Бег делает мозг больше

Всем привет! Это мой обзор на зарубежную статью (DOI: 10.1073/pnas.1205535109), посвященную изучению механизмов увеличения мозговой активности добровольными физическими упражнениями, в частности — бегом.

В статье исследовали мозг крыс двух групп: первая вела сидячий образ жизни, а вторая занималась бегом в колесе на протяжении 28 дней. Тут сразу стоит разделить 2 вида бега: назовем их условно «добровольный» и «вынужденный». Добровольный — это когда вы по своей воле встаете с утра пораньше и идете на стадион или встаете на беговую дорожку. Именно о таком дальше будет идти речь. Вынужденный — это когда вы ежедневно не успеваете на автобус и обязаны бежать до работы несколько километров, постоянно посматривая на часы. Такой бег ничего хорошего не несет, потому что лишний раз добавляет в вашу жизнь ненужный стресс.

Итак, крысы были разделены на две группы:

1. Первая имела в клетке колесо для бега и пользовалась им по назначению на протяжении 28 дней;

2. Вторая соответственно колеса не имела.

По результатам эксперимента при помощи различных методов ученым удалось выделить 5 белков, экспрессия которых увеличивалась в результате тренировок (Bdnf, Mif, Slc1a1, Cox-2, NpY).

Для понимания материала давайте коротко ознакомимся с терминологией. Экспрессией в биологии называют реализацию наследственной информации. Эта информация закодирована в определенной последовательности нуклеотидов в ДНК (как двоичный код, только в данном случае он четвертичный). Расшифровкой кода занимаются молекулы РНК, которые считывают информацию с ДНК и переносят ее из ядра клетки, где она хранится, в «сборочный цех» за пределами ядра — на рибосомы. РНК «показывает» рибосомам шаблон необходимого клетке продукта, после чего происходит его синтез. Далее для наглядности привожу схему:

Как видно из схемы, экспрессия состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции. Соответственно, индукция экспрессии — это увеличение продукта на каждом из них (т.е. и увеличение количества РНК, и ускорение сборки белка на рибосомах).

Итак, беговые упражнения индуцировали экспрессию пяти белков в мозге. Из них предлагаю рассмотреть функции только двух: Bdnf (brain-derived neurotrophic factor = нейротрофический фактор мозга) и Mif (macrophage migration inhibitory factor = фактор, ингибирующий миграцию макрофагов).

Сравнение уровня экспрессии пяти белков в мозге у мышей с сидячим образом жизни (черный) и бегающих (белый) через 28 дней после начала эксперимента

Bdnf или нейротрофический фактор мозга, как следует из его названия — это белок, основной функцией которого является стимуляция роста, развития и выживания нервных клеток. Этот белок синтезируется клетками мозга и связывается со специальным рецептором на поверхности нейронов, запуская каскад промежуточных реакций.

Таким образом, Bdnf — это сигнальная молекула или вторичный мессенджер, который заставляет работать 3 основных сигнальных пути. Для предохранения от случайного срабатывания, все сигнальные пути в организме состоят из большого количества промежуточных реакций, знать которые не обязательно для понимания сути процесса.

Просто для наглядности, вот 3 основных сигнальных пути, которые активирует Bdnf:

Из схемы видно, что в конечном итоге все активированные ключевые ферменты (а именно AKT, CAMK и ERK*) воздействуют на ДНК нейрона, т.е. приводят к индукции экспрессии различных белков самим нейроном.

*ERK некоторые авторы называют MAPK — эти слова синонимы

В конечном итоге, индукция экспрессии белков в нейроне приводит к таким эффектам как Выживаемость, Рост и Нейропластичность. Далее я отвечу на вопрос, в чем это заключается.

Нейроны очень нежные клетки, которые каждую секунду подвергаются воздействию множества негативных факторов. Ими могут быть различные токсины и яды, например тот же никотин, или продукты жизнедеятельности самой клетки. Даже небольшое количество этих веществ способно привести к сбою в работе нейрона и к его гибели. Выживаемость достигается за счет образования защитных белков и ферментов самой клеткой. Так вот Bdnf как раз приводит к индукции экспрессии этих защитных, по-другому нейропротективных, веществ.

Под Ростом подразумевается увеличение количества полезных компонентов нейрона — рецепторов, органоидов и т.д. Для роста нужны строительные материалы — индукцию их экспрессии запускает Bdnf.

Нейропластичность достаточно недавно описанное свойство мозга. Под ним подразумевается способность мозга изменяться под воздействием факторов окружающей среды и опыта. На уровне нейрона это достигается во-первых путем увеличения количества отростков клетки (дендритов), а во-вторых за счет нейрогенеза.

