Liikunta ja aivot

Fyysisen aktiivisuuden, mutta myös aerobisen liikunnan on osoitettu vaikuttavan pääasiassa kyseiseen toimintaan osallistuvissa systeemeissä. Tutkimukset ovat osoittaneet, että frontaali- ja prefrontaalialueiden koko on lisääntynyt aerobisen liikunnan jälkeen ainakin ikääntyneillä yksilöillä (Colcombe ym., 2006; Erickson et al., 2014). Hyväkuntoisilla lapsilla on todettu parempi kyky aktivoida aivojen etuosia ja siten toimia paremmin tehtävissä, jotka edellyttävät korkeampaa kognitiivista kontrollia (Chaddock et al., 2012). Aivojen etuosien lisäksi aerobinen kunto näyttäisi hyödyttävän myös hippokampuksen aluetta. Erickson et al. (2011) totesivat tutkimuksessaan, että parempikuntoisilla aikuisilla on suurentunut hippokampuksen ja mediaalisen ohimolohkon alue. Lisäksi havaittiin, että mitä parempi aerobinen kunto, sitä suurempi hippokampuksen tilavuus (Erickson et al., 2011). 

Aivoissa voi tapahtua muutoksia sekä harmaiden että valkoisten aineiden määrissä ja rakenteissa. Mahdollisia mekanismeja, jotka selittävät näitä muutoksia, ovat neurogeneesi, muutokset hermosolujen morfologiassa, verisuoniperäiset muutokset, glia-solujen lukumäärän ja -koon muutokset, myelinaatio tai aksonaaliset muutokset. (Zatorre et al. 2012)

Suurin osa tutkimuksista solu- ja molekyylitason muutoksista aivoissa liikunnan vaikutuksesta tulee eläinmalleista. Näitä ei voida suoraan verrata ihmisillä. (Stillman et al. 2016)

Neuroplastisuus viittaa aivojen ja sen ratojen kykyyn sopeutua uusiin haasteisiin ja ympäristöihin. Esimerkiksi oppiminen voi aiheuttaa muutoksia neurotransmittereissä ja niiden vapautumisessa, mikä saattaa johtaa myös aivojen rakenteellisiin muutoksiin. Oppimisen lisäksi myös käyttäytymis- ja ympäristötekijät voivat joko helpottaa tai estää neuroplastisuutta. Ikääntymisen, stressin ja huumeiden käytön on todettu heikentävän neuraalista plastisuutta (Hötting & Röder, 2013).  

Neurogeneesi viittaa uusien hermosolujen muodostumiseen, mutta se on toistaiseksi epätodennäköinen selitys aivojen rakenteiden muutoksille hippokampuksen ulkopuolella. Muut uskottavat hermosolmumorfologiamuutokset sisältävät esimerkiksi synaptogeneesin, uusien synapsien muodostumisen hermosolujen välillä. Aivojen verenkierto voi myös ilmentää plastisuutta (angiogeneesi), ja sitä on havaittu sekä eläimillä että ihmisillä. Liikunta voi lisätä veren määrää hippokampuksen dental gyruksessa. (Zatorre et al. 2012).

Liikunta lisää hippokampuksen neurogeneesiä kahdella tavalla (Kuva). 

1) Subgranular zonessa (SGZ) fyysinen harjoittelu säätelee sekä paikallisten interneuronien että toiminnallisten yksiköiden toimintaa säädellen energialähteiden ja joidenkin säätelytekijöiden vapautumista edistämään hippokampuksen neurogeneesiä.

2) Fyysinen harjoittelu voi myös lisätä neurotransmitterien kuten Glutamaatin ja 5HT:n eritystä kortikaalisislta ja subkortikaalisilta alueilta ja näin edistää neurogeneesiä hippokampuksessa. (Phillips et al. 2014)

Fyysinen aktiivisuuden on havaittu lisäävän aivojen neurotrofisen tekijän (BDNF) ja insuliinin kaltaisen kasvutekijän (IGF-1) vapautumista ja myös kohottamaan serotoniinin, noradrenaliinin ja asetyylikoliinin pitoisuuksia. Näillä on myös havaittu olevan tärkeä rooli hermoston plastisuudelle. (Hötting & Röder, 2013).

Jatkuvalla liikunnan harrastamisella näyttäisi olevan rooli muuntaa anti-inflammatorisia vaikutuksia ja näin ennaltaehkäisevän kognition heikkenemistä ikääntyessä ja erilaisten neurologisten sairauksien yhteydessä. Nykyiset tutkimukset osoittavat, että harjoittelun aikana lihaksista vapautuvat myokiinit vaikuttavat BDNF:n ilmenemiseen ja synteesiin  hippokampuksessa. (Phillips et al. 2014)

Chaddock et al. Basal Ganglia volume is associated with aerobic fitness in preadolescent children. Dev Neuroscience 2010;32:249-256

Colcombe et al. 2003: Fitness Effects on the Cognitive Function of Older Adults - A Meta-Analytic Study. Psychological Science.

Drollette et al. Acute exercise facilitates brain function and cognition in children who need it most: An ERP study of inividual differences in inhibitory control capacity. Dev Cogn Neuroscience Vol 7, 1/2014, 53-64.

 

Erickson et al. 2011: Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proc Natl Acad Sci U S A, 108 (7), 3017–22.

Hötting & Röder 2013: Beneficial effects of physical exercise on neuroplasticity and cognition. Neurosci Biobehav Rev, 37(9 pt B), 2243–2257

 

Mikkelsen et al. 2017: Exercise and mental health. Maturitas 106, 48-56.

Nokia MS et al. Physical exercise increases adult hippocampal neurogenesis in male rats provided it is aerobic and sustained. J Physiol 2016.

Mikkelsen et al. 2017: Exercise and mental health. Maturitas 106, 48-56.

Phillips et al. 2014 Neuroprotective effects of physical activity on the brain: a closer look at trophic factor signaling. Cellular Neuroscience. Vol 8.

Stillman et al. 2016: Mediators of Physical Activity on Neurocognitive Function: A Review at Multiple Levels of Analysis. Neurosci., 08 December.

Vaynman et al 2004: Hippocampal BDNF mediates the efficacyof exercise on synaptic plasticity and cognition. Eur J of Neuroscience, Vol 20, 2580-2590

Westlake et al 2013: Neural plasticity and implications for hand rehabilitation after neurological insult. Journal of Hand Therapy 26 (87-93).

Zatorre et al 2012: Plasticity in gray and white: neuroimaging changes in brain structure during learning. Nature Neuroscience volume 15, pages 528–536