Long-term cyclic aerobic training preserves the brain's health in elderly persons (brief review)

Full Text

Среди врачей спортивной медицины существует распространенное мнение, что большие физические нагрузки, которые характерны для спорта высших достижений, в конечном итоге вредно отражаются на состоянии здоровья спортсмена. При этом, оставляя вне рассуждений такие травматичные виды спорта, как бокс, различные формы единоборств, хоккей, футбол, регби, американский футбол и др., имеют в виду циклические виды спорта, связанные с развитием выносливости. К подобному мнению приводят результаты регулярных повторных обследований спортсменов многих видов спорта. В огромном количестве публикаций на эту тему выделяется основная причина различных отклонений в деятельности сердца, сформулированная еще в прошлом веке - неадекватность физических нагрузок функциональному состоянию организма спортсмена [1]. Рассмотрим эту проблему с другой стороны и попытаемся уточнить, какие выгоды для здоровья спортсмена могут дать длительные занятия циклическими физическими упражнениями аэробного характера.

Цель настоящего обзора зарубежной научной литературы - кратко осветить интенсивно изучаемую проблему адаптации системы кровообращения мозга к длительной мышечной работе, которая обеспечивается современными высокотехнологичными средствами, а также показать какие при этом происходят долговременные структурные и функциональные изменения в мозге человека.

Желудочко-артериальное сопряжение

Имеются многочисленные научные исследования, которые убедительно продемонстрировали прочные взаимоотношения между артериальной жесткостью и геометрией левого желудочка. Было установлено, что типичная адаптация сердца при перегрузке постнагрузкой, которая является следствием артериальной жесткости, увеличивает гипертрофию миокарда и еще больше увеличивает его жесткость [2, 3, 4]. Кроме того, известно, что проявление сердечно-сосудистых заболеваний с возрастом связано с ростом не только желудочковой, но и артериальной жесткости [5, 6]. Выявлено также, что при длительных тренировках на выносливость с годами комплайнс миокарда сохраняется лучше у бывших спортсменов высокого класса (ВС) по сравнению с лицами, ведущими малоподвижный образ жизни [7], а регулярные циклические физические нагрузки предотвращают и/или снижают, связанную с возрастом, жесткость центральных артерий [8, 9, 10, 11].

Учитывая названные закономерности S. Shibata et al. [10, 12] показали, что тренировки на выносливость могут оказывать воздействие на дефектное перестроение сердечно-сосудистой жесткости посредством усовершенствования желу-дочко-артериального сопряжения. Отрицательная динамика механизма Франка-Старлинга, в основе которой лежат связанные с возрастом изменения жесткости миокарда и артериальных сосудов, может сдерживаться в результате регулярных многолетних занятий циклическими видами спорта «на выносливость». Ухудшение названного механизма может замедляться также и на позднем этапе жизни при регулярных занятиях циклическими физическими упражнениями. Перечисленные закономерности были выявлены посредством оценки ритмического взаимодействия индексов, характеризующих (от сокращения к сокращению) преднагрузку и постнагрузку сердца. В названной работе сопоставлялись диастолическое давление в легочной артерии (ДДЛА), как входящая переменная, против систолического объема (СО), как выходящей переменной. Выборку показателей получали при непрерывной регистрации в течение нескольких минут. Передаточная функция сердца вычислялась посредством спектрального, фазового, когерентного анализа.

В названном подходе колебания ДДЛА от сокращения к сокращению сердца предопределяют изменения каждого последующего СО, который, в свою очередь, изменяется в зависимости от колебаний периферического сопротивления артериальных сосудов. Эти взаимоотношения выражаются временным (фазовым) опережением (отставанием) сигнала на выходе (СО) относительно сигнала на входе (ДДЛА) в частотном диапазоне дыхания (0,18-0,22 Гц), и определяются величиной коэффициента передачи, который отражает желудочко-артериальное сопряжение. На трех группах испытуемых, таким образом, было показано, что усиление передаточной функции между ДДЛА и СО оказалось наибольшим у молодых испытуемых, промежуточным -у пожилых лиц, бывших спортсменов, наименьшим - у пожилых физически малоактивных лиц [12].

