Допинг для мозга, механизмы обратной связи и регуляция нашего утомления

Всем привет. Раз уж начал, нужно продолжать. Это я о том, что как и планировал, выпускаю цикл статей о работе головного мозга и его связи со спортивным результатом. А связь, скажу я вам, огромная. Может ли очень талантливый, отлично физически готовый, но совсем немотивированный спортсмен показать высокий результат? Ответ очевиден. А если он мотивирован, но мысленно стартовал всю ночь перед забегом, то есть попросту «перегорел»? Или просто у него паршивое настроение, вызванное внешними факторами - отматерили в маршрутке, поругался с возлюбленной или не выплатил кредит. Давайте согласимся, что в данных конкретных случаях физическая готовность не может полностью решить проблему как показать высокий результат. Но, прежде чем перейти к самим методам и способам решения этих проблем, следует все же до конца понять как работает наш мозг, с прицелом на физическую нагрузку и спортивный результат.

В первой части неплохо был освещен вопрос того, почему не мышцы и не мышечная усталость играют главную роль в возникновении физической усталости. В этой, второй части продолжим рассуждения. Еще раз, повторюсь для скептиков, считающих, что «умник нашелся» - все выводы и предложения строятся на основе современного представления о работе мозга и ЦНС.

Как было уже сказано, ученые научились сканировать работу мозга во время нагрузки при помощи функциональной компьютерной томографии. Но вместе с развитием науки, наши возможности продвинулись настолько далеко, что еще буквально 20-30 лет назад можно было увидеть или прочитать в остросюжетной фантастике. Новые приборы и знания научились применять и для лечения и стимулирования некоторых областей головного мозга. Это вызвало как новый шквал открытий, так и возникновение этических проблем.

Например, методы микрополяризации (Tdcs) и транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) позволяют выборочно стимулировать и изменять функциональное состояние отдельных звеньев ЦНС в первом случае действием малого постоянного тока, а во втором случае при помощи коротких магнитных импульсов. Сейчас эти методы начали применять с лечебной и диагностической целями, например лечение тяжелой депрессии.

Но работу этих методов изучают не только физиологи, к ним подключились и психологи. Были проведены многочисленные исследования, где испытуемым предлагали решать в уме определенные задачи, в том числе на запоминание, сначала до стимулирования мозга вышеперечисленными методами, а потом после. Как и следовало ожидать, после стимуляции определенных частей мозга улучшалась память, утомление наступало гораздо позже, и повышались моторные навыки.

Ну и учитывая достаточную доказательную базу этих методов не стоит сомневаться, что кто-нибудь решит (или уже решил) воспользоваться этими методами для искусственного повышения работоспособности. В одном из опытов Окано с коллегами стимулировали в течение 20 минут определенные участки мозга методом микрополяризации велосипедистов международного уровня. После этого пиковая мощность у них выросла на 4% - это просто гигантский прирост для атлетов мирового уровня. Этот факт еще раз подтверждает то, что именно в нашем мозге «рождается» усталость и мозг контролирует наши усилия и темп бега. А стимуляция мозга разными методами помогает извлечь из нашего организма еще небольшую порцию резервной энергии, отсрочив наступление утомления.

Я могу предположить, что в ближайшие годы будет, наконец, найден ответ - что же есть на самом деле утомление, почему некоторые люди способны на фоне сильнейшего истощения и закисления ускоряться на финише, а у некоторых даже небольшая боль в мышцах приводит к снижению скорости бега.

Поскольку эта идея (стимуляция мозга) может оказаться весьма заманчивой для атлетов и тренеров, когда в продаже появятся портативные приборы для этих задач. Некоторые ученые уже заранее прозвали эту процедуру нейродопингом. Но не будем о плохом, а перейдем к другому вопросу, который поможет объяснить роль мозга в возникновении усталости.

Взгляд на роль мозга в спорте с точки зрения нейрофизиологии

Давайте посмотрим на работу ЦНС немного с другого угла - с точки зрения биохимии и нейрофизиологии, а именно - на нейротрансмиттеры. Если коротко, то нейротрансмиттеры - это биологически активные химические вещества, посредством которых передаются нервные импульсы по ЦНС. Рассмотрим два основных нейротрансмиттера - серотонин и дофамин. Исследование вопросов, как нейротрансмиттеры могут быть связаны с возникновением усталости еще в самом начале, однако же у нас уже есть кое какие данные по этим вопросам.

Серотонин хорошо известен среди медиков как отличное лекарство от депрессии и применяется как отличный антидепрессант и его лекарственные формы или препараты его повышающие (селективные ингибиторы обратного захвата серотонина), очень популярны. Известно, что у серотонина много физиологических функций в организме. Однако нас будет волновать лишь его влияние на наше настроение и уровень тревожности.

В свою очередь дофамин является одним из химических факторов внутреннего подкрепления и служит важной частью «системы поощрения» мозга, поскольку вызывает чувство предвкушения (или ожидания) удовольствия (или удовлетворения), чем влияет на процессы мотивации и обучения. Это может возникать при предвкушении и получении любого удовольствия - вкусная еда, секс, общение с друзьями и т.д. Так, когда выделяется дофамин и мы чувствуем удовольствие, мозг получает «затравку» повторять эти действия в будущем, чтобы еще раз вызывать выделение дофамина. Все это круто звучит, но все же - какое это имеет отношение к утомлению?

Чтобы разобраться в этом, специалисты применяли препараты, которые влияют на уровни дофамина или серотонина во время нагрузки. В исследованиях Роланда с соавторами велогоны осуществляли заезды с самостоятельно задаваемым темпом после употребления СИОЗС (селективные ингибиторы обратного захвата серотонина) в условиях повышенной температуры воздуха. Они обнаружили, что группе, которая выступала на таблетках, понадобилось на 2,5 минуты больше, чем группе, принимавшей плацебо, чтобы закончить дистанцию, и даже стратегии пейсинга (распределение сил по дистанции) у этих групп были различными. Велогоны на «фарме» ехали чуть медленнее по самой дистанции, но самое главное, никто из них не смог выполнить финишное ускорение. А как мной уже неоднократно обсуждалось, способность быстро финишировать очень сильно зависит от комбинации анаэробных резервов и внутреннего «драйва».

Тот факт, что ингибиторы серотонина «выключают» способность финишировать, означает, что серотонин играет большую роль в возникновении усталости, и увеличение его концентрации может блокировать в мозге внутренние резервы, так необходимые на финишном ускорении.

Аналогично с серотонином, есть исследования по дофамину, где перед нагрузкой принимались ингибиторы дофамина, чтобы взглянуть, как это будет влиять на скорость появления усталости. В отличие от ингибиторов серотонина, ингибиторы дофамина, кажется, наоборот повышают работоспособность согласно исследованиям Роланда. Вот его заключение по влиянию дофамина на работоспособность:

«Согласно исследованиям, можно предположить, что препараты, повышающие уровни дофамина в мозге могут изменять «настройки» в ЦНС, которые отвечают за оценку воспринимаемого напряжения (RPE), высвобождая дополнительные резервы для отсрочивания наступления усталости. Следовательно, при повышенных уровнях дофамина можно ожидать существенного роста работоспособности, пока дофамин не вернется к обычным значениям и мозг не начнет адекватно воспринимать оценку воспринимаемого напряжения».

По этим выводам можно судить, как с помощью нейротрансмиттеров регулируется состояние утомления. Почему исследования проводились в условиях жары? Потому, что именно на жаре в полную силу проявляются регуляторные механизмы головного мозга. Как уже было отмечено в первой части, когда мы выполняем упражнение при высокой температуре, работоспособность регулируется «упреждающими» функциями головного мозга, когда «отключается» часть мышечных волокон и наша скорость заметно падает, это позволяет избежать перегрева и необратимых сдвигов в организме.

Согласно вышеперечисленным исследованиям, серотонин и дофамин влияют на терморегуляцию. Манипуляции уровнем серотонина могут «глушить» способность финишировать. Но поскольку финишное ускорение зависит не только от уровня закисления и свежести организма, а также от уровня мотивации, спортивного «драйва», которые мы можем сознательно регулировать.

А дофамин, как мы уже поняли, способен повышать работоспособность, искажая реальную оценку воспринимаемых усилий, означая изменение обратной связи организма с мозгом.

А теперь перейдем к еще более интересному вопросу - как происходит регуляция в самом мозге и как реально воспринимаются сигналы (обратная связь) мозгом от организма.

Механизм обратной связи между мозгом и телом во время бега

Как я уже написал, в самом мозге происходят интересные вещи во время физической нагрузки, но теперь пойдем дальше и рассмотрим, что же наш мозг реально отслеживает и мониторит во время физической нагрузки, а точнее, во время бега. Прежде всего следует вспомнить, что мы получили доказательства того, что мозг во время нагрузки играет регуляторную функцию. И качество регуляции мозгом состояния организма зависит от того, насколько качественно и своевременно он получает информацию из внутренних и внешних источников. Рассмотрим для начала внутренние сигналы, а также узнаем, что происходит, когда обратная связь блокируется и что за этим следует.

Мозг регулирует просто гигантское число различных как внутренних, так и внешних процессов, но для нас будут интересны лишь некоторые из них, имеющие отношение к бегу. Согласно исследованиям Тима Ноакса внутренние факторы включают:

- Парциальное давление и концентрацию респираторных газов:

1) Оксигенация мозга и переферичных органов и тканей;

2) Уровни углекислого газа;

- Мышечные метаболиты (ионы водорода, лактат, ионы кальция, свободные радикалы и т.д.);

- Мышечный pH;

- Концентрация электролитов;

- лактат и другие побочные продукты;

- биомеханические особенности бега;

- повреждения мышечных волокон;

- температура тела;

- запасы гликогена;

- эмоциональное состояние.

Внешние факторы:

- Темп бега;

- Визуальная информация;

- Соперники на соревнованиях;

- Аудиальная информация.

Глядя на внутренние факторы, мы обнаружим, что почти все они тесно связаны с факторами, связанными с утомлением. Как уже было написано, не стоит думать, что усталость могут вызвать ионы водорода, интегрированная модель объясняет, что мозг контролирует их концентрацию, не позволяя достигнуть опасных значений. Тем самым мозг предохраняет нас от возможности получить серьезное повреждение.

Нет смысла останавливаться на обсуждении каждого источника (или фактора) обратной связи с мозгом, однако на конкретном примере для лучшего понимания рассмотрим, как вообще эта система работает. Взглянем, как поведет себя мозг в условиях недостатка кислорода, как в периферической части организма, так и непосредственно при кислородном голодании мозга. Эти явления возникают или при интенсивном физическом упражнении или в условиях разреженного воздуха. Некоторые исследования проливают свет на происходящие при этом процессы.

Если упражнение выполняется в условиях гипоксии (в среднегорье) то снижается как общая доставка кислорода к мышцам, так и оксигенация головного мозга. Интересную информацию предоставил нам Гудал с соавторами (2012), который нашел, что когда снижается оксигенация головного мозга, снижается активность некоторых мышечных волокон, причем как принимающих участие в упражнении, так и не принимающих. А также, гипоксия мозга вызывает снижение активации мышечных волокон еще до того, как они устали. Так же это подкрепляется информацией о том, что центральные нейроны могут ощущать снижение доставки кислорода и изменять активность отдельных мышечных волокон (Андо с соавторами). Что в конечном итоге это означает? - Лишь то, что гипоксия головного мозга может вызывать снижение мощности нашего «двигателя» еще до того, как наши мышцы устали.

Другой пример - интенсивный бег при высокой температуре воздуха. Когда мы бежим по жаре, критическое состояние усталости случается, когда температура тела достигает примерно 40 градусов. Даже если нет повреждений, мозг замедляет скорость бега, чтобы избежать перегревания и наступление критического состояния. Каждый, кто выступал на сильной жаре на длинной дистанции может вспомнить, что наша скорость начинает падать еще до того, как происходит критическое перегревание. Исследования подтверждают это в своих выводах. Вообще, эту тему необходимо рассматривать отдельно, рассматривая вопрос пейсинга. А вообще, мозг использует для вычисления множество переменных - как долго еще бежать, как быстро повышается температура тела, какой темп, и на основе анализа этих переменных выбирает - снижать темп бега (если расчеты показывают, что мы достигнем критическую температуру) или нет.

Соответственно, если наш мозг понял, что учитывая темп и длину дистанции мы раньше финиша перегреемся, он отключает часть мышечных волокон, и мы замедляемся, тем самым снижая скорость нагревания организма.

Полагаю, что этих двух примеров вполне достаточно, чтобы понять, как работает механизм обратной связи между мозгом и телом. Аналогичная ситуация у нас возникает и на марафоне, когда запасы гликогена истощены.

Следует заметить, что эти сигналы, получаемые от тела нашим мозгом, чрезвычайно важны для нашей же безопасности. Если какие то изменения в организме во время нагрузки возникают быстро, мозг получает сигнал тревоги, и включает стоп-кран.

В следующий раз поговорим, как возможно с помощью целенаправленных тренировок изменять работу механизма обратной связи между мозгом и телом с помощью целенаправленных тренировок. Естественно, это сразу же отразится на нашей работоспособности-

Комментарии: