Exercise and the Non-Neuronal Brain

Highlights

• Ćwiczenia zwiększają mielinizację.
• Mielina poprawia zdrowie mózgu poprzez wspieranie funkcji poznawczych.
• Ćwiczenia sprawiają, że mielina jest mniej podatna na uszkodzenia i bardziej podatna na naprawę.
• Im bardziej angażująca poznawczo jest dana czynność, tym lepiej.

Nasze mózgi rozwijają się dzięki ćwiczeniom. Podwyższona aktywność fizyczna, która wiąże się z ćwiczeniami, stymuluje uwalnianie w mózgu białka zwanego czynnikiem neurotroficznym pochodzenia mózgowego, czyli BDNF. BDNF wpływa na neurony, zwiększając łączność i strukturę kluczowych regionów mózgu, takich jak hipokamp – obszar mózgu odpowiedzialny za takie rzeczy jak uczenie się i pamięć. Niedawny artykuł w Scientific American sugeruje, że ciało i umysł wzrosła być połączone, jak ludzie stali się dwunożni i przekształcony do łowiecko-zbierackiego stylu życia.

Ćwiczenia niewątpliwie ma korzystny wpływ na neurony. Ale tak ważne jak one są, te konkretne komórki mózgowe stanowią tylko stosunkowo niewielką część mózgu. W ludzkiej korze mózgowej, na przykład, z 77 miliardów komórek obecnych w mózgu, tylko 16 miliardów to neurony. Pozostałe 61 miliardów to komórki nieneuronalne zwane gliami. Jaki wpływ mają ćwiczenia na 87 procent komórek nieneuronalnych?

W przeciwieństwie do dekad dogmatów neuronauki, ostatnie badania nauczyły nas, jak dynamiczny jest mózg. To ciągle zmieniający się krajobraz, reagujący na nowe doświadczenia i nowe umiejętności. Neurony tworzą nowe połączenia i zrywają inne. W odpowiedzi na ćwiczenia fizyczne w hipokampie mogą wyrastać nowe neurony. W starszym wieku, gdy pamięć słabnie, neurony są tracone. Być może bardziej dynamiczna struktura mózgu – jedna jeszcze bardziej zgodna z doświadczeniami, lub ich brakiem, przez które dana osoba przechodzi w swoim życiu – to mielina, błoniasta powłoka, która pokrywa i izoluje aksony (długie, podobne do drutu łączniki) neuronów.

Ćwiczenia mają interesujący wpływ na mielinę – wpływ, który może pomóc w walce ze starzeniem się mózgu i uczynić go bardziej odpornym na uszkodzenia i choroby.

Ćwiczenia zwiększają mielinizację.

Mielinizacja to proces dodawania mieliny do aksonu. Oligodendrocyt, rodzaj komórki nieneuronalnej, która wytwarza mielinę w mózgu i rdzeniu kręgowym, rozszerza swoją błonę komórkową, docierając do aksonu. Następnie przedłużenie owija się wokół kablopodobnego aksonu i izoluje go od otoczenia. Izolacja, że mielina zapewnia przyspiesza komunikację między neuronami i oligodendrocyty mogą przekazywać energię do neuronów za pomocą ich rozszerzenia membrany.

Badacze wykorzystali najnowocześniejsze techniki obrazowania do robienia zdjęć mózgów dzieci, młodych dorosłych, dorosłych i osób starszych, aby zobaczyć, jak ich istota biała (części mózgu, które zawierają dużo mieliny) zmienia się w odpowiedzi na ćwiczenia. W ramach projektów ActiveBrains i FITKids2 zebrano dane dotyczące ponad 300 dzieci w Hiszpanii i Stanach Zjednoczonych. Wszystkie dzieci w badaniu miały około 10 lat.

W obu projektach, lepsza sprawność fizyczna była związana z większą ilością istoty białej u dzieci z nadwagą i otyłością. Biała materia zawiera więcej niż mielina. Wymieszane w traktach istoty białej są również aksony i komórki glejowe. Wzrost wielkości lub liczby aksonów albo proliferacja komórek glejowych może spowodować powiększenie objętości istoty białej. Badania na zwierzętach, które będą poruszane chwilowo, sugerują jednak, że wzrosty w istocie białej po ćwiczeniach są spowodowane większą ilością mieliny.

Linki pomiędzy istotą białą a ćwiczeniami zostały również zaobserwowane u mężczyzn w wieku od piętnastu do osiemnastu lat oraz u dwudziestojednoletnich dorosłych. Grupa naukowców kierowana przez dr Benjamina Tseng w Institute for Exercise and Environmental Medicine w Dallas w Teksasie badała dziesięciu sportowców płci męskiej i żeńskiej w wieku 60 i 70 lat. W porównaniu z 10 dorosłymi osobami w tym samym przedziale wiekowym, które nie były tak aktywne, starsi sportowcy mieli mniej nieprawidłowości w istocie białej i lepszą integralność istoty białej w obszarach mózgu związanych z kontrolą motoryczną i koordynacją. Ćwiczenie wydaje się korzystać zdrowie istoty białej przez całe życie.

Badania na myszach bardziej ściśle powiązać zmiany w istocie białej po ćwiczeniach do zmian w mielinie. Neurobiolodzy z Institute of Life Science w Chinach dali myszom wolny dostęp do koła do biegania przez dwa tygodnie. Kiedy spojrzeli na ich mózgi po tym czasie, zobaczyli więcej produkujących mielinę oligodendrocytów, więcej aksonów pokrytych mieliną i grubszą mielinę.

Dlaczego więcej mieliny oznacza lepsze zdrowie mózgu?

Więcej mieliny oznacza, że sygnały podróżujące między neuronami wzdłuż aksonów mogą dotrzeć do siebie szybciej. Informacja podróżuje z regionu mózgu do regionu mózgu do reszty ciała poprzez potencjał czynnościowy. Potencjały czynnościowe są generowane, gdy kanały na długości aksonu otwierają się, wpuszczając dodatnio naładowane jony do jego wnętrza. Naładowane jony przemieszczają się wzdłuż aksonu, otwierając kolejne kanały i wpuszczając więcej jonów. Grubsza mielina zmniejsza opór dla przepływu jonów w aksonie, pozwalając im przemieszczać się szybciej. Im szybciej jony są w stanie podróżować w obrębie aksonu, tym szybciej potencjał czynnościowy może propagować się wzdłuż aksonu i tym szybciej informacja dociera do miejsca przeznaczenia.

Większa ilość mieliny może być również wynikiem dodania dodatkowych segmentów mieliny do aksonu. Dodatkowe segmenty mieliny oznaczają większe wsparcie odżywcze dla neuronu/aksonu. Kanały w obrębie mieliny łączą metabolizm aksonu z metabolizmem produkującego mielinę oligodendrocytu. Oligodendrocyty przekazują metabolity do aksonów poprzez swoje rozszerzenia błonowe i poprzez kanały mielinowe. Po wejściu do aksonu metabolity mogą być przekształcone w energię. Więcej energii dla neuronu oznacza, że mogą one utrzymać wyższy poziom funkcji.

Mielinizacja wspiera zdrowie mózgu poprzez wspieranie podstawowych elementów poznania: wysokie prędkości przetwarzania i koordynacji wielu różnych regionów mózgu. Mielina poprawia transdukcję sygnału i synchronizacji. Jak dotąd, związek przyczynowy został ustalony jedynie w modelach uczenia się gryzoni. Jednak powiązania są widoczne podczas rozwoju i starzenia się: dojrzewanie istoty białej w regionach mózgu odpowiedzialnych za język zbiega się z nabywaniem języka w dzieciństwie. Dojrzewanie istoty białej u dzieci wiąże się z większą szybkością przetwarzania danych. Związany z wiekiem spadek zdolności poznawczych jest związany z degradacją istoty białej.

Uszkodzenie mieliny jest widoczne w warunkach neurologicznych typowo związanych z uszkodzeniem istoty białej, takich jak stwardnienie rozsiane i udar mózgu. Ale zmiany mieliny są również obserwowane w warunkach o mniej oczywistym związku z istotą białą, jak depresja, otyłość i choroba Alzheimera. W modelach zwierzęcych ćwiczenia fizyczne są dość korzystne dla zachowania integralności mieliny i poprawy wyników. W modelach gryzoni ze stwardnieniem rozsianym (SM) ćwiczenia modulują układ odpornościowy, aby powodować mniejsze uszkodzenia w mózgu i rdzeniu kręgowym, co zapobiega uszkodzeniu mieliny, pozwala zachować funkcje motoryczne i zdolności poznawcze oraz sprzyja naprawie. W zwierzęcych modelach udaru, ćwiczenie sprzyja lepszym wynikom poznawczym i lepszej naprawie mieliny; w modelach depresji, ćwiczenie chroni oligodendrocyty i mielinę przed uszkodzeniem; w otyłości, ćwiczenie zapobiega związanemu z otyłością spadkowi zdolności poznawczych i uszkodzeniu mieliny; i wreszcie, ćwiczenie sprzyja integralności mieliny i zmniejsza spadek zdolności poznawczych w mysich modelach choroby Alzheimera.

