Рождение идеи

Как на самом деле физкультура действует на мозг?

Срок сдачи книги приближался, и я все отчетливее чувствовала, что работа над ней идет хорошо. Необычайно хорошо. Время, проведенное за письменным столом, было гораздо более продуктивным и приятным, чем раньше – когда я часами корпела над рукописью, испытывая в основном сильнейший стресс. Раньше на написание всего одного раздела заявки на грант мне требовалась целая неделя. Теперь черновик писался эффективнее, доработка шла быстрее, и весь процесс доставлял мне удовольствие. Мне было легче сосредоточиться, мысли стали четче. Я установила более глубокие и прочные связи между моими идеями, да и в целом работа шла быстрее обычного. Именно тогда я вдруг заподозрила, что между моими занятиями фитнесом и необычной легкостью написания книги существует связь. На неделе, когда я посещала три‑ четыре тренировки, работа шла успешнее, чем в периоды, когда я позволяла себе полентяйничать и ходила в спортзал лишь один или два раза в неделю.

Что же происходило? Я вдруг осознала, что, сама того не понимая, поставила на себе эксперимент! Тогда я стала варьировать режим тренировок (то четыре‑ пять занятий на неделе, то одно‑ два) и обнаружила: повышенное внимание, способность находить новые связи и выстраивать в будущей книге логические цепочки появляются только при высокой частоте тренировок. Известно, что за наше внимание и способность к сосредоточению отвечает префронтальная кора мозга. А вот способность формировать новые связи и ассоциации, как считается, определяется гиппокампом.

Поразительно! Я и раньше знала, что в последнее время достигнут большой прогресс в понимании того, как физические упражнения могут влиять на мозговую функцию. Но я никогда не следила специально за публикациями на эту тему – наверное, была слишком занята борьбой за профессорское звание. Поэтому, заметив изменения в себе, я с головой погрузилась в специальную нейробиологическую литературу и принялась читать о последних открытиях в этой области.

Я нашла огромное количество исследований, посвященных влиянию аэробных упражнений на деятельность мозга. Результаты впечатляли. Оказалось, что зарегистрирован широкий спектр анатомических, физиологических, нейрохимических, а также поведенческих изменений, связанных с повышенной аэробной активностью. Но сильнее всего меня удивил факт, что одним из основателей этого направления была Мариан Даймонд, кумир моей юности!

Казалось, это – знак.

Первоначальным источником наших представлений о влиянии занятий физкультурой на деятельность мозга стали давние исследования Мариан Даймонд. Те самые, где она помещала крыс в обогащенную среду и изучала деятельность их мозга. В главе 1 я рассказывала о том, что показали эти ранние исследования. При выращивании крыс в обогащенной среде в их мозге происходит множество разнообразных изменений: кора утолщается из‑ за более активного ветвления дендритов; кровеносных сосудов становится больше; повышается уровень определенных нейротрансмиттеров – таких как ацетилхолин, и других факторов роста (например, BDNF – нейротрофический фактор головного мозга). Ацетилхолин был первым нейротрансмиттером, который обнаружили ученые. Клетки мозга, которые им пользуются, передают сигналы во все уголки коры, а также в гиппокамп и мозжечковую миндалину. Ацетилхолин – важный регулятор обучения и памяти. При приеме препаратов, мешающих действию ацетилхолина, и у животных, и у людей наблюдаются нарушения памяти.

BDNF – фактор роста, поддерживающий выживание и рост нейронов в период развития мозга. Он же поддерживает синаптическую пластичность и обучаемость во взрослом состоянии. В 1990‑ е годы были опубликованы сообщения о действительно интересном открытии. Исследователи из Калифорнии доказали, что у крыс, выращенных в обогащенной среде, в мозге рождается больше новых нейронов. Этот процесс известен как нейрогенез. Если в период раннего развития (с младенчества до юности включительно) в мозге рождается множество новых клеток, то позже, во взрослом состоянии, новые клетки в мозге рождаются только в двух местах. Одно из них – обонятельная луковица, часть мозга, отвечающая за ощущение и обработку запахов (см. главу 1), а второе – мой старый приятель гиппокамп. В гиппокампе взрослых крыс новые клетки мозга формируются на регулярной основе. Обогащенную среду удалось также связать с повышенным числом клеток в гиппокампе (но не в обонятельной луковице). Другие исследования показали: у крыс, которые выросли в обогащенной среде и обладали большим числом новых нейронов в гиппокампе, также были лучшие результаты в целом ряде тестов на обучение и память. Это позволяет предположить, что новые нейроны помогают крысам усваивать информацию и лучше запоминать.

Но затем нейробиологи начали задумываться: а что именно в обогащенной среде вызывает эти поразительные изменения в мозге? Может быть, игрушки? А может, компания других крыс, с которыми можно играть? Ученые систематически стали проверять все факторы и обнаружили среди них тот, который вносил свой вклад практически во все изменения, связанные с обогащенной средой. Этот фактор – физическая активность. Достаточно было обеспечить крысам доступ к колесу, в котором они могли вдоволь побегать, – и ученые получали большую часть изменений, характерных для обогащенной среды. Эти исследования на грызунах показали нам, как физическая активность влияет на мозг на молекулярном, клеточном, контурном и поведенческом уровнях.

