Dlaczego aktywność fizyczna jest tak dobra dla Twojego mózgu, czyli co mają mięśnie do „dobrostanu naszej głowy”?

Już Hipokrates mówił, że najbezpieczniejszą i najpewniejszą drogą do utrzymania zdrowia jest dbałość o odpowiednią ilość pożywienia i ruchu. Dziś faktycznie pojawia się coraz więcej wyników badań, które mówią o licznych i długotrwałych korzyściach wynikających z regularnej aktywności fizycznej. Jest to najważniejszy czynnik promujący zdrowie i przeciwdziałający występowaniu chorób cywilizacyjnych oraz ich czynników ryzyka, takich jak: udary, choroby układu krążenia, nowotwory, otyłość czy hipercholesterolemia [1]. Jeszcze niedawno byłoby ciężko w to uwierzyć, jednak obecnie wiemy już, że aktywność fizyczna jest bodźcem, który oprócz angażowania naszych mięsni, mobilizuje mózg do lepszej pracy i dba o jego dobrostan. Jak twierdzi John J. Ratey, profesor psychiatrii Szkoły Medycznej Harvardu – ruch wykazuje znacznie większy wpływ na kondycję naszej psychiki niż ciała. 

Wszystko zaczęło się na początku lat 80. XX wieku, kiedy w 1982 r. naukowcy wyizolowali białko, które okazało się niejako kluczem dla prawidłowo funkcjonującego mózgu w każdym jego aspekcie. Wspomniane odkrycie zostało okrzyknięte neurotroficznym czynnikiem wzrostu pochodzenia mózgowego, w skrócie BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor) [2]. W ciągu ostatnich lat, odkąd pionierskie doświadczenia w przeszłości wykazały, że aktywność fizyczna zwiększa ekspresję BDNF w mózgu szczura, przeprowadzono tysiące badań w celu ustalenia związku tego białka z poprawą nastroju i funkcji poznawczych u ludzi po zakończonym wysiłku fizycznym. Badania nad BDNF dały początek poszukiwaniu molekularnych zmian łączących pracę mięśni z komórkami nerwowymi, które powstają w odpowiedzi na aktywność fizyczną. A wygląda na to, że w tym temacie dzieje się całkiem sporo.

Wszystko zaczyna się w komórce

BDNF
Zanim po wysiłku fizycznym poczujemy się lepiej i zaskoczy nas klarowność myślenia, a nasz mózg wejdzie na obiecany „wyższy poziom”, w organizmie musi wydarzyć się wiele procesów łączących komórki mięśniowe z nerwowymi. Kluczowym graczem jest tutaj wspomniany BDNF – jeden z głównych czynników wzrostu. Wspólnie z innymi białkami, takimi jak czynnik wzrostu i różnicowania nerwów NGF (Nerve Growth Factor) oraz neurotrofinami (białkami wspierającymi tworzenie się synaps) umożliwia prawidłowe funkcjonowanie neuronów oraz prawidłowe działanie ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego. Nazywany jest czynnikiem troficznym, co w dużym uproszczeniu oznacza, że odżywia mózg i umożliwia jego prawidłową pracę. Czynnik BDNF dotyczy jednak nie tyko mózgu. Oprócz układu nerwowego zlokalizowany jest również w sercu, mięśniach szkieletowych, komórkach mięśni gładkich, płucach, płytkach krwi i fibroblastach. Przyczynia się do rozwoju komórek macierzystych (to z nich powstają później docelowe komórki ciała) i ich przekształcania w swoje ostateczne formy [3].

BDNF jest mocno związany z prawidłowym działaniem chemii naszego mózgu – neuroprzekaźników, odgrywa bowiem kluczową rolę w funkcjonowaniu synapsy, czyli struktury, która jest niezbędna do przekazywania sygnałów chemicznych pomiędzy neuronami [4, 5]. Odżywiając mózg, usprawniając powstawanie kolców dendrytycznych (struktur umożliwiających odbiór sygnałów pomiędzy neuronami), jest zaangażowany w tworzenie pamięci, łączenie faktów, plastyczność synaptyczną i komunikację pomiędzy neuronami. Działając poprzez białkowy receptor niezwykle ważnej dla funkcjonowania układu nerwowego kinazy tyrozynowej (TrkB) [6], promuje także powstawanie i rozwój niedojrzałych jeszcze komórek nerwowych i zwiększa przeżycie już tych ukształtowanych [7, 8]. BDNF jest kluczowym elementem funkcjonowania mózgu przez całe życie. Jak wykazano, obniżenie jego poziomu w dorosłym organizmie powoduje upośledzenie funkcji hipokampa – struktury dpowiedzialnej za „przenoszenie” wspomnień z pamięci krótko- do długotrwałej, natomiast niedobór BDNF we wczesnych etapach rozwoju może przyczyniać się do nadpobudliwości i zaburzeń w rozwoju wspomnianej części mózgu. W efekcie mogą pojawiać się spore problemy z przyswajalniem nowych faktów i zatrzymaniem ich na dłużej [9]. 

Poruszając temat BDNF, nie można nie wspomnieć o tak istotnym procesie, jak powstawanie nowych neuronów, czyli neurogenezie. Jest to jedno z najintensywniej badanych zjawisk dzisiejszej neuronauki, a opisywany czynnik wzrostowy jest jego kluczowym elementem. Dziś wiemy już (jeszcze do niedawna sądzono, że komórki nerwowe powstają raz – dzielą się raz i to koniec), że mózg dorosłych ssaków, w tym ludzki, ma zdolność do tworzenia nowych komórek nerwowych. Neurogeneza jest jednak ograniczona wiekiem organizmu i zachodzi tylko w niewielu regionach mózgu przylegających do komory bocznej oraz w hipokampie. W wielu badaniach przeprowadzonych z udziałem szczurów i myszy wykazano, że wysiłek fizyczny istotnie sprzyja namnażaniu (proliferacji) neuronów we wspomnianych regionach mózgu [10].

Indukowana ćwiczeniami ruchowymi proliferacja komórek może przebiegać na różnych etapach rozwoju, w tym także u osobników dorosłych, jak i w wieku podeszłym. Osiągana w testach behawioralnych (oceniających zachowanie zwierząt) poprawa, która związana jest z zastosowaniem treningu fizycznego, wyraźnie sugerowała korzystny wpływ neurogenezy hipokampalnej i przeżywania nowych neuronów na procesy uczenia się i zapamiętywania [11].

Wspomniane elementy dotyczą funkcjonowania mózgu, nic bowiem dziwnego – jest to przecież główne białko „odżywiające” komórki nerwowe. Spektrum działania BDNF stało się jednak znacznie ciekawsze, gdy naukowcy zauważyli, że myszy zmuszone do aktywności fizycznej (biegania po kole) mają nie tylko znacznie wyższy poziom tego białka w swoim hipokampie. Jak to w badaniach na zwierzętach bywa – ich układ nerwowy poddano następnie uszkodzeniom, a późniejsze obserwacje potwierdziły hipotezę mówiącą o tym, że mózgi ruszających się gryzoni są znacznie bardziej odporne na uszkodzenia i zwyrodnienie. Wszystko za sprawą wsparcia wzrostu, regeneracji i przeżycia neuronów przez wspomniany BDNF [11].    

Eksperymenty z udziałem zwierząt stanowią jednak zawsze preludium do kluczowych konkluzji, które mają znaczenie dla człowieka. Najważniejsze, aby uzyskane na modelach labortoryjnych wyniki dało się ekstrapolować na funkcjonowanie ludzi. Rok 2003 przyniósł takie właśnie dane. Wykazano wówczas, że nawet pojedyczna aktywność fizyczna może istotnie zwiększyć stężenie BDNF w mózgu i osoczu człowieka. Analizie poddano zdrowych ochotników oraz osoby ze stwardnieniem rozsianym i zauważono, że pojedyncza sesja przedłużonych ćwiczeń (30 minut na rowerze, 60% VO2max) spowodowała znaczny wzrost wspomnianego białka, czego efektem była zauważalna poprawa funkcjonowania neuronów i przekazywania sygnałów pomiędzy nimi [12]. Obecnie wiemy już także, że wywołany treningiem wzrost wartości BDNF dotyczy nie tyko mózgu. Może odgrywać niezwykle istotną rolę w ochronie i regeneracji różnych tkanek oraz poprawiać unaczynnienie serca i mięśni szkieletowych [13, 14]. Co więcej, w świetle ostatnich badań indukowany treningiem wzrost poziomu BDNF może również aktywować niezwykle cenną dla dobrostanu mitochondirów kinazę AMPK i zwiększać utlenianie tłuszczów [15, 16]. Z pewnością nie jest zaskoczeniem, że aktywność fizyczna korzystnie wpływa na zapobieganie powstawaniu cukrzycy typu 2 i istotnie pomaga w jej leczeniu. Okazuje się także, że u osób dotkniętych tym rodzajem nieprawidłowości poziom BDNF jest znacznie obniżony, co skutkuje gorszym funkcjonowaniem ich mózgu [17]. O tym, jak mocno zaburzenia metaboliczne związane są z pracą układu nerwowego, może także świadczyć fakt zmniejszenia się poziomu acetylocholiny w wyniku stanu zapalnego organizmu, który pojawia się w sytuacji braku odczuwania sytości (leptynooporności) [18]. 

IGF-1
Insulinopodobny czynnik wzrostu IGF-1 to jedno z tych białek, które odgrywa znaczącą rolę w dziesiątkach szlaków sygnałowych, aktywowanych, aby organizm działał prawidłowo. Jest także obok czynnika wzrostu – erytropoetyny i insuliny jednym z najczęściej stosowanych polipeptydowych środków dopingujących. W kontekście działania mózgu białko to stanowi główny modulator funkcji neuronalnych, w tym plastyczności synaptycznej. Odpowiada za prawidłową liczbę synaps, przekaźnictwo nerwowe, zaangażowane jest w neurogenezę i różnicowanie neuronów [19]. Okazuje się także, że wywołana ćwiczeniami fizycznymi neurogeneza jest niezwykle mocno związana ze wzrostem tego czynnika. Dotyczy to również wzrostu poziomu IGF-1 w odpowiedzi na bodźce treningowe i obserwowaną później poprawę pamięci, lepszą sygnalizację pomiędzy komórkami nerwowymi i większą wydajność pracy mózgu [20, 21]. 

VEGF
Czynnik wzrostu śródbłonka naczyń (VEGF – Vascular Endothelial Growth Factor) jest głównym regulatorem procesu różnicowania się komórek, powstawania nowych naczyń krwionośnych (waskulogeneza) oraz tworzenia odgałęzień z już istniejącej sieci naczyń (angiogeneza). VEGF moduluje wiele ważnych funkcji fizjologicznych komórek i jest jednym z najważniejszych czynników wzrostu i przeżycia śródbłonka naczyń. Stymuluje rozwój prawidłowej sieci układu krwionośnego, zarówno w procesie powstawania zarodka, jak również dalszego rozwoju organizmu. Odgrywa niezwykle ważną rolę w przebiegu ciąży, usprawnia gojenie się ran i reguluje cykl miesięczny u kobiet [22]. Okazuje się także, że ćwiczenia fizyczne istotnie zwiększają zarówno ekspresję samego VEGF, jak i jego receptorów w mózgu [23]. 

Poprzez swój wpływ na powstawanie nowych naczyń krwionośnych i namnażanie się komórek białko to pełni funkcje neuroprotekcyjne i neurotroficzne. Może być wytwarzane i uwalniane przez obwodowe komórki śródbłonka naczyniowego i komórki mózgowe, w tym astrocyty i neuronalne komórki macierzyste [24]. Ponadto, obwodowe wytwarzanie VEGF po przekroczeniu bariery krew-mózg (pod wpływem białka o nazwie iryzyna) powoduje wzrost neuronów.

To z kolei indukuje ich namnażanie i wsparcie neurogenezy w hipokampie. Wspominany proces to kwintesencja zależności pomiędzy pracą mięśni a układu nerwowego. W całym zdarzeniu biorą bowiem udział komórki odpornościowe, mięśnie i wątroba. Te z kolei wywierają istotny wpływ na mózg, który poprzez przemiany biochemiczne uruchamia produkcję VEGF [25].
 
