Раскрыта активная роль мозга в развитии выносливости при физических нагрузках

Фото из открытых источников

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Neuron, предполагает, что мозг играет непосредственную роль в том, как организм развивает выносливость после физической активности. Ученые обнаружили, что определенная группа клеток мозга немедленно активизируется после тренировки, посылая сигналы, которые заставляют мышцы адаптироваться и становиться сильнее. Это исследование подтверждает, что польза от физических упражнений зависит от мозга в той же мере, в какой она зависит от самих мышц.

Исследование возглавили профессор Дж. Николас Бетли из Пенсильванского университета, Эрик Блосс и Кевин У. Уильямс из Юго-Западного университета Техаса. Соавторами проекта выступили Морган Киндел из Пенсильванского университета и Райан Дж. Пост из Провиденс-колледжа.

Ученые провели исследование, чтобы выяснить, как физические тренировки приносят долговременную пользу для здоровья. Люди, естественно, предполагают, что развитие выносливости — это процесс, происходящий исключительно внутри организма. Когда человек бегает или поднимает тяжести, сердце работает интенсивнее, а мышцы выполняют основную работу. В результате изменения в сердечно-сосудистой системе и мышечной ткани, по-видимому, являются очевидным источником повышения выносливости.

Однако ученые предположили, что центральная нервная система может делать больше, чем просто реагировать на физический стресс. Они разработали этот проект, чтобы выяснить, координирует ли мозг активно метаболический ответ организма на физическую активность. «Наши лаборатории давно интересуются тем, как мозг регулирует метаболизм, а физические упражнения — одно из самых мощных средств воздействия на метаболизм и здоровье», — сказал Уильямс.

В Юго-западном медицинском центре Техасского университета Уильямс руководит лабораторией, которая изучает, как нейронные сети контролируют пищевое поведение, расход энергии и метаболизм глюкозы. «Ранее мы опубликовали данные о том, что нейроны гипоталамуса претерпевают структурные и функциональные изменения в ответ на физические упражнения», — сказал Уильямс. «В этом исследовании мы рассмотрели, как нейроны гипоталамуса управляют периферическими адаптациями к физическим нагрузкам».

В частности, исследователи хотели понять функцию группы клеток в вентромедиальном гипоталамусе. Гипоталамус — это небольшой участок мозга, расположенный глубоко в головном мозге, который помогает регулировать метаболизм, уровень энергии и чувство голода. Авторы сосредоточились на клетках, известных как нейроны стероидогенного фактора-1, в этом участке мозга.

«Нейроны стероидогенного фактора-1 в вентромедиальном гипоталамусе хорошо приспособлены для интеграции сигналов об энергетическом состоянии и физической активности, поэтому мы решили проверить, играют ли они причинную роль в улучшении выносливости, вызванном физическими упражнениями», — сказал Уильямс.

Исследователи разработали серию экспериментов с использованием взрослых самцов и самок мышей, чтобы отслеживать и изменять активность этих нейронов. Для проверки роли этих специфических клеток мозга ученые генетически модифицировали группу мышей таким образом, чтобы их нейроны, кодирующие стероидогенный фактор-1, не могли взаимодействовать друг с другом. Этого они добились, введя столбнячный токсин в эти специфические нейроны, что препятствует высвобождению ими химических сигналов.

Затем исследователи поместили этих мышей на моторизованную беговую дорожку для проведения теста на физическую нагрузку. Они постепенно увеличивали скорость, пока животные не достигли физического истощения. Хотя модифицированные мыши потребляли кислород с нормальной скоростью, они истощались гораздо быстрее, чем обычные мыши. Они также расходовали свои энергетические запасы по-другому, что свидетельствует об изменении баланса использования углеводов и жиров.

Исследователи собрали образцы скелетной мышечной ткани у мышей через три часа после последней тренировки на беговой дорожке. Они проанализировали ткань, используя лабораторный метод, позволяющий ученым определить, какие гены включены, а какие выключены. У обычных мышей физические упражнения запускали каскад генетических изменений в мышцах, которые улучшали использование энергии.

У мышей с подавленной активностью клеток головного мозга эти нормальные генетические изменения в мышцах практически полностью отсутствовали. Отсутствие сигналов от мозга препятствовало ремоделированию мышц. Это открытие предполагает, что мышцам необходим сигнал разрешения от мозга для того, чтобы стать сильнее.

Затем исследователи подвергли мышей трехнедельной программе тренировок. Мыши бегали на беговой дорожке пять дней в неделю, постепенно увеличивая скорость. Обычные мыши быстро улучшили свои результаты и пройденные дистанции за три недели. У мышей с подавленными клетками мозга выносливость вообще не улучшилась.

«Нас поразило, насколько выраженным был эффект, когда активность этих нейронов была подавлена», — сказал Уильямс. «Нарушение активности нейронов SF1 значительно снизило улучшение выносливости, даже когда животные продолжали бегать, что говорит о том, что нейроны не просто реагируют на физические нагрузки, а активно участвуют в адаптации. Такая степень специфичности была убедительной».

Даже получив свободный доступ к беговому колесу в своих клетках, модифицированные мыши практически не проявляли интереса к бегу. Чтобы убедиться, что это не просто побочный эффект плохой первоначальной физической подготовки, ученые провели еще один тест. Они подавили другой ген, связанный с активностью, у мышей, что привело к увеличению веса и ухудшению результатов бега на начальном этапе. Несмотря на плохую первоначальную физическую подготовку, эти мыши все же быстро набрали выносливость всего за неделю тренировок, показав, что модификация столбнячным токсином уникальным образом блокирует повышение выносливости.

