Влияние физической культуры на когнитивные способности человека

Рубрика: Физическая культура, спорт и здоровье: концепции, инновации, технологии;

УДК 796.011.1

Влияние физической культуры на когнитивные способности человека

Плутицкая Ирина Викторовна
учитель физической культуры

Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения
«Средняя общеобразовательная школа № 61»г. Владивостока
E-mail: [email protected]; Тел. +79146503091
ул. Бородинская 27, г. Владивосток, Приморский край, Россия, 690049

Современные тенденции развития физической культуры зачастую включают в себя понимание процессов влияние упражнений на каждый элемент организма человека. В нынешней ситуации необходимо верно выбирать подходы для правильного формирования здоровья и самочувствия, поэтому есть необходимость в учитывании таких аспектов, которые могут влиять не только на физиологическое состояние тела человека, но и на когнитивные функции его мозга.

Ключевые слова: физическая культура, когнитивные способности, кардиореспираторные упражнения, память, реакция, психика.

The influence of physical culture on human cognitive abilities

Modern trends in the development of physical culture often include an understanding of the processes of influence on each element of the human body. In the current situation, it is necessary to choose the right approaches for the correct formation of health and well-being, therefore there is a need to take into account such conditions, which may be required not only for the physiological state of a person, but also for the cognitive functions of his brain.

Key words: physical culture, cognitive abilities, cardio- respiratory exercises, memory, reaction, psyche.

Для начала необходимо разобраться: о чем тема. Очевидно, из названия, что речь будет идти о влиянии физической культуры на когнитивные способности человека. Для исключения разногласий в толкованиях необходимо ввести дефиниции на рассматриваемые объекты. Когнитивные способности человека – высшие функции мозга, способствующие мыслительным процессам. В первую очередь к таким способностям относятся память,  формирование понятий, решение задач, воображение и логика. Физическая культура – система ценностей, направленная на физическое развитие человека, для укрепления и сохранения здоровья человека в процессе двигательной деятельности осуществляемой осознано. Основной упор в данной теме будет на влияние основных аспектов физической культуры, таких как: кардиореспираторные упражнения, гимнастика, бег, на способности человека решать поставленные задачи, характеризующиеся высокой нагрузкой на мозг человека. Проблематикой этой темы выступает степень вовлеченности физической культуры в когнитивные функции человеческого мозга. Основная задача работы состоит в исследовании влияния умеренных физических нагрузок на ЦНС (центральная нервная система) человека, в частности на формирование механизмов способствующих быстрому и правильному принятию заключений при решении прикладных задач из областей, представленных в учебных заведениях. Методами исследования является анализ научных трудов, которые, так или иначе, учитывают влияние физических упражнений на развитие человеческого мозга. Итогом темы должно стать понимание степени вовлеченности физической культуры в мыслительные процессы человека, и возможности её влияния на эффективность человеческих действий с точки зрения скорости и точности принятия верных решений в поставленных умственных задачах.

При решении умственных задач, упор делается на скорость обработки мозгом самой задачи, поиск её решений, исходящих из предыдущего опыта, и применения решений с учетом окружающей обстановки. Исполнение всех этих функций может меняться со временем, что есть процесс обучения. Нейропластичность именно та основа, которая позволяет говорить о влиянии физических упражнений на когнитивные функции мозга.

Нейропластичность - важная особенность нервной системы, которая может видоизменяться в ответ на опыт. По этой причине физические нагрузки можно рассматривать как усиливающий фактор окружающей среды, способствующий нейропластичности [2]. У людей показатели структурных изменений соответствуют, например, объемам мозга, показателям целостности белого вещества мозга. Такие показатели можно соотнести с когнитивными характеристиками, определяя функциональную нейронную эффективность (НЭ) [9]. В связи с этим следует подчеркнуть, что любое морфологическое изменение приводит к модификации функциональных свойств нейронной цепи, и наоборот, любое изменение эффективности и функциональности нейронов основано на морфологических модификациях. Экспериментальные и клинические исследования показали, что НЭ вызывает важные структурные и функциональные изменения в функционировании мозга [2,5,9].

В данной теме особенно важно влияние физических упражнений на формирование памяти и прямое улучшение когнитивных способностей через улучшение реакции организма на факторы внешней среды.

Одним из основополагающих свойств человеческого мышления является – память. Именно она формирует большое количество когнитивных способностей человека. Память задействуется в обучении человека, где напрямую влияет на его способности в умственной деятельности. Человек благодаря памяти формирует навыки для решения прикладных задач из совершенно разных областей, так как память структурно представляет собой не только события, пережитые индивидом, но и опыт, который дает возможность воспринимать новые внешние факторы на основе предыдущих. Это вытекает в возможности применения опыта для решения поставленных задач – это и есть важная функция памяти в рассматриваемой теме. И любое положительное влияние на память составляет важную часть для когнитивных способностей человека. Физическая активность вызывает функциональные и структурные изменения во всем мозге. Особый интерес представляет его влияние на гиппокамп, поскольку это область мозга, необходимая для формирования памяти и пространственной навигации [8]. Гиппокамп является очень пластичной структурой, из чего вытекает, что эта часть мозга реагирует на изменение внешней среды, будь это увеличение физической нагрузки или её снижение. Очень заметна корреляция между снижением количества физической нагрузки у людей в пожилом возрасте и снижением способности человеческой памяти [12]. Справедливо и обратное утверждение: увеличение количества упражнений способствует развитию гиппокампа. Данное высказывание подтверждает исследование, проведенное в 2008 году: испытуемые были разделены на группы, тех кому дали список физических упражнений (бег, гимнастика) и на контрольную группу [3]. Итогом исследования стало различие запоминаемых объектов в двух разных тестах – люди, которые занимались физическими упражнениями, показали прирост в количестве визуальной информации, которую они смогли запомнить. Интерпретируя полученную информацию из исследования, можно говорить о положительной корреляции количества запоминаемой визуальной информации и выполнением аэробных упражнений, таких как бег или гимнастика. Так же есть исследование показывающее, как физические упражнения напрямую влияют на гиппокамп и стимулируют выработку нейронов, ответственных за обучаемость и память. Физические упражнения повышают выработку нейротрофического фактора мозга (далее BDNF), ответственного за поддержку и развитие нейронов в префронтальной коре головного мозга – эта корреляция была продемонстрирована исследователями США [4].

Изменение содержание белков в крови, отвечающих за развитие мышечной ткани и тканей мозга организма человека при регулярном беге в течение 12 месяцев (таблица 1) [4].

Таблица 1

Кроме очевидного изменения количества сигнальных белков, отвечающих за формирование мышечных клеток в организме, в организме меняется BDNF, что является сигналом для создания новых нейронов в мозге – в отделах гиппокампа, коре и в переднем мозге, отвечающих за память [7]. Промежуточный вывод будет заключаться в том, что занятия физическими упражнениями стимулирует человеческий мозг на формирование нейронов, что будет способствовать лучшей обучаемости, а следовательно, и улучшать когнитивные способности человека.

На решение поставленных умственных задач влияет не только способность человека запоминать информацию, но и так же важен навык в оценки ситуации – быстром реагировании на меняющиеся условия. Правильное распределение сил человека очень важно для преодоления любой типовой задачи. Очевидным становится, что должна быть закономерность в развитии подобных навыков и физического состояния человека, а именно его вовлеченность в физическую активность в повседневной жизни. Для раскрытия этой связи было проведено несколько исследований.

В частности, Темансон, Хиллман и Кертин оценили взаимосвязь между физической активностью, о которой сообщают сами люди, амплитудой детектора ошибок (подсознательный механизм человека, отвечающий за обработку возможных совершенных ошибок во время выполнения любой задачи – далее ERN) и выполнением заданий после ошибки у пожилых (60–71 лет) и молодых (18–21 лет) испытуемых во время выполнения задания, требующего переменных величин [10]. Физическая активность оценивалась с помощью исследования физической активности Йельского университета, и участники были проинструктированы как можно быстрее реагировать на каждое испытание [4].

При учете физической активности, было обнаружено уменьшение амплитуды ERN и большее замедление реакции после ошибок (феномен замедления после ошибки относится к тенденции участников замедляться в текущем испытании после совершения ошибки в предыдущем испытании [5]) у физически активных участников старшего и младшего возраста по сравнению с их коллегами, ведущими сидячий образ жизни [10]. Замедление реакции после ошибки говорит об усилении контроля. Это усиление контроля не только улучшает поведенческие характеристики, но также активацию процессов мониторинга действий, что приводит к более эффективному нейро-электрическому профилю и увеличивает корректировки поведения, используемые для исправления поведения после совершения ошибки [10].

Второе исследование, посвященное изучению влияния кардио-респираторной подготовленности на мониторинг действий, было проведено с участием двух групп молодых людей (средний возраст = 20,4 года), которые продемонстрировали большие различия в их соответствующих уровнях физической подготовки. Нейро-электрические (то есть, ERN) и поведенческие (то есть, замедление после ошибки) индексы мониторинга действий были получены во время выполнения фланкер-задачи (фланкер-задача представляет собой набор тестов ингибирования ответа, используемых для оценки способности подавлять реакции, которые являются неуместными в определенном контексте), требующей переменного количества тормозящего контроля. Как и в первоначальном исследовании, участников попросили ответить как можно быстрее. Результаты продемонстрировали взаимосвязь между уровнем физической подготовки и показателями мониторинга действий, при этом группа с более высоким уровнем физической подготовки демонстрирует меньшую амплитуду ERN, чем группа с более низким. Эти данные подтверждают первоначальное исследование и предполагают, что повышение аэробной подготовки связано со снижением активации нейро-электрического индекса, связанного с мониторингом действий во время реакции на ошибку [10]. Недавно эти исследования были распространены на детей младшего возраста, которые также продемонстрировали снижение амплитуды ERN и лучшую производительность при выполнении ускоренных задач с большей физической подготовкой [11].

В совокупности результаты этих исследований согласуются с концепцией о том, что люди с повышенной физической подготовкой и/или физической активностью могут проявлять более высокий уровень контроля во время выполнения заданий, требующих быстрого реагирования. Такая стратегия реагирования, по-видимому, связана с большей эффективностью нейро-электрической системы (т.е. уменьшенной амплитудой ERN) [10,11], предназначенной для реагирования на индикаторы проблем с выполнением задачи. Эти результаты сводятся к тому, что физическая активность может улучшить структуру и функцию мозга, что приведет к положительным результатам в когнитивной функции

Настроение и психика человека напрямую влияют на эффективность того, как он может справляться с трудностями любого типа, особенно с такими, где необходимо задействовать умственную деятельность. Поэтому есть необходимость провести параллель между тем, как физические упражнения помогают человеку поддерживать свое психическое состояния в норме. Для понимания процессов влияния физической подготовки человека на его психическое состояние можно обратится к норвежскому исследованию.

Участвовали подростки из четырех регионов Норвегии.  Психическое здоровье (психологические трудности), о которых сообщали пациенты, оценивалось путем заполнения анкеты о сильных сторонах и трудностях. Кардио-респираторная подготовка оценивалась с помощью бегового теста с перерывами; мышечная сила оценивалась путем измерения силы захвата рук, прыжков в длину с места и приседаний; и состав тела оценивался путем расчета индекса массы тела по весу и росту. Модели линейных смешанных эффектов были использованы для оценки связи между компонентами физической подготовки, связанными со здоровьем, и психологическими трудностями. Результаты исследования показали, что состав тела не был связан с психологическими трудностями. Мышечная сила была независимо связана с психологическими трудностями, но, когда все независимые переменные были введены в полностью скорректированную модель, только кардио-респираторная подготовка была связана с психологическими трудностями. Данное исследование иллюстрирует зависимость между тренировкой кардио-респираторной системы и психическим состоянием человека, что обусловлено большим влиянием таких типовых упражнений на мозг человека.[1]

Мета-анализ многочисленных исследований, направленный на выявление корреляции между депрессивным расстройством, дает информацию о зависимости психического состояния человека и его физической подготовки. Данные более 30 исследований показывают прямую зависимость между количественной симптоматикой депрессивного расстройства и физического состояния человека. Более высокий уровень физической активности последовательно снижает вероятность развития депрессии в будущем. Защитные эффекты физической активности наблюдались независимо от возраста и пола и были значительными во всех географических регионах. Выводом этих аспектов является необходимость правильной политики, направленной на повышение уровня физической активности, для создания благоприятной среды развития человека и его когнитивных способностей [6].

Физическая культура является не только инструментом развития тела человека, но и возможностью увеличения когнитивных способностей человека при правильном подходе к решению поставленной задачи. Развитие областей ЦНС, ответственных за когнитивные способности человека при помощи физических упражнений, является эффективным способом поддержания и развития умственной деятельности для решения необходимых задач. Наибольшее влияние на когнитивные способности человека показали кардиореспираторные способы развития физического состояния организма человека. За счет таких упражнений как бег или любого другого вида упражнения на сердечную или дыхательную систему, достигается наибольшая эффективность нейропластичности, которая позволяет формировать необходимые для умственной деятельности структуры мозга. Формирование нейронов мозга напрямую может зависеть от создания физической базы организма, что напрямую позволяет говорить о сохранении и улучшении функции памяти при вовлеченности в физическую культуру. Но данный анализ не позволяет говорить о влиянии силовых упражнений на когнитивные способности человека, так как зависимости между усиленными тренировками, приближенными к спортивным, выявлено не было.
Косвенное влияние физических упражнений на когнитивные функции через психическое состояние человека так же является важной частью общего влияния аспектов физической культуры, так как для совершения умственной деятельности необходимо стабильное психическое состояние, чтобы не допускать ошибки из-за когнитивных искажений, вызванных нестабильной работой человеческого организма. Общий вывод заключается в повсеместном влиянии физической культуры на организм человека, а как следствие и на его когнитивные функции в виде памяти, реакции, контроля и сохранении стабильного психического состояния. Для каждой из этих функций наблюдается положительная корреляция от физических упражнений, а значит, для формирования здорового физически и умственно человека, необходимо привлечение физической культуры в жизнь этого человека.

ЛИТЕРАТУРА

1. Åvitsland, A., Leibinger, E., Haugen, T. et al. The association between physical fitness and mental health in Norwegian adolescents. BMC Public Health 20, 776 (2020).

2. Bavelier D, Neville HJ. Cross-modal plasticity: where and how? Nat Rev Neurosci. 2002 Jun;3(6):443-52. doi: 10.1038/nrn848. PMID: 12042879.

3. Christie BR, Eadie BD, Kannangara TS, Robillard JM, Shin J, Titterness AK. Exercising our brains: how physical activity impacts synaptic plasticity in the dentate gyrus. Neuromolecular Med. 2008;10(2):47-58. doi: 10.1007/s12017-008-8033-2. Epub 2008 Jun 6. PMID: 18535925

4. Dipietro L, Caspersen CJ, Ostfeld AM, Nadel ER. A survey for assessing physical activity among older adults. Med Sci Sports Exerc. 1993 May;25(5):628-42. PMID: 8492692.

5. Gehring WJ, Goss B, Coles MGH, Meyer DE, Donchin E. A neural system for error detection and compensation. Psychol Sci. 1993;4:385–390.

6. Kandola A, Ashdown-Franks G, Stubbs B, Osborn DPJ, Hayes JF. The association between cardiorespiratory fitness and the incidence of common mental health disorders: A systematic review and meta-analysis. J Affect Disord. 2019 Oct 1;257:748-757. doi: 10.1016/j.jad.2019.07.088. Epub 2019 Jul 30. PMID: 31398589; PMCID: PMC6997883.

7. Maisonpierre P. C. et al. Human and rat brain-derived neurBiochemistry : journal. — 1995. — April (vol. 34, no. 13). — P. 4139—4146. — doi:10.1021/bi00013a001. — PMID 7703225.

8. SCOVILLE WB, MILNER B. Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 1957 Feb;20(1):11-21. doi: 10.1136/jnnp.20.1.11. PMID: 13406589; PMCID: PMC497229.

9. Serra L, Cercignani M, Petrosini L, Basile B, Perri R, Fadda L, Spanò B, Marra C, Giubilei F, Carlesimo GA, Caltagirone C, Bozzali M. Neuroanatomical correlates of cognitive reserve in Alzheimer disease. Rejuvenation Res. 2011 Apr;14(2):143-51. doi: 10.1089/rej.2010.1103. Epub 2011 Jan 4. PMID: 21204647.

10. Themanson JR, Hillman CH, Curtin JJ. Age and physical activity influences on action monitoring during task switching. Neurobiol Aging. 2006 Sep;27(9):1335-45. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2005.07.002. Epub 2005 Aug 15. PMID: 16102874.

11. Themanson JR, Hillman CH. Cardiorespiratory fitness and acute aerobic exercise effects on neuroelectric and behavioral measures of action monitoring. Neuroscience. 2006;141:757–767.

12. Voss MW, Prakash RS, Erickson KI, Basak C, Chaddock L, Kim JS, Alves H, Heo S, Szabo AN, White SM, Wójcicki TR, Mailey EL, Gothe N, Olson EA, McAuley E, Kramer AF. Plasticity of brain networks in a randomized intervention trial of exercise training in older adults. Front Aging Neurosci. 2010 Aug 26;2:32. doi: 10.3389/fnagi.2010.00032. PMID: 20890449; PMCID: PMC2947936.