Menu (Polski)

powyżej: © ISTOCK.COM, GRIVINA

przez godzinę dziennie, pięć dni w tygodniu, myszy w laboratorium fizjologicznym Hiroshiego Maejimy na Uniwersytecie Hokkaido w Sapporo w Japonii uderzały w bieżnię. Celem badacza, aby zwierzęta podążały za rutynowym ćwiczeniem, nie jest mierzenie ich masy mięśniowej ani wytrzymałości. Chce wiedzieć, jak ćwiczenia wpływają na ich mózgi.

naukowcy od dawna uznają, że ćwiczenia wyostrzają pewne umiejętności poznawcze., Rzeczywiście, Maejima i jego koledzy odkryli, że regularna aktywność fizyczna poprawia zdolność myszy do odróżniania nowych obiektów od tych, które widzieli wcześniej. W ciągu ostatnich 20 lat, naukowcy zaczęli się u podstaw tych korzyści, z badań wskazujących na wzrost objętości hipokampa, rozwój nowych neuronów i infiltracji naczyń krwionośnych do mózgu. Teraz Maejima i inni zaczynają się wczuwać w mechanizmy epigenetyczne, które napędzają neurologiczne zmiany wywołane przez aktywność fizyczną.,

w październiku zespół Maejimy poinformował, że mózgi gryzoni, które pobiegły, miały większą niż normalnie acetylację histonu w hipokampie, regionie mózgu uważanym za miejsce uczenia się i pamięci.1 znaki epigenetyczne powodowały wyższą ekspresję BDNF, genu dla czynnika neurotroficznego pochodzenia mózgowego (BDNF). Poprzez wspieranie wzrostu i dojrzewania nowych komórek nerwowych uważa się, że BDNF promuje zdrowie mózgu, a wyższe jego poziomy korelują z lepszą wydajnością poznawczą u myszy i ludzi.

dzięki bogactwu danych na temat korzyści płynących z pracy wynikającej z badań na zwierzętach i ludziach, lekarze zaczęli przepisywać ćwiczenia pacjentom z chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Parkinsona i alzheimera, a także osobom z innymi zaburzeniami mózgu, od padaczki po lęk. Trwa wiele badań klinicznych interwencji wysiłkowych w chorobach neurodegeneracyjnych, depresji, a nawet starzenia się. Obiecujące wyniki mogą wzmocnić wykorzystanie ćwiczeń jako Neuroterapii.,

„nikt nie wierzy, że ćwiczenia będą magiczną kulą” – mówi Kirk Erickson, psycholog poznawczy z Uniwersytetu w Pittsburghu. „Ale to nie znaczy, że nie powinniśmy tego robić.,”

The Body-brain connection

pod koniec lat 90., wtedy-postdoc Henriette van Praag i inni członkowie Laboratorium Rusty 'ego Gage' a w Salk Institute for Biological Studies w La Jolla w Kalifornii, byli zafascynowani najnowszymi odkryciami grupy pokazującymi, że myszy, których klatki miały zabawki i koła do biegania, rozwinęły więcej nowych neuronów w hipokampie, obszarze mózgu ważnym dla uczenia się i pamięci, niż myszy żyjące w mniej stymulujących pomieszczeniach.

Patrz „Zabawki laboratoryjne”

Van Praag chciał określić, który element wzbogaconego środowiska ma największy wpływ na mózg., Niektóre myszy nauczyły się pływać w wodnym labiryncie, podczas gdy inne pływały na otwartej wodzie, biegały na kole biegowym lub wchodziły w interakcję z kilkoma innymi myszami. Po 12 dniach rozwój nowych neuronów był największy w grupie myszy, które biegły: miały podwójną liczbę nowych neuronów, jak myszy w labiryncie lub wodzie.2

w kolejnym badaniu opublikowanym kilka miesięcy później, van Praag i jej koledzy wykazali, że neurogeneza wywołana przez bieganie na kole korelowała ze zdolnością myszy do zapamiętania lokalizacji ukrytej platformy w zbiorniku z wodą., Mózgi myszy, które biegły, miały również większą reorganizację połączeń synaptycznych niż mózgi myszy, które nie biegły, co sugeruje, że ćwiczenia wpływają na plastyczność.3 „stamtąd wyrosła cała linia badań nad ćwiczeniami i neurogenezą”, mówi van Praag, który po obejrzeniu wyników zaczął regularnie biegać.

