технику маркирования клеток новорожденных клеток, исследователи определили с помощью вскрытий, что взрослый человеческий мозг содержит несколько новых нейронов. Новые клетки были особенно распространены в гиппокампе, показывая, что нейрогенез - или создание новых клеток мозга - сначала происходил здесь. Даже более воодушевляюще, ученые обнаружили, что физические упражнения запускают нейрогенез. Мыши и крысы, которые бегали в течение нескольких недель, в целом имели в два раза больше новых нейронов в их гиппокампах, чем малоподвижные животные. Их мозг, как и другие мускулы, «набирал вес».
Но это был неописуемый эффект - физические упражнения имели преимущества в функционировании вновь сформировавшихся нейронов - это было наиболее потрясающим. Мозговые клетки могут улучшить интеллект, только если они присоединяются к существующей работе нейронных сетей, а многие не делают этого, вместо этого создавая лишь бесцельное дребезжание около себя в мозге долгое время до самой смерти.
Единственный путь встроить нейроны в нейронные сети, однако, - это чему-то учиться. В исследовании 2007 года новые мозговые клетки мышей создавали петли в нейронных сетях этих животных, если мыши учились ориентироваться в водном лабиринте, это задание было когнитивно, а не физически трудным. Но эти мозговые клетки были очень ограничены в том, что они могли делать. Когда после исследователи изучали мозговую активность, они обнаружили, что новые связавшиеся, переплетенные клетки загорались (активизировались), только когда животные снова ориентировались в лабиринте, а не в то время, когда они практиковались в других когнитивных заданиях. Навыки, записанные в этих клетках, не переносились на другие виды мышления грызунов.
С другой стороны, физические упражнения, похоже, делают нейроны подвижными. Когда исследователи в отдельном исследовании заставляли мышей бегать, мозг этих животных с готовностью связывал много новых нейронов в нейронные сети. Но эти нейроны не активизировались позже только во время бега. Они также загорались, когда животные применяли когнитивные навыки, такие как исследование незнакомой окружающей среды. У мышей бег, в отличие от обучения, создавал мозговые клетки, которые могут быть многозадачными.
Как именно упражнения переделывают умственные способности на молекулярном уровне пока полностью не ясно, но исследование предполагает, что упражнения помогают увеличиваться чему-то, называемому нейротрофическим фактором головного мозга (brain-derived neurotropic factor) или BDNF, - это вещество, усиливающее клетки и аксоны, защищает соединения между нейронами и вызывает нейрогенез. Ученые не могут непрямую изучить подобные эффекты на мозге человека, но они обнаружили, что после тренировок у большинства людей повышается уровень BDNF в их крови.
Мало кто из исследователей думает, что большее количество BDNF объясняет все мозговые изменения, связанные с физическими упражнениями. Полный процесс почти обязательно вовлекает множественные сложные биохимические и генетические каскады реакций. Последнее исследование мозга пожилых мышей, например, нашло 117 генов, которые экспрессировались (проявлялись) по-разному в мозге животных, начавших программу по бегу, в сравнении с теми, которые оставались малоподвижными, и ученые смотрели только на маленькую порцию из множества генов, которые могли бы различно экспрессироваться в мозге из-за упражнений.
Какой же тип упражнений производит эти желанные эффекты - это другой неотвеченный и интригующий вопрос для изучения. «Не ясно, должна ли активность быть упражнениями на выносливость», - сказал психолог и специалист в нейронауках Arthur F. Kramer, директор Beckman Institute в Университете Иллинойса и выдающийся эксперт в области упражений и мозга. Ограниченное количество исследований за несколько прошедших лет обнаружили когнитивные преимущества среди пожилых людей, которые занимались тяжелой атлетикой (поднимали различные веса) в течение года и не занимались другими упражнениями. Но большая часть исследований в настоящий момент и все эксперименты на животных включают бег и другие аэробные нагрузки.
Какой бы ни была активность, из большинства последних научных исследований возникла мысль, что упражнения не должны быть изнуряющими, чтобы они были эффективными для мозга. Когда группе из 120 пожилых мужчин и женщин предписали программу по ходьбе пешком и растяжкам для большого исследования в 2011 году, у тех, кто ходил пешком, к концу исследования, через год, вырос размер гиппокампа. В то время, как те, кто занимался растяжками, потеряли в его объеме в соответствии с нормальной атрофией. Кроме того, занимавшиеся ходьбой показали более высокие результаты по уровню BDNF в их крови, чем группа по растяжке, а также они лучше прошли когнитивные тесты.
В результате, исследователи делают вывод, что те, кто ходил пешком, восстановили в молодости своего гиппокампа 2 года и более. 65-летние достигли уровня 63-летних просто благодаря ходьбе, что является вдохновляющей новостью для каждого, кто волновался, что все мы столкнемся в наши поздние годы с жизнью медленного (или не очень медленного) мыслительного ухудшения.
Gretchen Reynolds