Нейрон — отросчатая клетка. Основная их масса в мозге имеет несколько отростков для входящих сигналов — дендритов, и один для исходящих — аксон. Таким образом, дендриты слушают, а аксон говорит дендритам другого нейрона. Такая цепочка лежит в основе всех наших мыслей, чувств, воспоминаний и действий. Для наглядности добавлю схему нейрона:

Таким образом, увеличивая количество дендритов, нейрон способен получить и обработать больше сигналов, построить больше связей со своими соседями, как если бы у вас было не 2 руки, а 4.

Другой механизм нейропластичности — это нейрогенез, то есть увеличение количества самих нейронов. Долгое время нейрогенез отрицался как факт, однако сегодня можно с уверенностью говорить, что этот процесс имеет место быть. Уже доказано, что нейрогенез происходит постоянно в Гиппокампе — отделе мозга, ответственном за память и обучение.

То есть, активируя нейрогенез, Bdnf позволяет нашему мозгу создать больше нейронов, а значит и их цепочек, и, в конечном итоге, запомнить больше информации!

Но не станем на этом останавливаться и рассмотрим второй белок, а именно - Mif или фактор, ингибирующий миграцию макрофагов.

Этот цитокин был открыт достаточно давно и изучен в рамках его роли в развитии иммунного ответа. Mif является про-воспалительным цитокином, т.е. он активируется, когда организму угрожает какой-то чужеродный агент (бактерии, токсины, трансплантаты и тд). Функции этого белка широко описаны в области его способности играть свою скрипку в развитии воспалительного ответа.

Однако впервые была открыта способность Mif регулировать работу мозга. Как мы уже выяснили, после 28 дней ежедневного бега в мозге крыс повышалась экспрессия этого регуляторного белка. При этом в крови повышения его уровня не было обнаружено. Это значит, что Mif синтезируется внутри мозга и не может проникать в кровь из него и обратно.

Что еще примечательнее, признаков воспаления в мозге в ответ на повышение активности Mif также не было выявлено. Это означает, что цитокин в мозге выполняет функции, отличные от таковых в остальном организме. И пусть вас не смущает его название — в мозге он не имеет отношения к макрофагам.

Было обнаружено, что на поверхности нейронов присутствует рецептор к Mif — такой же как и на поверхности макрофагов и других. Однако в клетках мозга он запускает тот же сигнальный путь, что и Bdnf — путь активации ERK (или MAPK, как на схеме ниже).

Также были проведены эксперименты, направленные на выявление зависимости экспрессии Bdnf от Mif. Для этого в мозг крысам вводился препарат, который связывал Mif и блокировал его активность.

По результатам этих опытов была выявлена прямо-пропорциональная зависимость. При ингибировании Mif (т.е. его «выключении») экспрессия Bdnf значительно снижалась как у группы, которая вела сидячий образ жизни, так и у той, которая тренировалась.

На схеме слева сравнение уровня экспрессии Bdnf в мозге у Mif-положительных крыс: как видим, у тренирующихся крыс (белый столбик) он выше, чем у ведущих сидячий образ жизни. Справа приведены результаты Mif-отрицательной группы, то есть той, у которой активность Mif блокировалась препаратами. Очевидно, что уровень экспрессии Bdnf был значительно снижен у обеих подопытных групп.

Таким образом можно сделать вывод, что в мозге Mif не только прямо влияет на экспрессию белков, необходимых для нейропластичности, но и индуцирует экспрессию Bdnf — фактора, который долгое время считался ведущим активатором роста нейронов и нейрогенеза.

Выводы:

1. Добровольные физические упражнения, такие как бег, способны прямо положительно влиять на такие процессы в мозге как выживаемость и рост нейронов, а также нейрогенез в Гиппокампе;

2. Ежедневный бег на протяжении 28 дней увеличивал экспрессию таких ключевых факторов нейропластичности как Mif и Bdnf;

3. Bdnf способен активировать экспрессию всех компонентов, необходимых для выживания и роста нейронов, а также нейропластичности;

4. Mif является перспективно интересным цитокином, регулирующим в мозге экспрессию ключевого фактора нейропластичности — Bdnf.

Друзья, спасибо, что дочитали до конца. Статья показалась мне интересной, поэтому я написал на нее обзор. Надеюсь вам было все понятно, я постарался изложить материал доступным и популярным языком. Эта не вся информация про мозг и Mif, которая была в статье и которая может быть вам интересной. Я обязательно напишу продолжение!

При желании можете подписаться на ресурсы, которые я также веду: Telegramm, YouTube. Будьте здоровы и до скорого!