Чтобы понять, что происходит с этими клетками мозга в режиме реального времени, ученые использовали миниатюрные микроскопы, установленные на головах мышей. Эти микроскопы регистрировали активность кальция внутри нейронов, что является надежным маркером активности клеток мозга. Во время одной тренировки исследователи заметили, что определенная подгруппа этих нейронов стала очень активной. Интересно, что пик активности этих клеток пришелся не на бег, а сразу после его окончания.

В ходе трехнедельной тренировочной программы мышей исследователи отслеживали активность отдельных клеток мозга. Они обнаружили, что повторные упражнения увеличивали общее количество клеток мозга, активировавшихся после пробежки. Интенсивность электрической активности в этих клетках также возрастала по мере улучшения физической формы мышей. Это свидетельствует о том, что мозг со временем учится более эффективно реагировать на физические тренировки.

Используя метод измерения электрических токов в отдельных клетках головного мозга из срезов мозговой ткани, ученые обнаружили, что у мышей, подвергавшихся физическим нагрузкам, изменялся электрический заряд этих клеток в состоянии покоя. Частота спонтанной активности нейронов у мышей, подвергавшихся физическим нагрузкам, увеличилась более чем вдвое по сравнению с мышами, ведущими малоподвижный образ жизни. Кроме того, в группе, подвергавшейся физическим нагрузкам, не было полностью неактивных нейронов, в отличие от группы, ведущей малоподвижный образ жизни.

Ученые также внимательно изучили физическую структуру этих нейронов. Клетки мозга соединяются и взаимодействуют в местах соединения, называемых синапсами, которые часто располагаются на крошечных ветвеобразных структурах, известных как дендритные шипики. Подсчитав эти микроскопические структуры, авторы обнаружили, что у мышей, подвергавшихся физическим нагрузкам, было вдвое больше дендритных шипиков, чем у мышей, ведущих малоподвижный образ жизни. Это физическое изменение свидетельствует о том, что повторяющиеся физические упражнения физически перестраивают мозг, позволяя ему получать больше сигналов.

Наконец, исследователи использовали метод воздействия на эти клетки мозга с помощью света. Направляя свет определенной длины волны через тонкий оптоволоконный кабель в мозг, они могли включать или выключать нейроны, как переключатель. В течение трехнедельной тренировочной программы исследователи отключали клетки мозга на пятнадцать минут сразу после каждой ежедневной пробежки. Из-за этого кратковременного воздействия мыши не смогли улучшить свою выносливость.

В отдельной группе мышей исследователи использовали свет для стимуляции нейронов в течение целого часа после каждой тренировки. Мыши, получавшие такую стимуляцию мозга после тренировки, значительно повысили свою выносливость по сравнению с мышами, проходившими точно такую же физическую тренировку. К концу эксперимента они могли бегать дольше и с большей скоростью. Это говорит о том, что активность этих клеток мозга после тренировки является важным фактором, запускающим развитие физической выносливости.

Хотя эти результаты предлагают новый взгляд на физические упражнения, читатели могут неправильно истолковать точную роль мозга. Данное исследование не подразумевает, что мышечная ткань не важна или что человек может просто улучшить свою физическую форму с помощью одних лишь мыслей. Физическое движение по-прежнему необходимо для запуска биологического процесса.

«Мозг не просто пассивный наблюдатель во время тренировок, — сказал Уильямс. — Он активно участвует в адаптациях, которые со временем улучшают вашу физическую форму. Мы обнаружили, что для повышения выносливости, достигаемого при регулярных аэробных тренировках, необходима определенная популяция нейронов гипоталамуса».

Исследование имеет некоторые ограничения, которые необходимо учитывать при интерпретации данных. «Эта работа проводилась на доклинических моделях, а именно на мышах», — сказал Уильямс. «Хотя изучаемые нами гипоталамические цепи являются общими для всех млекопитающих, перенос этих результатов на человека требует осторожности».

«В качестве основного показателя мы также сосредоточились на выносливости», — добавил Уильямс. «В будущих исследованиях будет важно изучить, насколько широко эти нейроны влияют на другие аспекты адаптации к физическим нагрузкам, такие как метаболическая гибкость или сердечно-сосудистые реакции».

В будущих исследованиях попытаются определить точные биологические пути, связывающие уставшие мышцы с этим конкретным участком мозга. «Мы хотим лучше понять нейронные цепи, участвующие в этой реакции, — сказал Уильямс. — Какие сигналы получают/отправляют нейроны SF1 и куда, чтобы запустить эти адаптации?»

Понимание этих механизмов открывает двери для новых методов лечения. «Это повышает вероятность того, что воздействие на эти мозговые цепи однажды поможет людям, которые не могут в полной мере воспользоваться некоторыми из их метаболических эффектов, — сказал Уильямс. — В долгосрочной перспективе понимание этих механизмов может открыть новые терапевтические стратегии для лечения метаболических заболеваний».

«Физические упражнения остаются одним из лучших лекарств, которые у нас есть, и понимание их биологической роли в работе мозга все еще находится на ранней стадии», — сказал Уильямс. «Подобные исследования напоминают нам, что роль мозга в физической подготовке гораздо более активна и специфична, чем мы когда-то предполагали».