Бежать и соображать

Как физкультура делает улитку и человека умнее

Экспериментальные улитки в аквариуме. Фото: «Чердак»

После зарядки человек становится увереннее, смотрит на мир с оптимизмом и лучше запоминает новую информацию. Этот эффект наблюдается и у других животных, даже у улиток и сверчков. Почему это происходит, «Чердаку» рассказала Варвара Дьяконова, ведущий научный сотрудник лаборатории нейробиологии развития Института биологии развития РАН.

— Правда ли, что физкультура хорошо влияет на наши мыслительные способности?

— Да, причем долгое время биологам казалось, что тут нет никакой интриги. Понятно, что двигательная активность улучшает метаболизм, кровообращение, от чего увеличивается доступ кислорода в ткани и нервная система работает лучше.

Некоторое время назад выяснилось, что все гораздо интереснее, потому что эффект может проявляться настолько быстро, что его нельзя объяснить только метаболизмом и кровообращением. Оказалось, что мозг при интенсивном движении вырабатывает сигнальные молекулы, активирующие его работу.

Сначала интерес к этому механизму появился со стороны медиков — оказалось, что интенсивную физическую активность можно использовать как терапию при неврологических и когнитивных заболеваниях. Например, легкие формы депрессии прекрасно лечатся физкультурой. Также она помогает при нейродегенеративных расстройствах, в том числе возрастных, и даже при восстановлении после мозговых травм и инсультов.

У здоровых людей также наблюдается стимуляция работы мозга. Например,
после зарядки люди легче принимают решения. Они могут быть менее точными, но человек меньше сомневается. Уверенность и оптимизм — это очень выраженные эффекты.


Раньше считалось, что этот эффект можно наблюдать только при регулярных тренировках, потом оказалось, что достаточно получаса занятий и не нужно заниматься регулярно, а при очень интенсивных занятиях достаточно и нескольких минут.

Конечно, нужно знать меру. У профессиональных спортсменов появляется зависимость, и, если они перестают тренироваться, может развиваться депрессия.

— Как работает этот механизм?

— При физических нагрузках в мозге вырабатываются несколько типов веществ. Серотонин обладает антидепрессивным действием, повышает настроение, стимулирует активное поведение. Выработка дофамина связана с ощущением уверенности при принятии решений.

Кроме того, активируется эндоканнабиноидная система, то есть
зарядка — это все равно что немножко покурить анаши.

Наступает легкая эйфория, улучшается настроение. Также начинает работать опиоидная система — в мозгу вырабатываются опиоидные пептиды — «внутренние наркотики», которые также связаны с ощущением удовольствия.

Это объясняет, почему через некоторое время людям начинает нравится заниматься спортом. Вначале тяжело, но в какой-то момент очень многие чувствуют, что продолжать хочется. На крысах было показано, что это происходит из-за включения внутренних систем подкрепления.

Также вырабатывается целый ряд факторов роста, в частности нейротрофический фактор мозга. Поэтому двигательная активность повышает нейрогенез — образование новых нервных клеток — в гиппокампе. Благодаря этому физические упражнения улучшают память и облегчают обучение.

— Получается, наш мозг — за здоровый образ жизни?

— С точки зрения расхода энергии существование этого механизма выглядит странно. Одна из главных забот организма — как получить побольше, а энергии затратить поменьше. Двигательная активность — это и так колоссальный расход энергии. Не очень понятно, зачем после ее прекращения сохранять состояние подъема, готовности тратить еще больше энергии вместо того, чтобы восполнять потраченное.

Еще интереснее стало, когда биологи стали выяснять, во что обходятся живым существам умственные способности: сколько они стоят с точки зрения расхода энергии и исчерпывается ли плата только ею.

Прежде всего, хотя кажется, что когнитивные функции дают колоссальное преимущество во внутривидовой конкуренции, почему-то умные особи в популяциях занимают далеко не лидирующее положение.

Были эксперименты на очень разных животных — например, есть старые работы по крысам и недавние — на мухе-дрозофиле, когда ученые целенаправленно отбирали на протяжении многих поколений тех животных, которые лучше обучаются, лучше решают задачи. Эффект был поразительный: оказалось, что у животных резко снижается конкурентоспособность, плодовитость, уменьшается количество потомков, а те, что рождаются, получаются более слабыми. То есть с биологической точки зрения плата была катастрофическая.

Портрет мухи дрозофилы
Портрет мухи дрозофилы. Фото: Ireneusz Waledzik / ФОТОДОМ / shutterstock


На биологическом факультете МГУ в семидесятых годах в лаборатории Крушинского исследователи просто не смогли довести эти эксперименты до конца, потому что у крыс, которых отбирали на сообразительность, тревожность увеличивалась быстрее, чем способность к решению задач. В результате животные были насколько нервными, что никакого толку от них в экспериментальной ситуации не было.

Несколько лет назад в лаборатории повторили эти эксперименты, но стали вести отбор по двум параметрам: и по уму, и по низкой тревожности в экспериментальной ситуации. Тех животных, которые проявляли высокую тревожность, отбраковывали. Ученым удалось получить линию, которая лучше решала экспериментальные задачи. Нельзя сказать, что крысы были сверхумные, но статистически проходили тесты лучше, чем контрольная группа. Однако в отношении тревожности результаты были неоднозначными: в некоторых экспериментах крысы показывали низкую тревожность, в некоторых — высокую.

Так что когнитивные способности обходятся довольно дорого. Они также быстро угасают, когда ситуация перестает их требовать. Например, среда становится более постоянной или давление полового отбора снижается. Впечатление такое, что просто так организм не будет их активировать Поэтому улучшение когнитивных способностей после энергетически затратной двигательной активности кажется парадоксальным. Из-за этого мы и заинтересовались этой темой.

— Как вы объясняете этот парадокс?

— Во-первых, в естественных условиях повышение двигательной активности чаще всего связано с тем, что животное кого-то преследует или от кого-то убегает. В таких условиях все нужно делать быстрее, в том числе оценивать ситуацию и принимать решения.

Но казалось бы, пробежались, остановились — можно выключать соображалку. Однако оказывается, что наоборот: эти эффекты не только сохраняются после упражнений, но и могут усиливаться. Наше предположение: догоняя или убегая, животное оказывается в менее знакомой обстановке. Понятно, что в такой обстановке лучше оказаться с активно работающим мозгом: прозеваешь хищника за кустом — и все, тебя съели.

Если эти гипотезы верны, то этот механизм должен быть очень широко распространен в природе. Эта функция должна была быть зашита в нас очень давно.


— Как вы проверяли эти предположения?

— Мы взяли животных, очень далеких от человека, — сверчков и улиток. У них нет никакого гиппокампа, в котором мог бы происходить нейрогенез, нервная система устроена совершенно по-другому, и общий предок у них с человеком был в глубокой древности каким-то примитивным червячком.

Экспериментальные улитки-прудовики в аквариуме. Фото: «Чердак»


Мы обнаружили, что двигательная активность оказывала влияние на наших подопытных, хотя в отношении их и говорить нельзя о когнитивных функциях. Сверчков мы заставляли летать — у них это самая энергоемкая форма активности, а потом смотрели на такие формы поведения, как пугливость, агрессия и ухаживание. Вкратце: физические упражнения повышали агрессию, стимулировали ухаживающее поведение и снижали пугливость.

Говорить об умственных способностях улитки тоже сложно. Однако проблему выбора того или иного поведения решает и улитка, и даже одноклеточное животное, просто происходит это по-разному. Мы не знаем, думает улитка или нет, но решения она может принимать, ее нервная система как-то умеет взвешивать «за» и «против».

Мы смотрели, как влияет двигательная активность на скорость принятия решений улиткой-прудовиком. Улитку, которая живет в аквариуме, мы помещали в новую для нее среду — вынимали ее из воды и сажали на стекло. В природе улитки и сами иногда выползают на сушу в поисках еды или нового места обитания, если, например, в водоеме изменился состав воды. Но долго улитка находиться на суше не может, так как засыхает без воды. Поэтому она должна сообразить, куда идти, и сделать это быстро.

Оказалось, что улитки, которые до этого интенсивно ползали — а мы их заставляли это делать — гораздо быстрее принимали решение, в какую сторону идти, и быстрее двигались. Они продолжали тратить энергию более активно, и этот эффект удивительно похож на тот, что наблюдается у млекопитающих, в том числе человека.

После физических упражнений у улиток меняется реакция на прикосновение.
Слева: улитку, которую не заставляли до этого ползать, трогают палочкой — улитка прячется. Справа: улитку, которую заставляли ползать, трогают палочкой — улитка вытягивает голову и начинает осматриваться. Фото предоставлено Варварой Дьяконовой


Статья с результатами исследования опубликована в Journal of Experimental Biology.
Теги:

Читать еще на Чердаке: