Нейробиологические эффекты физических упражнений

Нейробиологические эффекты физических упражнений многочисленны и включают в себя широкий спектр взаимосвязанных эффектов на структуру мозга, функции мозга и когнитивные функции . многочисленные исследования на людях показали, что последовательное аэробные упражнения (например, 30 минут каждый день) вызывает стойкое улучшение отдельных когнитивных функций, здоровые изменения в экспрессии генов в мозге, и полезные формы нейропластичности и поведенческой пластичности; некоторые из них долгосрочные эффекты включают: увеличение нейрона роста, повышение нервной деятельности (например, с-Фос и BDNF в сигнализация), улучшенное совладание со стрессом , усиленный когнитивный контроль поведения , улучшенная декларативная , пространственная и рабочая память, а также структурные и функциональные улучшения в структурах мозга и путях, связанных с когнитивным контролем и памятью. влияние физических упражнений на познание иметь важные последствия для улучшения успеваемости у детей и студентов, повышения продуктивности взрослого, сохранение когнитивных функций в пожилом возрасте, профилактики или лечения определенных неврологических заболеваний, а также повышению качества жизни.

Было показано, что у здоровых взрослых людей аэробные упражнения вызывают преходящее воздействие на когнитивные функции после одного сеанса упражнений и стойкое воздействие на когнитивные функции после регулярных упражнений в течение нескольких месяцев. Люди, которые регулярно выполняют аэробные упражнения (например, бег, бег трусцой, быстрая ходьба, плавание и езда на велосипеде) имеют большие показатели на нейропсихологические функции и тесты , которые измеряют определенные когнитивные функции, такие как управление вниманием, тормозного контроля, когнитивную гибкость, рабочую память, обновление и потенциал, декларативной памяти, пространственная память и скорость обработки информации . переходные эффекты физических упражнений на познания включают в себя улучшения в большинстве исполнительных функций (например, внимания, рабочая память, когнитивная гибкость, ингибиторный контроль, решение проблем и принятие решений) и скорость обработки информации на срок до 2 часов после занятий.

Аэробные упражнения вызывают краткосрочное и долгосрочное воздействие на настроение и эмоциональные состояния , способствуя позитивному аффекту , подавляя негативный аффект и уменьшая биологическую реакцию на острый психологический стресс . в течение короткого периода времени аэробные упражнения действуют как антидепрессант и эйфориант , в то время как последовательные физические упражнения приводят к общему улучшению настроения и самооценки .

Регулярные аэробные упражнения улучшают симптомы, связанные с различными расстройствами центральной нервной системы, и могут использоваться в качестве дополнительной терапии этих расстройств. Существует четкое доказательство эффективности физиотерапевтического лечения при серьезных депрессивных расстройствах и синдроме дефицита внимания с гиперактивностью . руководство Американской академии неврологии по клинической практике для легких когнитивных нарушений указывает, что врачи должны рекомендовать регулярные физические упражнения (два раза в неделю) лицам, у которых было диагностировано это состояние. Обзоры клинических данных также поддерживают использование физических упражнений в качестве дополнительной терапии для некоторых нейродегенеративных расстройств , в частности болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона . регулярные физические нагрузки также связаны с более низким риском развития нейродегенеративных нарушений. большое количество доклинических данных и новых клинических данных поддерживают использование физических упражнений в качестве дополнительной терапии для лечения и профилактики наркомании . регулярные физические упражнения также были предложены в качестве дополнительной терапии для рака головного мозга.

