Физические упражнения меняют работу мозга и организм становится выносливее

Учёные обнаружили у мышей группу нейронов, участвующих в формировании выносливости после бега. Исследователи предполагают, что похожие клетки есть и у людей, поэтому они могут стать перспективной мишенью для лекарств или других терапевтических подходов, усиливающих эффект упражнений.

Долгое время было известно, что физическая активность меняет работу мозга. Однако, как отмечает Николас Бетли из Университета Пенсильвании, существовало мнение, что эти изменения отличаются от процессов, происходящих в других системах организма, например от укрепления мышц. Новые данные показали обратное: по его словам, мозг «координирует всё происходящее».

Чтобы понять, как тренировки воздействуют на нервную систему, команда Бетли отслеживала активность нейронов у мышей до, во время и после работы на беговой дорожке. Исследователи сосредоточились на вентромедиальном гипоталамусе — предыдущие работы показывали, что его нарушения мешают улучшению физической формы у грызунов. Вероятно, подобный механизм характерен и для людей, поскольку у млекопитающих эта область имеет схожие функции и строение.

Учёные обнаружили, что после пробежек усиливалась активность нейронов с рецептором SF1 — он связан с развитием мозга и метаболическими процессами. Доля клеток, реагирующих на физическую нагрузку, увеличивалась с каждым днём: к восьмому дню около 53 процентов нейронов активировались по сравнению с менее чем 32 процентами в первый день. Бетли отмечает, что так же, как мышцы укрепляются при тренировках, повышается и активность мозга.

Затем исследователи применили оптогенетику, чтобы подавить работу этих нейронов у отдельной группы мышей. Животные тренировались пять дней в неделю на протяжении трёх недель, а после каждого занятия нейроны выключали на час. Еженедельно мыши проходили тест на выносливость. В среднем они увеличивали дистанцию примерно на 400 метров, что оказалось вдвое меньше прироста у животных, чья нейронная активность не была нарушена.

Как предполагает Морган Киндел из той же команды, роль этих нейронов может быть связана с управлением энергетическими ресурсами. Обычно при длительной нагрузке организм переходит на использование жиров, потому что запасы углеводов быстро расходуются. Но когда нейроны подавляли, мыши начинали тратить углеводы раньше обычного и быстрее истощались. Учёные обнаружили, что подавление активности этих клеток мешало выделению белка PGC-1 альфа в мышцах, который улучшает энергетическую эффективность. Кроме того, нейроны выделяют вещества, повышающие уровень сахара в крови и помогающие мышцам восстанавливаться.

Оптогенетика требует операции на мозге и непригодна для применения у людей. Тем не менее Бетли предполагает, что можно будет разработать другие способы воздействия на эти клетки. Он считает, что если удастся найти безопасный способ активировать такие нейроны, это может повысить выносливость.

Когда исследователи провели обратный эксперимент, усилив активность клеток вместо подавления, мыши стали значительно выносливее и пробегали более чем в два раза больше контрольной группы.

Подобные методы могли бы помочь людям, которым сложно выполнять физические упражнения — например пожилым или перенёсшим инсульт, отмечает Бетли. Однако остаются вопросы: неясно, применимы ли результаты к человеку, и возможны ли побочные эффекты. Томас Беррис из Университета Флориды предполагает, что чрезмерная стимуляция этих нейронов может опасно снижать уровень сахара в крови, поскольку они влияют на расход энергии в мышцах.

Бетли подчёркивает, что даже успешная активация этих нейронов не заменит полноценные тренировки. По его словам, физическая активность даёт множество дополнительных эффектов — от снижения тревожности до улучшения работы сердца, мышц и когнитивных функций.