w ciągu ostatnich dwóch dekad naukowcy zidentyfikowali wiele mechanizmów molekularnych leżących u podstaw wpływu ćwiczeń na poznanie., Ćwiczenia, badania wykazały, prowadzi do uwalniania białek i innych cząsteczek z tkanki mięśniowej, tłuszczowej i wątroby, które mogą wpływać na poziom BDNF i innych czynników, które pobudzają neurogenezę, przyspieszają dojrzewanie nowych neuronów, promują unaczynienie mózgu, a nawet zwiększają objętość hipokampa u ludzi.

efekty ćwiczeń

aktywność fizyczna zwiększa objętość hipokampa mózgu oraz poprawia uczenie się i pamięć u myszy i ludzi. Badania na myszach powiązały te efekty ze wzrostem i dojrzewaniem nowych neuronów., Teraz naukowcy zaczynają odkrywać mechanizmy molekularne, które łączą ćwiczenia z tymi korzyściami poznawczymi.

mózgowy czynnik neurotroficzny

ćwiczenia wpływają na poziom neurotrofin, białek, które promują proliferację neuronów i wspierają ich funkcję. Aktywność fizyczna zwiększa demetylację DNA w regionie promotora genu Bdnf, zwiększając ekspresję czynnika sygnałowego pobudzającego neurogenezę., Ponadto acetylacja histonu wydaje się rozluźniać chromatynę, aby wzmocnić transkrypcję Bdnf.

sygnały krwi

ćwiczenia prowadzą do wydzielania cząsteczek przez komórki mięśniowe i tłuszczowe, które wpływają na poziom czynników wzrostu w mózgu, wpływając na kształt i funkcję hipokampa, przyspieszając wzrost nowych neuronów i zwiększając objętość regionu mózgu.

plemniki

w plemnikach samców myszy, które ćwiczą, wzrasta obfitość pewnych mikroRNA związanych z uczeniem się i pamięcią., Potomstwo myszy wykazuje niewielkie korzyści poznawcze w porównaniu z potomstwem myszy siedzących.

pojawiło się pytanie: jak te czynniki zmieniają ekspresję genów w mózgu? W 2009 roku neurobiolog Hans Reul z Uniwersytetu w Bristolu i współpracownicy opublikowali jedno z pierwszych badań, które szeroko przyjrzały się zmianom epigenetycznym w odpowiedzi na ćwiczenia. Zespół postawił szczury przed stresującym wyzwaniem, umieszczając je w nowych klatkach lub zmuszając do pływania w zlewce z wodą., Po stresujących doświadczeniach, zwierzęta, które regularnie biegały na kole, miały wyższy poziom acetylacji histonu w genomie w komórkach koła zębatego, części hipokampa, w której występuje neurogeneza. Aktywne zwierzęta następnie działał mniej zestresowany niż ich bardziej siedzący tryb życia odpowiedniki, gdy reexposed do środowiska stresujące. Szczury, które ćwiczyły, spędzały mniej czasu na odkrywaniu nowej klatki lub zmaganiu się w wodzie, gdzie zamiast tego pływały z głowami nad wodą., Odkrycia sugerują, że acetylacja wywołana przez połączenie Biegania i stresu pomogła zwierzętom lepiej radzić sobie z późniejszym stresem.4

zmiany epigenetyczne wywołane ćwiczeniami „mają niezwykłą zdolność regulowania plastyczności synaptycznej i poznawczej”, mówi Fernando Gomez-Pinilla, neurobiolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, który prowadził kilka podobnych badań.

od czasu badania Reula, co najmniej dwa tuziny innych zgłosiło acetylację i inne zmiany epigenetyczne, które łączą ćwiczenia z mózgiem u gryzoni. Moses Chao, neurobiolog molekularny z New York University School Of Medicine, i współpracownicy niedawno odkryli, że myszy, które często biegały na kołach, miały wyższy poziom BDNF i ketonu, który jest produktem ubocznym metabolizmu tłuszczów uwalnianym z wątroby. Wstrzyknięcie ketonu do mózgów myszy, które nie biegły, przyczyniło się do zahamowania deacetylaz histonowych i zwiększyło ekspresję BDNF w hipokampie., Odkrycie pokazuje, jak cząsteczki mogą podróżować przez krew, przekroczyć barierę krew-mózg i aktywować lub hamować markery epigenetyczne w mózgu.5

podczas gdy niektórzy badają epigenetyczny związek między ćwiczeniami a sprawnością poznawczą, inni nadal odsłaniają nieznane wcześniej powiązania. Na przykład w 2016 roku van Praag, obecnie w Florida Atlantic University Brain Institute, i współpracownicy odkryli, że białko zwane katepsyną B, które jest wydzielane przez komórki mięśniowe podczas aktywności fizycznej, było wymagane do ćwiczeń w celu pobudzenia neurogenezy u myszy., W hodowlach tkankowych dorosłych komórek progenitorowych hipokampa, katepsyna B zwiększyła ekspresję Bdnf i poziom jej białka oraz zwiększyła ekspresję genu zwanego doublecortin( DCX), który koduje białko potrzebne do migracji nerwowej. U myszy nokautujących katepsynę B nie stwierdzono zmian w neurogenezie po wysiłku fizycznym.

nikt nie wierzy, że ćwiczenia będą magiczną kulą. Ale to nie znaczy, że nie powinniśmy tego robić.,

—Kirk Erickson, University of Pittsburgh

zespół Van Praaga odkrył również, że nieludzkie naczelne i ludzie, którzy biegali na bieżniach, mieli podwyższony poziom katepsyny B w surowicy krwi po ćwiczeniach. Po czterech miesiącach biegania na bieżni trzy dni w tygodniu przez 45 minut lub więcej, uczestnicy rysowali z pamięci dokładniejsze Zdjęcia niż na początku badania, zanim zaczęli ćwiczyć.,6

garstka grup badawczych zaczęła teraz boleśnie szukać innych cząsteczek uwalnianych podczas ćwiczeń, które mogłyby zwiększyć aktywność BDNF i innych genów pobudzających mózg, mówi van Praag, i staje się jasne, że to, co dzieje się w organizmie, wpływa na mózg. „Nie myślimy o tym tak dużo, jak powinniśmy.”

działanie lecznicze

od lat 80.badania ludzi wskazywały na związek między ćwiczeniami a wzrostem wydajności poznawczej. Zrozumienie tego związku ma szczególne znaczenie dla pacjentów z chorobami neurologicznymi., Uniwersytet Południowej Kalifornii neurobiolog Giselle Petzinger leczy pacjentów z chorobą Parkinsona od dziesięcioleci i zaobserwował, że ci, którzy ćwiczą, mogą poprawić równowagę i chód. Taka obserwacja wskazywała, że mózg zachowuje pewną plastyczność po wystąpieniu objawów choroby, a połączenia neuronowe tworzą się, aby wspierać wzrost zdolności motorycznych.

kilka lat temu Petzinger i jej koledzy zaczęli badać mysi model choroby Parkinsona., Zespół odkrył, że aktywne myszy mają więcej receptorów dopaminy w zwojach podstawnych, grupie struktur neuronalnych ważnych dla ruchu, uczenia się i emocji.7 poziomów receptorów dopaminy koreluje z plastycznością mózgu, a utrata receptorów dopaminy jest jednym z charakterystycznych objawów choroby Parkinsona. Używając antagonisty dopaminy jako radioaktywnego znacznika, zespół odkrył, że pacjenci, którzy chodzili na bieżni trzy razy w tygodniu przez osiem tygodni zwiększali liczbę receptorów dopaminy w zwojach podstawnych.,8

Paying it forward

już w latach 90.XX wieku badania zaczęły wykazywać pośrednie powiązania między aktywnością fizyczną kobiet w ciąży a mózgami ich ciężarnych dzieci. Na przykład badanie z 1996 r. wykazało, że w wieku pięciu lat dzieci matek, które regularnie ćwiczyły w czasie ciąży, lepiej radziły sobie w testach ogólnej inteligencji i umiejętności językowych ustnych niż dzieci, których matki nie ćwiczyły zbyt wiele (J Pediatrics, 129:856-63). I badania wspierające to stowarzyszenie nadal się kumulują., Na przykład w 2016 r.jedno z badań wykazało, że chłopcy urodzeni przez aktywne fizycznie matki mieli wyższe wyniki w testach matematycznych i językowych niż chłopcy z siedzących mam (J Matern Fetal Neonatal Med, 29:1414-20).

naukowcy od dawna zakładają, że zmiany wywołane ćwiczeniami u potomstwa mają charakter epigenetyczny, a ostatnie badania zaczynają potwierdzać tę hipotezę. Jedna z grup poinformowała w 2015 roku, że trzy miesiące ćwiczeń fizycznych zmieniły wzorce metylacji DNA plemników młodych mężczyzn., Zmiany wystąpiły w genach związanych ze schizofrenią, chorobą Parkinsona i innymi zaburzeniami mózgu (Epigenomics, doi: 10.2217 / epi.15.29).