Долгосрочные эффекты

Нейропластичность

Нейропластичность - это процесс, посредством которого нейроны со временем приспосабливаются к нарушению, и чаще всего это происходит в ответ на повторное воздействие стимулов. аэробная тренировка увеличивает продукцию нейротрофических факторов [Примечание 1] (например, BDNF , IGF-1 , VEGF ) которые посредничают улучшения в когнитивных функциях и различных формах памяти путем повышать образование кровеносного сосуда в мозге, взрослом нейрогенезе, [примечание 2] и других формах neuroplasticity. последовательная аэробная тренировка в течение нескольких месяцев вызывает клинически значимое улучшение исполнительных функций и увеличенный объем серого вещества почти во всех областях мозга, с наиболее заметным увеличением, происходящим в областях мозга, которые порождают исполнительные функции. в структурах мозга, которые показывают значительные улучшения в объеме серого вещества в ответ на аэробные упражнения являются префронтальная кора, хвостатое ядрои гиппокамп; менее значительное увеличение в объеме серого вещества происходят в передней поясной коры, теменной коры, мозжечка, и прилежащем ядре. Префронтальная кора, хвостатое ядро и передняя поясная кора являются одними из наиболее значимых структур головного мозга в системах дофамина и норадреналина, которые вызывают когнитивный контроль.Вызванный физическими упражнениями нейрогенез (т. е. увеличение объема серого вещества) в гиппокампе связан с измеряемыми улучшениями в пространственной памяти . более высокие показатели физической подготовленности, измеренные VO 2 max, связаны с лучшей исполнительной функцией, более быстрой скоростью обработки информации и большим серым веществом объем гиппокампа, хвостатого ядра и прилежащего ядра. длительная аэробная тренировка также связана с постоянными благоприятными эпигенетическими изменениями, которые приводят к улучшению стресса, улучшению когнитивных функций и повышению нейрональной активности ( сигнализация c-Fos и BDNF).

Структурный рост

Комментарии нейровизуализации исследования показывают, что согласуется аэробные упражнения увеличивает серое вещество объемом в почти всех отделах мозга, при этом более выраженный рост наблюдается в областях мозга, связанных с памятью обработка, регуляции, двигательных функций, и награда; наиболее заметным прирост в объеме серого вещества наблюдаются в префронтальной коре, хвостатом ядре и гиппокампе, которые поддерживают когнитивный контроль и обработка памяти, среди других когнитивных функций. Более того, левая и правая половины префронтальной коры, гиппокамп и поясная кора, по-видимому, становятся более функционально взаимосвязанными в ответ на последовательные аэробные упражнения. три обзора показывают, что заметные улучшения в объеме префронтального и гиппокампального серого вещества происходят у здоровых взрослых людей, которые регулярно участвуют в упражнениях средней интенсивности в течение нескольких месяцев. другие области головного мозга, которые демонстрируют умеренное или менее значительное увеличение объема серого вещества во время нейровизуализации, включают переднюю поясную кору, теменную кору, мозжечок и ядро прирастает .

Было показано, что регулярные физические упражнения противодействуют усыханию гиппокампа и нарушению памяти, что естественным образом происходит в позднем взрослом возрасте. сидячие взрослые старше 55 лет показывают снижение объема гиппокампа на 1-2% ежегодно. нейровизуализационное исследование с выборкой из 120 взрослых показало, что участие в регулярных аэробных упражнениях увеличивало объем левого гиппокампа на 2,12% и правого гиппокампа на 1,97% в течение одного года. Испытуемые в группе низкоинтенсивного растяжения, которые имели более высокий уровень физической подготовки в исходном состоянии, показали меньшую потерю объема гиппокампа, что свидетельствует о том, что физические упражнения являются защитными от возрастного когнитивного снижения. в целом, люди, которые больше тренируются в течение определенного периода времени, имеют больший объем гиппокампа и лучшую функцию памяти. было показано также , что аэробные упражнения индуцируют рост в трактах белого вещества в передней мозолистой оболочке тела, которые обычно сжимаются с возрастом.

Различные функции структур головного мозга, которые показывают вызванное физическими упражнениями увеличение объема серого вещества, включают в себя:

• Префронтальные и передние поясные коры-необходимые для когнитивного контроля поведения, в частности: рабочая память, управление вниманием , принятие решений, когнитивная гибкость, социальное познание и тормозной контроль поведения; вовлечены в синдром дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ) и наркоманию
• Nucleus accumbens-ответственный за стимулирование значимости ("хотение" или желание, форма мотивации, связанная с вознаграждением ) и позитивное подкрепление; вовлечен в аддикцию [51]
• Гиппокамп-ответственный за хранение и консолидацию декларативной памяти и пространственной памяти; вовлечен в депрессию
• Мозжечок-ответственный за координацию движений и моторное обучение
• Хвостатое ядро-ответственно за обучение стимул-ответ и ингибиторный контроль; вовлечено в болезнь Паркинсона и СДВГ
• Теменная кора головного мозга – отвечает за сенсорное восприятие, рабочую память и внимание

