Mózg człowieka to struktura, w skład której wchodzi 85 miliardów komórek nerwowych – neuronów i tyleż samo komórek glejowych. Każdy neuron tworzy połączenia synaptyczne z innymi, a to buduje skomplikowaną sieć połączeń. Fragment wielkości ziarenka piasku to 100 tys. neuronów i 1 mld synaps.
Masa mózgu to około 1,4 kg, a ponad 20% wydatku energetycznego organizmu w stanie spoczynku przypada właśnie na mózg. Metabolizm komórek odpowiedzialnych za naszą osobowość, zdolności, wykształcenie, wspomnienia i wizje przyszłości, a nawet gusta, wymaga zatem podtrzymania, na odpowiednim poziomie, poprzez przyjęcie właściwych składników odżywczych, wymaga też długich faz odpoczynku (sen) oraz krótkich faz ruchu.
Mózg wytwarza około 23 watów mocy, czyli tyle, ile wystarcza do zasilenia żarówki. Taka moc i generująca ją struktura wymaga nie tylko dostarczenia paliwa energotwórczego, składników budulcowych, ale i regularnego odpoczynku. Jest to możliwe dzięki silnemu unaczynieniu, tym samym ukrwieniu mózgu. W ciągu każdej sekundy przez ten organ przepływa 750 mililitrów krwi, co pozwala na zużycie 3,3 mililitrów tlenu na minutę pracy mózgu. A to wszystko w podtrzymywanej (co też wymaga energii) temperaturze operacyjnej 36–38 stopni Celsjusza.
Tlenowe dylematy
Gdy krew nie dostarcza tlenu np. podczas udaru, neurony umierają, a zdolności konkretnych obszarów mózgu zostają utracone. Pamiętać (sic!) przy tym należy, że zarówno zbyt niski (hipoksja), jak i zbyt wysoki (hiperoksja) poziom tlenu mogą ze szkodą oddziaływać na komórki naszego ciała, w tym szczególnie wrażliwe, na takie wahania komórki nerwowe (także w obszarach odpowiedzialnych za pamięć i uczenie się, takich jak kora przedczołowa i hipokamp).
W ramach projektu badawczego BRAINCIROXCON (UE, Functional and structural changes of brain circuitry in altered oxygen conditions) badacze z Birmingham University, korzystając z narzędzi neuroanatomicznych i metod elektrofizjologicznych, utworzyli mapę uszkodzonych obszarów mózgu, wyodrębniając wadliwie działające populacje neuronów hamujących i pobudzających. Najbardziej znaczące w tych badaniach, okazały się uszkodzenia cytoszkieletu (który warunkuje transport neuroprzekaźników poprzez komórkę), a także wykryte podczas badania metodą TUNEL (umożliwia wykrywanie umierających na drodze apoptozy komórek poprzez detekcję fragmentacji DNA) – metodami barwienia markerów apoptozy, defekty występujące głównie w hipokampie.
Co ciekawe, nawet łagodnie przebiegająca hiperoksja (30%), bo zaledwie kilkugodzinna, może powodować uszkodzenia neuronów. Obserwacje te potwierdzono jednocześnie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI). Mierzono też aktywność sieci neuronalnej, stosując encefalografię (EEG) z użyciem wielokanałowych elektrod umieszczonych w hipokampie w warunkach różnej podaży tlenu (od normalnego poziomu O2, po hipoksyjny i hiperoksyjny). Badania te wykazały, że zarówno nadmiar jak i niedobór tlenu prowadzą do znaczących zmian w sieci neuronowej oraz zwiększają aktywność neuronów hamujących (to mniejsza niż pobudzające, populacja neuronów, które wydzielają neurotransmiter GABA).
To istotne obserwacje także w świetle badań naukowców z Uniwersytetu Nottingham (W. Brytania), którzy zakłócali w mózgach szczurów działanie neuroprzekaźnika GABA (aminokwasu hamującego aktywność neuronów), poddając następnie zwierzęta testom uwagi i pamięci. Gryzonie z nadmiernie pobudzonym hipokampem gorzej radziły sobie w zadaniach opartych na funkcjonowaniu pamięci, jak również w zadaniach wymagających koncentracji. Nadmierna aktywność neuronów w obrębie hipokampa niosła ze sobą więcej szkód niż pobudzenie określane jako niewystarczające. Zatem, także niedostateczne hamowanie upośledza pamięć, zakłócając równowagę w aktywności hipokampa. Co ciekawe, niedostateczne hamowanie w obrębie hipokampa upośledza uwagę, która w normalnych warunkach nie jest zależna od hipokampa, lecz od kory przedczołowej. To pokazuje, jak silne są połączenia neuronalne między hipokampem i korą przedczołową (wyniki tych badań publikowane były na łamach czasopisma Cerebral Cortex).
Moc glukozy
Mózg karmi się glukozą (6-węglowy cukier prosty), z której pozyskuje energię w postaci ATP. W tym celu zużywa dziennie nawet 120 gramów tego cukru prostego. Warto zaznaczyć, że aktywne obszary mózgu wykorzystują (spalają) więcej energii niż nieaktywne. To pozwala też na badanie funkcji mózgowych za pomocą metod PET, czy fMRI (PET to obecnie SPECT tomografia emisyjna pojedynczych fotonów, fMRI funkcjonalny rezonans magnetyczny pozwala w czasie rzeczywistym i trójwymiarze pokazać, które obszary mózgu są najbardziej aktywne – zużywają więcej tlenu, śledzi się zatem ruch dostarczającej go krwi). Mózg nie gromadzi dużych rezerw energetycznych, więc gdy glukoza nie jest dostępna, musi korzystać z alternatywnego paliwa, żeby nie tylko umożliwić swoje działanie, ale wręcz przetrwanie. Wykorzystuje do tego energię ciał ketonowych (rozpuszczalnych w wodzie) syntetyzowanych przez wątrobę, gdy kurczą się zapasy glukozy. Taki stan nie może jednak trwać długo, a hipoglikemia (niski poziom glukozy) może prowadzić do utraty przytomności, a nawet gorszych powikłań.
Gdy dostarczamy mózgowi glukozę następuje wyrzut dopaminy, która pobudza układ nagrody w mózgu. To skutkować może uzależnieniem od słodyczy, co z punktu widzenia naszego zdrowia nie jest niczym dobrym. Dobrym rozwiązaniem są tzw. cukry złożone (wielocukry), gdyż następuje powolne uwalnianie z nich glukozy do krwi i następnie mózgu.
Ciekawe w tym aspekcie wydają się badanie przeprowadzone pod kierunkiem F. Gomez-Pinilla (UCLA, USA), który wykazał, że sposób żywienia wpływać może na nasz umysł. Myszy, którym podawano duże ilości fruktozy (cukier prosty), charakteryzowały się spowolnioną pracą mózgu, obniżoną zdolnością do myślenia i zapamiętywania. Co ciekawe przy tym, jednoczesne podawanie gryzoniom kwasów omega-3 (obecnych w łososiu, orzechach, nasionach lnu) neutralizowało i minimalizowało szkody wywoływane nadmiarem cukru. Mózg byłby bezbronnym przy niedoborach cukru i energii (co kilka milisekund musi stabilizować gradienty jonowe aktywnych neuronów) i pozbawiony samokontroli oraz możliwości podejmowania decyzji. Ale i zbyt wysoki poziom cukru system działania mózgu radykalnie spowalnia. Tu warto wspomnieć, że śniadanie zjedzone 30 minut po przebudzeniu wprowadzając do organizmu odpowiednią poranną dawkę glukozy, zapobiega wyrzutowi nadmiaru kortyzolu (nadnerczowy hormon stresu utrudniający uczenie się), co pozytywnie wpływa na zdolności poznawcze mózgu, w tym uczącego się.
I inne czynniki
Wracając do kwasów tłuszczowych omega-3, w naszej diecie nie może brakować tłuszczów, niezbędnych chociażby do budowania osłonek mielinowych neuronów. Spożycie łososia i innych ryb jak makrele, śledzie, które zawierają duże ilości DHA (kwas tłuszczowy) ma zatem duże znaczenie dla rozwoju mózgu i funkcji kognitywnych. Ich spożycie szczególnie zalecane jest kobietom w ciąży. Regularne zaopatrzenie mózgu w tego typu tłuszcze warunkuje zdrowie naszego mózgu, w tym jego prawidłowy rozwój, który trwa nieustannie do nawet 22 roku życia. Według raportu „MEDSCAPE UK” z 2022 roku olej rybi zawierający kwasy omega-3 jest czynnikiem obniżającym ryzyko wystąpienia demencji. Z czysto chemicznego punktu widzenia mózg, oprócz tłuszczów, składa się z olbrzymiej ilości wody, która stanowi nawet ponad 80% masy mózgowia. Nawodnienie (hydratacja) mózgu są bardzo istotne nie tylko dla młodego rozwijającego się organizmu, ale i u osób w wieku starszym. Jednym z objawów starzenia się ośrodkowego układu nerwowego, w tym mózgu, jest postępujące odwodnienie, co wpływa na obniżenie objętości i masy mózgu, jak również na funkcje tego wrażliwego na dehydratację organu.
