چرا مغز انسان به ورزش نیاز دارد

خلاصه‌ای از مقاله‌ی پیش رو:

• ورزش به‌ویژه همگام با پیری، اثرات مثبتی روی مغز دارد.
• این موضوع که چرا فعالیت جسمی روی مغز اثر می‌گذارد، چندان مشخص نیست.
• رویدادهای مهم تاریخ تکامل انسان، شاید ارتباط بین ورزش و عملکرد مغز را ایجاد کرده باشند.
• ورزش‌هایی که ازنظر شناختی چالش‌برانگیزتر هستند، نسبت‌به فعالیت‌های جسمی که به عملکرد شناختی کمتری نیاز دارند، مزیت بیشتری برای مغز به همراه دارند.

در دهه‌ی ۱۹۹۰، پژوهشگران در زمینه‌ی رشد مغز بینش جدیدی به دست آوردند. دهه‌ها، چنین تصور می‌شد که نورون جدیدی در مغز بالغ تولید نمی‌شود و در هنگام بزرگسالی و افزایش سن، مغز شروع به از دست دادن نورون‌های خود می‌کند. اما شواهدی درحال ظهور بود که نشان می‌داد مغز بالغ می‌تواند نورون‌های جدیدی تولید کند. دانشمندان در آزمایش برجسته‌ای که روی موش‌ها انجام دادند، دریافتند که دویدن روی یک چرخ منجر به تولید نورون‌های جدیدی در هیپوکامپ می‌شود. هیپوکامپ ساختاری در مغز است که با حافظه ارتباط دارد. از آن زمان، مطالعات دیگر نشان داده‌اند که ورزش به خصوص با افزایش سن، روی مغز انسان نیز تاثیر مثبتی دارد و ممکن است حتی بتواند به کاهش خطر ابتلا به بیماری آلزایمر و دیگر بیماری‌های تخریب‌کننده‌ی عصب کمک کند. اما این پژوهش‌ها موجب ایجاد سوال مهمی شدند: چرا اصلا ورزش روی مغز تاثیر می‌گذارد؟

فعالیت جسمی عملکرد بسیاری از دستگاه‌های زیستی بدن را بهبود می‌بخشد اما این اثرات معمولا با عملکرد عضله‌ای بهتر مرتبط هستند. برای مثال، وقتی قدم می‌زنید یا می‌دوید، ماهیچه‌های شما اکسیژن بیشتری می‌خواهند و با گذشت زمان، سیستم قلبی‌عروقی شما با افزایش اندازه‌ی قلب و ایجاد عروق خونی جدید به این نیاز پاسخ می‌دهد. تغییرات قلبی‌عروقی در درجه‌ی اول پاسخی به چالش بدنی ناشی ورزش است که می‌تواند موجب تقویت استقامت شود. اما کدام چالش ورزش موجب ایجاد پاسخ در مغز می‌شود؟

پاسخ به این سوال نیازمند آن است که ما درمورد دیدگاه خود از ورزش بازاندیشی کنیم. مردم اغلب پیاده‌روی و دویدن را فعالیت‌هایی درنظر می‌گیرند که در آن ذهن انسان درگیر نیست. اما پژوهش‌های انجام‌شده در دهه‌ی گذشته نشان می‌دهد که این تصور عامیانه درست نیست بلکه به‌نظر می‌رسد که ورزش به همان‌ اندازه که یک فعالیت بدنی است، یک فعالیت شناختی نیز باشد.

درحقیقت، ارتباط بین فعالیت بدنی و سلامت مغز شاید به چندین میلیون‌ سال پیش از زمان پیدایش صفات برجسته در بشر بازگردد. اگر ما بتوانیم این موضوع را بهتر درک کنیم که چرا و چگونه ورزش مغز را درگیر می‌کند، شاید بتوانیم از مسیرهای فیزیولوژیکی مرتبط استفاده کنیم تا روال‌های جدید ورزشی را ایجاد کنیم که موجب تقویت عملکرد شناختی افراد مسن شوند؛ کاری که برخی از پژوهشگران شروع به انجام آن کرده‌اند.

برای کشف این موضوع که چرا ورزش برای مغز مفید است، ابتدا باید به این مساله توجه کنیم که کدامیک از جنبه‌های ساختاری و شناختی مغز، بیشتر دربرابر ورزش پاسخ می‌دهد.

هنگامی که پژوهشگران موسسه‌ی مطالعات زیست‌شناسی سالک در کالیفرنیا در دهه‌ی ۱۹۹۰ نشان دادند که دویدن موجب افزایش تولد نورون‌های جدید در هیپوکامپ موش‌ها می‌شود، آن‌ها خاطرنشان کردند که این فرایند با تولید پروتئینی که فاکتور نورون‌زایی مشتق‌شده از مغز (BDNF) نامیده می‌شود، همبسته است. پروتئین BDNF در سرتاسر بدن و در مغز تولید می‌شود و هم رشد و هم ماندگاری نورون‌های در حال رشد را تقویت می‌کند.

گروه سالک و پژوهشگران دیگر نشان دادند که عصب‌زایی (نوروژنز) ناشی از ورزش با بهبود عملکرد وظایف مرتبط با حافظه در موش‌ها همراه است. نتایج این مطالعات قابل‌توجه بود زیرا آتروفی (تحلیل) هیپوکامپ با بروز مشکلات حافظه در جریان پیری سالم انسان ارتباط گسترده‌ای دارد و تا حد بیشتری در افراد دچار بیماری‌های تخریب‌کننده‌ی عصب مانند آلزایمر رخ می‌دهد.

یافته‌های مربوط به مطالعات انجام‌شده روی جوندگان بینشی مقدماتی درمورد این موضوع که ورزش چگونه با این زوال مقابله می‌کند، فراهم آورد. در ادامه‌ی این پژوهش‌ها، پژوهشگران مجموعه‌ای از بررسی‌ها را انجام دادند که نشان می‌داد در انسان‌ها نیز، درست مانند جوندگان، ورزش‌های هوازی منجر به تولید BDNF و تقویت ساختار (اندازه و ارتباطات) مناطق کلیدی مغز ازجمله هیپوکامپ می‌شود. در یک کارآزمایی تصادفی که در دانشگاه ایلینوی انجام شد، نشان داده شد که ۱۲ ماه ورزش هوازی منجر به افزایش در سطوح BDNF، افزایش در اندازه‌ی هیپوکامپ و بهبود حافظه در افراد مسن می‌شود.

پژوهشگران دیگر نیز در مطالعات مشاهده‌ای مختلف ارتباطاتی را بین ورزش و هیپوکامپ نشان دادند. در مطالعه‌ای که در آن بیش از اطلاعات بیش از ۷ هزار فرد میان‌سال و مسن‌تر بریتانیایی استفاده شده بود و در سال جاری در مجله‌ی Brain Imaging and Behavior منتشر شد، نشان داده شد افرادی که زمان بیشتری را صرف انجام فعالیت‌های بدنی متوسط تا شدید می‌کنند، دارای حجم بزرگ‌تری از هیپوکامپ هستند.

اگرچه هنوز نمی‌توان گفت که آیا این اثرات در انسان با عصب‌زایی یا دیگر اشکال انعطاف‌پذیری مغز مانند افزایش ارتباطات بین نورون‌های موجود، مرتبط است یا نه، به‌طور کلی نتایج حاصل از پژوهش‌های مختلف نشان می‌دهند که ورزش اثر مثبتی روی هیپوکامپ مغز و عملکرد شناختی دارد.

پژوهشگران همچنین ارتباطات آشکاری را بین ورزش هوازی و مزایایی برای دیگر قسمت‌های مغز ازجمله گسترش قشر پیش‌پیشانی که درست پشت پیشانی قرار دارد، نشان داده‌اند. چنین تقویت‌هایی در این منطقه از مغز، با عملکردهای شناختی اجرایی بهتر که شامل جنبه‌هایی از برنامه‌ریزی، توانایی‌هایی تصمیم‌گیری و عملکرد چندوظیفه‌ای مرتبط است که این جنبه‌ها نیز همچون حافظه همگام با پیری سالم روبه زوال می‌رود و در حضور آلزایمر بیشتر دچار اختلال می‌شود.

دانشمندان گمان می‌کنند که افزایش ارتباطات میان نورون‌های موجود، به‌جای ایجاد نورون‌های جدید، مسئول اثرات مفید ورزش روی قشر پیش‌پیشانی و مناطق دیگر مغز که در خارج هیپوکامپ قرار دارند، است.

با ظهور شواهد رو به افزایشی که نشان می‌دادند ورزش هوازی می‌تواند به‌خصوص در افراد مسن‌تر موجب تقویت سلامت مغز شود، گام بعدی کشف این موضوع بود که فعالیت‌های بدنی چه چالش‌های شناختی را ایجاد می‌کنند که موجب آغاز این واکنش سازشی در مغز می‌شود. برخی پژوهشگران به این فکر افتادند که بررسی رابطه‌ی تکاملی بین مغز و بدن شاید نقطه‌ی خوبی برای آغاز بررسی این موضوع باشد.

انسان‌تباران (گروهی که شامل انسان‌های امروزی و خویشاوندان نزدیک منقرض‌شده‌ی ما می‌شوند) درحدود ۶ تا ۷ میلیون سال پیش از تباری که منتهی به نزدیک‌ترین خویشاوندان ما، شامپانزه‌ها و بونوبوها می‌شود، جدا شدند. در آن زمان، در انسان‌تباران سازگاری‌های رفتاری و آناتومیکی تکامل پیدا کرد که ما را از دیگر نخستی‌ها متمایز کرد. به‌عقیده‌ی پژوهشگران، دو مورد از این تغییرات تکاملی ورزش را به شیوه‌هایی با عملکرد مغز گره داد که انسان‌های امروزی می‌توانند از آن استفاده کنند.

نخست، راه رفتن اجداد ما از راه رفتن روی چهار پا به راه رفتن به حالت ایستاده یا راه رفتن روی پاهای عقبی تغییر پیدا کرد. این موقعیت بدنی دوپایی به این معنا است که مواقعی وجود دارد که در آن بدن به‌جای دو پا یا تعداد بیشتری از اندام‌ها، به‌طور متزلزل روی یک پا به حالت تعادل درمی‌آید. برای انجام این کار، مغز باید اطلاعات زیادی را با هم هماهنگ کند و در این فرایند، تنظیماتی برای فعالیت عضله در سرتاسر بدن انجام دهد تا تعادل بدن را حفظ کند. هنگام هماهنگی این اعمال، ما باید همچنین موانع محیطی اطراف خود را ببینیم. به‌عبارت دیگر، فقط به‌همین خاطر که دوپا هستیم، مغز ما ازنظر شناختی نسبت‌به اجداد چهار پای ما بیشتر به چالش کشیده می‌شود.

دوم، روش زندگی انسان‌تباران تغییر یافت و سطح بالاتری از فعالیت هوازی را دربرگرفت. شواهد فسیلی نشان می‌دهند که در مراحل اولیه‌ی تکامل انسان، اجداد ما احتمالا کپی‌های دوپای نسبتا بی‌تحرکی بودند که عمدتا از گیاهان تغذیه می‌کردند. اگرچه درحدود دو میلیون سال پیش، وقتی در اثر تغییرات اقلیمی زیستگاه‌ها خشک‌تر شدند، حداقل گروهی از انسان‌های اجدادی ما روش جدیدی برای تهیه‌ی غذا پیدا کردند و آن شکار جانوران و جمع‌آوری غذاهای گیاهی بود. شکار و جمع‌آوری غذا به‌مدت تقریبا دو ملیون سال روش غالب انسان‌ها در تامین غذا بود تا اینکه در حدود ده هزار سال پیش کشاورزی و گله‌داری ابداع شد.