Сегодня мы знаем, что сама по себе физическая активность способна удвоить скорость нейрогенеза в гиппокампе крыс. Это происходит благодаря увеличению числа новых «рождающихся» нейронов, повышения их выживаемости (многие новые клетки тут же гибнут), а также из‑ за стимулирования дифференциации этих новых клеток в зрелые клетки мозга. Новые клетки рождаются не по всему гиппокампу, а только в одном конкретном подотделе, известном как «зубчатая извилина». Когда я это прочла, мне захотелось тут же пойти в спортзал и как следует поработать! Кроме всего прочего, физическая активность у крыс увеличивает и число особых наростов на дендритах (ветвистых структурах, с помощью которых нейрон получает информацию) нейронов зубчатой извилины. Формой они напоминают почки и известны как дендрические шипики. Увеличивается также суммарная длина, сложность и плотность шипиков их дендритов. Неудивительно, что объем зубчатой извилины становится больше с увеличением физической активности. Плотность шипиков в других областях гиппокампа и прилегающей энторинальной коре (которую я изучала в аспирантуре) при повышении физической активности также значительно увеличивается. Шипики – это места, где аксон другого нейрона контактирует с дендритом. То есть чем больше на дендрите шипиков, тем больше связей может быть у данного нейрона. Исследования подтвердили, что есть еще одно функциональное изменение, для появления которого достаточно только физической активности. Речь идет о росте новых кровеносных сосудов по всему объему мозга (включая и гиппокамп) – и это происходит в результате тренировок. Такой процесс называется ангиогенезом.

Физиологические свойства гиппокампа грызунов также изменяются в результате физической активности. Этот феномен известен как «долговременная потенциация синаптической передачи» (LTP). LTP – это длительное изменение электрического обмена между двумя группами нейронов. Его можно исследовать, стимулируя электрическим током связи между двумя группами клеток гиппокампа. Если простимулировать пути в гиппокампе частыми импульсами тока, то реакция этих путей на слабый электрический сигнал усилится по сравнению со спокойным периодом. LTP (долговременная потенциация синаптической передачи) считается основным клеточным механизмом обучения и памяти. В мозгах крыс, которых заставляют заниматься «спортом», это явление выражено ярче. Не исключено, что ключевой фактор описанного эффекта – повышение нейротрофического фактора мозга (BDNF): ведь мы знаем, что BDNF тоже может усиливать LTP. Но BDNF – не единственный фактор, который повышается в результате физических упражнений. Как я уже упоминала в главе 4, кроме анатомических и физиологических изменений, физическая активность также повышает мозговые уровни серотонина, норадреналина и дофамина, а также эндорфинов.

Итак, давайте примем во внимание появление новых клеток мозга и увеличенные размеры клеток в гиппокампе, а также повышенное содержание BDNF, усиленный эффект LTP и все прочие трансмиттеры и факторы роста, наводняющие мозг в результате физических упражнений. Тогда возникает следующий логический вопрос: подстегивает ли физическая активность функцию гиппокампа? Отличаются ли лучшей памятью крысы, которые больше бегают? Неоднократные исследования показали, что крысы, выращенные в обогащенной среде либо в условиях повышенной физической активности, показывают лучшие результаты во время исследований памяти (которая, как нам известно, обеспечивается гиппокампом). Среди тестов, о которых идет речь, были задания на прохождение лабиринтов, на устойчивость памяти, на запоминание и распознавание. А еще – множество заданий на формирование воспоминаний. В этих последних тестах на испытание памяти крысам надо было различать сходные предметы. Нейробиологи считают, что формирование воспоминаний обеспечивает зубчатая извилина, где рождаются уже упомянутые нами новые нейроны. В более общем плане, как мы впервые узнали от Г. М., гиппокамп играет важную роль как в усвоении новой информации, так и в ее сохранении. Без гиппокампа невозможно получить информацию и заложить ее на долговременное хранение в виде воспоминания. Но информация, усвоенная до повреждения гиппокампа, останется в памяти. Хотя мы знаем, что гиппокамп необходим для формирования долговременных декларативных воспоминаний о фактах и событиях, мы до сих пор не представляем, каким образом он добивается этого поразительного результата. Сегодня это – тема бесчисленных нейробиологических исследований. Я уверена, что здесь задействованы такие вещи, как LTP, а уровень BDNF способствует процессу. Известно также множество задействованных молекулярных путей. Тем не менее ученые по‑ прежнему заполняют пробелы в своих представлениях о том, что именно гиппокамп в целом и зубчатая извилина (та часть гиппокампа, где рождаются новые нейроны) в частности делают для формирования новых воспоминаний. Тех, которые мы ежедневно откладываем в памяти.

С другой стороны, мне НЕТ НУЖДЫ знать в точности, как это работает. Я и без этого могу по достоинству оценить тот факт, что память при физической активности работает лучше. Вот ЭТО по‑ настоящему интересно! Если у бегающих крыс укрепляется память, то и у людей, посвятивших достаточное время физическим упражнениям, она тоже должна стать лучше, правда? И в самом деле, я заметила, что стала лучше устанавливать связи и ассоциации в памяти, – а ведь мне достоверно известно, что эти функции обеспечиваются гиппокампом. Исследования на грызунах позволяли предположить, что я на верном пути.