Влияние кардио на когнитивные функции мозга: открытия нейробиологии

Связь между кардио и когнитивной продуктивностью

Мой отец, нейробиолог, всегда откровенно признавал: несмотря на десятилетия исследований головного мозга, он так и не смог до конца понять, каким именно образом конкретные привычки и образ жизни улучшают или ухудшают когнитивную продуктивность человека. Будучи спортсменом в студентческие годы, отец на собственном опыте убедился, что регулярные физические упражнения и полноценный ночной сон помогают мыслить четче и способствуют достижению наивысших результатов на экзаменах. Однако позже, окончив медицинский факультет и проводя эксперименты на животных с целью выяснить, как именно спорт и сон влияют на конкретные функции мозга, его научная деятельность нередко порождала больше новых вопросов, чем давала исчерпывающих ответов.

Новое научное исследование с участием людей, проведенное группой ученых (Уильямс и соавторы, 2023 год), было посвящено изучению того, как аэробные упражнения умеренной интенсивности и дефицит сна влияют на когнитивную продуктивность. Эта работа ответила на несколько давних вопросов, но одновременно поставила под сомнение широко распространенное убеждение в том, что именно повышенный уровень кислорода в префронтальной коре во время кардио аэробных нагрузок является главной движущей силой вызываемого физическими упражнениями улучшения исполнительных функций.

Результаты данной работы были опубликованы в научном журнале Physiology & Behavior (Физиология и поведение). Данное исследование проливает новый свет на то, как наше тело и мозг взаимодействуют в условиях стресса, недосыпания и экстремальных факторов окружающей среды.

Всего 20 минут кардио достаточно для стимуляции умственной деятельности

В рамках этого комплексного двунаправленного исследования участники выполняли специализированные когнитивные тесты, оценивавшие различные исполнительные функции мозга в самых разных условиях. Ученые моделировали ситуации сильного дефицита сна, а также заставляли испытуемых выполнять аэробные упражнения в специальной гипоксической камере с крайне низким содержанием кислорода, имитирующей условия высокогорья.

Как и ожидали исследователи, физические нагрузки улучшали когнитивные показатели практически в любой ситуации. Однако самым удивительным открытием стало то, что даже небольшие дозы аэробных упражнений — всего 20 минут умеренной интенсивности — способны полностью компенсировать падение когнитивных показателей, вызванное фатальным недостатком сна.

Хотя увеличение количества кислорода в префронтальной коре головного мозга действительно ассоциировалось с лучшей умственной продуктивностью у большинства испытуемых, наблюдался и другой поразительный эффект. Даже когда участники переживали острую гипоксию и их мозг испытывал явный дефицит кислорода во время выполнения аэробных упражнений умеренной интенсивности, многие из них все равно справлялись с когнитивными тестами значительно лучше, чем в состоянии полного покоя при том же уровне кислорода.

Оксигенация коры мозга — не единственный фактор улучшения функций

Подобно тому, как каждое новое открытие в лаборатории моего отца открывало пласт неизвестных ранее загадок, свежее исследование Уильямса и его коллег демонстрирует: хотя 20 минут тренировки способны повысить умственную продуктивность даже после бессонной ночи, полученные данные убедительно доказывают, что усиленное насыщение мозга кислородом во время кардио — далеко не единственный и не главный механизм стимуляции мозга.

Эксперимент с гипоксией пополнил копилку научных доказательств того, что вопреки популярному мнению, одна лишь физиологическая оксигенация коры головного мозга не объясняет, почему аэробная активность улучшает исполнительные функции.

Томас Уильямс в официальном пресс-релизе отметил:

В своей публикации Уильямс и соавторы подчеркивают важный аспект: хотя префронтальная кора (PFC, Prefrontal Cortex) традиционно считается ключевым отделом мозга, отвечающим за исполнительный контроль, стабильная и высокая когнитивная продуктивность зависит не только от нее. Напротив, ученые утверждают, что оптимизация исполнительных функций представляет собой «результат серии согласованных процессов, широко distributed (распределенных) по коровым и подкорковым областям мозга, объединенным в сложнейшие нейронные сети».

Несмотря на то, что гипоксия снижает насыщение префронтальной коры кислородом во время аэробной активности, исследователи предполагают, что другие структуры мозга способны брать на себя компенсаторную роль, когда лобные доли не получают достаточного питания. Тем не менее, нейробиологи пока не могут точно описать, как именно различные участки мозга компенсируют деоксигенацию коры при острой гипоксии во время кардионагрузок.

Расшифровка ключевых научных терминов и концепций

Чтобы глубже понять суть происходящих процессов, необходимо подробно разбрать научные термины и сокращения, используемые в нейробиологии и спортивной медицине:

• Префронтальная кора (PFC — Prefrontal Cortex): Отдел коры больших полушарий головного мозга, расположенный в передней части лобных долей. Она отвечает за сложные когнитивные процессы, принятие решений, целеполагание, эмоциональный контроль и рабочую память.
• Исполнительные функции (Executive Functions): Набор высокоуровневых когнитивных процессов, которые позволяют людям планировать действия, фокусировать внимание, запоминать инструкции, подавлять импульсивные реакции и успешно справляться с многозадачностью.
• Острая гипоксия (Acute Hypoxia): Состояние, при котором ткани организма (в частности, головного мозга) испытывают резкий дефицит кислорода из-за пониженного его содержания во вдыхаемом воздухе или нарушений в системе кровообращения.
• Подвижный (флюидный) интеллект (Fluid Intelligence): Способность логически мыслить, анализировать абстрактные проблемы, выявлять закономерности и решать новые задачи независимо от ранее приобретенного опыта и накопленных знаний.
• Физическая активность умеренной и высокой интенсивности (MVPA — Moderate-to-Vigorous Physical Activity): Уровень физической нагрузки, при котором частота сердечных сокращений заметно возрастает, учащается дыхание, но человек сохраняет способность поддерживать разговор (при умеренной интенсивности) или работает на пределе возможностей (при высокой интенсивности).
• Церебеллярный / Мозжечковый (Cerebellar): Относящийся к мозжечку — отделу головного мозга, расположенному под затылочными долями больших полушарий.
• Церебральный (Cerebral): Относящийся к cerebrum — большому мозгу (коре и подкорковым структурам полушарий).

Связь интенсивности нагрузок и работы интеллекта: выводы исследования 2019 года

Свежие результаты группы Уильямса перекликаются с еще одним важным исследованием с участием людей, проведенным в 2019 году (Мориарти и соавторы). Тогда исследователи обнаружить парадоксальный факт: хотя аэробные упражнения умеренной интенсивности повышали уровень оксигенации префронтальной коры, более высокое содержание кислорода в корковых зонах не всегда коррелировало с улучшением когнитивных показателей.

Более того, ученые выяснили, что физические нагрузки высокой интенсивности, которые доставляли максимальное количество кислорода к лобным долям мозга, на самом деле ассоциировались со снижением скорости обработки информации и падением баллов в тестах на подвижный интеллект!

Это открытие перевернуло прежние представления: стало очевидно, что прямолинейное увеличение притока кислорода к лобным долям во время изнуряющего кардио не делает человека умнее прямо в этот момент. Мозгу требуется не просто кислород, а правильная балансировка нейронных связей и оптимальный уровень возбуждения нервной системы.

Кардио укрепляет связи между большим мозгом и мозжечком

Другие научные изыскания, изучающие способы стимулирования мозговой активности с помощью спорта, указывают на то, что регулярная физическая активность умеренной и высокой интенсивности (MVPA) существенно улучшает функциональную связность между лобными долями коры и мозжечком.

Укрепление нейронных цепей между корковыми и подкорковыми областями помогает всему мозгу работать слаженно, более эффективно координируя сложные мыслительные процессы. Префронтальная кора расположена в передних отделах большого мозга, тогда как мозжечок расположен прямо под большим мозгом в затылочной части. Церебральные процессы отражают работу больших полушарий, а церебеллярные — работу мозжечка.

Помимо насыщенности коры кислородом, именно улучшение функциональной связности между мозжечком и большим мозгом может объяснить, почему ритмичные аэробные упражнения способны повышать уровень исполнительных функций даже в условиях гипоксии.

Несколько лет назад исследователи (Ли и соавторы, 2019 год) установили, что 30 минут аэробной тренировки меняют роль правого полушария мозжечка при обработке простых исполнительных задач. Как поясняют Лин Ли и соавторы своей работы:

«Вполне вероятно, что острая физическая нагрузка может изменять паттерн функциональной связности между мозжечковыми петлями и когнитивными зонами префронтальной коры, тем самым дополнительно улучшая показатели исполнительных функций после завершения тренировки».

Практические выводы для здорового образа жизни

На основе проведенных исследований можно сделать несколько важнейших практических выводов, которые применимы в повседневной жизни каждого человека:

• Короткие аэробные сессии работают: Не обязательно истязать себя часовыми тренировками. Всего 20 минут легкого бега, быстрой ходьбы, езды на велотренажере или плавания умеренной интенсивности способны дать мощный толчок умственной работоспособности.
• Спасение при недосыпании: Если у вас была тяжелая ночь или вы испытываете хронический дефицит сна, не спешите пить литры кофе. 20-минутная кардиотренировка умеренной интенсивности поможем мозгу восстановить исполнительные функции и концентрацию.
• Соблюдайте баланс интенсивности: Слишком тяжелые, изнуряющие нагрузки высокой интенсивности могут временно снижать скорость мышления и гибкость интеллекта из-за переутомления ЦНС. Для ума оптимальна именно умеренная активность.
• Стимуляция мозжечка: Ритмичные движения (бег, ходьба, кардио) активируют мозжечково-церебральные нейронные связи, что способствует улучшению планирования и контроля над задачами.

Заключение: Необходимость дальнейших нейробиологических изысканий

До последнего времени в научном сообществе преобладало мнение, что именно повышение уровня оксигенации префронтальной коры является главным механизмом, благодаря которому аэробные нагрузки улучшают когнитивные функции. Многочисленные данные подтверждают, что приток кислорода к лобным долям способствует стимуляции мозга. Однако новейшие открытия 2023 года наглядно показывают: одна лишь оксигенация коры не дает полного объяснения этому феномену.

Требуются дальнейшие глубокие нейробиологические исследования, чтобы идентифицировать абсолютно все нейронные механизмы, активируемые спортом, — от насыщения префронтальной коры кислородом до улучшения мозжечково-церебральной функциональной связности. Хочется надеяться, что будущие научные работы окончательно прольют свет на ту уникальную роль, которую играют корковые и подкорковые структуры (такие как мозжечок) в повышении когнитивной продуктивности под влиянием физической активности.