NGF
Czynnik wzrostu nerwów (NGF) jest obok BDNF kluczowym białkiem zaangażowanym w tworzenie i funkcjonowanie nowych neuronów. Ponadto to główny mediator stanu zapalnego. Oddziaływując z kinazą TrkA, stymuluje niezwykle ważny czynnik transkrypcyjny – białko cAMP. W efekcie tych procesów zwiększa przeżywalność komórek i wzmacnia zdolności plastyczne mózgu (uczenie się, tworzenie śladów pamięciowych i łączenie faktów). Wykazano, że NGF wzrasta w odpowiedzi na działanie bodźców stresowych i chorób alergicznych, a także po zakończonym wysiłku fizycznym [26]. W jednym z badań obejmującym 49 sportowców i 49 osób niepodejmujących aktywności fizycznej zaobserwowano, że poziom NGF istotnie zwiększa się nie tylko w mózgu, ale też w surowicy osób trenujących [27]. Podobne konkluzje wynikają z przeprowadzonego w 2018 r. dwuletniego badania z udziałem dzieci. Wykazano, że aktywność fizyczna ma bezpośredni związek ze znacznym wzrostem poziomu NGF oraz BDNF. Jednocześnie okazało się, że zwiększenie zawartości tych białek było ściśle skorelowane z ilością utraconej tkanki tłuszczowej badanych oraz poprawą ich zdolności poznawczych [28]. 

Astrocyty
Równolegle z wpływem ćwiczeń fizycznych na neurony (chociażby pośrednio przez oddziaływanie na wspomniane wyżej białka) ruch ma również znamienny wpływ na struktury scalające niejako komórkowe środowisko mózgu i tworzące tzw. glej (nazwa nie jest tutaj przypadkowa, bowiem greckie słowo glia oznacza klej, spoidło). Astrocyty, główne komórki glejowe w mózgu, umożliwiają neuronom prawidłowe funkcjonowanie i odgrywają nieocenioną rolę w regulacji przepływu energii z naczyń krwionośnych do komórek nerwowych [29]. Ich funkcje zostały poznane już bardzo dawno (1861 rok), lecz dopiero
ostatnie lata wyraźnie dostarczają coraz to więcej dowodów, że komórki glejowe komunikują się między sobą w sposób, który umożliwia gromadzenie się informacji. Wpływają także na prawidłowe przekazywanie impulsów nerwowych pomiędzy neuronami. Pojawiają się nawet przesłanki jakoby to właśnie te komórki odpowiedzialne były za nasze kreatywne myślenie [30].

Ponieważ tylko prawidłowo działające astrocyty mogą w pełni wspierać pracę neuronów, zasugerowano, że wywołane wysiłkiem usprawnienie pracy komórek nerwowych może nastąpić po prostu poprzez lepsze działanie astrocytów. I tak jest w istocie. Wykazano, że ćwiczenia fizyczne usprawniają działanie tych komórek i istotnie wpływają na ich kondycję [31]. Już miesiąc treningu biegowego na bieżni znacząco zwiększa ilość astrocytów i poprawia ich funkcjonowanie [32]. Wiadomo także, że ćwiczenia fizyczne wpływają również na strukturę i funkcję komórek glejowych. Usprawniają odpowiedź immunologiczną w układzie nerwowym, zmniejszając powstawanie stanu zapalnego w mózgu i hamując aktywację prozapalnych czynników (zmniejszają aktywację tzw. mikrogleju) [33]. 

