Hjernens stimuleres under fysisk aktivitet

[wcm_restrict]

Gjennom evolusjonen er hjernen blitt avhengig av fysisk aktivitet for å fungere optimalt. I Helsemagasinet 5/2020 skisserte vi en teori for kognitiv utvikling og nevnte en rekke fysiske aktiviteter som kan stimulere hjernen. Langdistanseløp er en av de enkleste metodene for å gjøre dette.

Tekst Kenn Hallstensen

Gjennom millioner av år har hjernen og menneskekroppen spilt på lag for å møte de ekstreme fysiske og kognitive egenskapene som måtte til for å overleve som jegere og sankere. Vår art utviklet seg til å bli den mest utholdende av alle pattedyr, og hjernen ble tilpasset både  bevegelse over lange distanser og til å utføre intensive, krevende fysiske aktiviteter. Naturlig seleksjon favoriserte individer som var utholdende og/eller hadde nok styrke og kraft til å gjennomføre rask spurt, kast, løft, bæring og klatring. Samtidig var en stor hjernekapasitet  nødvendig for å kunne orientere seg i miljøet og velge optimale overlevelsesstrategier.

Stor hjerne

For å møte de komplekse kulturelle og sosiale utfordringene som måtte til for å være jegere og sankere måtte våre forgjengere utvikle større hjerne enn apene, som levde på mer begrensede områder. Det krevde stor hjernekapasitet å samarbeide i store grupper, pønske ut innfløkte jaktmetoder, bearbeide matvarer (inkludert varmebehandling), utvikle verktøy, lære opp barn, ta seg av eldre og syke. Ikke minst krevdes stor hjernekapasitet å utvikle et avansert språk som gjorde det mulig å opprettholde og utvikle komplekse sosiale forbindelser samtidig som vi kunne uttrykke sinne, glede, tristhet, deling, egoisme med mer. Språkevnene er dårlig utviklet hos andre primater, som ikke har evnet å utvikle store samfunn med allsidig kultur.

Mennesker har unik evne til å lagre og organisere store mengder kunnskaper som er lært over mange generasjoner. Vi har utviklet ny teknologi for å løse utfordringer forbundet med å leve i samfunn med millioner av innbyggere. Ingen andre arter driver vitenskapelig forskning og systematisk innhenting av informasjon, og primater lever gjerne i grupper som ikke inkluderer mer enn noen titalls individer. Noen hevder at evnen til å følge sporene til byttedyr kan være starten på en vitenskapelig tenkemåte.

Fysisk aktive hadde en fordel

Å leve som jegere og sankere krevde andre former for fysisk aktivitet enn hovedsakelig å leve på planter. De som både var fysisk mest utholdende og forsto dyras atferd, hadde en fordel i jakten og felte flere byttedyr. Etter hvert som våre forgjengere ble mer utholdende, bidro de til større jaktutbytte, noe som igjen bidro til å utvikle en større, mer effektiv hjerne. Denne oppfatningen støttes av tre funn fra kontrollerte studier:

• Aerob kapasitet (utholdenhet) er positivt satt i sammenheng med hjernestørrelse både hos mennesker og andre pattedyr.
• Hjernens størrelse er positivt korrelert med maksimalt oksygenopptak.
• Musemodeller har vist at utholdenhetsløping bidrar til vekst av ulike områder av hjernen og hvordan signalstoffer påvirker oss. Rotter som er avlet fram for høyt oksygenopptak, opplever samtidig økte kognitive ferdigheter.

Selv om firbeinte byttedyr er mye raskere enn mennesker, er vi mer utholdende og kan forfølge byttedyr inntil de er så utmattet at de lett kan nedlegges. I tillegg har mennesket utviklet langt bedre mekanismer enn dyr for å holde kroppstemperaturen konstant selv under høye temperaturer ved hjelp av svette og fordampning. Samtidig utsettes mennesker i stående stilling for langt mindre soloppvarming enn en stor kropp på fire bein. Vi kan dessuten skjerme hodet og skuldrene ved hjelp av blant annet leire og hodeplagg. Gorillaer går på alle fire og lever i jungelens skygge; de ville neppe overlevd på slettene under stekende sol.

Fysisk aktivitet var livsnødvendig

Våre forgjengere slappet av og sparte energi når det var mulig og drev ikke systematisk trening. Periodevis matmangel favoriserte dem som kunne legge på seg fett i gode tider og dermed lagre energi til senere bruk. Dette er bakgrunnen for at hjernen ikke er tilpasset kronisk intensiv, utmattende fysisk aktivitet og at vi trenger å hvile mellom hver gang vi bruker kroppen aktivt. Overdreven fysisk aktivitet kan til og med være negativt for hjernen.¹

Tilpasning og motivasjon til å utføre langvarige, fysiske aktiviteter var spesielt viktig fordi det er så energikrevende at man i utgangspunktet ikke gjør det med glede. Uten evnen til slike aktiviteter ville våre forgjengere trolig enten ha sultet i hjel eller aldri kommet seg ut av skogen og ut på slettene. 

Den nevrologiske motivasjonen og tilpasningen til ulike former for fysisk aktivitet er ikke fullt ut forstått, men utvikling av et belønningssystem i hjernen, som gjør det lystbetonet å være fysisk aktiv, er sannsynligvis en viktig komponent.²

Fysisk aktivitet øker hjernens produksjon av og antallet reseptorer for signalstoffet dopamin. Dette bidrar til å opprettholde motivasjonen for å drive langvarig fysisk aktivitet. Mange vet også at løping kan utløse endorfiner, stoffer som minner om morfin, og som gjør at man føler seg vel tross anstrengelsene.³

Hjernen må ha fysisk aktivitet

Moderne hjerner trenger fortsatt fysisk aktivitet for å fungere optimalt fordi hoveddelen av dens fysiologi ble utviklet i en tid det var nødvendig å være fysisk aktiv for å overleve. Vår hjerne er omtrent tre ganger større enn andre menneskeaper og fem ganger større enn andre pattedyrs hjerne. Likevel utgjør hjernen vår bare to prosent av kroppsmassen, men krever cirka 20 prosent av kroppens energiomsetning i hvile. Siden tilgangen til mat periodevis var begrenset i fortidsmiljøet, ble hjernen avhengig av en kropp som tålte langvarig fysisk aktivitet for å dekke hjernens store energibehov.

Utholdenhetsløping

Tilpasningen til utholdenhetsøvelser som løping, jogging og rask gange har krevd endringer i en rekke fysiologiske systemer i kroppen. I forhold til andre primater har vi for eksempel mer langsomme muskelfibre, større glykogenlagre og et ”kjølesystem” som er overlegent mye bedre enn andre pattedyr. Slike egenskaper gjør oss særdeles godt tilpasset langvarig løping eller arbeid i varmt klima (se egen faktarute).

Fysisk aktivitet beskytter hjernen

Fysisk aktivitet beskytter hjernecellene og bedrer dens funksjon. Inaktivitet virker motsatt og er forbundet med for eksempel Alzheimers og Parkinsons sykdom, multippel sklerose (MS), angst og depresjon.⁶

En viktig grunn til at fysisk aktivitet virker positivt, er at det øker produksjonen av forskjellige molekyler som påvirker hjernen positivt. Spesielt gjelder dette hjernederivert nevrotrofisk faktor, BDNF (se egen faktarute). Dette og andre molekyler stimulerer nydanning og beskyttelse av hjerneceller og bedre kognitive funksjoner.⁷

Ketonlegemer viktige for hjernen

Når glykogenlagrene blir redusert som følge av fysisk aktivitet, må  mer av hjernens energibehov dekkes av blant annet laktat (melkesyre) og ketonlegemer. Ketonlegemer dannes i leveren fra fettsyrer. Nivået av ketonlegemer korrelerer sterkt med økningen av BDNF.¹²

I fortidsmiljøet prioriterte jegere byttedyr med mest mulig fett på kroppen fordi det gir mer energi. Samtidig kommer man lettere i ketose med et fettrikt kosthold. Ketoner er av mange forskere ansett å ha vært våre forgjengeres viktigste energisubstrat og gir mer ATP per gram enn glukose. Beregninger tyder på at våre forgjengere under istidene, som dominerte mesteparten av vår fortid, ikke inntok mer enn 10–20 g karbohydrat i form av stivelse per dag. I de korte mellom-istidene er maksimalinntaket beregnet å være under 100 g/d, og karbohydratrike matvarer hadde definitivt lav glykemisk indeks.

