Как физическая активность улучшает работу мозга: научное доказательство

Генетические доказательства причинно-следственной связи между физической активностью и когнитивными функциями

Физическая активность и когнитивные функции тесно взаимосвязаны. Однако причинно-следственные отношения, лежащие в основе этой ассоциации, до сих пор остаются неясными. Физическая активность может улучшать функции мозга, но здоровое познание также может способствовать engagement в физической активности. В данном исследовании мы оценили двунаправленные отношения между физической активностью и общими когнитивными функциями с использованием метода Mendelian Randomization с учетом скрытых наследственных confounding факторов (Latent Heritable Confounder Mendelian Randomization, LHCMR).

Методология исследования

Данные для ассоциаций были взяты из двух масштабных геномных исследований ассоциаций (genome-wide association studies, GWAS) из UK Biobank и COGENT по умеренной, интенсивной и средней физической активности, измеренной с помощью акселерометра (N = 91 084), и когнитивным функциям (N = 257 841).

После поправки Бонферрони мы наблюдали значимые ассоциации LHCMR, позволяющие предположить, что увеличение доли как умеренной (b = 0,32, CI95% = [0,17,0,47], P = 2,89e−05), так и интенсивной физической активности (b = 0,22, CI95% = [0,06,0,37], P = 0,007) приводит к улучшению когнитивных функций. В отличие от этого, мы не обнаружили доказательств причинного влияния средней физической активности на когнитивные функции и не нашли доказательств обратного причинного эффекта (влияния когнитивных функций на любые меры физической активности).

Введение в проблему взаимосвязи физической активности и когнитивного здоровья

Множественные перекрестные и лонгитюдные исследования показали, что физическая активность и когнитивные функции тесно взаимосвязаны и снижаются на протяжении жизни. Однако доказательства причинности этих отношений остаются неясными. Предыдущие результаты показали, что физическая активность может улучшать когнитивные функции, но recent исследования также предположили, что хорошо функционирующие когнитивные навыки могут влиять на engagement в физической активности.

Механизмы влияния физической активности на мозг

Несколько механизмов могут объяснять, как физическая активность, особенно умеренной интенсивности, улучшает общие когнитивные функции:

• Увеличение нейропластичности мозга - способности мозга изменяться и адаптироваться
• Ангиогенез - образование новых кровеносных сосудов
• Синаптогенез - образование новых синаптических связей между нейронами
• Нейрогенез - образование новых нейронов

Эти процессы primarily происходят через upregulation факторов роста, таких как brain-derived neurotrophic factor (BDNF) - нейротрофический фактор мозга. Кроме того, повторяющаяся активация функций мозга высшего порядка (планирование, торможение, reasoning), необходимых для engagement в физической активности, может способствовать улучшению этих функций.

Обратное влияние: как когнитивные функции влияют на физическую активность

Другие механизмы могут объяснять, как когнитивные функции могут влиять на физическую активность. Например, когнитивные функции могут быть необходимы для противодействия автоматическому attraction к минимизации усилий и thereby влиять на способность человека engaging в физически активном поведении.

Эти механизмы не являются взаимоисключающими и поэтому могут lead к двунаправленно reinforcing отношениям (positive feedback loop) между физической активностью и когнитивными функциями.

Материалы и методы исследования

Участники и оценка физической активности

Физическая активность оценивалась на основе данных акселерометра из UK Biobank. Акселерометры носили на запястье в течение 7 дней. Средняя физическая активность определялась как средняя величина ускорения, превышающая 50 milligravities (mg). Умеренная физическая активность оценивалась как доля ускорений > 100 mg и < 425 mg, а интенсивная физическая активность - как доля ускорений ≥ 425 mg.

Оценка когнитивных функций

Общие когнитивные функции оценивались на основе summary statistics из недавнего GWAS, объединяющего когнитивные и генетические данные из UK Biobank и консорциума COGENT. В UK Biobank участники выполняли 13 вопросов с множественным выбором, оценивающих вербальное и числовое reasoning. В консорциуме COGENT общая когнитивная функция статистически derived из анализа главных компонент индивидуальных показателей по нейропсихологическому test battery.

Статистический анализ: метод LHCMR

Mendelian Randomization (MR) - это статистический подход для causal inference, который может преодолеть weaknesses традиционных observational исследований. MR-based оценки эффекта rely на трех основных assumptions:

• Генетические инструменты strongly ассоциированы с exposure
• Генетические инструменты independent от confounding факторов
• Генетические инструменты не ассоциированы с outcome conditional на exposure и potential confounders

LHCMR расширяет стандартный two-sample MR, моделируя latent (unmeasured) heritable confounder, который оказывает effect на exposure и outcome traits. Это позволяет LHCMR дифференцировать SNPs на основе их co-association к паре traits и distinguish heritable confounding, который leads к genetic correlation, от actual causation.

Преимущества LHCMR перед традиционными методами

LHCMR имеет несколько ключевых преимуществ по сравнению со стандартными методами MR:

• Использует все геномные маркеры, а не только genome-wide significant markers
• Явно моделирует correlated pleiotropy
• Учитывает sample overlap
• Одновременно оценивает двунаправленные причинные эффекты

Результаты исследования

Средняя физическая активность и когнитивные функции

LHCMR не показал доказательств potential causal effect средней физической активности на когнитивные функции (b = 0,245, CI95% = [−0,01,0,50], P = 0,065) и не обнаружил доказательств обратного causal effect. Стандартные методы MR также yielded незначимые causal estimates в обоих направлениях.

Умеренная физическая активность и когнитивные функции

LHCMR показал potential positive causal effect умеренной физической активности на улучшение когнитивных функций (b = 0,32, CI95% = [0,17,0,47], P = 2,89e−05). Мы не нашли доказательств обратного causal effect. Не было evidence присутствия heritable confounder.

Интенсивная физическая активность и когнитивные функции

LHCMR показал potential positive causal effect интенсивной физической активности на улучшение когнитивных функций (b = 0,22, CI95% = [0,06,0,37], P = 0,007). Коэффициент этого causal effect был qualitatively weaker, чем causal effect умеренной физической активности на когнитивные функции.

Обсуждение результатов

Основные выводы

Наше исследование предоставляет evidence potential causal effects, suggesting, что более высокие уровни умеренной и интенсивной физической активности lead к improved когнитивным функциям. В противоположном направлении мы не наблюдали evidence causal effect когнитивных функций на физическую активность.

Сравнение с предыдущими исследованиями

Предыдущие reviews и meta-analyses observational исследований показали beneficial effect физической активности на когнитивные функции. Однако evidence, arising из intervention исследований, было inconclusive. Наши результаты further support литературу, demonstrated protective role физической активности на когнитивные функции, и extend it, используя accelerometer-based measure.

Различия между LHCMR и стандартными методами MR

Результаты, полученные с LHCMR, differed от тех, которые получены со standard MR methods. Три ключевых различия в методах могут explain эту divergence:

• Standard MR использует только genome-wide significant markers
• Standard MR biased в случае sample overlap
• LHCMR явно моделирует correlated pleiotropy

Сильные стороны и ограничения исследования

Сильные стороны

• Использование масштабных datasets
• Опора на инструменты, derived из objective measures физической активности
• Применение robust genetically informed method

Ограничения

• Мера когнитивных функций spans multiple performance domains
• MR analysis designed для elucidate lifelong exposure effect
• Potential различия в genetic variants depending на age
• Ограниченная generalizability результатов на другие популяции

Заключение и политические implications

Наши findings provide preliminary support для unidirectional relation, whereby более высокие уровни умеренной и интенсивной физической активности lead к improved когнитивным функциям. Эти результаты underline essential role умеренной и интенсивной физической активности в maintaining или improving общих когнитивных функций.

Therefore, health policies и interventions, которые promote умеренную и интенсивную физическую активность, являются relevant для улучшения когнитивных функций или delay их decline.

Исследование подчеркивает важность разработки targeted interventions, направленных на увеличение именно умеренной и интенсивной физической активности, а не просто общей двигательной активности. Это имеет crucial importance для public health strategies, aimed на maintaining когнитивного здоровья населения.