Jak dużo ćwiczeń potrzebujesz?

Możemy być całkiem pewni, że ćwiczenia są korzystne dla mielinizacji. Ale wciąż jest za wcześnie, by formułować konkretne zalecenia dotyczące ćwiczeń. Jest po prostu zbyt wiele niewiadomych i zbyt wiele zmiennych nieuwzględnionych. Jaki rodzaj ćwiczeń jest najlepszy? Czy pewne rodzaje ćwiczeń przynoszą korzyści niektórym regionom mózgu bardziej niż innym? Czy różne regiony mózgu różnie reagują na ćwiczenia? Jak długo trzeba ćwiczyć, żeby pobudzić mielinizację? Czy istnieją sytuacje, w których ćwiczenia nie są dobrym pomysłem? Na przykład, bezpośrednio po udarze, urazie mózgu lub rdzenia kręgowego? Czy w niektórych z tych przypadków ćwiczenia mogą przynieść więcej szkody niż pożytku? Są to pytania, na które odpowiedzi można znaleźć tylko dzięki większej ilości badań i prób klinicznych w kontrolowanych warunkach.

Pomimo wielu pytań bez odpowiedzi, możemy sformułować pewne ogólne zalecenia dla zdrowych ludzi, którzy chcą zmaksymalizować zdrowie mózgu. U.S. Department of Health and Human Services zaleca 150 minut umiarkowanej aktywności tygodniowo lub 75 minut aktywności energicznej. Canadian Society for Exercise Physiology zaleca 150 minut umiarkowanych lub intensywnych ćwiczeń tygodniowo, w cyklach dziesięciominutowych lub dłuższych. Zaleca się również ćwiczenia wzmacniające mięśnie i kości, takie jak trening oporowy z wykorzystaniem głównych grup mięśniowych, co najmniej dwa razy w tygodniu. Zalecenia przedstawione przez te dwie grupy są zgodne z utrzymaniem dobrego stanu zdrowia i poprawą zdrowia psychicznego (tj. lepsze morale i poczucie własnej wartości).

Jaki rodzaj ćwiczeń należy wykonywać? Im więcej regionów mózgu możesz zaangażować, tym lepiej. Oligodendrocyty mielinizują w odpowiedzi na aktywność aksonów, które owijają lub mogłyby owijać. Im bardziej wymagająca poznawczo jest aktywność, tym większy potencjał mielinizacji.

Bieganie na bieżni lub jazda na rowerze stacjonarnym, z perspektywy poznawczej, jest proste. W oparciu o dane zaobserwowane w modelach zwierzęcych, działania takie jak te prowadzą do zwiększonej mielinizacji w korze ruchowej. Działania wymagające większej równowagi będą angażować systemy proprioceptywne, móżdżek, systemy sensoryczne i systemy motoryczne, ponieważ informacje są zbierane przez mózg na temat pozycji ciała w przestrzeni i korekty są dokonywane, aby pozostać w pozycji pionowej.

Sporty są jeszcze lepsze. Sporty wymagają szybkiego podejmowania decyzji i skupienia, wymagając działania z kory przedczołowej. Wymagają wiedzy na temat pozycji ciała w przestrzeni w stosunku do innych graczy i ograniczeń powierzchni gry, co wymaga aktywności w płacie ciemieniowym. Sporty wymagają od ciebie szybkiego określania celów i opracowywania strategii osiągania tych celów, co wymaga przedniej części płata czołowego.

Klasy ćwiczeń są również dobre. Zajęcia ze spinu lub boksu, podczas których trzeba dotrzymywać kroku rytmowi, angażują systemy korowe i podkorowe, ponieważ kora słuchowa przetwarza muzykę, a systemy czuciowo-ruchowe synchronizują ruch z muzyką.

Wiele jeszcze trzeba się nauczyć o związku między ciałem i umysłem. Ale imperatyw ruchu dla zdrowia mózgu jest jedną rzeczą, którą zawsze będziemy wiedzieć na pewno.

.