El impacto del ejercicio regular en el cerebro

Practicar deporte nos permite tener una mejor salud física y mental, así como vivir más años de media. En relación a cómo afecta practicar deporte en el cerebro, los modelos de estudio en roedores nos han permitido una mejor comprensión de los mecanismos bioquímicos, fisiológicos y morfológicos a través de los cuales el deporte regular actúa sobre los efectos cognitivos. Una región en particular sobre la que el ejercicio regular actúa es el hipocampo. Vamos a conocerlo mejor.

Hipocampo

Es una de los dos regiones en mamíferos responsables de la generación de nuevas neuronas  durante la vida, así como del aprendizaje y la memoria.

El gif anterior está capturado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hippocampus.gif

La plasticidad neuronal fue descubierta en esta zona del cerebro y se cree que es el principal mecanismo de almacenamiento de memoria. En escenarios de daños en el hipocampo se producirán daños como pérdida de memoria y en el caso de la enfermedad de Alzheimer será una de las primeras zonas afectadas.

Se ha dado por sentado hasta hace relatívamente poco tiempo que la neurogénesis (creación de nuevas neuronas) finalizaba con la pubertad (podría ser ciertamente preocupante para personas que ya hemos superado esa etapa) algo que se ha comprobado que no es cierto y que en la adultez continua este mecanismo. No sólo eso, sino que la dimensión que la neurogénesis puede alcanzar irá en paralelo a nuestro continuo sistema de aprendizaje (buenas noticias para los que seguimos con los años con ansias de aprender). Algunas citoquinas inflamatorias (que se disparan en patologías como la obesidad) bloquean la neurogénesis en el hipocampo.

Nacido para correr?

Caminamos desde hace varios millones de años (1) y el acto de andar está bien estudiado pero no tanto la biomecánico del correr. Influyó el running en la capacidad de evolucionar del humano? No hay duda de que los humanos somos corredores bastante mediocres, incluso los TOP, al ser comparados con otros mamíferos, presentan datos muy pobres (por ejemplo respecto a un galgo o un caballo) ya sean en capacidad de mantener una velocidad punta (segundos en humanos, minutos en otros mamíferos) como en el coste energético que representa correr, pues se estima que necesitamos el doble de energía por distancia recorrida que otro mamífero de igual peso corporal (estudio). Para finalizar, nuestra estructura comparada con cuadrúpedos, no está diseñada para correr de forma eficaz (segmentos cortos de la extremidad proximal,  piés digitígrados… en el caso de los cuadrúpedos).

Parece ser que no hemos ganado la batalla por nuestra velocidad. Qué tal con la resistencia? Podríamos definir Endurance como correr muchos kilómetros durante un tiempo prolongado
usando un metabolismo aeróbico. Es algo poco estudiado fuera de nuestra especie.

El coste mínimo de transporte específico según peso es igual a el coste necesario para mover 1 kg de peso corporal a una distancia de 1 metro durante la locomoción en horizontal , independientemente de la velocidad a la que se produce. Para animales de un determinado peso corporal, correr es la forma más costosa de cubrir una distancia, mientras que nadar, la más económica (OJO! mediante la forma primaria de locomoción). Entre animales de tienen misma forma de locomoción, las especies de gran tamaño recorren distancias con menor coste específico

Basado en criterios de velocidad y resistencia, el ser humano presenta excepcionales condiciones para ser resistente a un ritmo lento, durante mucho tiempo, o lo que es lo mismo, recorrer una gran distancia a un trote ligero. Entre las características estructurales que posibilita a los humanos ser eficientes desde el punto de vista energético en la carrera de resistencia se encuentran:

  • Piernas con tendones muy largos, por ejemplo el tendón de aquiles, encargados de unir fibras musculares entre piernas, piés y huesos.
  • Forma del arco plantar: que puede ser consecuencia evolutiva en la adaptación a la resistencia, que funciona como un resorte capaz de devolver hasta el 20% de energía generada durante la fase de carga.
  • Longitud de zancada y piernas largas, junto a piés relativamente pequeños con dedos cortos.
  • Células musculares de contracción lenta.
  • Forma alargada del cuerpo para facilitar la disipación de calor junto con bello corporal reducido.
  • y mucho más…

Todo lo señalado convierten al Homo Sapiens en el único primate con capacidad de resistencia mediante la carrera.

Cerebro-Resistencia, algo hay

El aumento del tamaño del cerebro humano en relación con el resto de primates y sus capacidades cognitivas resultantes pueden haber jugado un papel importante en la carrera de resistencia. El trabajo de Raichlen y Gordon (2) estudió el tamaño del cerebro y la tasa metabólica máxima es una serie de mamíferos y  encontró correlación positiva. Entre las hipótesis se encuentra la necesidad de contar con complejos procesos cognitivos que hicieran posible la retención y recuerdo de importantes detalles para la supervivencia, por ejemplo, fuentes de alimentos, topografía, fuentes de agua… en grandes áreas, de alguna forma “extenderse” fue de la mano de un proceso cognitivo superior, aquellos más preparados para ser más resistentes a los desplazamientos estarían mejor adaptados a la supervivencia y por ende, aquellos con mejor capacidad mental.

La evolución expandió la corteza cerebral en los humanos. El sistema nervioso central controla todos los aspectos del movimiento corporal en una escala de tiempo que va de milisegundos, a horas, desde días, a años. El ejercicio estimula las células musculares, pero también las cerebrales. Los mecanismos están bien explicados en la siguiente gráfica.

Evolutionary Aspects of Human Exercise – Born to Run Purposefully / Mark P. Mattson / Ageing Res Rev. 2012 July ; 11(3): 347–352

Correr estimula la producción de factores neurotróficos, especialmente Factor neurotrófico derivado del cerebro, que promueve el crecimiento de dendritas, el fortalecimiento de las sinapsis e incluso la producción de nuevas células nerviosas a partir de células madre en algunas regiones cerebrales (estudio, estudio). Para entenderlo de una forma más coloquial, pensemos tras 1 de running la cantidad de recursos que nuestro cerebro debe gestionar: optimización de los sustratos energéticos, control de la temperatura corporal, coordinación y adaptación de la zancada al terreno, estado de alerta a posibles amenazas externas (coche que cruza, peatón…) y un sin fin de regulaciones metabólicas a través de múltiples sitios del sistema nervioso.

Contamos con numerosas adaptaciones que nos permiten ser buenas máquinas en carreras de resistencia: anatomía musculoesquelética, fisiología, regulación cardiovascular y eficiencia metabólica. Esto no ha sido fruto de la casualidad. Millones de años viviendo en un entorno en el que había que buscarse mucho la vida hicieron posible todo esto y para ejecutarlo de forma precisa, vías de señalización que regulan la neuroplasticidad y adaptaciones periféricas al ejercicio debieron ponerse en marcha.

Pensemos por un segundo en el estilo de vida actual. Cómo responden algunos de nuestros genes, diseñados para andar, caminar, correr, buscar, pensar, aprender y memorizar a una vida en la que pedimos comida a domicilio, tenemos una despensa a rebosar que nos posibilita comer cada vez que queremos y vamos en coche a comprar el pan. Para no salirme del objetivo del post, intentaré centrarme sólo en el impacto que ha tenido dejar de correr, caminar o dicho de otro modo, aquellos que continuan practicando un deporte endurance, presentan diferencias significativas en la salud y características de su cerebro?

El ejercicio aeróbico se asocia a mejora de mecanismos cognitivos así como a un incremento del volumen de algunas regiones del cerebro. Esta actividad aeróbica incluirá ejercitarse en rangos de intensidades que irán de baja a elevada, que con el paso del tiempo provocará mejora de la eficiencia del sistema cardiovascular. Incremento de la corteza frontal así como de la entrega de flujo sanguíneo en el hipocampo, serán algunos de los cambios que se producen en el cerebro mediante la práctica de ejercicio aeróbico (caminar, correr, bici…).

Estudios en humanos, qué dice la ciencia

En modelos desarrollados en animales existe bastante literatura al respecto. Algunos ensayos clínicos llevados a cabo en humanos:

  • Personas mayores que tras 6 meses de entrenamiento aeróbico ven reducida la progresión en el empeoramiento del habla y comprensión (n=86, mujeres de 70-80 años). Estudio.
  • Intervención de 8 semanas practicando yoga en personas mayores (N = 118; edad media = 62.0). Los participantes en el grupo de intervención de yoga mostraron un rendimiento significativamente mejorado en la función ejecutiva de la capacidad de la memoria de trabajo y la eficiencia del desplazamiento mental. Estudio.
  • Sujetos jóvenes que practican ciclismo de alta intensidad (n=32). Estudio. Una sola sesión de ejercicio cardiovascular agudo mejora la habilidad motora. Se midieron los niveles plasmáticos de factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), factor de crecimiento similar a la insulina (IGF-1), epinefrina, norepinefrina, dopamina y lactato, al inicio del estudio, inmediatamente después del ejercicio y durante el entrenamiento, en un periodo de tiempo de 7 días. Se produjo aumento de las concentraciones de biomarcadores implicados en la memoria y los procesos de aprendizaje.
  • Intervención  de 16 semanas (cinta de correr, 30 minutos, dos veces a semana y una intensidad moderada de 60% de VO2 max) ayuda en el funcionamiento cognitivo de adultos mayores que sufren de demencia leve. Estudio.

Como resumen, en pocas semanas, llevar a cabo protocolos de ejercicio aeróbico a intensidad leve/moderada, ya supone inicio de mejoría en determinados procesos relacionados con la salud mental.

Entrenamiento de fuerza y coordinación e impacto en el cerebro

El rendimiento cognitivo en el entrenamiento de fuerza tiene menor recorrido en los estudios científicos, tanto en humanos como roedores. El entrenamiento de fuerza emplea la resistencia para llevar a cabo contracción muscular y de esta forma se aumenta la fuerza muscular así como la resistencia. Al contrario del ejercicio aeróbico, esta modalidad deportiva no tiene por que mejorar la resistencia cardiovascular.

Interesante en sentido resulta el estudio de Claudia Niemann et al.,  Not only cardiovascular, but also coordinative exercise increases hippocampal volume in older adults, mediante un ensayo aleatorio de 12 meses. Trabajar la mejora de la aptitud motriz (equilibrio, velocidad de movimiento, coordinación) condujo a aumentos en el volumen del hipocampo. El estudio se centra no en el trabajo, sino en el la coordinación.

Durante la vida adulta, en promedio, el volumen del hipocampo se contrae alrededor de 0.86% por año, pero este desarrollo es altamente no lineal (3). Mientras que para adultos menores de 50 años se observaron reducciones anuales del volumen del hipocampo de solo 0,51%, los adultos mayores de 50 revelaron una disminución del volumen anual mucho más pronunciada del 1,18% (3).

Como hemos vinido indicando el hipocampo parece ser especialmente sensible a la actividad cardiovascular. El trabajo de Erickson et al, Exercise training increases size of hippocampus and improves memory, demostró que 12 meses de entrenamiento cardiovascular se asociaron con un aumento en el volumen del hipocampo en aproximadamente un 2% en adultos mayores . Este aumento en el volumen del hipocampo se asoció con la mejora de la aptitud cardiovascular (VO2 max) y el rendimiento de la memoria espacial, respectivamente.

En relación a los efectos de entrenamientos que requieren coordinación y procesamiento de la información cognitiva perceptual los estudios disponibles revelaron que la capacidad motora (por ejemplo, velocidad de acción, velocidad de reacción, equilibrio) y el entrenamiento de coordinación facilitan la función cerebral (particularmente en aquellas áreas relacionadas con el procesamiento visual-espacial) y el rendimiento cognitivo en adultos mayores (4).

En definitiva, la hipótesis de que la aptitud motora también está asociada con el volumen del hipocampo se confirma mediante asociación positiva de la función motora y la función cerebral, también encontraremos en la literatura disponible relación positiva entre la capacidad motora y el volumen del hipocampo. Esto parece particularmente razonable ya que el hipocampo está involucrado en la navegación espacial y la consolidación de la secuencia motora, dos procesos probablemente asociados con la aptitud motriz.

Nuestro cerebro no es el mismo tras practicar deporte de forma crónica

Serotonina

16 semanas de entrenamiento aeróbico (45 min, 6 km/h, 3 días/semana) producen elevación de triptófano en plasma y por lo tanto mayor disponibilidad de este aminoácido para el cerebro (5). El triptófano es un precursor de la serotonina (un neurotransmisor que se produce mediante un proceso de conversión bioquímica que combina el triptófano con un componente de proteína y triptófano hidroxilasa). La serotonina transmite señales entre las neuronas regulando su intensidad. Los niveles se ven reducidos por ejemplo, en situación de estrés. Influye, además,  en una variedad de funciones corporales y psicológicas muy importantes.

Una sola sesión de entrenamiento dispara la serotonina en el cerebro, en partes clave del sistema límbico involucrado en el estado de ánimo (estudio).

En relación al entrenamiento crónico, los efectos a largo plazo son similares a los observados después de tomar antidepresivos durante mucho tiempo (estudio).  El entrenamiento aeróbico también ha demostrado cierta protección contra el agotamiento de transmisores aminérgicos en el cerebro, aumentando así la capacidad
para resistir las consecuencias depresivas de la exposición repetida a factores estresantes.

Aunque la literatura disponible es mayor en animales que humanos, sería prudente recomendar la práctica regular de actividad física con el objetivo de aumentar la actividad de los neurotransmisores con el objetivo de promover una mayor plasticidad y salud mental.

Neurotrofinas

La gran mayoría de las neuronas en el cerebro de los mamífeos se forman ANTES de nacer, pero parte del cerebro adulto (hipocampo) mantienen la capacidad de sintetizar nuevas neuronas a partir de células madre, es un proceso conocido como neurogénesis y ya ha sido citado anteriormente. Las neurotrofinas ayudan a estimular y controlar este mecanismo. Se trata de una familia de proteínas (NGF, BDNF, NT-1, NT-3, NT4) que favorecen la supervivencia de las neuronas. .

El ejercicio físico regular provoca cambios neurológicos. Tanto factor neuotrófico derivado del cerebro (BDNF) como factor de crecimiento nervioso (NGF) son mediadores de cambios dependientes de la actividad del sistema nervioso central. Se han examinado en ratas los niveles de ARNm (ARN mensajero es el ácido ribonucleico que transfiere el código genético procedente del ADN del núcleo celular a un ribosoma en el citoplasma) de BDNF y NGF tras acceso ad libitum a ruedas para correr (6). Resultado,  el ARNm de BDNF aumentó significativamente en
varias áreas del cerebro, más notablemente en el hipocampo después de 2, 4 y 7 noches con ejercicio. El ARNm de NGF también se elevó significativamente en el hipocampo.

Son varios los mecanismos por los que BNDF y NGF son tan importantes: protege las neuronas contra la hipoglucemia, excitotoxicidad mediante estabilización de calcio intracelular, aumentando la protección frente a daño de radicales libres… las neuotrofinas ejercen un papel muy importante en la protección del cerebro frente al envejecimiento y la regulación de la expresión de éstas se encuentra claramente vinculada a la actividad neuronal.

El ejercicio físico produce aumentos en el ARNm de BDNF en el hipocampo, además, aumentan la expresión de genes para NGF en  áreas específicas del cerebro.

Dicha regulación dependiente de la actividad de las neurotrofinas es una vía por la cual el ejercicio podría ayudar a salud mental y función del sistema nervioso central.

Fuentes,

(1)  Carrier, D. R. The energetic paradox of human running and hominid evolution. Curr. Anthropol. 25, 483–495 (1984)

(2) Raichlen DA, Gordon AD. Relationship between exercise capacity and brain size in mammals. PLoS One. 2011; 6(6):e20601

(3) Differential aging of the medial temporal lobe: a study of a five-year change. Raz N, Rodrigue KM, Head D, Kennedy KM, Acker JD Neurology. 2004 Feb 10; 62(3):433-8

(4) Physical and motor fitness are both related to cognition in old age. Voelcker-Rehage C, Godde B, Staudinger UM Eur J Neurosci. 2010 Jan; 31(1):167-76.

(5) Michel O. Melancon, Dominique Lorrain, and Isabelle J. Dionne; Changes in markers of brain serotonin activity in response to chronic exercise in senior men; Appl. Physiol. Nutr. Metab. 39: 1250–1256

(6) Neeper SA, Gomez-Pinilla F, Choi J, Cotman CW. Physical activity increases mRNA for brain-derived neurotrophic factor and nerve growth factor in rat brain. Brain Res. 1996;726:49–56