پژوهشگران نشان داده‌اند که به‌علت فواصل طولانی که این انسان‌ها باید در جستجوی غذا و شکار طی می‌کردند، فعالیت هوازی آن‌ها بیشتر از فعالیت هوازی کپی‌های دیگر بود. این تنها جسم آن‌ها نبود که درگیر فعالیت می‌شد، بلکه به همکاری مغز آن‌ها نیز نیاز بود. وقتی شکارچی‌گردآورندگان از محل اولیه‌ی خود فاصله می‌گرفتند، باید محیط پیرامون خود را بررسی می‌کردند تا مطمئن شوند که کجا هستند. این نوع جهت‌یابی مکانی به هیپوکامپ متکی است؛ همان منطقه از مغز که ورزش تاثیر مثبتی روی آن دارد و همگام با پیری تحلیل می‌رود. علاوه‌بر‌این، آن‌ها باید با استفاده از اطلاعات حسی حاصل از سیستم‌های بینایی و شنیداری خود، محیط را برای یافتن نشانه‌های غذا جستجو می‌کردند. آن‌ها باید می‌دانستند که قبلا کجا بودند و نیز چه زمانی برخی از غذاهای خاص در دسترس است.

مغز از اطلاعات حاصل از حافظه‌ی کوتاه‌مدت و بلندمدت استفاده می‌کند و به فرد این امکان را می‌دهد که تصمیم‌گیری کرده و مسیرهای خود را برنامه‌ریزی کند؛ وظایف شناختی که به‌وسیله‌ی مناطقی از مغز نظیر هیپوکامپ و قشر پیش‌پیشانی حمایت می‌شود.

اگرچه هر حیوان چراکننده‌ای باید جهت‌یابی کند و بداند که کجا می‌تواند غذا را پیدا کند، شکارچی‌گردآورندگان باید این عملکردها را به‌سرعت و در جریان مسیرهای طولانی انجام می‌دادند. در سرعت زیاد، عملکرد چندوظیفه‌ای دشوارتر می‌شود و به پردازش سریع‌تر اطلاعات نیاز است.

از دیدگاه تکاملی، برای حداکثر شدن موفقیت در یافتن غذا، منطقی است که مغز آماده‌ی پاسخگویی به انواع مختلف چالش‌ها در جریان و پس از جمع‌آوری غذا باشد اما منابع فیزیولوژیکی مورد نیاز برای ایجاد و حفظ چنین مغزی (شامل منابعی که از تولد و بقای نورون‌های جدیدی حمایت می‌کند)، انرژی‌بر است. بنابراین، اگر به‌طور منظم از این سیستم استفاده نکنیم، احتمالا آن مزایا را از دست خواهیم داد. این دیدگاه تکاملی درمورد ورزش و مغز در سال ۲۰۱۷ در مجله‌ی Trends in Neurosciences تشریح شده است.

در جامعه‌ی امروزی ما دیگر نیازی نداریم که برای یافتن غذا به‌منظور بقای خود به فعالیت‌های بدنی هوازی بپردازیم. شاید تحلیل مغز و زوال شناختی همراه با آن که معمولا در هنگام پیری رخ می‌دهد، تاحدی مربوط به عادات کم‌تحرکی ما باشد. البته ورزش کردن به سادگی ممکن است از تحلیل مغز ممانعت نکند. درواقع، مدل پژوهشگران نشان می‌دهد حتی افرادی که فعالیت‌های هوازی زیادی انجام می‌دهند، شاید نیاز باشد درمورد روال‌های ورزشی خود تجدیدنظر کنند. شاید نوع ورزش ما به گونه‌ای نباشد که از مزیت کامل مکانیسم‌های تکامل‌یافته‌ی مرتبط با حفظ عملکرد مغز برخوردار شویم.

فعالیت‌های بدنی همراه با عملکرد شناختی ممکن است با بهره‌برداری از مسیرهای فیزیولوژیکی بین بدن و مغز که حین عملکرد چندوظیفگی برای یافتن غذا در اجداد شکارچی‌گردآورنده‌ی ما به وجود آمده است، موجب افزایش انعطاف‌پذیری عصبی شود

درمورد روش‌هایی که بسیاری از ما به ورزش هوازی می‌پردازیم، فکر کنید. در بیشتر موارد، ما به سالن‌های ورزشی می‌رویم و از دستگاه‌های ثابت ورزشی استفاده می‌کنیم؛ فعالیت‌هایی که چالش‌های شناختی خاصی را به همراه ندارند. از این گذشته، این دستگاه‌ها دارای تنظیماتی هستند که طی استفاده از آن‌ها ما حتی دچار چالش‌های مرتبط با حفظ تعادل و تنظیم سرعت نمی‌شویم. چالش‌های مذکور نمونه‌هایی از چالش‌های ذاتی همبسته‌با فعالیت در محیط‌های متغیر است.

اجداد ما در جهانی غیر قابل پیش‌بینی تکامل پیدا کردند. چه می‌شود اگر بتوانیم روال‌های ورزشی خود را به طریقی تغییر دهیم که شامل چالش‌های شناختی شود که شکارچی‌گردآورندگان با آن رو‌به‌رو می‌شدند؟ اگر بتوانیم اثرات ورزش را با گنجاندن فعالیتی که نیاز به عملکرد شناختی دارد، تقویت کنیم، شاید بتوانیم اثربخشی رژیم‌های ورزشی را که هدف آن‌ها تقویت شناخت در دوران پیری است، افزایش دهیم و حتی ممکن است بتوانیم باعث تغییر مسیر بیماری‌های تخریب‌کننده‌ی عصب مانند بیماری آلزایمر شویم.

پژوهش‌های زیادی نشان می‌دهند ورزشی که تحریک‌کننده‌ی عملکرد شناختی باشد، نسبت‌به ورزشی که شامل چنین تقاضای شناختی نیست، مزیت بیشتری برای مغز دارد. برای مثال، پژوهشگران مرکز درمان‌های ترمیمی درسدن آلمان این احتمال را با مقایسه‌ی رشد و ماندگاری نورون‌های جدید در هیپوکامپ موش‌ها پس از ورزش تنها یا پس از ورزش همراه با دسترسی به محیط غنی از وظایف شناختی، مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها یک اثر افزایشی را مشاهده کردند: ورزش به‌تنهایی برای هیپوکامپ خوب بود اما ترکیب فعالیت بدنی با انجام وظایف شناختی در محیطی تحریک‌کننده اثر بهتری داشت و منجر به تولید نورون‌های جدید بیشتری می‌شد. به نظر می‌رسد استفاده از مغز در جریان و پس از ورزش موحب افزایش بقای نورون‌ها شود.

برخی پژوهشگران درحال انجام این نوع پژوهش‌ها روی انسان‌ها هستند و نتایج دلگرم‌کننده‌ای به دست آورده‌اند. به‌عنوان مثال، پژوهشگران درحال بررسی ترکیب ورزش و چالش‌های شناختی در افرادی هستند که درحال تجربه‌ی زوال شناختی قابل‌توجهی هستند. پژوهشگران کالج یونین در نیویورک ورزش همزمان با مداخلات شناختی را در افراد دچار اختلال شناختی خفیف که وضعیتی مرتبط با افزایش خطر ابتلا به آلزایمر است، مورد آزمایش قرار داده‌اند.

مطمئنا قبل از اینکه نتیجه‌گیری‌های محکمی داشته باشیم، باید پژوهش‌های بیشتری در چنین جوامعی انجام شود اما نتایج حاصل‌شده تاکنون نشان می‌دهد افرادی که دچار قدری زوال شناختی شده‌اند، ممکن است از ورزش هنگام بازی کردن یک بازی ویدئویی که ذهن را به کار می‌گیرد، سود ببرند. پژوهشگران در مطالعات انجام‌شده روی افراد بزرگ‌سال سالم، نیز نشان داده‌اند که انجام همزمان ورزش و یک بازی ویدئویی چالش‌برانگیز از نظر شناختی، نسبت‌به ورزش تنها موجب افزایش بیشتری در BDNF می‌شود. این یافته‌ها این ایده را بیشتر تقویت می‌کنند که BDNF در ایجاد مزایای مرتبط با ورزش در مغز نقش مهمی دارد.

پژوهشگران در پژوهشی دیگر بازی را طراحی کرده‌اند که به‌طور خاص جنبه‌های شناختی را که همراه پیری رو به زوال می‌رود و نیز جنبه‌هایی را که هنگام جستجو برای غذا مهم بوده‌اند، به چالش بکشاند. در این بازی، بازیکنان درحالی که به دوچرخه‌سواری مشغول بودند، باید موقعیت‌یابی نیز انجام می‌دادند و در همین حین وظایف حافظه و توجه را که به آن‌ها واگذار شده بود، کامل می‌کردند. پژوهشگران دیگری نیز برای ارزیابی پتانسیل این رویکرد برای تقویت عملکرد شناختی در افراد سالخورده‌ی سالم، درحال مطالعه‌ی گروهی از ورزشکاران هستند که حین ورزش به انجام یک بازی ویدئویی نیز مشغولند. آن‌ها عملکرد این گروه را با گروهی از ورزشکاران که بدون بازی مشغول ورزش هستند، مقایسه می‌کنند. در این مطالعه گروهی از افراد نیز به‌عنوان گروه کنترل فقط به تماشای ویدئوهایی از طبیعت مشغولند. نتایجی که تاکنون حاصل شده است، امیدوارکننده بوده است. بسیاری از پژوهشگران نیز درحال آزمایش ترکیب‌هایی از ورزش و وظایف شناختی هستند. درآینده‌ی نزدیک، ما احتمالا ایده‌ی بهتری در این مورد خواهیم داشت که چگونه می‌توان ورزش و عملکرد شناختی را به بهترین نحو با هم ترکیب کرد تا موجب تقویت عملکرد شناختی هم در افراد سالم و هم در افراد بیماری که دچار زوال شناختی هستند، شد.

هنوز موضوعات زیادی وجود دارد که باید کشف شود. اگرچه هنوز بسیار زود است که نسخه‌های خاصی برای ترکیب ورزش و وظایف شناختی تجویز کنیم، می‌توانیم با اطمینان بگوییم که ورزش نقش کلیدی در حفظ عملکرد مغز همگام با افزایش سن و پیری دارد. طبق توصیه‌های وزرات بهداشت و خدمات انسانی آمریکا، افراد باید حداقل به‌مدت ۱۵۰ دقیقه در هفته ورزش‌های هوازی با شدت متوسط انجام دهند یا حداقل ۷۵ دقیقه در هفته ورزش‌های هوازی شدید انجام دهند (یا ترکیب معادلی از هر دو). انجام این حد از ورزش یا بیشتر برای بدن سودمند است و ممکن است سلامت مغز را نیز بهبود بخشد. کارآزمایی‌های بالینی اطلاعات بیشتری را درمورد اثربخشی ورزش همراه با چالش شناختی در اختیار ما قرار خواهند داد؛ مثلا این که چه انواعی از فعالیت‌های ذهنی و بدنی بیش از همه اثر دارند و شدت و مدت زمان بهینه‌ی ورزش برای تقویت شناخت چه اندازه است. پژوهشگران با توجه به شواهد حاضر معتقدند که با ادامه‌ی پژوهش‌های دقیق بتوانند مسیرهای فیزیولوژیکی ارتباط‌دهنده‌ی مغز و بدن را مورد هدف قرار داده و از این ظرفیت سازشی تکامل‌یافته‌ی مغز برای ایجاد انعطاف‌پذیری القاشده به‌وسیله‌ی ورزش در هنگام پیری استفاده کنند.