Esercizio fisico e miglioramenti nell'attività cognitiva
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Esercizio fisico e miglioramenti nell'attività cognitiva

Ogni giorno ci ripetono che l'attività fisica fa bene. Verissimo! Ma cosa significa? In che modo, ad esempio, l'attività fisica aumenta le dimensioni dell'ippocampo e migliora la memoria?

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Esercizio fisico e miglioramenti nell'attività cognitiva

"L'attività fisica promuove il benessere, la salute fisica e mentale, previene le malattie, migliora le relazioni sociali e la qualità della vita, produce benefici economici e contribuisce alla sostenibilitàambientale"1.

L'attività fisica è la prima forma di prevenzione delle malattie. L'Organizzazione Mondiale della Sanità ha stimato che l'inattività fisica è il quarto fattore di rischio principale per la mortalità intutto il mondo. L'OMS (2010), afferma infatti, che l'inattività fisica provoca circa il 6% dei decessi.

Circa 3,2 milioni di persone muoiono ogni anno a causa di inattività fisica.

Salute non è solo assenza di malattia ma qualcosa di molto più esteso: è vivere con ritmi che rispettano i propri limiti, è abitare in un ambiente sano e accogliente, è svolgere un lavoro che realizza e gratifica, è nutrire il corpo e la mente con cibi e pensieri sani, è avere buone relazioni con gli altri e stare bene con se stessi, è stimarsi, amarsi, rispettarsi, coltivare i propri interessi e sviluppare i propri talenti1.

L'inattività fisica aumenta la predisposizione a contrarre malattie, come le malattie cardiovascolari, il cancro e il diabete. Uno stile di vita sedentario comporta un forte aumento del rischio di malattiae morte prematura. Gli individui di tutte le età, uomini e donne, possono ottenere benefici in termini di salute attraverso l'esercizio fisico, e una maggiore attività fisica è anche importante per migliorare il benessere e la qualità della vita. Infatti, oltre a svolgere un ruolo fondamentale per il benessere fisico della persona, gioca un ruolo sostanziale anche nella salute psichica, cognitiva e umorale.

L'interazione tra i cambiamenti psicologici indotti dall'esercizio e le funzioni psicologiche potenzialmente influenzate da questi, sono stati oggetto di numerosi studi.

Questi studi mirano a supportare l'idea che l'esercizio fisico abbia degli effetti positivi sulle funzioni cognitive. I risultati ottenuti, tuttavia, non sono univoci e si possono raggruppare in quattrotipologie:

  1. Il miglioramento delle funzioni psicologiche
  2. Il danneggiamento delle funzioni psicologiche
  3. I cambiamenti nelle strategie per mantenere le performance psicologiche
  4. Nessun effetto sulle funzioni psicologiche

Tralasciando il quarto punto poiché i ricercatori non sono stati in grado di dare un'unica spiegazione riguardo la causa del fallimento della ricerca (infatti o non ci sono stati effetti dell'esercizio sullefunzioni cognitive oppure la metodologia usata non era appropriata per osservare degli effetti significativi), gli altri tre sono molto importanti, perché ci portano ad affrontare altre questioni:quali siano le condizioni migliori per osservare questi fenomeni (l'intensità e la durata dell'esercizio, il tempo di osservazione dopo aver effettuato l'esercizio, l'età, la salute cardiovascolare deipartecipanti), quali meccanismi fisiologici spieghino gli effetti positivi o negativi sui processi psicologici e quali meccanismi psicologici siano affetti da questi meccanismi.

>L'approccio delle neuroscienze allo studio degli effetti dell'esercizio sulle funzioni psicologiche è un ottimo esempio di ricerca multidisciplinare. Questo tipo di ricerca necessita l'integrazione diconcetti e metodologie che provengono da differenti discipline, come la psicologia cognitiva, la psicologia sportiva, la psicofarmacologia, la psicobiologia e tecniche di misurazione dell'attività cerebrale.

La psicofarmacologia è stata utilizzata per osservare i cambiamenti indotti dai farmaci sull'umore, sulle sensazioni, sull'elaborazione delle informazioni, sul funzionamento cognitivo e sulcomportamento. Il maggior obiettivo era spiegare come gli psicofarmaci alterassero gli stati e i processi mentali, modificando meccanismi neurofisiologici e biochimici nel sistema nervoso centrale e come questi farmaci cambiassero i loro effetti a riposo o durante l'esercizio.

La psicobiologia invece, è interessata a misurare le variabili biologiche, nel tentativo di mettere in relazione quantitativamente e/o qualitativamente le variabili psicologiche o comportamentali.

Ad esempio, gli effetti acuti dell'esercizio aerobico sui processi di elaborazione delle informazioni, sembrano essere associati a modificazioni cerebrali noradrenergiche e dopaminergiche delle retineurali coinvolte nelle cortecce sensoriali, motorie e associative, osservate misurando le concentrazioni cerebrali di noradrenalina (NA) e dopamina (DA) durante l'esecuzione dell'esercizio.

Nell'essere umano, la valutazione del metabolismo centrale di NA è basata sulla misurazione del 3-methoxy-4-hydroxyphenylglycol (MHPG) nel sangue o nelle urine. Questa molecola è il maggior metabolita del cervello. Due studi hanno valutato la relazione tra esercizio, performance mentale e MHPG e i loro risultati hanno mostrato una relazione positiva tra la concentrazione di MHPG e la performance mentale2.

L'elettroencefalografia (EEG), inoltre, ha aiutato le ricerche, registrando l'attività elettrica del cervello attraverso degli elettrodi posti sullo scalpo. Questa tecnica ha un'alta risoluzione temporalee permette di registrare i cambiamenti dell'attività elettrica del cervello nell'ordine dei millisecondi.

Alcuni autori hanno scelto di utilizzare questa tecnica durante la pratica di esercizio fisico3.

Effetti generali dell'esercizio fisico

È stato dimostrato che l'allenamento aumenta le dimensioni dell'ippocampo e migliora la memoria. L'attività fisica è emersa come un trattamento a basso costo per migliorare le funzioni cognitive,accessibile dalla maggior parte degli adulti e, per di più, non mostra gli effetti negativi che spesso possono causare i farmaci4.

L'allenamento aerobico aumenta il volume della sostanza bianca e della sostanza grigia della corteccia prefrontale degli adulti del controllo esecutivo5. Inoltre, il volume dell'ippocampo e del lobo temporale risultano maggiori in adulti e questo è stato dimostrato essere correlato a miglioramenti della memoria spaziale6.

Le ricerche scientifiche

Per confermare i risultati appena esposti, gli autori hanno eseguito un esperimento6 per valutare l'aumento di dimensione dell'ippocampo in relazione con il miglioramento della memoria spaziale.

Sono stati presi in considerazione 120 soggetti adulti non affetti da demenza. I partecipanti ammessi dovevano dimostrare una forte manualità destra, avere lo stesso stato mentale, avere un punteggio <3 sulla depressione geriatrica, dovevano poter escludere possibili depressioni, avere una visione del colore normale, possedere un'acutezza visiva corretta, non avere una storia neurologica con malattie o infarti (tra cui il morbo di Parkinson, ilmorbo di Alzheimer, sclerosi multipla, o ictus), non avere una storia clinica con problemi vascolari (tra cui le malattie cardiovascolari o il diabete), firmare un modulo di consenso approvato dalla University of Illinois.

Inoltre, tutti i partecipanti dovevano riferire di essere attualmente sedentari, cioè essere stati fisicamente attivi per 30 minuti o meno negli ultimi 6 mesi.

Dopo il completamento del prelievo di sangue iniziale, sono state eseguite le sessioni di risonanza magnetica cerebrale (RM) (immagini RM sono state raccolte su tutti i partecipanti entro 1 mese di inizio dell'intervento, dopo 6 mesi ed entro 2 settimane dopo il completamento dell'intervento) e la valutazione di idoneità (test di fitness cardiorespiratoria --> la fitness aerobica (VO2 max)).

Tale test è stato valutato mediante uno sforzo graduale massimale su un tapis roulant motorizzato.
Il partecipante camminava ad una velocità leggermente superiore al suo passo normale (≈30-100 m/min), con incrementi crescenti del 2% ogni 2 min. Un cardiologo ed un infermiere monitoravano costantemente la captazione di ossigeno, la frequenza cardiaca (FC) e la pressione sanguigna; i partecipanti sono stati poi divisi casualmente in un gruppo di esercizio aerobico a piedi (n=60) e in un gruppo di stretching (n=60).

Nel gruppo sottoposto ad esercizio aerobico, lo sperimentatore supervisionava tutte le sessioni. I partecipanti iniziavano camminando per 10 minuti ed aumentavano la durata della camminata di 5 minuti fino al raggiungimento di una durata massima di 40 minuti. I partecipanti hanno poi camminato per 40 minuti ogni sessione per il resto del programma. Tutte le sessioni iniziavano e terminavano con circa 5 minuti di stretching. I partecipanti indossavano dei cardiofrequenzimetri e sono stati incoraggiati a camminare attorno alla loro zona target di frequenza cardiaca. La zona target della FC era del 50-60% della riserva massima frequenza cardiaca per le prime 7 settimane edel 60-75% per il resto del programma. I partecipanti compilavano un registro di esercizio alla fine di ogni sessione.
Ogni 4 settimane, i partecipanti ricevevano dei feedback, che riassumevano i loro dati. I partecipanti con bassa frequenza di esercizio e/o frequenza cardiaca sono stati incoraggiati a migliorare le loro prestazioni nel mese successivo.

Per il gruppo con il programma di stretching e tonificazione, tutte le sessioni sono state guidate e controllate da alcuni soggetti istruiti. Tutte le sessioni iniziavano e terminavano con esercizi di riscaldamento e di defaticamento. Durante ogni sessione, i partecipanti erano impegnati in quattro esercizi di tonificazione con manubri o fasce di resistenza, due esercizi studiati per migliorare l'equilibrio, una sequenza di yoga e un esercizio a loro scelta.
Per mantenere l'interesse, un nuovo gruppo di esercizi veniva introdotto ogni 3 settimane. Durante la prima settimana, i partecipanti si sono concentrati su come prendere familiarità con i nuovi esercizi e poi, durante la seconda e laterza settimana, sono stati incoraggiati ad aumentare l'intensità usando più peso o aggiungendo più ripetizioni. I partecipanti inoltre, dovevano completare dei registri di allenamento per ogni sessione e ricevevano dei feedback mensilmente. Essi erano incoraggiati ad esercitare a un'intensità del 13-15 sulla scala di Borg e di partecipare al maggior numero possibile di sessioni.

Per verificare il miglioramento della funzione di memoria spaziale, tutti i partecipanti hanno effettuato un compito computerizzato all'inizio, dopo 6 mesi e di nuovo dopo il completamento dell'intervento della durata di un anno.

In questo compito un mirino appariva per 1 secondo, e partecipanti erano stati istruiti a tenere gli occh puntini neri apparivano in posizioni casuali sullo schermo per 500 ms. I punti venivano poi rimossidal display per 3 secondi. Durante questo periodo, i partecipanti dovevano cercare di ricordare le posizioni che precedentemente occupavano i puntini neri. Alla fine dei 3 secondi, un punto rosso appariva sullo schermo o nelle stesse posizioni dei punti di riferimento (condizione di match) o in una posizione diversa (condizione non-match) I partecipanti avevano 2 secondi per rispondere al puntino rosso premendo uno dei due tasti su una tastiera standard: "x" per una prova non-match e "m" per una prova match. Quaranta studi sono stati presentati per ogni set (uno, due o tre posizioni), con 20 prove come prove match e 20 prove come prove non-match. I partecipanti sonostati istruiti a rispondere il più rapidamente e accuratamente possibile. Diverse prove pratiche erano inoltre state eseguite prima che il test cominciasse, per far conoscere ai partecipanti le istruzioni del compito e le possibili risposte.

I risultati hanno mostrato un aumento del volume dell'ippocampo anteriore destro e sinistro del 2.12% e 1.97% rispettivamente ed un minimo effetto sulla sezione soggetti che avevano praticato posteriore per i esercizi aerobici; un declino selettivo del volume ippocampale anteriore di 1.40% e 1.43% e cambiamenti non significativi nel volume della sezione posteriore per coloro che avevano eseguito esercizi di allungamento.

L'aumento di volume dovuto all'esercizio quindi, si è verificato in maniera selettiva, influenzando l'ippocampo anteriore ma non il posteriore, il talamo e il nucleo caudato. Questo indica che l'esercizio fisico non influenza tutte le regioni del cervello in modo uniforme.

Gli autori hanno concluso che la dimensione dell'ippocampo è modificabile nella tarda maturità e che con l'esercizio aerobico di moderata intensità, si può efficacemente invertire la perdita di volume di questa zone del cervello, che si osserverebbe con l'avanzare dell'età. Il volume ippocampale infatti mostra un restringimento dell' 1-2% annualmente in adulti e anziani senza demenza e questa perdita di volume aumenta il rischio di sviluppare un decadimento cognitivo.L'intervento di esercizio aerobico è efficace ad aumentare il volume ippocampale del 2% e compensare quindi il deterioramento associato all'invecchiamento.

ippocampo prima e dopo l'esercizio fisico aerobico

Con i crescenti costi di assistenza sanitaria e l'aumento della percentuale di persone di età superiore ai 65 anni, è inevitabile che si scoprano trattamenti e prevenzioni per la perdita di tessutocerebrale a basso costo, accessibili a tutti. In questo studio randomizzato controllato di esercizio fisico, si è appunto dimostrato che la perdita di volume dell'ippocampo in tarda età adulta non èinevitabile e può essere compensato con l'esercizio fisico di moderata intensità.

La ricerca di studi cognitivi su umani e roditori indica, dunque, alcune specificità, indicando che l'esercizio influenza qualche regione del cervello ed alcuni comportamenti, ma ha un'influenzaminima su altri. Tale selettività suggerisce che vi sono regioni con vie molecolari dipendenti influenzate in maggior o minor modo dall'esercizio fisico.

Grazie a questo esperimento, si è anche trovato che l'esercizio aumenta i livelli di BDNF (Brain-Derived Neutrophic Factor) nell'ippocampo7 e questi cambiamenti sono associati alle variazioni di volume dell'ippocampo anteriore; ciò è un importante collegamento, perché l'ippocampo è ricco di BDNF8.

Il BDNF è un polipeptide presente nel cervello dei mammiferi appartenente alla famiglia delle neurotrofine, molecole che regolano il funzionamento delle cellule nervose ed è coinvolto nell’insorgenza di patologie neurodegenerative. Il BDNF, come le altre neurotrofine, svolge la sua azione legandosi a due famiglie di recettori: il recettore p75 (a bassa affinità) e la famiglia Trk di recettori tirosinchinasi (a grado di affinità diverso, che può essere aumentato tramite lacollaborazione di p75).

La concentrazione cerebrale di questo polipeptide varia a seconda delle diverse condizioni fisiologiche (ormoni, stress, abitudini alimentari, attività fisica, infiammazioni) e quindi può indicare la presenza di malattie neurodegenerative.

Il BDNF insieme al recettore Trk, è considerato un mediatore parziale dell'effetto di valorizzazione dell'esercizio per l'apprendimento e per la memoria9. Il BDNF può essere misurato nel siero e livelli sierici elevati sono associati sia con una migliore funzione di memoria sia con volumi maggiori dell'ippocampo.

Nello studio precedente, il gruppo di esercizio aerobico non ha dimostrato maggiori cambiamenti nei livelli sierici di BDNF rispetto al gruppo di allungamento. Abbiamo ragionato tuttavia sul fatto che, poiché BDNF è un intermediario della proliferazione cellulare nel giro dentato dell'ippocampo, un aumento del volume ippocampale potrebbe essere associato ad un aumento dei livelli sierici di BDNF.

Poiché il gruppo di esercizio aerobico è stato l'unico gruppo a mostrare un aumento del volume ippocampale nel periodo di allenamento, è stata eseguita una correlazione tra il cambiamento dellaconcentrazione di BDNF e la variazione di volume, per verificare questa ipotesi. Si è scoperto che maggiori cambiamenti di BDNF nel siero sono stati associati ad un maggiore aumento di volume sinistro e destro dell'ippocampo. Inoltre, questi effetti erano selettivi per l'ippocampo sinistro e destro anteriore e solo marginale per l'ippocampo sinistro e destro posteriore.

Entrambi i gruppi hanno mostrato dei miglioramenti nella memoria, dimostrati da aumenti significativi di precisione e da tempi di risposta più rapidi, tra la prima e l'ultima prova, sia nelle sessioni di esercizio aerobico sia nel gruppo di stretching. Tuttavia, la prestazione del gruppo di esercizio aerobico non ha mostrato maggiori miglioramenti rispetto a quelli ottenuti con il gruppo di stretching.

Pertanto, gli autori concludono sostenendo che un aumento del volume dell'ippocampo dopo un intervento di esercizio, dovrebbe tradursi in una migliore funzione di memoria. A sostegno di questa ipotesi, hanno infatti trovato che, nel gruppo di esercizio aerobico, l'aumento del volume dell'ippocampo era direttamente collegato ai miglioramenti nelle prestazioni.

La correlazione tra il miglioramento della memoria e il volume ippocampale raggiunto é significativo per gli emisferi sinistro e destro. Al contrario, le variazioni di volumi del nucleo caudato e del talamoerano estranee a modifiche nelle prestazioni della memoria per entrambi i gruppi.

È possibile che le regioni che dimostrano meno decadimento legate all'età potrebbero anche essere meno suscettibili alla crescita. Pertanto, l'esercizio aerobico potrebbe suscitare i maggiori cambiamenti nelle regioni che mostrano il più precipitoso calo in tarda età adulta, come l'ippocampo e corteccia prefrontale anteriore.
Nel complesso, questi dati suggeriscono che l'ippocampo anteriore rimane suscettibile ad un aumento.