Испытывая гомеостаз на прочность
Знаете, почему человеческий организм – и тело, и мозг, – в принципе отличаются большой пластичностью и адаптивностью? Забавно, но это объясняется тем, что отдельные клетки и ткани изо всех сил пытаются остаться такими, какие они есть, и ничуточки не меняться.
Человеческий организм стремится к стабильности. Он поддерживает внутри себя одну и ту же температуру, давление и скорость сердечного ритма, уровень глюкозы в крови и уровень pH (соотношение кислотности/щелочности), примерно один и тот же вес. Ни один из этих показателей нельзя назвать статичным – пульс растет от упражнений, вес меняется от переедания или диет, – но в целом все эти изменения временные и в конце концов организм возвращается в исходное состояние. В науке это явление называется гомеостазом, то есть стремлением системы (любой, но в основном живой) к равновесию.
Отдельные клетки тоже предпочитают стабильность. Они стараются поддерживать один и тот же уровень жидкости, а также баланс положительных и отрицательных ионов, в частности ионов натрия и калия, и различных молекул, и делают это, определяя, какие ионы и молекулы должны остаться в клетке, а какие – покинуть ее сквозь мембрану. И вот что также важно: для продуктивной работы клеткам нужна стабильность. Если окружающие клетку ткани становятся слишком горячими или холодными, меняется водный баланс или падает уровень кислорода, это сразу снижает функциональность клетки. Слишком радикальные или продолжительные изменения приводят к гибели клетки.
|
|
|
Поэтому в человеческом организме предусмотрены разные механизмы для поддержания состояния равновесия. Предположим, вы с энтузиазмом приступили к какому-нибудь занятию, требующему больших физических усилий. Сокращение мышечных волокон приведет к тому, что отдельные мышечные клетки станут требовать больше энергии и кислорода, источником которых является кровь, транспортируемая по сосудам. В результате упадет уровень кислорода и энергии в кровеносной системе, на что соответственно отреагирует организм: вырастет частота дыхания (для восполнения нехватки кислорода) и из разных источников будет выделена энергия для мышц, которая направится к ним по кровеносной системе. Вместе с этим вырастет и скорость кровообращения – чтобы быстрее доставить кислород и энергию в те части организма, которые в них больше всего нуждаются.
Если физическая нагрузка не так уж велика, механизмы гомеостаза будут работать в полную силу и упражнение скорее всего не приведет ни к каким переменам в организме. Ведь с точки зрения организма ему нет никакого резона меняться – все и так прекрасно работает.
|
|
|
Другое дело, если вы решаете перейти к изнурительным и тяжелым упражнениям, которые превышают способности механизмов гомеостаза. В таком случае системы и клетки организма оказываются в аномальном состоянии – падает уровень кислорода и разных связанных с энергией веществ: глюкозы, аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинтрифосфата (АТФ). Изменяется и метаболизм клеток, в них запускаются разные биохимические реакции, приводящие к выработке нестандартных для этих клеток веществ. Клеткам такое положение дел не нравится, и в ответ они призывают на помощь разные гены из своей ДНК (большая часть генов клетки неактивна, и клетка может «включать» или «выключать» нужные ей гены). Активированные гены в свою очередь запускают или ускоряют разные биохимические процессы в клетке, которые изменяют ее поведение сообразно новым обстоятельствам – то есть стрессовой ситуации, в которой в данный момент находится организм.
Крайне сложно в точности описать все то, что происходит в клетке, когда нарушается гомеостаз организма. Ученые только недавно приступили к изучению этой богатой и сложной области. К примеру, недавно было проведено исследование на крысах, которое показало, что при увеличении нагрузки на определенную мышцу задних лап в их организме активизируется 112 различных генов[24]. По тому, какие гены включались в работу, можно судить о происходящих в организме процессах. Например, активизировались гены, отвечающие за метаболизм и структуру мышечных клеток, а также гены, определяющие скорость, с которой формируются новые мышечные клетки. Результатом всех этих изменений стало укрепление мышц задних лап у крыс[25]. По сути, организм вынудили выйти за пределы его зоны комфорта, и в ответ на это мышцы стали сильнее, расширив тем самым эти пределы. Равновесие вновь было восстановлено.
|
|
|
Так в общих чертах физическая активность воздействует на наш организм: когда определенные мышцы, сердечно-сосудистая система или другие системы находятся в стрессовой ситуации и нарушается равновесие, организм запускает процессы изменений, чтобы восстановить его. Предположим, что вы решили заняться спортом, например бегать трижды в неделю по полчаса, поддерживая пульс на рекомендуемом уровне в 70 % от максимального (примерно 140 ударов в минуту для молодых людей). Постоянные занятия приведут к снижению уровня кислорода в капиллярах мышц ног. В ответ на это организм начнет выращивать новые капилляры, чтобы повысить насыщаемость кислородом до комфортного уровня.
|
|
|
Получается, что стремление нашего организма к равновесию и стабильности можно использовать, чтобы меняться к лучшему: если достаточно долго прилагать какие-то усилия, организм в итоге перестроится так, чтобы эти усилия давались нам легче. В результате вы станете более крепким, выносливым, координированным. Но не все так просто: как только перестройка закончится – когда вырастут новые мышечные волокна и капилляры, – организм вновь войдет в состояние равновесия. Переменам придет конец. Чтобы этот процесс не замирал, вам придется постоянно повышать планку: начать бегать дальше, быстрее, по пересеченной местности. Если вы не будете этого делать, организм войдет в состояние гомеостаза (хоть и на новом для себя уровне).
Поэтому так важно постоянно выходить немного за пределы зоны комфорта: это заставит ваш организм беспрерывно подстраиваться и меняться. Но будьте осторожны! Ставя перед собой нереальные цели, вы рискуете заработать травмы, что отбросит вас далеко назад.
Эти процессы вкратце описывают, как реагирует на физическую активность наше тело. О том же, как реагирует мозг на умственную активность, ученым известно куда меньше. Принципиальное различие между телом и мозгом заключается в том, что клетки мозга взрослого человека в норме не делятся и не образуют новые клетки[26]. Существуют исключения, как в случае с гиппокампом, но в большинстве областей мозга изменения, вызванные упражнениями, не приводят к появлению новых нейронов. Вместо этого мозг перераспределяет ресурсы – усиливает или ослабляет некоторые нейронные связи, иногда добавляет новые или убирает старые. Кроме того, мозг может увеличить выработку миелина – изоляционного вещества, составляющего оболочку нервных клеток. Миелин ускоряет передачу нервных импульсов – в некоторых случаях в 10 раз! Нейронные сети отвечают за многие процессы, в том числе мышления, памяти, контроля движений и интерпретации сенсорных сигналов. Ускорив передачу импульсов по этим сетям, мы можем многого добиться, например научиться читать газету без очков или быстро выстраивать оптимальный маршрут из пункта А в пункт Б.
При этом чем сложнее испытание, тем сильнее изменится структура мозга. Недавние исследования показали, что овладение новым навыком гораздо вероятнее вызовет структурные изменения мозга, чем усовершенствование уже освоенного. С другой стороны, слишком усиленные и продолжительные занятия приводят к эффекту «выгорания» и снижают эффективность обучения. Иными словами, мозг, как и тело человека, быстрее всего меняется, если мы совсем немного выходим за пределы зоны комфорта – но не слишком далеко.
Формируя мозг
В основе успеха методик целенаправленной и сознательной практики лежит тот факт, что мозг и тело человека реагируют на испытания развитием новых умений и способностей.
По сути, между подготовкой лондонского таксиста к экзамену и тренировками гимнаста перед Олимпиадой нет никакой разницы: они предполагают использование свойств адаптивности мозга и тела для развития новых навыков.
Проще всего это отследить на примере развития какого-нибудь музыкального навыка. За последние два десятилетия ученые досконально изучили процессы, которые происходят в мозгу при занятиях музыкой, и то, как эти процессы приводят к появлению талантливых исполнителей[27]. Наиболее известное исследование на эту тему было опубликовано в 1995 году в журнале Science . Четверо ученых из Германии и психолог Эдвард Тауб из Университета Алабамы набрали экспериментальную группу из четырех скрипачей, двух виолончелистов и одного гитариста. Все музыканты были правшами. Перед началом эксперимента ученые сделали снимки мозга всех участников. Также была составлена контрольная группа из 6 немузыкантов. Тауб с коллегами хотели выяснить, различаются ли у участников из обеих групп зоны мозга, контролирующие движения пальцев.
В первую очередь Тауба интересовали пальцы музыкантов на левой руке: игра на скрипке, виолончели и гитаре требует исключительного контроля. Пальцы нужно передвигать вверх и вниз по грифу, со струны на струну, и проделывать все это порой на невероятной скорости и с абсолютной точностью. Кроме того, для извлечения некоторых типов звуков – например вибрато, – музыканты должны владеть сложнейшей техникой, когда палец чуть скользит или дрожит на струне. Из всех пальцев левой руки меньше всего напрягаться приходится большому: им, как правило, только придерживают гриф. Правая рука тоже используется реже левой, скрипачи и виолончелисты держат в ней смычок, а гитаристы перебирают ею струны или держат медиатор. Иначе говоря, тренировки всех музыкантов, играющих на струнных инструментах, направлены в первую очередь на развитие пальцев левой руки. Но какой эффект это оказывает на мозг?
Чтобы определить, какие зоны мозга отвечают за какие пальцы, команда Тауба использовала магнитоэнцефалограф – аппарат, измеряющий и визуализирующий магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга. В частности, ученые дотрагивались до отдельных пальцев участников эксперимента и наблюдали, какая область мозга реагирует на прикосновение[28]. Выяснилось, что зона мозга, отвечающая за левую руку в целом, у музыкантов куда крупнее, чем у участников контрольной группы. Кроме того, обнаружилось, что у музыкантов области мозга, контролирующие пальцы, «захватили» и часть зоны, отвечающей за ладонь. При этом степень разрастания напрямую коррелировала с тем, как рано человек начал играть на инструменте. Область мозга у музыкантов, связанная с правой рукой, была такого же размера, как и у членов контрольной группы.
Вывод прост: годы игры на струнном инструменте привели к постепенному разрастанию зоны мозга, ответственной за пальцы левой руки, и соответственно – к лучшему владению этими пальцами.
За 20 лет, прошедших с того эксперимента, ученые еще больше узнали о том, как занятия музыкой влияют на структуру и работу мозга. Например, мозжечок – часть мозга, играющая важную роль в контроле передвижения, – у музыкантов крупнее, чем у обычных людей. И чем больше часов провел за инструментом музыкант, тем крупнее у него мозжечок. Кроме того, у музыкантов больше серого вещества в разных частях коры головного мозга, в том числе в соматосенсорной коре (отвечает за осязание и другие чувства), в верхнем темени (обрабатывает импульсы, поступающие от рук) и премоторной коре (планирует задачи по передвижению в пространстве и отслеживает их выполнение).
Не будем углубляться в подробности того, что именно происходит с каждой областью мозга: неспециалистам это вряд ли будет интересно. Но общая картина такова: занятия музыкой изменяют структуру и функциональность мозга так, что в итоге мы оказываемся более приспособлены к занятиям музыкой. Другими словами, эффективные занятия не только помогут вам научиться играть на музыкальном инструменте, они сделают вас более способными к музыке. Занимаясь должным образом, вы изменяете участки мозга и в каком-то смысле делаете себя талантливее.
В других областях таких исследований проводилось куда меньше, тем не менее результаты все равно каждый раз говорят об одном и том же: долговременные занятия приводят к изменениям тех областей мозга, которые относятся к развитию соответствующих навыков.
Некоторые подобные исследования изучали чисто интеллектуальные навыки, например математические способности. У математиков нижняя теменная долька содержит гораздо больше серого вещества, чем у обычных людей. Эта часть мозга отвечает за математические вычисления и визуализацию объектов в пространстве. Именно на нижнюю дольку темени обратили внимание нейробиологи, изучавшие мозг Альберта Эйнштейна. Выяснилось, что она у Эйнштейна не только намного больше среднего, но и обладает необычной формой. Это заставило ученых задуматься: а не могло ли это напрямую повлиять на способность Эйнштейна создавать абстрактные математические построения[29]? Но, быть может, некоторые люди, как и Эйнштейн, просто родились с более крупной нижней теменной долькой и потому обладают склонностями к математике? Ученые так не думают: они исследовали эту часть мозга у математиков и обычных людей и обнаружили, что, чем дольше человек занимался математикой, тем больше у него содержится серого вещества в правой задней теменной дольке – а это позволяет предположить, что увеличение дольки является результатом постоянных занятий математикой, а не врожденным свойством[30].
Проводились и исследования, целью которых было изучение навыков, совмещающих умственный компонент с физическим. В одном недавнем эксперименте ученые сравнили мозг пилотов-планеристов с обычными людьми, и также выяснили, что у пилотов в некоторых областях мозга содержится больше серого вещества – например в левой передней части премоторной коры, передней части передней поясной коры и области глазодвигательного поля. Эти зоны отвечают за умение контролировать рычаг планера, сравнение визуальных сигналов во время полета с сигналами, определяющими положение тела в пространстве и положение планера, а также за умение контролировать движение глаз.
Даже в занятиях, которые мы считаем чисто физическими – плавании или гимнастике, – мозг играет главную роль. Дело в том, что развитие этих навыков требует точного контроля каждого движения тела. Исследования доказали, что занятия такими видами спорта также влияют на структуру мозга: например, толщина коры, по которой определяют количество серого вещества, у ныряльщиков в трех областях больше, чем у тех, кто никогда не занимался прыжками в воду. При этом все упомянутые области играют роль в визуализации и контроле движений.
Таким образом, несмотря на мелкие различия, в целом картина для всего мозга одинакова: регулярные занятия приводят к изменениям в частях мозга, которые чаще задействуются во время этих занятий. Мозг адаптируется к сложным задачам, перераспределяя собственные ресурсы и изменяя нейронные сети так, чтобы облегчить их выполнение.
Таковы основные идеи проведенных исследований, изучающих воздействие упражнений на мозг. Существуют и другие детали, достойные упоминания.
Так, надо отметить, что с возрастом воздействие тренировок на мозг меняется. Мозг детей и подростков намного пластичнее и потому занятия оказываются наиболее эффективными в юном возрасте. По этой же причине упражнения в детском возрасте влияют на дальнейшее развитие мозга и в некоторой степени определяют его. Это называется эффектом веточки: если слегка изменить направление роста веточки, то, развившись полностью, она может приобрести формы, отличные от первоначальных и задуманных природой. Изменить направление роста взрослой ветки гораздо сложнее.
Доказательством этого феномена служит, например, количество белого вещества в некоторых областях мозга у взрослых пианистов. Во-первых, у музыкантов его больше, чем у немузыкантов, а во-вторых, его количество напрямую зависит от того, сколько времени они проводили за инструментом в детстве[31]. Чем раньше ребенок усаживался за пианино, тем больше белого вещества у него было во взрослом возрасте. Конечно, можно научиться играть на фортепиано и в 40 лет, но к образованию такого же количества белого вещества это уже не приведет. В настоящий момент ученым неизвестно, как это практически влияет на жизнь музыкантов. Однако мы точно знаем, что количество белого вещества определяет скорость, с которой передаются сигналы нервам, то есть, научившись играть на пианино в детстве, вы все-таки получите некое неврологическое преимущество, недоступное тем, кто начал музицировать лишь во взрослом состоянии.
Стоит также отметить тот факт, что развитие определенных зон мозга посредством длительных тренировок не проходит для нас бесследно: во многих случаях люди, развившие какой-либо навык до очень высокого уровня, жаловались на деградацию других умений. Самый показательный тому пример можно найти в том же самом исследовании Макгвайр, посвященном лондонским таксистам. К концу четвертого года, когда водители получили лицензии либо провалили экзамен, Макгвайр двумя разными способами протестировала их память. Сперва она проверила, помнят ли участники эксперимента местонахождение различных лондонских достопримечательностей. Тут лицензированные таксисты проявили себя лучше всех остальных испытуемых. Вторым экспериментом стал стандартный тест на пространственную память, во время которого нужно ознакомиться со сложной фигурой и спустя полчаса описать ее (или изобразить). С этим заданием сдавшие экзамен таксисты справились куда хуже группы участников, которые никогда не готовились к экзамену. А вот испытуемые, которые провалили экзамен либо отказались от его сдачи, показали те же результаты, что и контрольная группа мужчин, не собиравшихся получать лицензию таксиста. При этом четыре года назад, когда Макгвайр с коллегами первый раз провели этот тест, все три группы справились с ним одинаково. Получается, что сдавшие экзамен водители, научившись лучше запоминать лондонские улицы, сделали это за счет других видов памяти. Нельзя сказать точно, почему это произошло, но вероятнее всего интенсивные занятия привели к тому, что мозг стал выделять под этот вид памяти больше ресурсов, из-за чего другим типам памяти «досталось» меньше серого вещества.
Наконец, нужно сказать, что когнитивные и физиологические изменения в мозге, вызванные тренировками, требуют постоянного внимания. Перестанете заниматься – и все вернется на круги своя. Космонавты, которые прожили без гравитации долгое время, при возвращении на Землю обнаруживают, что им трудно ходить. Спортсмены, забросившие тренировки из-за травмы, спустя какое-то время понимают, что травмированная часть тела стала гораздо слабее. Тот же эффект наблюдался у спортсменов, принявших участие в интересном эксперименте: они целый месяц провели в постельном режиме, не вставая с кровати. Они стали слабее, медлительнее, у них выросла утомляемость.
То же касается и мозга. Когда группа ученых во главе с Макгвайр исследовала вышедших на пенсию лондонских таксистов, выяснилось, что в области заднего гиппокампа у них наблюдается меньше серого вещества, чем у работающих таксистов. Впрочем, количество серого вещества у вышедших на покой таксистов все равно было больше, чем у тех, кто никогда не работал в таксопарке. Тем не менее, как только таксисты перестали каждый день активно использовать навигационную память, изменения в мозге, вызванные их работой, потихоньку стали исчезать.
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 236; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!