Постоянное воздействие на когнитивные функции

Смотрите также: Исполнительные функции

Было показано, что регулярные физические упражнения в течение нескольких месяцев постоянно улучшают многочисленные исполнительные функции и несколько форм памяти, что согласуется с функциональными ролями структур головного мозга, которые демонстрируют повышенные объемы серого вещества. в частности, в соответствии аэробные упражнения, как было показано для улучшения внимания Управления,[Примечание

3] скорость обработки информации, когнитивной гибкости (например, переключение задач), тормозного контроля, рабочую память, обновление и потенциал,[Примечание

5] декларативной памяти, и пространственной памяти. У здоровых людей молодого и среднего возраста величина эффекта улучшения когнитивных функций наиболее велика для показателей исполнительных функций и незначительна до умеренной для аспектов памяти и скорости обработки информации. возможно, что у пожилых людей люди получают когнитивную пользу, принимая участие как в аэробных, так и в резистентных упражнениях типа по крайней мере умеренной интенсивности. лица, ведущие малоподвижный образ жизни, как правило, имеют нарушенные исполнительные функции по сравнению с другими более физически активными нетренировщиками. Была также отмечена взаимная связь между физическими упражнениями и исполнительными функциями: улучшение процессов исполнительного контроля, таких как контроль внимания и тормозной контроль, усиливает склонность индивида к физическим упражнениям.

Механизм действия

Дополнительная информация: Myokine

β-фенилэтиламин, обыкновенно называемый фенэтиламин, человеческий Амин следа и мощный катехоламинэргический и глутаматэргический нейромодулятор который имеет подобные психостимуляторные и эйфориантные влияния и подобную химическую структуру к амфетамину .[82] было показано , что 30 минут умеренной или высокой интенсивности физических упражнений индуцируют огромное увеличение мочевой β-фенилуксусной кислоты, основного метаболита фенэтиламина. в двух обзорах отмечено исследование, в котором средняя суточная мочевая β-фенилуксусная кислота концентрация среди участников всего 30 минут интенсивной физической нагрузки увеличился на 77% по отношению к исходной концентрации в покое субъектов управления; отзывы свидетельствуют, что фенилэтиламин синтез резко увеличивается, хотя отдельные упражнения, во время которого он быстро метаболизируется из-за его короткого периода полувыведения примерно 30 секунд. в состоянии покоя фенэтиламин синтезируется в катехоламиновых нейронах из L-фенилаланина ароматической аминокислотой декарбоксилазой (AADC) примерно с той же скоростью, с которой производится допамин.

В свете этого наблюдения оригинальная статья и оба обзора предполагают, что фенэтиламин играет заметную роль в опосредовании повышающих настроение эйфорических эффектов бегуна высокого уровня, поскольку как фенэтиламин, так и амфетамин являются сильными эйфориантами.

β-эндорфин

β-эндорфин (заключенный контракт от "endo genous mo rphin e") является эндогенным опиоидным нейропептидом , который связывается с μ-опиоидными рецепторами, в свою очередь производя эйфорию и облегчение боли . в метааналитическом обзоре было обнаружено, что физические упражнения значительно увеличивают секрецию β-эндорфина и что эта секреция коррелирует с улучшением состояния настроения. упражнения умеренной интенсивности вызывают наибольшее увеличение синтеза β-эндорфина, в то время как более высокие и более низкие формы интенсивности упражнений связаны с меньшим увеличением синтеза β-эндорфина. обзор по β-эндорфину а физические упражнения показали, что настроение человека улучшается в течение оставшейся части дня после физической нагрузки и что его настроение положительно коррелирует с общим уровнем повседневной физической активности.

Анандамид

Анандамид является эндогенным каннабиноидом и ретроградным нейротрансмиттером, который связывается с каннабиноидными рецепторами (в первую очередь CB

1), в свою очередь производя эйфорию.[72] [78] было показано, что аэробная тренировка вызывает увеличение уровня анандамида в плазме, где величина этого увеличения наиболее высока при умеренной интенсивности упражнений (т. е. при максимальной частоте сердечных сокращений ~70-80%). повышение уровня анандамида в плазме связано с психоактивными эффектами, поскольку анандамид способен пересекать гематоэнцефалический барьер и действовать в пределах центральной нервной системы. Таким образом, поскольку анандамид является эйфориантным, а аэробные упражнения связаны с эйфорическими эффектами, было предложено, что анандамид частично опосредует краткосрочные эффекты подъема настроения от упражнений (например, эйфория бегуна высокого) через вызванные упражнениями повышения его синтеза.

