Физкультура и нейрогенез

Чего мы ждали от занятий физкультурой? Как, на наш взгляд, физические упражнения должны были повлиять на мозг здоровых, молодых и активных неврологов‑ старшекурсников из Нью‑ Йоркского университета? Ответ на этот вопрос вытекает из результатов исследований, которые я описывала раньше: влияния бега в колесе на нейрогенез в гиппокампе крыс.

Вообще, это направление исследований отличается интересной и противоречивой историей – она восходит еще к 1960‑ м годам. Потребовались немалые усилия, чтобы убедить людей: нейрогенез во взрослом мозге возможен. Долгое время считалось, что после достижения зрелости новые нейроны в мозгу человека уже не рождаются. Эта мысль прочно укоренилась в умах ученых и была широко распространена в нейробиологическом сообществе вплоть до середины 1990‑ х гг. Хотя еще в конце 1970‑ х пара исследователей из Бостонского университета опубликовала первые свидетельства того, что в мозге взрослой крысы могут рождаться новые нейроны.

К несчастью, в тот момент уверенность, что взрослый мозг – это застывшая система, прочно господствовала в ученой среде. Поэтому то раннее исследование не произвело особого впечатления. Гораздо позже, чуть ли не через 20 лет, появилась сразу целая серия исследований с использованием более современных (и более убедительных) подходов. Ее результаты показали, что блестящие новенькие нейроны исправно производятся и в зрелом возрасте – как в гиппокампе, так и в обонятельной луковице. В 1998 году международная команда ученых из Швеции и США представила первые прямые доказательства нейрогенеза в гиппокампе взрослого человека. Это было сделано весьма хитрым способом. О том, что в мозге крысы произошло рождение новых нейронов, вы узнаете, если только принесете животное в жертву. Для этого надо предварительно сделать в его мозг инъекцию вещества под названием BRDU, или бромдезоксиуридина. Это вещество накапливается только в недавно разделившихся клетках. В гиппокампе мозга взрослой крысы многие клетки оказались им помечены. Шведские и американские ученые вспомнили, что BRDU часто используют для наблюдения за ростом клеток раковой опухоли, и группе онкобольных также ввели BRDU. Затем исследователи получили у этих людей разрешение исследовать их мозг после смерти. В результате выяснилось, что в гиппокампе взрослых людей, как и в гиппокампе крыс, тоже имеются помеченные BRDU клетки (не забывайте, что у человека два гиппокампа – один в правом, другой в левом полушарии). Таким образом удалось установить, что у взрослых людей, как и у взрослых крыс, в гиппокампе рождаются новые нервные клетки.

Именно на этом вопросе мы собирались сосредоточиться при изучении моего нового курса «Могут ли физические упражнения изменить мозг?». То есть может ли повышенная аэробная активность занятий интенсати, которые я буду вести, усилить нейрогенез в гиппокампе моих студентов – и вследствие этого улучшить функцию их памяти? Известно, что физические упражнения улучшают когнитивные функции пожилых людей, а мы знаем, что нейрогенез с возрастом ослабевает. Мы собирались проверить идею о том, что у моих юных студентов уровень нейрогенеза, благодаря физическим упражнениям, тоже повысится, и они получат хороший шанс извлечь пользу из усиленных аэробных упражнений. Мы не собирались наблюдать их нейрогенез непосредственно и рассчитывали измерить его косвенным образом по результатам когнитивных тестов. Их выполнение зависит от функции тех отделов мозга, где рождаются новые нейроны. Именно это мы и собирались проверить.

ФМРТ

фМРТ – это функциональная магнитно‑ резонансная томография. Как и стандартное структурное МРТ‑ сканирование (см. рамочку в главе 2), фМРТ проводится внутри большого магнита и в данном случае регистрирует изменение кровотока, связанное с потреблением энергии мозгом. Мы знаем, что когда какая‑ то часть мозга активна, поток крови к этому месту увеличивается. Кроме того, в участках мозга с повышенной активностью насыщенная кислородом кровь превращается в бескислородную (мозг – самый активный потребитель кислорода в человеческом теле). фМРТ определяет меру активности в конкретной области мозга по косвенным признакам: по изменениям кровотока и уровню насыщенности крови кислородом. Это самый распространенный инструмент измерения активности человеческого мозга.

Именно здесь на сцене появляются мои коллеги из Колумбийского университета Скотт Смол и Адам Брикман. Они использовали в своей работе технологию сканирования мозга, аналогичную фМРТ, – а это самый распространенный способ изучения активности мозга у людей (см. рамочку). Технология Смола и Брикмана позволяла исследовать активность мозга при выполнении человеком различных заданий.

В одном исследовании они просили участников эксперимента запомнить сложное изображение (тест на запоминание). Следующим этапом теста было узнать это изображение среди похожих сложных рисунков. Вот протокол эксперимента: когда испытуемые выполняли задание на запоминание, Адам и Скотт наблюдали на своем приборе, как один конкретный подотдел гиппокампа, где рождаются все новые нейроны, вспыхивает, словно праздничная иллюминация. Это означало, что данная область мозга очень активна при выполнении задания. Возникает предположение: если с помощью физкультуры подстегнуть эту область мозга и, соответственно, создать больше новых нейронов, то можно увидеть еще более качественное выполнение данного задания. Так что идея, или гипотеза, которую мы проверяли в своем исследовании, была такова: приведет ли увеличение интенсивности занятий спортом к улучшению результатов теста на запоминание?

И что, собственно, мы имеем в виду, когда говорим, что физкультура может улучшить запоминание? Моя лаборатория проверяет гипотезу о том, что повышенная аэробная физическая активность усиливает нейрогенез в гиппокампе, и новые клетки (а мы знаем, что они более возбудимы, чем старые) повышают нашу способность формировать и откладывать новые долговременные воспоминания. В частности, есть свидетельства того, что новорожденные клетки гиппокампа помогают различать поступающие раздражители со схожими характеристиками. К примеру, когда я пытаюсь вспомнить, Джулия или Пэм подходила ко мне после занятия с вопросом, именно новые клетки гиппокампа помогают мне различить девушек, хотя обе они среднего роста с каштановыми волосами. Что же из этого следует? Что длительные занятия физкультурой способны увеличить число новых клеток в гиппокампе и могут значительно повысить нашу способность откладывать новые воспоминания на весь тот период, пока уровень нейрогенеза (и физической активности!) остается высоким. Не знаю, как вам, но мне точно пригодится улучшенная способность к запоминанию. А понимание того, как эта система работает и как можно усилить этот эффект, – одна из основных целей моей лаборатории.

Сочетание физкультуры и обучения было новаторским элементом моего курса, но превращение его в настоящее академическое исследование привлекало меня еще больше. С одной стороны, студенты станут объектами моего исследования. С другой – я смогу вместе с ними анализировать результаты. В ходе изучения курса у них будет шанс изучить данные своей собственной группы (без имен, конечно) и контрольной группы – и определить, действительно ли физические упражнения улучшили функцию памяти. Конечно, студентам и раньше приходилось делать лабораторные работы, но в данном случае они будут проводить такой анализ данных, какой обычно производится в настоящих исследовательских лабораториях. Мы устроим лабораторию в классе! Можно ли более эффективно применить знания, полученные во время семестра на моих лекциях и семинарах!