Длительная задержка дыхания улучшает память? Результаты исследования ныряльщиков

Во фридайвинге погоня за рекордом может закончиться гибелью Фото: © пресс-служба Федерации фридайвинга

Что происходит с мозгом при длительном погружении

Фридайверы погружаются в воду без акваланга, поэтому полагаются только на ресурсы своего организма. Во время долгого нахождения под водой организм испытывает гипоксию — состояние, при котором ткани получают недостаточно кислорода. Это опасно для мозга, ведь нервные клетки нуждаются в постоянном поступлении кислорода для производства энергии, а его недостаток может нарушать работу нервной системы. 

Особенно чувствителен к гипоксии гиппокамп — структура мозга, участвующая в формировании эпизодических воспоминаний. Благодаря ему мы запоминаем события и можем отличать то, что уже происходило, от того, что лишь напоминает знакомый опыт. При этом у опытных фридайверов не выявлено явных нарушений эпизодической памяти, которых можно было бы ожидать при повторяющихся эпизодах нехватки кислорода.

Предел человеческих возможностей: 137 метров на одном вдохе

Пока нейробиологи изучают физиологию фридайверов-любителей, профессиональные спортсмены демонстрируют феноменальные возможности адаптации человека к гипоксии и колоссальному давлению. На Глубинном чемпионате мира в кипрском Лимасоле российский фридайвер Алексей Молчанов установил новый абсолютный мировой рекорд: он погрузился с моноластом на глубину 137 метров. Нырок на одном вдохе продлился 5 минут 2 секунды — спортсмен превзошёл собственное прошлогоднее достижение (136 м), наглядно подтвердив, что резервы устойчивости человеческого организма, в том числе мозга, к экстремальным условиям всё еще далеки от предела.

Как исследовать мозг фридайвера

Чтобы разобраться, как мозг фридайвера функционирует в условиях гипоксии, французские учёные изучали не только гиппокамп, но и связи между различными областями мозга. В их исследовании участвовали 17 мужчин в возрасте от 27 до 55 лет, занимавшихся фридайвингом на любительском уровне. Авторы обследовали их до и после семи месяцев стандартных тренировок. Для сравнения привлекли 20 мужчин сопоставимого возраста, которые не занимались фридайвингом, но регулярно выполняли аэробные упражнения.

До и после тренировочного периода участники проходили функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ). Этот метод позволяет оценивать изменения активности мозга и выявлять области, активность которых меняется согласованно. Такую согласованность называют функциональной связностью. Она помогает исследовать, как различные участки мозга взаимодействуют друг с другом, хотя сама по себе не доказывает существования прямых связей между нейронами.

Во время сканирования испытуемые несколько раз задерживали дыхание на срок до двух минут, а затем в течение 90 секунд дышали нормально. Это позволило сравнить функциональную связность во время временной остановки дыхания и в периоды обычного состояния организма, а также оценить изменения после тренировок. Помимо сканирования, добровольцы выполняли тест на эпизодическую память. Им показывали сочетания изображений жестов и местоположений, а через 15 минут предлагали определить, какие комбинации полностью совпадают с увиденными ранее, какие похожи на них, а какие совершенно новые. Такое задание помогает оценить способность различать похожие воспоминания и отделять новый опыт от уже знакомого.

Исследования мозговой активности тех, кто регулярно и долго задерживает дыхание, может в будущем помочь в лечении последствий нарушений кровоснабжения мозга Фото: © Gorodenkoff / Shutterstock / FotoDom

В итоге после семи месяцев тренировок исследователи обнаружили изменения функциональной связности сразу в нескольких крупных мозговых сетях. Изменения затрагивали системы, участвующие в управлении вниманием, когнитивном контроле, обработке сенсорной информации и движениях. В частности, усилилась связность между областями лобно-теменной сети и сенсомоторными, зрительными сетями, а также сетью значимости — системой, которая помогает выделять важные для человека сигналы.

Гиппокамп демонстрировал другой рисунок изменений. После тренировок его функциональная связность с мозжечком и некоторыми зрительными областями усилилась, тогда как контакты с сенсомоторными областями и компонентами сети пассивного режима работы мозга ослабли. Некоторые различия проявлялись сильнее после тренировочного периода.

Авторы исследования предполагают, что обнаруженный рисунок изменений может отражать функциональную нейропластичность — способность нервной системы менять характер взаимодействия между своими областями. Однако пока нельзя утверждать, что мозг перестраивает связи именно для защиты памяти от нехватки кислорода. Исследование выявило взаимосвязи, но не установило механизм, который их вызывает. Результаты работы опубликованы на сервере препринтов bioRxiv.

«Фридайверы даже любительского уровня имеют уже натренированную нервную и сердечно-сосудистую системы. Кроме того, перед погружением, как правило, делается несколько глубоких вдохов для гипервентиляции лёгких и выведения излишка СО₂. Зачем это нужно? Кислород необходим как в качестве энергии для работы нейронов и всего организма, а углекислый газ в продолговатом мозге „давит“ на центр вдоха. Там находятся нейроны, которые „считывают“ состав крови, и при повышении СО₂ стимул на вдох становится сильнее. Таким образом решаются две проблемы: нейроны не гибнут, и им достаточно кислорода; и центр вдоха не сильно беспокоит человека, благодаря чему тот способен продержаться сравнительно длительное время под водой. Как это ни парадоксально, формирующийся избыток углекислого газа может даже оказывать нейропротекторные свойства. За счёт повышенной его концентрации в мозге повышается вазодилатация, то есть сосуды расширяются. Это приводит к увеличению тока питательных веществ и кислорода к нейронам даже в условиях гипоксии», — объясняет особенности работы мозга при задержке дыхания Александр Чесноков — аспирант и младший научный сотрудник направления «Нейробиология» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус».

Первый чемпионат мира по фридайвингу по версии AIDA состоялся в 1996 году Фото: © Dudarev Mikhail / Shutterstock / FotoDom

Связь мозжечка и гиппокампа у фридайверов

Мозжечок традиционно ассоциируется с координацией движений, однако он участвует и в когнитивных процессах, в том числе связанных с памятью. После тренировок участники-фридайверы с более выраженной функциональной связностью между левым гиппокампом и мозжечком, как правило, лучше различали похожие воспоминания и новые комбинации. А более слабая связность между правым гиппокампом и сенсомоторными областями была связана с лучшим распознаванием комбинаций, которые полностью совпадали с ранее показанными. Эти результаты указывают на связь между особенностями взаимодействия гиппокампа с другими отделами мозга и выполнением заданий на память. Усиление функциональной связности мозжечка с гиппокампом может быть значимым для понимания того, как мозг обрабатывает и сохраняет воспоминания в условиях повторяющейся гипоксии.

Можно ли использовать задержку дыхания для тренировки памяти

В перспективе полученные данные могут быть полезны для понимания состояний, при которых гипоксия повреждает нервную ткань, в том числе некоторых заболеваний и последствий нарушений кровоснабжения мозга. Но до практического применения пока далеко. 

Авторы исследования рассматривают обнаруженные изменения как возможный пример адаптивной нейропластичности, но для проверки этой гипотезы нужны более крупные исследования и дополнительные эксперименты. Пока результаты не дают оснований рекомендовать задержку дыхания или намеренное создание гипоксии в качестве способа улучшить память или защитить мозг. Фридайвинг остаётся потенциально опасным видом спорта, а изучение особенностей мозга опытных ныряльщиков — способом лучше понять его реакцию на экстремальные физиологические условия.