Patrz „Ghosts in the Genome”

aby dokładniej zbadać wywołane ćwiczeniami zmiany w ekspresji genów, Anthony Hannan z Florey Institute of Neuroscience and Mental Health w Wiktorii w Australii i współpracownicy badali plemniki myszy, które biegały na kołach lub wykonywały inne aktywności fizyczne. Zespół wykazał, że ćwiczenia stymulowały zmiany poziomu ekspresji kilku małych RNA w komórkach zarodkowych samców myszy., Wiadomo, że małe RNA pakowane w gamety mogą wpływać na metabolizm potomstwa, a być może także uczenie się i pamięć. Samce myszy urodzone przez ojców z tymi zmianami w ich plemnikach miały obniżony poziom lęku, co doprowadziło autorów do wniosku, że ćwiczenia rodzicielskie mogą wywierać transgeneracyjny wpływ na zdrowie emocjonalne potomstwa (Transl Psychiat, 7:e1114, 2017).,
na początku tego roku André Fischer, neuropatolog Doświadczalny w niemieckim Centrum chorób neurodegeneracyjnych w Getyndze, i jego koledzy opublikowali jedno z najbardziej przekonujących badań pokazujących, że korzyści płynące z wzbogaconego środowiska w mózgu mogą być przekazywane epigenetycznie z rodzica na potomstwo. Zespół umieszczał dorosłe samce myszy w klatkach z kółkami do biegania i innymi zabawkami, podczas gdy ich kuzyni mieszkali w klatkach bez kółek i zabawek., Połączenia synaptyczne wzrosły u myszy w wzbogaconych środowiskach, a zespół zaobserwował również zwiększone połączenia w mózgach potomstwa aktywnych myszy—zarówno samców, jak i samic. Potomstwo uczyło się nieco szybciej i miało nieco lepszą pamięć niż myszy z rodzicami hodowane w tradycyjnych klatkach, chociaż różnice nie były istotne statystycznie (Cell Rep, 23:P546–54, 2018)., Analizując plemniki myszy macierzystych, Fischer i jego współpracownicy zidentyfikowali dwa mikroRNA—miR212 i miR132, oba związane z rozwojem neuronów-które wydawały się wpływać na zdolności poznawcze potomstwa aktywnych myszy.
nie jest jeszcze jasne, czy te wyniki można przetłumaczyć na ludzi, ale Fischer i jego koledzy piszą w swoich badaniach, że wyniki mogą być ważne dla medycyny reprodukcyjnej. „Pomysł, że . . . szkolenie w dorosłym życiu zapewnia korzyści poznawcze nie tylko osobie poddanej tej procedurze, ale także jej potomstwu jest fascynujące.,”

badania Petzingera na myszach ujawniły również inne możliwe mechanizmy korzyści ćwiczeń dla pacjentów z Parkinsonem, w tym utrzymanie kolców dendrytycznych, małe projekcje, które rozgałęziają się od komórek nerwowych, aby odbierać sygnały elektryczne z innych neuronów w pobliżu, oraz synapsy wzdłuż tych kolców.,9 efekty te wydają się modyfikować łączność synaptyczną w mózgach myszy i modyfikować postęp choroby zwierząt, mówi Petzinger, który właśnie kończy badanie dotyczące korzystania z ćwiczeń w celu ukierunkowania zaburzeń poznawczych w chorobie Parkinsona.

