Сканирование мозга человека показывает: когда он заучивает новое слово, префронтальная кора его головного мозга активизируется (как и гиппокамп, и некоторые другие прилегающие участки, например слуховая кора). После того как благодаря химическим сигналам глутамата создана новая нейронная цепочка и слово зафиксировано в памяти, активность префронтальной коры снижается. Она проконтролировала начальные этапы проекта, а теперь может переложить ответственность на других членов команды и заняться очередными проблемами.

Таким образом мы узнаем новое и до автоматизма отрабатываем свежие навыки, такие как, например, езда на велосипеде. Автоматические мыслительные и двигательные функции управляются базальными ядрами, мозжечком и стволом – древними зонами, которые исследователи до последнего времени связывали только с моторными функциями. Передача фундаментальных навыков и знаний в эти зоны мозга, связанные с нашим подсознанием, освобождает другие важные его отделы для работы по адаптации к окружающим условиям. Этот элемент в устройстве работы мозга очень важен. Представьте, что нам нужно было бы на некоторое время останавливаться и вспоминать, как спродуцировать ту или иную привычную мысль или совершить то или иное привычное движение. Мы изнывали бы от усталости еще до того, как налили бы себе утреннюю чашку кофе. Поэтому, кстати, пробежка по утрам так важна.

В 1995 году я занимался некоторыми исследованиями, готовя к публикации книгу A User’s Guide to the Brain («Путеводитель по нашему мозгу»), когда натолкнулся на одностраничную статью в журнале Nature, рассказывавшую о связи между физической активностью и нейротрофинами (BDNF), обнаруженной в экспериментах на мышах. Текста там меньше, чем в газетной колонке, но сказано было очень много. А именно: двигательная нагрузка приводила к росту содержания нейротрофина (того самого волшебного удобрения, подобного Miracle-Gro) в мозге подопытных животных.

Проводивший эти эксперименты Карл Котман, директор Института старения и деменции Калифорнийского университета в Ирвине, рассказывал: «Я ожидал, что движения мышей могут вызвать значительные изменения в сенсорной системе мозга – двигательной коре, мозжечке, соматосенсорной коре, возможно, даже в базальных ядрах, – поскольку все элементы сенсорной системы мозга ассоциировались с движением. Мы проявили первые пленки с рентгеноскопией мозга мышей, и, о боже, изменения выявились и в гиппокампе. Важность этого момента состояла в том, что гиппокамп – это участок мозга, который сильно поражается дегенеративной болезнью и играет большую роль в обучении человека. Я тотчас же сказал себе: “Это полностью меняет дело!”»

Такая новость стала для меня полной неожиданностью. Многие годы я был убежденным сторонником использования физических упражнений в лечении синдрома дефицита внимания / гиперактивности, а также других психологических расстройств. При этом я основывался на наблюдениях за своими пациентами, а также на известном положительном эффекте, который двигательная активность оказывала на баланс нейромедиаторов. Но здесь речь шла о другом. Показав, что нагрузка «зажигает» мастер-молекулу процесса обучения, Котман установил прямую биологическую связь между движением и мыслительными функциями мозга. Сделав это, он открыл путь к изучению фактора движения в нейрофизиологии.

Котман проводил свои эксперименты вскоре после того, как был обнаружен сам факт наличия нейротрофинов в мозге. Тогда ничто не говорило о том, что физическая активность может оказывать какое-то влияние на уровень присутствия этих белков. Его гипотеза была просто актом креативности. Котман как раз закончил большое исследование, связанное с вопросами старения, в ходе которого пытался выявить нечто общее у тех пожилых людей, мозг которых сохранился лучше других. За четыре года наблюдений он установил, что таких людей объединяли три фактора: образование, самодостаточность и двигательная активность. Первые два сюрпризом не были. Котмана больше всего заинтересовал третий фактор. «Я стал думать, что вообще происходит, – говорит ученый. – Тогда существовало представление, будто движение прямо на мозг не влияет, но во мне крепло убеждение, что это не так».

На вопрос, какие переменные влияют на здоровье мозга, большинство ученых привычно отвечали – нейротрофический фактор, потому что нейротрофины считались важнейшим условием выживания нейронов. Если бы Котман смог связать физическую активность с ростом содержания нейротрофинов в мозге, он, по крайней мере, смог бы удовлетворительно объяснить обнаруженную им роль движения в замедлении старения.

Котман разработал эксперимент для измерения уровня нейротрофинов в мозге мышей, проявлявших повышенную физическую активность. Важным условием эксперимента была добровольность соответствующего поведения, потому что если бы мышей заставляли бегать по ленте тренажера, коллеги сказали бы, что рост уровня нейротрофинов был вызван борьбой со стрессом. Хорошо, решил Котман, мы используем обычные колеса, в которых так любят бегать грызуны. Насколько новыми для своего времени были исследования Котмана, можно увидеть хотя бы из того, что изготовление соответствующего оборудования для эксперимента, которое одобрил бы университет, было настоящим мучением. Ученый должен был платить до тысячи долларов за колесо из нержавейки, устраивающее комиссию. «Я помню, как подписывал заказ на его изготовление и думал, насколько это все тяжко. У меня даже появилась надежда, что ничего не сработает», – шутит Котман. К тому же никто из докторантов не захотел участвовать в исследованиях, поэтому ученому пришлось искать помощников среди аспирантов. В конечном счете удалось договориться с аспирантом, который специализировался на вопросах физиотерапии и проявил интерес к теме исследований.

В отличие от людей, грызуны, как представляется, от природы любят движение, поэтому мыши Котмана за ночь пробегали несколько километров. Они были разделены на четыре группы: в первой бегали две ночи, во второй – четыре, в третьей – семь, а мышам из четвертой группы вообще не поставили колес. Когда в мозг грызунов ввели молекулу, прилепляющуюся к молекулам нейротрофина, и просканировали мозг, то установили, что у подвижных мышей уровень нейротрофина BDNF не только возрастает, но и повышается в арифметической зависимости от величины нагрузки. Котман увидел результаты и обнаружил, что рост уровня BDNF коснулся и гиппокампа, – и не поверил своим глазам. «Я решил: мы, видимо, сделали что-то не так». Но этот чертов гиппокамп продолжал светиться. Мы вынуждены были повторить эксперимент: слишком уж значимыми оказались результаты. В повторных опытах мы увидели то же самое».

Когда связь между нейротрофинами и физической активностью была подтверждена, стало ясно, что белки BDNF важны не только для выживания нейронов, но и для их развития (появления новых ответвлений), а значит, и для обучения. Ээро Кастрен, а также Сьюзен Паттерсон из лаборатории Кандела в Колумбийском университете обнаружили: если в мышах стимулировать долговременную потенциацию, заставляя их учиться, то уровень нейротрофинов в мозге растет. Заглянув в мозг мышей, ученые установили, что мыши без BDNF теряют способность к долговременной потенциации. И наоборот, инъекции BDNF в мозг приводили к ее усилению. Вскоре один из докторантов Котмана, нейрохирург Фернандо Гомес-Пинилья, показал, что если у мышей нейтрализовать нейротрофин, они медленнее находят выход из своей клетки. Все это убедительно свидетельствует о том, что физическая активность помогает мозгу в обучении.