De som ønsker å øke tilgangen på ketonlegemer i blodet og hjernens bruk av disse, bør begrense inntaket av karbohydrat til maksimalt 50 gram om dagen. Noen fungerer bedre med et inntak på bare 20–30 gram karbohydrat per dag. Etter tilpasning til et ketogent kosthold over flere måneder opplever de fleste sjelden at glykogenlagrene i musklene tømmes under fysisk aktivitet. Langdistanseløpere som er tilvendt høyfettkosthold, har like mye glykogen i musklene som de som spiser mye karbohydrat, etter fullført løp.¹³

Karbohydratbegrensning kombinert med fysisk aktivitet bidrar til at hjernen fungerer bedre og danner mer ATP fra ketoner. Tilgangen på ketoner kan stimuleres ved å innta mellomlange, mettede fettsyrer (MCT), eventuelt konsentrert kaprylsyre eller estere av ketonlegemer, ved periodisk faste, fysisk aktivitet og høyfettkosthold.

Konklusjon

Menneskehjernen utviklet seg delvis som følge av nødvendigheten av fysisk aktivitet for å skaffe mat mens de levde på Afrikas savanner. Vår art utviklet seg til å bli mer utholdende enn andre arter. Samtidig var fysiske aktiviteter som løping, jogging og rask gange over lang tid gunstig for hjernen. Ikke alle er imidlertid ”skapt for å løpe”. Noen er bedre tilpasset mer kortvarig, intensive aktiviteter som kast, sprint, hopp og løft. I fortidsmiljøet førte slike individuelle fortrinn til samarbeid som gjorde at enkeltindivider overlevde bedre i grupper på 30–40 personer enn alene. 

Kilder:

1. Lieberman DE. The evolution of the human head. Cambridge: Belknap Press, 2011.

2. Blumenthal JA, Smith PJ, Hoffman BM. Is exercise a viable treatment for depression? ACSMs Health and Fitness Journal 2012; 16: 14–21. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23750100/

3. Fetters KA. How to achieve a runner´s high. 12.9.2020. https://www.runnersworld.com/training/a20851505/how-to-achieve-a-runners-high/

4. Cheng A, Wang S, Cai J mfl. Nitric oxide acts in a positive feedback loop with BDNF to regulate neural progenitor cell proliferation and differentiation in the mammalian brain. Devolopmental Biology 2003; 258: 319–33. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12798291/ 

5. Pham H, Duy AP, Pansiot J mfl. Impact of inhaled oxide on white matter damage in growth-restricted neonatal rats. Pediatric Research 2015; 77: 563–9. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25580736/

6. Spielman LJ, Little JP, Klegeris A. Physical activity and exercise attenuate neuroinflammation in neurological diseases. Brain Research Bulletin 2016; 125: 19–29. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27021169/

7. Chieffi S, Messina G, Villano I mfl. Neuroprotective effects of physical activity: evidence from human and animal studies. Frontier in Neurology 2017; 8: 188. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28588546/

8. Ernfors P, Kucera J, Loring J mfl. Studies on the physiological role of brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3 in knockout mice. The International Journal of Developmental Biology 1995; 39: 799–807. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8645564/

9. Marosi K, Mattson MP. BDNF mediates adaptive brain and body responses to energetic challenges. Trends in Endocrinology and Metabolism 2014; 25: 89–98. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24361004/

10. Dinoff A, Herrmann N, Swardfager W mfl. The effect of exercise training on testing concentrations of peripheral brain-derived neurotrophic factor (BDNF): a metaanalysis. PloS One 2016; 11 : e0163037.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27658238/

11. Lan Y, Huang Z, Jiang Y mfl. Strength exercise weakens aerobic exercise-induced cognitive improvements in rats. PloS One 2018; 13: 10.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30304037/

12. Marosi K, Kim SW, Moehl K mfl. 3-hydroxybutyrate regulates energy metabolism and induces BDNF expression in cerebral cortical neurons. Journal of Neurochemistry 2016; 139: 769–81.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27739595/

13. Volek JS, Freidenreich DJ, Saenz C mfl. Metabolic characteristicts of keto-adapted ultra-endurance runners. Metabolism 2016; 65: 100–10.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26892521/

/wcm_restrict]