Trening a pamięć i aspekty mentalne

Rosnąca liczba danych naukowych wyraźnie wskazuje, że aktywność fizyczna wspiera tworzenie się nowych synaps i połączeń pomiędzy komórkami nerwowymi. Skutkiem czego jest po prostu szybsze myślenie i zapamiętywanie. Metaanaliza (badanie mające na celu wnioskowanie statystyczne na podstawie wcześniej opublikowanych danych) obejmująca ogółem aż 59 doświadczeń (od 1947 do 2009 r.)
dowiodła znaczących i pozytywnych korelacji między aktywnością fizyczną a zdolnościami poznawczymi [34]. W innej analizie obejmującej 29 randomizowanych badań oceniających związek między ćwiczeniami aerobowymi a wydajnością pracy mózgu w grupie osób około 18. roku życia wykazano pozytywny związek między ćwiczeniami fizycznymi a uwagą, szybkością przetwarzania informacji oraz zapamiętywaniem [35]. Podobnych konkluzji dostarczyły wyniki eksperymentów z udziałem dzieci w wieku szkolnym. Łagodna aktywność fizyczna (zbliżona do typu fitness) miała wyraźnie korzystny wpływ na zdolności uczenia się i efekty nauki szkolnej [36]. 

Wzrost poziomu BDNF w trakcie i po zakończonym treningu ma też niezwykle korzystne konsekwencje dla sportowców. Wykazano bowiem, że znacząco poprawia on zdolność uczenia się nowych elementów ruchowych i zwiększa „odczuwanie świadomości swojego ciała” [37].

Korzystne efekty aktywności fizycznej znacznie wykraczają poza funkcje poznawcze. Ponieważ BDNF odgrywa kluczową rolę w prawidłowym funkcjonowaniu mózgu, niektóre badania naukowe wyraźnie łączą niedobory tego białka z poważnymi zaburzeniami psychicznymi, takimi jak: depresja [38], schizofrenia [39], lęk i zespół stresu pourazowego [40, 41]. Niezwykle wiarygodnych danych dostarczają wyniki dużych metaanaliz potwierdzających, że aktywność fizyczna może zmniejszać objawy depresyjne i lękowe u nastolatków z klinicznie potwierdzonymi chorobami psychicznymi [42, 43]. Co istotne jednak, wpływ ćwiczeń fizycznych na zdrowie psychiczne wydaje się być dość mocno skorelowany z ich „dawką”. U dorosłych osób najlepiej sprawdza się w tym kontekście umiarkowana aktywność fizyczna [44].    

Ruch i druga młodość mózgu

Wśród wielu badań dotyczących wpływu aktywności fizycznej na nasz mózg niezwykle ważne są te, które dotyczą starzejącego się organizmu. Ma to szczególne znaczenie w kontekście chorób neurodegeneracyjnych, których podstawowym czynnikiem ryzyka jest nieuchronnie postępujący wiek. Wykazano bowiem, że starsze, aktywne fizycznie osoby znacznie później doświadczają problemów z funkcjami poznawczymi. Wiadomo, że objętość i stopień ukrwienia hipokampu, obszaru mózgu kluczowego dla konsolidacji pamięci, mają związek z poziomem sprawności fizycznej. Im bardziej sprawne ciało, tym obszar ten jest w lepszej kondycji [45, 46]. Randomizowane, kontrolowane badanie obejmujące 120 zdrowych uczestników w wieku powyżej 65 lat wykazało, że już sześć miesięcy ćwiczeń fizycznych odwraca związaną z wiekiem utratę objętości hipokampu i poprawia wyniki w komputerowym zadaniu pamięci przestrzennej [47]. Równie ciekawych danych dostarcza obszerna metaanaliza obejmująca 42 badania (z 1966 i 2010 r.). Po zbadaniu blisko 4 tys. osób wykazano, że ​​treningi o charakterze aerobowym istotnie poprawiają pamięć, kojarzenie i zdolność logicznego myślenia [48]. Co więcej, starsze, aktywne fizycznie osoby lepiej wykorzystują zasoby swojego mózgu w czasie wykonywania różnych zadań motorycznych niż będące w tym samym wieku osoby prowadzące siedzący tryb życia [49]. Wykazano bowiem, że osoby starsze o wysokim poziomie wydolności tlenowej mają znacznie większą objętość mózgu w obszarach, które są odpowiedzialne za koordynację i zachowanie [50]. 

Niezwykle ciekawe badanie podjęto w kontekście porównania praktyki uważności, popularnego dziś mindfulness z aktywnością fizyczną. Celem było określenie zmian w poziomie BDNF, a w konsekwencji różnic w zdolnościach poznawczych badanych osób. Doświadczenie przeprowadzone z udziałem 19 starszych ochotników wykazało, że już 35 minut aktywności ruchowej dziennie znacznie bardziej podnosi poziom wspomnianej neurotrofiny – zarówno w surowicy, jak i mózgu badanych w porównaniu do mindfullnes i tradycyjnych terapii poznawczych. Zaistniałe zmiany przełożyły się oczywiście na poprawę pamięci i samo-
poczucie badanych [51].

Aktywność fizyczna a degeneracja neuronów

Statystyki są bezlitosne: społeczeństwa się starzeją, a co za tym idzie – drastycznie rośnie liczba osób cierpiących na demencję. Według World Alzheimer Report na świecie żyje obecnie około 50 mln ludzi z chorobami o podłożu neurodegeneracyjnym. Szacuje się, że za 11 lat liczba ta może wzrosnąć nawet do 75 mln, sięgając ponad 10 mln w 2050 r. [52]. Choroba Alzheimera (AD) jest najczęstszą postacią demencji starczej i przyczynia się do 60–70% wszystkich przypadków jej wystąpienia.     

Dane epidemiologiczne jasno wskazują, że niektóre czynniki stylu życia, takie jak regularne ćwiczenia i ciągła aktywność poznawcza (np. nauka nowych umiejętności, ćwiczenia logicznego myślenia, bogate życie społeczne) mogą opóźniać związane z wiekiem upośledzenie pamięci i zmniejszać ryzyko AD [53, 54]. W kontekście poszukiwania komórkowych zmian, które mogą prowadzić do rozwoju tej choroby, rocznie publikowane są setki wyników badań. Odnośnie do mechanizmów jej powstawania wiemy zdecydowanie coraz więcej, w dalszym ciągu jednak nie istnieje żadne „cudowne” remedium na tę dysfunkcję pracy mózgu. Pewne jest jednak to, że neurony osób dotkniętych chorobą Alzheimera cechuje znacznie obniżony poziom BDNF i NGF, w szczególności w tej strukturze mózgu, która odpowiedzialna jest za pamięć, czyli w hipokampie [55, 56].

Doświadczenia oceniające związek między aktywnością fizyczną a ryzykiem wystąpienia tej choroby neurodegeneracyjnej wyraźnie wykazały, że ruch ​​istotnie zmniejsza ryzyko otępienia umysłowego i pojawienia się AD odpowiednio o 28% i 45% [57, 58]. Ćwiczenia mogą mieć pozytywny wpływ na wiele aspektów funkcjonowania mózgu, które upośledzone są w przypadku chorób neurologicznych. Usprawniają zaburzoną plastyczność synaptyczną, prawidłowy odbiór bodźców, zdecydowanie zmniejszają też powstawanie szkodliwych i patologicznych w mózgu zmian [59]. Wykazano także, że umiarkowana, codzienna aktywność ruchowa obniża powstałe w wyniku AD stany zapalne mózgu (określane jako zapalenia neurologiczne) [60]. 

Biegać, dźwigać czy tańczyć zumbę?

Pojawia się jednak pytanie: Jaki rodzaj aktywności będzie najbadziej trafnym wyborem dla poprawy pracy mózgu, także tego starzejącego się? Wygląda na to, że najlepszym rozwiązaniem będzie połączenie treningu siłowego z aktywnością tlenową. Trening oporowy przeciwdziała utracie masy mięśniowej i siły, a oba te elementy istotnie dotyczą starzejącego się organizmu [61]. Z drugiej strony, aktywność o charakterze aerobowym może chronić przed zaburzeniami sercowo-naczyniowymi [62] oraz zespołem metabolicznym [63], które należą do najczęstszych chorób przewlekłych związanych z wiekiem [64]. Kluczowy jest tu fakt, że oba rodzaje aktywności korzystnie wpływają na aktywność BDNF i działanie mózgu.

Z badań przeprowadzonych na zwierzętach wiadomo, że połączenie ćwiczeń fizycznych, odczuwanie bodźców (tzw. odczuwanie sensoryczne) i aktywność poznawcza ma największy wpływ na powstawanie nowych neuronów i neuroplastyczność [65]. W przypadku ludzi aktywnością, która doskonale łączy ze s...