На мышах было продемонстрировано, что некоторые особенности бегуна high зависят от каннабиноидных рецепторов. Фармакологическое или генетическое нарушение каннабиноидной сигнализации с помощью каннабиноидных рецепторов предотвращает обезболивающее и успокаивающее действие бега. [требуется неосновной источник]

Кортизол и реакция на психологический стресс

Смотрите также: Влияние стресса на память

"Гормон стресса", кортизол, является глюкокортикоидом, который связывается с глюкокортикоидными рецепторами . Психологический стресс индуцирует высвобождение кортизола из надпочечников путем активации гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси (гПа-ось). краткосрочное повышение уровня кортизола связано с адаптивными когнитивными улучшениями, такими как усиленный ингибиторный контроль; однако чрезмерно высокое воздействие или длительное воздействие высоких уровней кортизола вызывает нарушения когнитивного контроля и оказывает нейротоксическое воздействие на человеческий мозг. Например, хронический психологический стресс снижает экспрессию BDNF, что оказывает пагубное влияние на объем гиппокампа и может привести к депрессии .

Как физический стрессор, аэробная тренировка стимулирует секретирование кортизола в интенсив-зависимом образе; однако, она не приводит к в долгосрочных увеличениях продукции кортизола в виду того что это вызванное упражнени влияние на кортизоле ответ к переходному отрицательному балансу энергии . лица, которые в последнее время занимались спортом, демонстрируют улучшение в поведении, связанном со стрессом. аэробные упражнения повышают физическую форму и снижают нейроэндокринную (т. е. ось ГПА) реактивность и, следовательно, снижение биологической реакции на психологический стресс у человека (например, снижение высвобождения кортизола и ослабление реакции сердечного ритма). упражнение также обращает вызванное стрессом снижение экспрессии BDNF и сигнализации в головном мозге, тем самым действуя в качестве буфера против связанных со стрессом заболеваний, таких как депрессия.

Глутамат и ГАМК

Глутамат, один из самых распространенных нейрохимических веществ в головном мозге, является возбуждающим нейротрансмиттером, участвующим во многих аспектах функции мозга, включая обучение и память. основываясь на моделях животных, физические упражнения, по-видимому, нормализуют избыточные уровни глутамата нейромедиации в прилежащее ядро, что происходит при наркомании. в обзоре влияния физических упражнений на нейрокардиальную функцию в доклинических моделях отмечено, что индуцированная физическими нагрузками нейропластичность рострального вентролатерального продолговатого мозга (RVLM) оказывает ингибирующее действие на глутаматергическую нейротрансмиссию в этой области, в свою очередь снижая симпатическую активность ; обзор предположил, что эта нейропластичность в RVLM является механизмом, с помощью которого регулярные физические упражнения предотвращают сердечно-сосудистые заболевания, связанные с инактивацией .

Моноаминовые нейротрансмиттеры

Дополнительная информация: Утомление центральной нервной системы

Эффекты у детей

Sibley и Etnier (2003) провели метаанализ, который изучал взаимосвязь между физической активностью и когнитивными показателями у детей. они сообщили о благоприятной взаимосвязи в категориях перцептивных навыков, коэффициента интеллекта, достижений, вербальных тестов, математических тестов, уровня развития/академической готовности и других, за исключением памяти, которая оказалась не связанной с физической активностью. корреляция была наиболее сильной для возрастных диапазонов 4-7 и 11-13 лет. С другой стороны, Chaddock и коллеги (2011) обнаружили результаты, которые контрастировали с метаанализом Сибли и Этнье. В их исследовании была выдвинута гипотеза о том, что дети с более низкой физической формой будут плохо справляться с исполнительным контролем памяти и иметь меньшие объемы гиппокампа по сравнению с детьми с более высокой физической формой. вместо того, чтобы физическая активность не была связана с памятью у детей в возрасте от 4 до 18 лет, возможно, что у дошкольников с более высокой физической подготовленностью объем гиппокампа больше, чем у дошкольников с более низкой физической подготовленностью. Согласно предыдущему исследованию, проведенному Chaddock и коллегами (Chaddock et al. 2010), больший объем гиппокампа приведет к лучшему исполнительному контролю над памятью. они пришли к выводу, что объем гиппокампа был положительно связан с выполнением реляционных задач памяти.[93] их результаты являются первыми, указывающими на то, что аэробная тренированность может быть связана со структурой и функциями доподросткового человеческого мозга. В метаанализе Беста (2010), посвященном влиянию активности на исполнительную функцию детей, есть два различных экспериментальных проекта, используемых для оценки влияния аэробных упражнений на когнитивную деятельность. Первый-это хронические физические нагрузки, при которых дети случайным образом назначаются по графику аэробных упражнений в течение нескольких недель и затем оцениваются в конце. второе-это острые упражнения, которые изучают непосредственные изменения в когнитивном функционировании после каждого сеанса. Результаты обоих исследований свидетельствуют о том, что аэробные упражнения могут вкратце помочь развитию исполнительных функций у детей, а также оказать влияние на более длительное улучшение исполнительных функций.[94] другие исследования показали, что физические упражнения не связаны с академической успеваемостью, возможно, из-за параметров, используемых для точного определения того, что такое академическая успеваемость. эта область исследований была сосредоточена на советах по образованию, которые принимают решения о том, следует ли включать физическое воспитание в школьную программу, сколько времени должно быть посвящено физическому воспитанию и его влиянию на другие учебные предметы.

Другое исследование показало, что шестиклассники, принимавшие участие в активной физической активности не менее трех раз в неделю, имели самые высокие баллы по сравнению с теми, кто принимал участие в умеренной или вообще не принимал физической активности. Дети, принимавшие участие в активной физической деятельности, набирали в среднем на три балла больше по академическому тесту, который состоял из математики, естественных наук, английского языка и мировых исследований.

Исследования на животных также показали,что физические упражнения могут влиять на развитие мозга в раннем возрасте. Мыши, которые имели доступ к беговым колесам и другим подобным тренажерам, имели лучший нейрональный рост в нейронных системах, участвующих в обучении и памяти.Нейровизуализация человеческого мозга дала аналогичные результаты, когда физические упражнения приводят к изменениям в структуре и функциях мозга. Некоторые исследования связывают низкий уровень аэробной подготовленности у детей с нарушением исполнительных функций у пожилых людей, но есть все больше доказательств того, что это также может быть связано с отсутствием избирательного внимания, торможения реакции и контроля помех.

Влияние на расстройства центральной нервной системы

Смотрите также: Расстройства центральной нервной системы

Зависимость

Клинические и доклинические данные свидетельствуют о том, что последовательные аэробные упражнения, особенно упражнения на выносливость (например, марафонский бег), на самом деле предотвращают развитие определенных наркоманий и являются эффективным вспомогательным лечением для наркомании, и психостимуляторной зависимости в частности. последовательные аэробные упражнения в зависимости от величины (т. е. по продолжительности и интенсивности) снижают риск наркомании, который, по-видимому, происходит за счет обращения вызванной наркотиками, связанной с зависимостью нейропластичности. В одном обзоре отмечалось, что физические упражнения могут предотвратить развитие наркомании путем изменения Иммунореактивности ΔFosB или c-Fos в стриатуме или других частях системы вознаграждения .кроме того, аэробные упражнения уменьшают самостоятельное введение психостимуляторов, уменьшают восстановление (т. е. рецидив) поиска лекарств и индуцируют противоположные эффекты на сигнализацию стриатального дофаминового рецептора D2 (DRD2) (повышенная плотность DRD2) к тем, которые вызваны патологическим использованием стимулятора (пониженная плотность DRD2). Следовательно, последовательные аэробные упражнения могут привести к лучшим результатам лечения, когда они используются в качестве дополнительного лечения от наркомании. по состоянию на 2016 , по-прежнему необходимы дополнительные клинические исследования для понимания механизмов и подтверждения эффективности физических упражнений в лечении и профилактике наркомании.

Резюме пластичности, связанной с зависимостью

Форма нейропластичности или поведенческой пластичности !! Текст заголовка rowspan="2" АПР
Т	Текст заголовка	Текст заголовка	Текст заголовка	Текст заголовка	Текст заголовка	colspan="6"	Т1	Т2	Т3
Текст ячейки	Текст ячейки	colspanТекс	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки