Подведем итоги сказанному: существуют убедительные доказательства, что физические упражнения стимулируют процесс обучения. Однако этот эффект проявляется после занятия физическими упражнениями, потому что во время интенсивных упражнений кровь отливает от префронтальной коры, чтобы помочь организму справиться с физической нагрузкой. Так как префронтальная кора – центр исполнительных функций мозга, без ее участия процесс обучения невозможен. После завершения физических упражнений кровь вновь приливает к префронтальной коре, а человек получает повышенную способность к концентрации. Так что, как советовал Джон Рэти, не стоит готовиться к поступлению на юридический факультет, не отрываясь от эллиптического тренажера в спортзале. Для максимального результата начните штудировать учебную литературу после того, как позанимаетесь спортом.
Можно ли включить физические упражнения в школьную программу, чтобы помочь ученикам повысить свои когнитивные навыки? Один из подобных примеров – эксперимент в городе Нейпервилле к западу от Чикаго. Там в школьную образовательную программу включили физическую подготовку, чтобы улучшить академическую успеваемость и социальное поведение школьников. Когда ученики восьмого класса приняли участие в Международном мониторинговом исследовании качества школьного математического и естественно-научного образования TIMSS (в выполнении этого международного теста участвовали 230 тысяч школьников из разных стран мира), они заняли первое место по результатам в секции естественно-научного образования и шестое в секции математики (после Сингапура, Кореи, Тайваня, Гонконга и Японии). Для понимания контекста учтите тот факт, что 50 % школьников из перечисленных азиатских стран обычно занимают верхние строчки международных образовательных рейтингов, в то время как в США этого уровня достигают только 7 % учеников. Таким образом, для США результаты школьников из Нейпервилла были значительно выше средних.
Результаты эксперимента обусловлены многими факторами. Одним из них может быть то, что только в 6 % классов старшей школы в США проводятся уроки физической культуры или занятия в спортзале. Другим фактором может быть то, что американские школьники проводят в среднем пять часов в день перед экраном телевизора, монитора компьютера или мобильного устройства. Положительное влияние физических упражнений на процесс обучения привлекло внимание департаментов образования некоторых штатов. Согласно данным департамента образования Калифорнии, школьники с более высокими показателями уровня физической подготовки также имеют более высокие результаты тестов, кроме того, физические упражнения в целом оказывают положительное влияние на память учеников, концентрацию и поведение в классе.
Физические упражнения как лекарство
Физические упражнения можно считать эффективным лекарством, в то время как недостаток физической активности негативно сказывается на состоянии здоровья. Доказательства разнообразного положительного влияния физических упражнений на здоровье собираются уже в течение более чем полувека.
Согласно результатам исследований, физические упражнения снижают риск возникновения воспалительных процессов в организме. Например, в ходе обширного исследования, в котором изучили истории болезней 13 478 человек в возрасте старше 20 лет, выяснилось, что физические упражнения снижают уровень С-реактивного белка (CRP) белка плазмы крови, концентрация которого повышается при воспалении. Была выявлена зависимость: чем больше физическая нагрузка, тем ниже уровень CRP. Только у 8 % людей, активно занимающихся спортом, уровень CRP был повышен, в то время как число людей, не занимающихся спортом, но имеющих повышенный уровень CRP, составило 21 %. Положительный эффект от физической нагрузки на организм проявляется в любом возрасте. Опрос 800 мужчин и женщин в возрасте 70–75 лет показал, что как умеренные, так и интенсивные физические нагрузки коррелируют с низким уровнем CRP.
Хотя недостаток физических упражнений негативно сказывается на стволовых клетках мозга и их дифференциации, не менее вредны и чрезмерные физические нагрузки. И наоборот: умеренные и интенсивные физические нагрузки способствуют развитию стволовых клеток. Отсюда можно сделать вывод: для здоровья мозга одинаково вредны крайности в виде отсутствия физических упражнений или чрезмерного их количества. Физические упражнения должны быть умеренными или интенсивными.
Даже если человек просто думает о физических упражнениях, в головном мозге активируются те же самые нейронные системы. Было проведено сравнение эффекта от мысленного и фактического выполнения упражнений на основании наблюдения за активностью коры головного мозга и последующими физическими результатами. Мысленное выполнение физических упражнений не только вызвало изменение в мозге, но также привело к улучшению фактического выполнения тех же упражнений.
Это открытие заставило ученых задаться вопросом: как мысленное выполнение физических упражнений влияет на их последующее фактическое выполнение. И ученые выяснили, что после пяти дней мысленной практики и последующих двух часов фактической практики выполнения упражнений результат улучшился настолько же, как после пяти дней фактического выполнения упражнений!
Это открытие подтвердило давно существующее убеждение спортивных психологов, что визуализация и мысленная репетиция выступления спортсмена могут повысить результативность его фактического выступления. Причем это не зависит от вида спорта.
Вы сами в состоянии проверить, что чем скорее сможете представить себя выполняющим какое-то действие, тем быстрее фактически сможете это сделать. Но существуют определенные ограничения, связанные с тем, что сознание и мозг – это два аспекта одного процесса. Например, если вы правша, вам будет проще и представить, что вы поднимаете правую руку, и фактически поднять правую руку, чем представить, что вы поднимаете левую руку, и поднять ее.
Это ограничение сохраняется, даже если у человека парализована половина тела. Он также быстрее шевелит действующей рукой и представляет себе это действие. Так происходит, потому что при движении и мысленном представлении движения активируются одни и те же системы мозга.
Организация здорового сна
Активное изучение процесса сна человека продолжается вот уже более 80 лет. С 1930‑х годов ученые способны определять типы и стадии сна.
Первая стадия сна – это переходный период между состоянием бодрствования и сном. Она характеризуется быстрыми волнами мозга. Если разбудить человека в этот период, то он, вероятно, скажет, что не спал. Вторая стадия сна – неглубокий, или легкий, сон с доминированием тэта-волн. Многие пациенты, страдающие от бессонницы, жалуются, что не могут спать, хотя на самом деле они находятся в этой стадии сна. Половину всего времени человек проводит в стадии легкого сна. Когда человек испытывает стресс, продолжительность этой стадии относительно следующей увеличивается.
Стадии 3 и 4 считаются стадиями глубокого сна. В них мозг продуцирует медленные волны, или гамма-волны. В стадии глубокого сна, пока все функции организма замедлены, происходит восстановление иммунной системы. Если лишать человека глубокого сна, это негативно скажется на его иммунной системе и спровоцирует развитие болезней. При стрессе в организме повышается выброс адреналина и норадреналина, что сокращает медленноволновой сон. При недостатке сна организм сразу переходит на стадию глубокого сна, что свидетельствует о его важности для здоровья.
Следующая стадия – быстрый сон, или стадия быстрых движений глаз (БДГ-сон, REM-сон). Если разбудить спящего в этой стадии, чаще всего он расскажет о ярком сновидении. С возрастом ее продолжительность сокращается. В этой стадии большинство функций организма активированы практически как в состоянии бодрствования: например, обмен веществ и возбуждающие нейромедиаторы. По этой причине стадию быстрого сна называют парадоксальным сном. Человеку может сниться, что он бежит, и большинство систем его организма будет функционировать так, словно он действительно бежит.
Хотя стадия быстрого сна наступает примерно каждые 90 минут, бóльшая часть глубокого сна происходит на позднем этапе цикла сна. У здоровых взрослых людей эта стадия занимает 25 % от общего времени сна.
Цикл сна, или циркадный ритм
Периоды сна и бодрствования зависят от времени суток и освещенности. Свет попадает на сетчатку глаза, и информация об этом отправляется в гипофиз, расположенный в центральной области мозга. Реакцией гипофиза на свет является прекращение выработки мелатонина, что дает мозгу сигнал о том, что наступил день. При наступлении темноты сетчатка глаза отправляет в гипофиз информацию о том, что для торможения нервных реакций человека пора синтезировать мелатонин. Этот цикл носит название циркадного ритма.
Цикл сна, или циркадный ритм
Периоды сна и бодрствования зависят от времени суток и освещенности. Свет попадает на сетчатку глаза, и информация об этом отправляется в гипофиз, расположенный в центральной области мозга. Реакцией гипофиза на свет является прекращение выработки мелатонина, что дает мозгу сигнал о том, что наступил день. При наступлении темноты сетчатка глаза отправляет в гипофиз информацию о том, что для торможения нервных реакций человека пора синтезировать мелатонин. Этот цикл носит название циркадного ритма.
Так как уровень освещенности в течение дня влияет на сон, постарайтесь получить максимальное количество яркого света, чтобы настроить свой циркадный ритм в соответствии с естественным циклом дня и ночи. Если вы страдаете от бессонницы, не сидите за компьютером допоздна, потому что излучение от компьютера – тоже свет, который по ошибке будет настраивать мозг вести себя так, словно наступил день. Так как ваш циркадный ритм может перестать совпадать с естественным циклом дня и ночи, в течение нескольких часов до того, как отправиться спать, постарайтесь находиться в условиях мягкой, комфортной освещенности.
Циркадный ритм связан не только с уровнем освещенности, но и с температурой тела. В идеале, когда вы ложитесь спать ночью, температура вашего тела должна постепенно снижаться. Непосредственно перед пробуждением утром температура тела начинает повышаться. Когда вы встаете с кровати и начинаете двигаться, вы обеспечиваете дальнейшее повышение температуры тела.
Если у вас бессонница, то могут возникнуть проблемы с регулированием температуры тела: она будет повышаться в ночное время, когда должна была бы снижаться. Причиной этого становится, в частности, отсутствие физических упражнений в течение дня. Благодаря физическим нагрузкам днем, ночью температура вашего тела снизится.
Сон и функции мозга
Сон чрезвычайно важен для поддержания функций головного мозга. Регулярный недосып приводит к возникновению разных проблем. Например, уже доказано, что сон играет ключевую роль в определенных генетических процессах, в синтезе белков, выработке миелина. Без миелина нейроны не способны формировать эффективные нейронные связи. Сон также очень важен для синтеза и переноса холестерина – существенного составного компонента миелина.
Даже недельная депривация сна становится причиной набора веса, так как в организме увеличивается выработка гормона грелина, стимулирующего аппетит. Одновременно в организме снижается выработка гормона лептина, подавляющего аппетит. Особенность аппетита в состоянии депривации сна заключается в том, что наблюдается тенденция к потреблению углеводосодержащих продуктов, сладостей, высококалорийной пищи. Потребление таких продуктов на 33–45 % выше у людей, испытывающих нехватку сна, по сравнению с теми, кто спит достаточно. При этом им не хочется фруктов, овощей или белковых продуктов.
В состоянии депривации сна у человека снижается концентрация внимания, ухудшается способность к обучению и запоминанию. Чем дольше человек находится в этом состоянии, тем сильнее угнетаются эти основополагающие функции. Недавнее открытие стало одним из наиболее революционных: оказывается, в определенной области гиппокампа происходит рост новых нейронов. Результаты исследований доказывают, что недостаток сна препятствует способности этих стволовых клеток расти и становиться новыми нейронами. Усиление синаптических связей играет ключевую роль в формировании воспоминаний. Во время сна неустойчивые следы воспоминаний меняют конфигурацию на более устойчивую для долгосрочного хранения информации (Frank, Issa и Stryker, 2001). Таким образом, во время сна впечатления, полученные в течение дня, восстанавливаются и консолидируются.
Выражение «утро вечера мудренее» на самом деле имеет глубокий смысл. Утром вы не только физически полны сил и энергии, но и в состоянии свежим взглядом увидеть полную перспективу на основе более устойчивых важных воспоминаний предыдущего дня. Благодаря этому расширению процесса нейропластичности, который начинается днем и продолжается во время сна, вы смотрите на ситуацию под разными углами. Недаром в истории известны примеры великих научных открытий, совершенных после хорошего сна.
Например, Дмитрию Менделееву идея организации химических элементов в периодическую таблицу по их атомной массе пришла именно во сне. Немецкий фармаколог Отто Лёви, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1936 года, рассказывал, что он проснулся посреди ночи с ясным пониманием того, как происходит передача нервных импульсов между нейронами с помощью химических веществ, которые мы сегодня называем нейромедиаторами.
Как избежать бессонницы
Некоторые люди предпринимают попытки улучшить качество сна с помощью методов, только усугубляющих проблемы со сном. Практически у каждого из нас хотя бы раз в жизни была бессонница, а для многих она – постоянная головная боль. Примерно половина населения испытывает проблемы со сном раз в неделю, а у 15 % они наблюдаются два раза в неделю или чаще. Эти проблемы особенно характерны для людей, испытывающих тревожность или депрессию. Человеку в состоянии напряжения, голова которого занята множеством мыслей, трудно расслабиться, чтобы спокойно заснуть. Стресс повышает уровень возбуждающих нейромедиаторов норадреналина, адреналина и кортизола, которые обычно подавляются в ночное время. В состоянии стресса, тревожности или депрессии человек еще больше «накручивает» себя, думая о том, что ожидает его на следующий день.
Развитие бессонницы определяют многие факторы, включая возраст, заболевания и употребляемые лекарственные средства. С возрастом качество сна у человека ухудшается. Кроме того, есть множество факторов, связанных с образом жизни и внешней средой и влияющих на возникновение бессонницы, например:
• плохой воздух в спальне;
• физические упражнения перед сном;
• высокая температура тела;
• отсутствие физических упражнений;
• кофеин;
• сон в дневное время;
• никотин;
• использование компьютера поздно ночью;
• алкоголь;
• сахар;
• высокая температура в спальне;
• обильная еда перед сном;
• случайные и новые шумы;
• голод;
• свет.
Кофеин вызывает бессонницу, так как блокирует рецепторы аденозина в мозге. Аденозин играет роль в стимуляции сна, особенно глубокого.
Алкоголь ведет к сокращению стадий глубокого и быстрого сна. Он также вызывает пробуждение в середине цикла сна, потому что действие алкоголя к этому времени проходит. По некоторым оценкам, 10 % всех проблем со сном вызывает алкоголь. Если у вас возникли проблемы со сном и вы пытаетесь решить их с помощью алкоголя, нужно сделать все с точностью до наоборот: не употребляйте алкоголь за несколько часов до того, как отправитесь спать, или не пейте вообще.
Если обычно вы просыпаетесь рано утром и не можете вновь уснуть, постарайтесь находиться на ярком свету рано утром. Так ваш гипофиз не будет производить мелатонин в течение дня, а температура тела будет самой низкой во время сна. Если вы просыпаетесь в середине ночи и не можете уснуть, постарайтесь находиться на ярком свету утром попозже. Это поможет обеспечить более низкую температуру тела в середине цикла сна и позволит продолжать спать, не просыпаясь.
Заболевания, связанные с бессонницей:
• фибромиалгия;
• рак;
• болезнь Хантингтона;
• астма;
• заболевания почек;
• гипертония;
• гипертиреоз;
• заболевания сердца;
• болезнь Паркинсона;
• бронхит;
• эпилепсия;
• артрит.
Бессонницу вызывают и некоторые лекарственные препараты. К сожалению, многие врачи не предупреждают пациентов о том, что у назначенных ими лекарств есть побочные эффекты в виде нарушения сна.
Некоторые лекарственные препараты, вызывающие бессонницу:
• деконгестанты;
• препараты против болезни Паркинсона;
• кортикостероиды;
• препараты против астмы;
• диуретики;
• препараты для подавления аппетита;
• препараты для лечения сердечных заболеваний;
• препараты для лечения заболеваний почек.
Гигиена сна
Существует несколько способов улучшения качества сна, включая физические упражнения, правильное питание, яркий свет в течение дня и прохладную спальную комнату. Ученые Стэнфордского университета исследовали влияние физических упражнений на качество сна в возрастной группе 55–75 лет и обнаружили, что те люди, которые занимались физическими упражнениями в течение 20–30 минут во второй половине дня, вечером засыпали в два раза быстрее. Два метаанализа[8] подтвердили, что физические упражнения способствуют повышению общего качества сна. Эти же исследования показали, что физическая нагрузка увеличивает продолжительность не только сна, но и, в частности, стадии глубокого сна.