Mózg na bieżni

W powszechnym mniemaniu ruch i gimnastyka powodują lepsze dotlenienie i odżywienie organizmu, także tkanki nerwowej, i z tym wiąże się najczęściej dobroczynne działanie ćwiczeń fizycznych. Jednak trudno w ten sposób tłumaczyć poprawę uczenia się i pamięci. Dlatego w ostatnich latach rozpoczęto szeroko zakrojone badania, których celem jest wyjaśnienie mechanizmu dobroczynnego działania ćwiczeń ruchowych na układ nerwowy. W pionierskich doświadczeniach, przeprowadzonych w połowie lat 90. przez zespół C. Cotmana z University of California w Irvine (USA), zwrócono uwagę, że synteza jednego z białek, kluczowych dla rozwoju i naprawy układu nerwowego, rośnie w mózgu pod wpływem ćwiczenia ruchowego. Tym białkiem jest neurotrofina, nazwana w skrócie BDNF (ang. brain-derived neurotrophic factor).

Spośród kilku zidentyfikowanych białek zaliczanych do rodziny neurotrofin, BDNF jest najbardziej rozpowszechniona w strukturach mózgu i rdzenia kręgowego. Jej poziom mierzony w hipokampie, strukturze mózgu związanej z pamięcią, wzrasta u myszy i szczurów, którym umożliwiono bieganie do woli w kręcącym się bębenku (podobnym do tego, w jakim biegają nasze domowe chomiki). Bębenek poruszany jest przez zwierzę, które może w dowolnym momencie rozpocząć lub przerwać bieganie. Zwykle gryzonie pokonują na kole ok. 1 km w ciągu pierwszej doby, a z czasem do kilku kilometrów dziennie. Okazało się, że poziom białka BDNF rośnie w sposób niemal liniowo zależny od dystansu, który zwierzę przemierza. Z drugiej strony, grupa neurofizjologów, kierowana przez X.F. Zhou z Flinders University w Adelajdzie (Australia), wykazała, że gryzonie, którym obniżono poziom BDNF w mózgu, znacznie gorzej zapamiętują zadania wymagające orientacji przestrzennej.

Warto dodać, że trudności w wykonaniu takich zadań obserwuje się zarówno u zwierząt doświadczalnych, jak też u ludzi z uszkodzeniami w obrębie hipokampa. Wyniki te pokazują, że procesy uczenia się wymagają odpowiedniego poziomu BDNF, i jednocześnie, jak w prosty sposób, bo za pomocą biegania, można podwyższać poziom tej neurotrofiny. Możliwość podwyższenia poziomu BDNF za pomocą ćwiczenia okazała się szczególnie ważna w świetle danych wskazujących, że ubywa jej w mózgu wraz wiekiem.

W ubiegłym roku B. Greenwood ze współpracownikami z University of Colorado wykazali, że zwierzęta lepiej zapamiętują zadanie, jeśli proces uczenia poprzedzimy sześciotygodniowym ćwiczeniem ruchowym (bieganie). Lepszemu zapamiętywaniu towarzyszy wzrost syntezy BDNF w hipokampie.

Czy można wyciągnąć z tych badań wniosek, że im więcej białka BDNF, tym lepiej? Tylko w pewnych granicach. Dowodzą tego wyniki najnowszych doświadczeń zespołu R. Brambilli z San Raffaele Scientific Institute w Mediolanie, który badał pamięć krótko- i długotrwałą myszy zmodyfikowanych genetycznie. W mózgach tych zwierząt poziom BDNF był niemal dwukrotnie wyższy w porównaniu z myszami niezmodyfikowanymi. Okazało się, że tak wysoki poziom BDNF wcale nie poprawia wyników w testach badających pamięć i uczenie się, ale wręcz je pogarsza. Można więc zaryzykować stwierdzenie, że to właśnie ćwiczenie ruchowe, które daje możliwość subtelnego podwyższania poziomu BDNF w układzie nerwowym, wywiera dobroczynny wpływ na procesy poznawcze – na pamięć i uczenie się. Natomiast znaczące przekroczenie fizjologicznego poziomu jest niekorzystne.

Przytoczone badania dokumentują związek pomiędzy dobroczynnym wpływem ćwiczenia na takie procesy jak pamięć i uczenie się a poziomem neurotrofiny BDNF, ale nie tłumaczą mechanizmu tego zjawiska. Co więcej, można mieć wątpliwości, dlaczego przywiązuje się tak dużą wagę do jednego białka – BDNF, skoro wiadomo, że nie działa ono w próżni – oddziałuje na wiele innych białek i samo też podlega ich oddziaływaniom. Odpowiedzi na to pytanie dostarczają częściowo wyniki badań grupy F. Gomeza-Pinilli z University of California w Los Angeles. Badacze ci szukali białek, których poziom w hipokampie zmienia się pod wpływem ćwiczenia ruchowego. Zbadali zachowanie ponad 1100 genów występujących w tej strukturze mózgu u gryzoni poddanych ćwiczeniom o różnym czasie trwania (od kilku dni do miesiąca). Okazało się, że spośród zbadanych genów jedynie gen kodujący BDNF charakteryzował się spójną, podwyższoną odpowiedzią we wszystkich grupach zwierząt. Ponieważ większość białek kodowanych przez zbadane geny współdziała z BDNF,
autorzy przypisują właśnie tej neurotrofinie kluczowe znaczenie w plastyczności neuronalnej, która jest podłożem zapamiętywania i uczenia się. Dlatego wyjaśnienie, w jaki sposób neurotrofina ta może oddziaływać na komórki nerwowe, stanowi jedno z ważniejszych wyzwań współczesnej neurofizjologii.

Jedną z istotnych funkcji, jaką pełni BDNF w układzie nerwowym, jest udział w przekazie sygnałów pomiędzy komórkami nerwowymi, czyli neuronami. Neurony różnią się od innych komórek naszego ciała zdolnością do „rozmawiania ze sobą” za pomocą sygnałów elektrycznych i elektryczno-chemicznych. W tym drugim, bardzo częstym przypadku neuron, który przekazuje informację sąsiedniemu neuronowi, robi to za pośrednictwem cząsteczki neuroprzekaźnika – substancji chemicznej, wydzielanej do tzw. szczeliny synaptycznej, oddzielającej obie komórki. Potencjał elektryczny powstający w pobudzonym neuronie przenoszony jest od rozkrzewionych wypustek przypominających drzewo (dendrytów) w kierunku ciała komórki, a następnie wzdłuż długiej wypustki (aksonu) do jej zakończeń (patrz rysunek).

Miejsca, w których zakończenie aksonu kontaktuje się z drugim neuronem odbierającym sygnał, to synapsy. Tu znów dochodzący do synapsy potencjał elektryczny uruchamia wyrzut neuroprzekaźnika – sztafeta przekazu sygnału trwa. W przestrzeni synaptycznej neuroprzekaźnik wychwytywany jest przez detektory sygnału – wyspecjalizowane białka receptorowe rozmieszczone w błonie sąsiadującego neuronu. Sprawne porozumiewanie się między neuronami zależy przede wszystkim od synaps. Można przyjąć, że im większa synapsa, tym więcej neuroprzekaźnika zostanie uwolnione do przestrzeni synaptycznej i tym więcej receptorów w błonie neuronu docelowego będzie mogło związać neuroprzekaźnik. Mówimy, że zwiększa się w ten sposób siła synapsy. A to oznacza łatwiejszy i skuteczniejszy przekaz sygnału przez tę synapsę do kolejnego neuronu. Zdolność neuronów do szybkiego modyfikowania siły połączeń synaptycznych, w zależności od zapotrzebowania, nazywamy plastycznością układu nerwowego. To ona, jak powiedzieliśmy już wcześniej, jest
podłożem uczenia się i pamięci, a także procesów naprawczych po uszkodzeniach układu nerwowego.

Jaką więc rolę odgrywają w plastyczności układu nerwowego neurotrofiny, a zwłaszcza BDNF? Otóż BDNF włącza się w ten proces, działając w obrębie synapsy. Neurotrofiny produkowane przez neurony transportowane są do synapsy i uwalniane do przestrzeni synaptycznej, podobnie jak neuroprzekaźniki. Udowodniono w licznych badaniach, że poziom BDNF w układzie nerwowym zależy od aktywności neuronów. Z drugiej strony, BDNF zwiększa aktywność neuroprzekaźnika wydzielanego z pobudzonego neuronu, a więc poprawia skuteczność jego działania na komórkę docelową. Jest to możliwe, gdyż związanie się BDNF z jednym z dwóch właściwych mu receptorów uruchamia odpowiedni program wewnątrzkomórkowy. Jeden z tych receptorów, nazywany w skrócie TrkB, pełni szczególnie ważną funkcję. BDNF, po związaniu się z nim, uruchamia procesy wewnątrz neuronu, które mogą w końcowym efekcie przynieść tak poważne zmiany plastyczne jak zwiększenie się powierzchni synapsy i polepszenie skuteczności przekazu sygnałów przez te synapsy, w obrębie których
działa tandem BDNF-TrkB. Co więcej, może zwiększać liczbę rozgałęzień drzewka dendrytycznego, zwiększając zarazem powierzchnię neuronu i tworząc warunki do zwiększenia liczby synaps. W ten sposób poprawia się sprawność sieci neuronowych.