ćwiczenia na receptę mogą być również korzystne dla pacjentów z chorobą Alzheimera lub osób zagrożonych rozwojem choroby. Kilka badań pokazuje, że aktywność fizyczna może przeciwdziałać zwiększonemu ryzyku rozwoju choroby u osób posiadających allel APOE-ε4—najczęstszy wariant genu związany z późnym początkiem choroby., A co więcej-najnowsze badania sugerują, że ćwiczenia mogą zwalczać pogorszenie stanu mózgu związane z chorobą.

badanie wpływu ćwiczeń na układ nerwowy może pomóc naukowcom zidentyfikować najlepszą i najbardziej skuteczną strategię utrzymania zdrowia mózgu w miarę starzenia się.,

—Giselle Petzinger, University of Southern California

w 2018 roku van Praag, wraz z naukowcami z Harvard Medical School, MIT, Massachusetts General Hospital, Dana-Farber Cancer Institute i Salk Institute, opublikował badanie na myszach, które wykazało, że ani neuroprotekcyjny lek, ani terapia genowa nie wytwarzają zbyt dużo WNT3, białka, które zostało połączone z neurogenezą, odwróciły objawy demencji. Jednak, kiedy myszy mogły ćwiczyć, ich wydajność poznawcza poprawiła się., Kiedy zespół połączył lek neuroprotekcyjny z terapiami w celu nadekspresji genu Bdnf w mózgach myszy, które nie ćwiczyły, poprawa ich wydajności poznawczej odpowiadała tym myszy, które miały dostęp do koła biegowego.10 praca, mówi van Praag, może stanowić drogę do leczenia pacjentów z chorobami neurodegeneracyjnymi, którzy są zbyt słabi, aby ćwiczyć.

Patrz „korzyści z ćwiczeń dla demencji mogą być wykonane chemicznie”

wynik oferuje również wsparcie dla 58 badań klinicznych obecnie prowadzonych na ćwiczenia, poznania i choroby Alzheimera., Istnieje prawie 100 trwających badań, w tym Petzinger, badanie roli ćwiczeń w łagodzeniu objawów Parkinsona, i setki więcej patrząc na ćwiczenia jako interwencję przeciwko depresji. Niektórzy badacze są nawet badania wpływu ćwiczeń na starzenie.

„aktywny tryb życia nie zmieni 70-letniego mózgu w 30-letni”-mówi Petzinger. „Ale badanie wpływu ćwiczeń na układ nerwowy może pomóc naukowcom zidentyfikować najlepszą i najskuteczniejszą strategię—niezależnie od tego, czy jest to aktywność Sama, czy aktywność w połączeniu z lekami-w celu utrzymania zdrowia mózgu w miarę starzenia się.,”

1. H. Maejima i in.,” Ćwiczenie i niskopoziomowe hamowanie receptora GABAA modulują aktywność ruchową i ekspresję BDNF wraz ze zmianami w regulacji epigenetycznej w hipokampie”, Neurosci Lett, 685:18-23, 2018.
2. H. van Praag et al., „Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus”, Nat Neurosci, 2: 266-70, 1999.
3. H. van Praag et al., „Running enhances neurogenesis, learning, and long-term potentiation in mice”, PNAS, 96: 13427-31, 1999.
4. A. Collins i in.,, „Ćwiczenia poprawiają reakcje poznawcze na stres psychologiczny poprzez wzmocnienie mechanizmów epigenetycznych i ekspresji genów w zębach zębowych”, PLOS ONE, 4: e4330, 2009.
5. S. F. Sleiman et al., „Ćwiczenie Promuje ekspresję czynnika neurotroficznego pochodzącego z mózgu (BDNF) poprzez działanie β-hydroksymaślanu ketonu w organizmie”, eLife, 5:e15092, 2016.
6. H. Y. Moon et al., „Wywołane przez systemowe wydzielanie katepsyny B związane jest z funkcją pamięci”, Cell Metab, 24: 332-40, 2016.
7. B. E. Fisher et al.,, „Exercise-induced behavioral recovery and neuroplasticity in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6–tetrahydropiridine-lesioned mouse basal ganglia,” J Neuro Res, 77: 378-90, 2004.
8. B. E. Fisher et al., „Ćwiczenia na bieżni zwiększają potencjał wiązania receptora dopaminy D2 w prążkowiu u pacjentów z wczesną chorobą Parkinsona”, NeuroReport, 24: 509-14, 2013.
9. W. A. Toy et al.,, „Treadmill exercise reverses Dendritic spine loss in direct and indirect striatal medium spiny neurons in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropiridine (MPTP) mouse model of Parkinson 's disease,” Neurobiol Dis, 63: 201-09, 2014.
10. S. H. Choi i in., „Combined adult neurogenesis and BDNF mimic exercise effects on cognition in an Alzheimer' s mouse model, ” Science, 361:eaan8821, 2018.