Na pracę mózgu i zdolności poznawcze – poprawę jego funkcji – ma wpływ znacznie więcej czynników i substancji zawartych w naszym pożywieniu, i dostarczanych ze środowiska, niż opisane powyżej. Należą do nich niektóre witaminy z grupy B, w tym kwas foliowy czy polifenol o nazwie rezweratrol. Badania opublikowane w 2020 roku wykazały, że osoby poddane suplementacji rezweratrolem (zawartym w winogronach i winie) odznaczały się poprawioną wydajnością funkcji mózgu poprzez wzrost jego natlenowania i odżywienia, a także skuteczne usuwanie zbędnych produktów przemiany materii w obrębie mózgu.
Warto zadbać także o obecność w diecie takich składników jak preparaty Gingko biloba (Miłorząb japoński), który jest źródłem antyoksydantów i pełni rolę neuroprotekcyjną, czy żeńszenia (bogate w ginsenozydy) mające wpływ na dotlenowanie tkanek. Inne czynniki wspomagające pracę mózgu to magnez, który chroni przed neurodegeneracją, a obecny w pestkach dyni, kaszy gryczanej, wodzie magnezowej, oraz lecytyna, która wspomaga pamięć i koncentrację, a znaleźć ją można w jajach, orzechach, wątrobie, awokado. Lecytyna jest źródłem choliny, na bazie której powstaje acetylocholina – neuroprzekaźnik najobficiej występujący w ludzkim organizmie. Jaja to znaczące źródło choliny, ponieważ ich żółtko jest zasobne w lecytynę. Sama zaś acetylocholina nie tylko ma znaczenie dla pobudzania układu nagrody, ale także pełni ważną funkcję w procesie uczenia się i jest istotna dla neuroplastyczności. Cenna jest również kurkuma, gdyż ma wpływ na oczyszczanie mózgu z toksycznych białek amyloidowych.
Jakość higieny
Nasz tryb życia, w szeregu jego aspektach, ma wpływ na funkcjonowanie mózgu, stąd higiena tego nadzwyczaj wrażliwego na szereg czynników organu jest niezwykle istotna. Aby zachować mózg w należytym stanie, należy zapewnić mu odpowiednią ilość snu. Wprawdzie mózg człowieka jest w stanie wytrzymać bez snu około 100 godzin, to jednak chroniczny brak snu może skutkować nieodwracalnymi zmianami w mózgu, w skrajnych przypadkach doprowadzając nawet do poważnych objawów schizofrenicznych. Sen ewolucyjnie łączy nas ze ssakami i innymi grupami zwierząt. Mózg szczurów także negatywnie reaguje na braki we śnie. Nadal nauka docieka, czemu tak naprawdę ma służyć sen, niemniej z pewnością stan ten jest wpisany w rytm dobowy naszej aktywności. Mózg wymaga snu, choć nawet we śnie działa w stanie stand-by. Ponoć tak znamienite postaci nauki i sztuki jak Leonardo da Vinci, Newton, Tesla, Mendelejew spali niewiele, ale drzemki w ciągu dnia, służyły im do rozbudzania kreatywności mózgu. W fazie głębokiej snu (IV faza) obserwowana jest aktywność tych obszarów mózgu, w których przebiegają podobne zjawiska podczas uczenia się. W tej fazie mózg przetwarza nową wiedzę, łącząc ją z wcześniej znaną dokonuje selekcji informacji i przekształca struktury myślowe. W trakcie snu system neuronalny podlega także specyficznemu „czyszczeniu”, w wyniku którego usuwane są połączenia synaptyczne nieprzydatne dla efektywnego funkcjonowania. Usuwane są nieefektywne ślady pamięciowe, a pozostawiane te, które dają gwarancje efektywnego funkcjonowania. Możliwe jest przy tym budowanie nowych połączeń synaptycznych. W fazie snu fal wolnych alfa (w zapisie EEG) zachodzi osłabianie połączeń, natomiast w fazie snu REM (faza marzeń sennych) następuje wzmacnianie. Wzmacniane jest, to co efektywne i przydatne naszemu mózgowi.
Badania (zespół Uniwersytetu w Rochester) pokazują również, że sen służy oczyszczaniu mózgu z toksyn. Poprzez system tzw. układu glimfatycznego (nazwa wywodzi się od tkanki glejowej mózgu) usuwa toksyny, takie jak amyloid, który w nadmiarze może być jednym z czynników wystąpienia demencji. U dzieci najzdrowszy sen, to ten przed północą. Wówczas bowiem melatonina – hormon snu (wytwarzana w szyszynce) pomiędzy godziną 9 a 12 wydzielana jest intensywnie, a jej stężenie i oddziaływanie na mózg rośnie. U młodzieży melatonina intensywnie wydzielana jest od północy do godziny 3 nad ranem. Stąd biorą się problemy nastolatków z zaśnięciem i wczesnym wstawaniem.
Czynnikiem zapoczątkowującym sen jest najprawdopodobniej wzrost stężenia adenozyny (działa jako neuroprzekaźnik hamujący w OUN). Stężenie adenozyny narasta w czuwaniu i spada podczas snu. Adenozyna pobudza neurony hamujące VLPO (brzuszno-boczne jądro przedwzrokowe) i hamuje podtrzymujące czuwanie neurony w przodomózgowiu podstawnym. Kofeina i teofilina, antagoniści adenozyny, powodują wzbudzenie i tłumią sen. Niedobór snu powoduje podniesienie poziomu adenozyny w przestrzeniach międzykomórkowych. Przy tym wpływa na szlaki biochemiczne – obniża aktywność cyklazy adenylanowej, co skutkuje hamowaniem m.in. procesów na ścieżce sygnalizacyjnej mTOR, a także ścieżki sygnałowej związanej z regulowaniem morfologii kolców dendrytycznych. A te szlaki mają znaczenie dla długotrwałych modyfikacji wydajności przekaźnictwa synaptycznego.
Sen jest zatem kluczowym czynnikiem warunkującym pełną regenerację mózgu i nie może zostać zastąpionym (wygaszonym) przez jakiekolwiek stymulanty chemiczne, w tym lubianą przez wielu kawową kofeinę.
Nie należy ponadto zaniedbywać ćwiczenia ciała i mózgu w myśl zasady „w zdrowym ciele zdrowy duch”. Badania przeprowadzone i opublikowane w roku 2021 (Nature 2021, Zurine de Miquel i wsp.) wykazały, że aktywność fizyczna (ruch) ma olbrzymi wpływ na jakość funkcjonowania mózgu. Osocze pobrane od aktywnych fizycznie myszy (kilka godzin/dobę) wstrzyknięto myszom nieaktywnym fizycznie, a te zyskały przez to szereg korzyści. Nastąpiła poprawa pamięci i zmniejszenie stanu zapalnego w obrębie mózgu. Duże znaczenie odgrywa w tych procesach białko osoczowe klusteryna (CLU). Czynnik ten zmniejsza także stan zapalny w mózgu u myszy w przebiegu inicjowanej choroby Alzheimera.
Regularna aktywność fizyczna – aerobowa, przyspiesza pracę serca i natlenowanie mózgu. Bieganie, pływanie, jazda rowerem, marsz, taniec, to aktywności niosące szereg korzyści dla naszego ciała, a szczególnie pracy i kondycji mózgu. Po wysiłku fizycznym wzmaga się produkcja i wydzielanie takich czynników jak beta-endorfiny (naturalny opioid)- wydzielaniu endorfin sprzyjają też niektóre pokarmy, na przykład czekolada, fenyloetyloaminy (naturalny stymulant), anandamidu („Ananda” – znaczy radość) (kannabinoid). Wzmaga się neuroplastyczność mózgu, obserwowany jest wzrost i długowieczność neuronów. Poszerzeniu ulega istota szara w korze przedczołowej i hipokampie. Według ewolucjonistów wysiłek fizyczny będący następstwem zmian w stylu życia naszych przodków, był bardzo ważnym czynnikiem, który miał wpływ na wzrost rozmiarów mózgu podczas filogenezy człowieka.
Dbanie o mózg, świadoma higiena mózgu, to pojęcia wieloaspektowe. Aby poprawnie i świadomie (!) dbać o mózg, należy posiadać wiedzę o tym, jak funkcjonuje, co mu szkodzi, a co pomaga. Oczywiście sam mózg musi te tajemnice funkcjonowania i swojego zdrowia pojąć i wdrożyć w życie takie działania, które będą potwierdzać cytowane już wyżej słowa: „w zdrowym ciele zdrowy duch” (mózg, umysł).
Dr Marek Jurgowiak – Katedra Biochemii Klinicznej CM UMK, Rada Programowa (wiceprzewodniczący) CN Młyn Wiedzy w Toruniu oraz Rada Programowa TFNiS i Wiadomości Akademickich, stały współpracownik Głosu Uczelni, popularyzator nauki
Warto przeczytać: 1) Banjari I., i wsp. Brain Food: How nutrition alters our mood and behaviour. Hrana u zdravlju i bolesti, znanstveno-strucni casopis za nutricionizam i dijetetiku 2014, 3(1); 2) Altomare R., i wsp. Feeding the brain: the importance of nutrients for brain functions and health. Progress in Nutrients 2017, 19 (3), 243–247; 3) Karavida V i wsp., The Role of Nutrients in Child’s Brain Development. Journal of Education and Human Development 2019, vol.8 (2), 176–180; 4) Hess G. Niedobór snu a neuroplastyczność. KOSMOS 2020, 69 (3), 441–446; 5) Carroll C. Nutrition and Brain Health. Nutrition and Foodservice EDGE 2021/03-04, 8–13.