Procesy te zachodzą w całym układzie nerwowym, choć niektóre struktury są bogatsze w neurotrofiny niż inne. Jak wykazaliśmy w naszym laboratorium w Zakładzie Neurofizjologii Instytutu im. Marcelego Nenckiego w Warszawie, rdzeń kręgowy i hipokamp są szczególnie bogate w BDNF, co może sugerować, że są też bardziej podatne na zmiany plastyczne, istotne nie tylko dla procesów uczenia się i pamięci, ale także dla procesów naprawczych po uszkodzeniach ośrodkowego układu nerwowego. To ostatnie zagadnienie jest przedmiotem badań, które prowadzimy wspólnie z doc. dr hab. Małgorzatą Skup i gronem młodych kolegów. Pytania, na które staramy się odpowiedzieć, dotyczą udziału neurotrofin w procesach naprawczych po uszkodzeniach rdzenia kręgowego. Wyniki naszych badań potwierdzają, że poziom BDNF rośnie w rdzeniu kręgowym pod wpływem umiarkowanie intensywnego biegania na ruchomej bieżni. Jednak u szczurów z całkowicie przeciętym rdzeniem kręgowym podobny trening nie powoduje wyraźnego podwyższenia poziomu BDNF, choć
przynosi pewną poprawę funkcji ruchowych. Jest prawdopodobne, że połączenie treningu ruchowego z innymi technikami wzbogacającymi rdzeń kręgowy w BDNF spowoduje, że sumaryczny efekt tych działań terapeutycznych będzie bardziej skuteczny aniżeli każdego z nich oddzielnie.

Czy bieganie jest najlepszym narzędziem fizjoterapeutycznym po uszkodzeniach rdzenia kręgowego? Na pytanie to starała się odpowiedzieć grupa M. Basso z The Ohio State University w Columbus (USA). Zwierzęta z częściowo uszkodzonym rdzeniem kręgowym poddano trzem rodzajom treningu ruchowego: pływania, stania i biegania. U wszystkich trenowanych zwierząt stwierdzono podobny wzrost poziomu syntezy BDNF w rdzeniu kręgowym, ale w mięśniach był on wyraźnie wyższy w grupie biegaczy niż u osobników po innych ćwiczeniach. Co więcej, biegacze wykazali najbardziej znaczącą poprawę funkcji czuciowo-ruchowych, przypuszczalnie dzięki większej zasobności mięśni w BDNF.

Czy przytoczone wyniki badań przeprowadzonych na zwierzętach mają dla nas praktyczne znaczenie? Zdecydowanie tak. Wiadomo, że poziom BDNF w układzie nerwowym maleje wraz z wiekiem. Obniża się on także pod wpływem stresu i w stanach depresyjnych. Zmiany te upośledzają uczenie się i pamięć. Dobrze wiedzieć, że te niekorzystne procesy można spowolnić, a nawet częściowo odwrócić, za pomocą różnorodnych ćwiczeń ruchowych. Ilustrują to wyniki najnowszych badań zespołu K.I. Ericsona z University of Pittsburgh. Badacze ci zmierzyli, za pomocą rezonansu magnetycznego, objętość hipokampa u zdrowych ludzi w różnym wieku. Stwierdzili, że maleje ona wraz z wiekiem. Do dalszych badań zaproszono starsze, zdrowe osoby i niektóre z nich poproszono o uprawianie niezbyt obciążającego aerobiku. W grupie osób gimnastykujących się przez kilka miesięcy zaobserwowano zwiększanie się hipokampa w miarę treningu. Co więcej, zmianom tym towarzyszyła poprawa zapamiętywania.

Warto więc posłuchać Seneki Młodszego, który doradzał ćwiczenie jako metodę na utrzymanie w dobrej kondycji ciała i umysłu.

Julita Czarkowska-Bauch

Autorka jest doc. dr hab. pracującym w Zakładzie Neurofizjologii Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego w Warszawie. W ramach Tygodnia Mózgu wygłosi wykład „Dlaczego warto gimnastykować mózg”.