Данный метод был разработан и надежно применялся для оценки регуляции насосной функции сердца J. Saul с коллегами [13, 14] и продолжает применяться многими исследователями в настоящее время [10, 12, 15, 16].

Кровообращение мозга

Известно, что сердечная барорефлекторная функция ослабляется с возрастом [17, 18]. Её ухудшение является неблагоприятным прогностическим индикатором для сердечно-сосудистых заболеваний и может приводить к ортостатической гипотензии, потере равновесия, обмороку, если динамическая церебральная авторегуляция (дЦА) не может компенсировать скачок колебаний артериального давления [19, 20, 21]. Термин «авторегуляция» церебрального кровотока был введен в 1959 году N.A. Lassen [22].

У здоровых молодых взрослых лиц, систолическое артериальное давление, генерированное левым желудочком, эффективно амортизируется (демпфируется) посредством функции эластичной емкости центральных артерий. Следовательно, связанные с физической нагрузкой уменьшения центральной артериальной жесткости могут снизить передачу чрезмерного пульсирующего давления. В соответствии с этими представлениями, ВС демонстрировали более высокую растяжимость каротидной артерии, которая положительно коррелировала с более высокой церебральной перфузией затылочно-теменной области головного мозга [23, 24].

Поскольку мозг чувствителен к изменениям давления крови в сосудах, из-за низкого сопротивления сосудистого русла, то опосредованный барорефлексом контроль давления крови, должен быть важен для поддержания стабильного церебрального кровотока (ЦК), возможно, работающего вместе с дЦА [25]. Регулярное аэробное физическое упражнение уменьшает жесткость баросенсорных артерий и тем самым восстанавливает чувствительность барорефлекса [26, 27].

Известно, что тяжелая мышечная работа при шестикратном увеличении кислородного запроса левого желудочка вызывает примерно 5-кратное возрастание коронарного кровотока [28]. Физические упражнения по мере увеличения нагрузки с 60% до 80% от VO_2peakтакже могут увеличивать мозговое кровообращение на 40%, 60%, 90% (соответственно в общей сонной артерии, позвоночной артерии и наружной сонной артерии) относительно значений в покое. При этом, проходимость позвоночной и наружной сонной артерий увеличивается соответственно на 15% и 40% [24, 29, 30].

Основываясь на этих данных, V. Aengevaeren с коллегами [31] нашли, что происходит значительное улучшение проявления кардиального барорефлекса у пожилых лиц, бывших ВС, по сравнению с пожилыми лицами, ведущими малоподвижный образ жизни, при этом различий в дЦА не обнаруживается.

Подробно цитируя названных авторов [31], подчеркнем, что поддержание адекватной церебральной перфузии на протяжении повседневной физической активности требует точной регуляции артериального давления (АД) и ЦК [32]. Краткосрочная (в течение нескольких секунд и минут) регуляция АД и ЦК происходит преимущественно под контролем барорефлекса и дЦА [33]. Барорефлекторный контроль АД осуществляется модулированием ЧСС, сократимости сердца и ответом тонуса сосудов на изменения АД [34]. Динамика ЦА направляет способности церебрального сосудистого русла подстраивать свое сопротивление для поддержания адекватной перфузии головного мозга в ответ на транзитные изменения АД [18]. Таким образом, ЦА является внутренним свойством сосудистого русла головного мозга для поддержания адекватной перфузии нервной ткани независимо от изменений давления крови. Для оценки качества ЦА за последние более чем 30 лет было предложено немалое количество методов. Одним из наглядных методов оценки эффективности дЦА является упоминаемый выше анализ передаточной функции сердца. Данный метод представляет собой оценку динамических отношений между давлением крови (стимул или вход) и церебральным потоком крови (ответ или выход). Для более подробного ознакомления с данной проблемой рекомендуем статьи [35, 36].

Участие монооксида азота в регуляции просвета микрососудов Объясняя механизм нейрососудистого сопряжения при регуляции просвета сосудов, как экстракраниальных, так и интракраниальных артерий вплоть до пиальных артериол, T. Tarumi и R. Zhank [24] выделяют главный фактор улучшения этого сопряжения - усовершенствование сосудистой эндотелиальной функции (СЭФ). Действительно, длительные аэробные физические упражнения улучшают СЭФ благодаря усиливающейся регуляции биодоступности окиси (монооксида) азота (NO) [26].

D. Duncker и R. Bache [28] также приводят данные ряда работ, в которых показано усиление способности реагирования зависимой от эндотелия вазоди-ляции в коронарных микрососудах за счет увеличения экспрессии NO-синтазы, которое происходит в результате длительной мышечной тренировки. Усовершенствование этого механизма, в котором участвуют NO и гемопротеины, хорошо описано для сосудов сердца и скелетных мышц [37, 38]. Показано, что NO регулирует тонус сосудов, как в покое, так и при функциональной их активации, относящиеся к упражнению улучшения эндотелиальной функции, а также к уменьшению риска развития атеросклероза, что также может облегчать церебральную перфузию [39]. Следует отметить, что в последние годы все больше внимания уделяется роли NO экзогенного происхождения в регуляции рабочей гиперемии у спортсменов и эффективности мышечной работы [40, 41, 42, 43].

Структурные и функциональные изменения в головном мозге при длительных занятиях циклическими видами спорта на выносливость, сопровождающихся улучшением церебральной микроциркуляции, отмечены структурно-функциональные изменения в различных областях головного мозга.

Первый мета-анализ исследований, проведенных с 1966 г. по 2002 г., показал обратную линейную зависимость между интенсивностью физической активности и случаями инсульта и смертности, т.е. высокий уровень физической активности коррелирует с уменьшением риска ишемического и геморрагического инсультов [44]. Несколько раньше в исследованиях на большом числе бывших студентов Гарвардского Университета было показано, что имеется U-форма отношений между относительными рисками инсульта и оцененными еженедельными тратами энергии, рассчитанными по физической активности (ФА). Так, оказалось, что различные формы ФА уменьшают риск развития инсульта при расходовании энергии в 3000 ккал/нед, но далее (по мере роста общих энерготрат в неделю) этот риск снова увеличивался.

Отмечено, что ФА, соответствующая средней интенсивности физических нагрузок (бег не менее 20 км/нед или многоразовые подъемы по лестнице, превышающие 4,5 метаболических эквивалентов) не была связана с риском возникновения инсульта [45].

Современные методы исследований, позволяющие оценить структурные изменения в различных областях мозга по их графическому изображению, параллельно выявили следующие важные морфофункциональные их изменения. Так, используя магнитно-резонансную томографию, W. Freund et al. (цит.: по Takashi, Zhang, 2015)

[27] измерили общий объем серого вещества (СВ) у бегунов ультра-марафонцев до и после наиболее длительного (из существующих в практике спорта) соревнования на выносливость. После преодоления дистанции 4487 км за 64 дня (без единого полного дня отдыха, выявлены значительные потери массы тела, а также уменьшение в среднем на 6% общего объема СВ. В то же время естественная возрастная (начиная с 20-30 лет) атрофия СВ головного мозга развивается в темпе 0,2% в год. В отличие от этого у бегунов - марафонцев, по данным этих авторов, отмечается уменьшение СВ, соответствующее возрастной атрофии за 30 лет жизни. Последующее обследование, проведенное через 8 месяцев после марафонского соревнования, показало восстановление СВ до исходного уровня. Авторы подчеркивают, что подобные потери СВ мозга наблюдаются, когда длительная мышечная работа выполняется без адекватного восстановления.

Механизмы, лежащие в основе этих неблагоприятных влияний на мозг физических нагрузок предельной длительности, окончательно не выяснены. Авторы [27] предполагают, что подобные физические упражнения значительно увеличивают системные катаболические реакции, воспалительный ответ и риск сердечнососудистых повреждений, которые могут влиять на структуры и функции головного мозга. Мощное возрастание метаболического запроса тканей организма может привести к системным катаболическим процессам, которые, в свою очередь, могут поставить под угрозу структуры и функции мозга за счет подъема уровня стресс-гормонов (кортизол и др.), изменений электролитного баланса (гипонатрие-мия), развития воспаления, отека, гипоксии и оксидативного стресса. При нормальных физиологических условиях мозг добивается адекватного притока энергетических веществ поддержанием высокого метаболического запроса нейронных структур благодаря нейро-сосудистому сопряжению и относительно постоянной доставке к ним крови [24, 46]. Ассоциируя изложенные закономерности с проблемой сохранения здоровья головного мозга в пожилом возрасте, подчеркивается необходимость дальнейшего изучения взаимоотношения между интенсивностью и длительностью физических нагрузок и здоровьем мозга, потому что в настоящее время нет достоверно подтвержденного оптимального отношения доза-ответ тренировочного физического упражнения, которое может предотвратить или замедлить возрастные структурные повреждения мозга [24].

На основании полученных исследователями результатов следует, констатировать, что объем некоторых регионов головного мозга может увеличиваться в результате относительно короткого периода аэробных посильных физических нагрузок средней интенсивности. При использовании функциональной магнитной резонансной томографии (фМРТ) было установлено, что у пожилых лиц, ведущих малоподвижный образ жизни, наблюдается больший объем гиппокампа и некоторых регионов фронтальных долей в результате прогулочной программы длительностью 6-12 месяцев, по сравнению с контрольной группой, которая выполняла стретчинг (специальные упражнения на растягивание мышц). Сюда также включаются передняя поясная кора, вторичная двигательная область, средняя фронтальная извилина [47, 48]. Кроме того, объем переднего тракта белого вещества (БВ), в особенности колено мозолистого тела, увеличено при многомесячной ходьбе, но не у лиц стретчинг-группы [24, 47].

При использовании фМРТ были получены изображения различных образований и трактов мозга, которые в значительно меньшей степени подвержены возрастным изменениям в группе ВС, по сравнению с лицами, ведущими малоподвижный образ жизни. К ним относятся: вторичная сенсомоторная кора, верхняя теменная доля, вторичная зрительная кора, нижняя затылочная извилина (включая ее как серое, так и белое вещество), а также и другие образования головного мозга [24, 49, 50].

По данным [24] установлено, что структуры мозга, которые в меньшей степени подвержены возрастным изменениям, обеспечивают у ВС значительно более высокий уровень когнитивных функций (в эпизодической памяти, управляющей вниманием и др.) по сравнению с лицами, ведущими малоподвижный образ жизни. Эти закономерности были подтверждены параллельно проводимым психологическим тестированием.

Заключение систематически выполняемая человеком (бывшим спортсменом высокого класса) в течение большей части жизни циклическая мышечная аэробная работа приводит к следующим изменениям в организме.

Во-первых, она оказывает преимущественно благоприятное воздействие на головной мозг, замедляя, связанное с возрастом, ухудшение когнитивных функций.

Во-вторых, она дает преимущество головному мозгу, обеспечивая улучшение его состояния здоровья за счет усовершенствования насосной функции сердца.

В-третьих, она сдерживает, связанное с возрастом, угасание как серого, так и белого вещества головного мозга, особенно в образованиях, определяющих зрительную и пространственную ориентацию организма, контроль за его движениями и состоянием памяти.

References

Supplementary files