Tlen i funkcje poznawcze

Patryk Guzda

STRESZCZENIE

Mózgwykorzystujeponad20%tlenuworganizmie(Vadas,

Kalichman, Hadanny, Efrati, 2017). Badania sugerują, iż inhalacja skoncentrowanym tlenem pozytywnie wpływa na funkcje poznawcze i przyczynia się do zwiększonej aktywności neuronalnej. Seo i współpracownicy (2007) wykazali, że już 35% stężenie tlenu może pozytywnie wpływać na zdolność do uczenia się oraz funkcje fizjologiczne mózgu (Seo, Bahk, Jun, Chae, 2007). Podawanie tlenu zbiegające się z prezentacją słów usprawnia ich przywoływanie. Może to świadczyć o tym, że podwyższony poziom tlenu we krwi jest dostępny dla neuronalnych procesów konsolidacji pamięci (Scholey,Moss, Wesnes, 1998). Natlenienie mózgu wzrasta, gdy wymaga tego zadanie poznawcze (Coetsee, Terblanche, 2017). Za zwiększoną wydajność poznawczą odpowiedzialne jest wykorzystywanie glukozy. Proces ten uzależniony jest od regularnego zaopatrzenia mózgu w tlen (Frackowiak iin.,1981).Mózgniejestjednakzdolnydomagazynowania tlenu, a jego duże zużycie powoduje, że jest narządem wyjątkowo podatnym na wszelkie zmiany stężenia tlenu wśrodowiskuorazniedotlenienie(Lenart,2017).Obecnie na popularności zyskują zabiegi tlenowe w tak zwanej komorze hiperbarycznej. Wyniki w zadaniach poznawczych,motorycznychjak ipoznawczo-motorycznych istotnie poprawiają się w środowisku hiperbarycznym (Vadas i in., 2017). Tlenoterapia hiperbaryczna ma potencjał w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych, a także urazów mózgu (Hadanny i in.,2015;Shapira,Efrati,Ashery,2018).

Wstęp

Jednym z czynników mogących mieć istotny wpływ na codzienne funkcjonowanie ludzi jest tlen. Mózg jest jego największym konsumentem, wykorzystuje ponad 20% całkowitego tlenu w organizmie (Vadas, Kalichman,

Hadanny, Efrati, 2017). Jest również najbardziej wrażliwym na niedotlenienie narządem (Lenart, 2017). Badania sugerują, iż inhalacja skoncentrowanym tlenem pozytywnie wpływa na funkcje poznawcze i przyczynia się do zwiększonej aktywności neuronalnej (Seo, Bahk,

Jun, Chae, 2007). Spadek stężenia tlenu w organizmie może doprowadzić do znacznego zmęczenia osób badanych, natomiast dawka wysoko skoncentrowanego tlenu zmniejsza uczucie zmęczenia, a także poprawia czas reakcji (Sung, Min, Jeon, Kim, Kim, 2002). Tlen może być również środowiskowym czynnikiem ograniczającym pracę mózgu. Nowoczesne metody leczenia urazów oraz uszkodzonych tkanek organizmu w tym struktur mózgowych wykorzystują terapie oparte o tlen, jak tlenoterapia hiperbaryczna (Hadanny i in., 2015). Pytanie o możliwość usprawnienia ludzkiego intelektu jest stale aktualne. Obecnie coraz intensywniej poszukuje się metod mających na celu poprawę ludzkiego funkcjonowania w domenie poznawczej.

Badania z wykorzystaniem tlenu

Okazuje się, że funkcje poznawcze mogą ulec poprawie pod wpływem niewiele wyższego stężenia tlenu niż to, które znajduje się w codziennie wdychanym powietrzu.

Seo wraz ze współpracownikami (2007) sprawdzali jak inhalacja tlenem może wpłynąć na funkcje poznawcze i zapis EEG na grupie zdrowych, dorosłych wolontariuszy. Badanie zostało zaprojektowane w celu przetestowania 35% stężenia tlenu na zdolności uczenia się oraz funkcje fizjologiczne mózgu. Do pomiaru zdolności uczenia się zastosowano K-AVLT- Koreański Test

Uczenia Werbalnego oraz Diagnostyczny System Zdolności Uczenia (Hawkins, Dean, Pearlson, 2004). Badacze przypuszczali, że uda się zaobserwować istotne różnice przy użyciu stężenia tlenu niewiele wyższego niż w atmosferze, w której tlen stanowi około 21%. Wdychając tlen, badani rozwiązywali różne zadania poznawcze, a wyniki EEG rejestrowane były zarówno na początku, jak i na końcu procesu. Trzykrotnie w 10 minutowych odstępach czasu sprawdzano również poziom nasycenia krwi tlenem. Pomiar wykazał, że po 10 minutach inhalacji można zaobserwować istotne różnice między grupą wdychającą tlen a grupą kontrolną, która wdychała zwykłe powietrze. Wyniki wykazały, że podanie 35% tlenu istotnie poprawia zdolność uczenia się werbalnego i wpływa na fizjologiczne funkcje mózgu. Okazuje się, że znacznie więcej słów zostaje przywołanych z pamięci, gdy tlen podawany jest bezpośrednio przed i po prezentacji słowa (Seo i in., 2007). Andrew Scholey i współpracownicy (1998) analizowali czasowy związek między hiperoksją, czyli wyższym niż typowe stężenie tlenu w tkankach, a wzmocnieniem pamięci. Osoby badane zostały przydzielone do trzech grup różniących się pod względem czasu ekspozycji na działanie tlenu oraz grupy kontrolnej. Uczestnikom prezentowano ciąg 15 różnych wyrazów, następnie

mieli oni 2 minuty na zapisanie jak największej liczby zapamiętanych słów. Ocenie podlegała zarówno liczba, jak i poprawność przywołanych wyrazów. Kolejne zadanie polegało na ustnym powtarzaniu losowo generowanych ciągów cyfr. Każdy kolejny ciąg zwiększany był o kolejną cyfrę a zadanie trwało do momentu, gdy badany popełnił błąd. Następne zadanie wyglądało analogicznie, jednak badani mieli za zadanie powtarzać ciągi cyfr w odwrotnej kolejności. Wyniki badań nie wykazały, że podawanie tlenu mogło mieć wpływ na zadania z powtarzaniem cyfr. Przywoływanie słów na 12 minut po ich prezentacji było istotnie efektywniejsze, kiedy tlen podawany był 5 minut przed, bezpośrednio przed lub bezpośrednio po prezentacji słowa. Efekt nie zachodził natomiast, gdy tlen podawany był na 10 min przed prezentacją słowa i później niż 5 minut po jej zakończeniu. Zdaniem autorów wyniki te sugerują, że podawanie tlenu może selektywnie poprawiać aspekty wydajności poznawczej. Potwierdzili oni hipotezę, zgodnie z którą zwiększona dostępność tlenu we krwi jest wykorzystywana przez mechanizmy nerwowe. Podawanie tlenu zbiegające się z prezentacją słów usprawnia ich przywoływanie. Może to świadczyć, że podwyższony poziom tlenu we krwi jest dostępny dla neuronalnych procesów konsolidacji pamięci (Scholey i in., 1998). Na związek poziomu dotlenienia mózgu z funkcjonowaniem poznawczym wskazują również badania przeprowadzone przez Coetsee i Terblanche (2017) na grupie osób w wieku miedzy 55 a 75 lat. Sprawdzali oni wpływ trzech różnych metod treningu na natlenienie mózgu oraz aktywację korową podczas rozwiązywania różnych wersji zadania Stroopa. Każda z trzech grup uczestników biorących udział w eksperymencie przez 16 tygodni odbywała inny rodzaj treningu. Pierwsza grupa podjęła się interwałowego treningu o wysokiej częstotliwości. Trening interwałowy charakteryzował się niejednostajnym tempem przeprowadzanych ćwiczeń. Druga grupa odbywała natomiast umiarkowany trening o jednostajnym tempie. Trzecia grupa stanowiła grupę kontrolną, która nie wykonywała żadnych ćwiczeń. Wyniki eksperymentu wskazywały, że 16 tygodni treningu przyczyniło się do bardziej wydajnego dotlenienia mózgu w czasie aktywacji korowej w porównaniu do grupy kontrolnej. Oba rodzaje treningów skutkowały lepszym niż w sytuacji braku wysiłku, wykorzystaniem tlenu przez mózg. Uczestnicy grup treningowych poprawiali swoje wyniki w zadaniach poznawczych bez jednoczesnego wzrostu aktywacji mózgu w odróżnieniu od uczestników grupy kontrolnej u których poprawie wyników towarzyszyły znacznie wyższe poziomy aktywacji korowej. Według autorów eksperymentu natlenienie mózgu wzrasta, gdy wymaga tego zadanie poznawcze, w związku z czym aktywacja korowa może być funkcją trudności zadania (Coetsee, Terblanche, 2017).

Mózg i tlen

Badania z wykorzystaniem technik obrazowania mózgu dostarczyły wyników świadczących na rzecz tezy, że większa wydajność poznawcza wiąże się z większym zużyciem glukozy przez mózg. Proces ten uzależniony jest od regularnego zaopatrzenia mózgu w tlen (Frackowiak i in., 1981). W odróżnieniu od innych organów zapotrzebowanie mózgu na energię jest prawie wyłącznie pokrywane przez mechanizm tlenowej degradacji glukozy (Siesjo, 1978). Pomimo, że waga mózgu stanowi jedynie 2 % masy ludzkiego ciała, jego zapotrzebowanie na energię stanowi około 20 – 30% całego organizmu. Zapasy energii w mózgu są jednak bardzo małe, biorąc pod uwagę jego zapotrzebowanie. Nieustannie musi więc być do niego dostarczany zarówno tlen, jak i glukoza (Benton, Parker, Donohoe, 1996). Mózg jest niezdolny do magazynowania tlenu, a jego duże zużycie powoduje, że jest narządem wyjątkowo podatnym na wszelkie zmiany stężenia tlenu w środowisku oraz niedotlenienie (Lenart, 2017). Może to częściowo tłumaczyć selektywność skuteczności tlenu w poprawie funkcji poznawczych.

Tlenoterapia hiperbaryczna

Obecnie na popularności zyskują zabiegi tlenowe w tak zwanej komorze hiperbarycznej. Hiperbaria tlenowa wykorzystuje ciśnienie wyższe od atmosferycznego, stosowana jest przy leczeniu wielu rodzajów urazów i chorób. Ciśnienie w komorach waha się od 1,4 do 2,5 ciśnienia atmosferycznego. Podczas zabiegu pacjenci wdychają czysty tlen. Dzięki tego rodzaju terapii możliwe jest wielokrotne zwiększenie ilości tlenu dostarczanego do komórek organizmu (Paprocki i in., 2016). Vadas wraz ze współpracownikami (2017) zaprojektowali eksperyment mający na celu sprawdzić, jak środowisko hiperbaryczne może wpływać na aktywność mózgową oraz na wielozadaniowość. Uczestnicy badania zostali poproszeni o rozwiązanie trzech zadań: zadania poznawczego, zadania motorycznego oraz zadania poznawczo – motorycznego będącego operacjonalizacją wielozadaniowości. Zadania miały miejsce w dwóch rodzajach środowisk, normobarycznym o ciśnieniu atmosferycznym i 21% stężeniu tlenu oraz hiperbarycznym, gdzie podawany był stuprocentowy tlen, a ciśnienie było dwa razy wyższe. Po dwóch tygodniach uczestnicy ponownie rozwiązywali zadanie, tym razem w alternatywnych środowiskach. Zarówno wyniki w zadaniach poznawczych, motorycznych, jak i poznawczo-motorycznych istotnie poprawiły się w środowisku hiperbarycznym. Potwierdziło to hipotezę, według której tlen jest czynnikiem ograniczającym szybkość aktywności mózgu, a zdaniem badaczy hiperbaryczne śro-dowisko może służyć zwiększeniu wydajności mózgu (Vadas i in. 2017). Tlenoterapia hiperbaryczna ma również potencjał w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych, a także urazów mózgu. Obecnie prowadzone są intensywne badania w tym kierunku. Wykazano, że terapia może poprawiać neuroplastyczność mózgu oraz funkcje poznawcze pacjentów cierpiących na uszkodzenie mózgu spowodowane niedotlenieniem (Hadanny i in., 2015). Hiperbaria może także stanowić nowy rodzaj terapii dla pacjentów cierpiących na chorobę Alzheimera.

W badaniach Shapiry, Efratiego i Ashera (2018) dojrzałe szczury u których transgenicznie wywołano chorobę, eksponowane były przez 14 dni na środowisko hiperbaryczne. Po tym okresie wykazano u nich zmniejszenie niedotlenienia i ognisk zapaleń neurologicznych, zmniejszenie liczby płytek beta-amyloidu i depozytów białkowych tau oraz poprawę w zadaniach behawioralnych. Zdaniem autorów niedotlenienie tkanek mózgowych przyczynia się do gromadzenia płytek amyloidowych, depozytów białkowych tau oraz utraty synaps i neuronów, co prowadzi do pogorszenia funkcji poznawczych. Wyniki badania sugerują, że tlen jest czynnikiem ograniczającym szybkość regeneracji tkanek i funkcji poznawczych. Wobec tego tlenoterapia hiperbaryczna może wskazywać potencjalnie nowe drogi w leczeniu oraz ograniczaniu rozwoju choroby Alzheimera (Shapira i in., 2018).

Podsumowanie

Tlen stanowi istotny czynnik wpływający na pracę mózgu oraz funkcjonowanie poznawcze. Badania z wykorzystaniem tlenu potwierdzają jego wpływ na pamięć, uczenie się oraz funkcje wykonawcze. Tlen nie może jednak być magazynowany, a jego efektywność jest selektywna. Nauka intensywnie stara się zrozumieć mechanizm oddziaływania tlenu na ludzki organizm. Obecnie prowadzone są intensywne badania nad wpływem tlenoterapii hiperbarycznej jako potencjalnej metody leczenia urazów oraz chorób neurologicznych.

Literatura cytowana:

Benton, D., Parker, P., Donohoe, R. (1996). The supply of glucose to the brain and cognitive functioning. Journal of Biosocial Science, 28(4), 463-479.

Coetsee, C., Terblanche, E. (2017). Cerebral oxygenation during cortical activation: the differential influence of three exercise training modalities. A randomized controlled trial. European Journal of Applied Physiology, 117(8), 1617–1627.

Frackowiak, R., Pozzilli, C., Legg, J., Du Boulay, G., Marshall, J., Lenzi G. i Jones T. (1981). Regional cerebral oxygen supply and utilization in dementia. A clinical and physiological study with oxygen and positron tomography. Brain, 104, 753-778.

Hadanny, A., Golan, H., Fishlev, G., Bechor, Y., Volkov, O., Suzin, G. i Efrati, S. (2015). Hyperbaric oxygen can induce neuroplasticity and improve cognitive functions of patients suffering from anoxic brain damage. Restorative Neurology and Neuroscience, 33(4), 471–486.

Hawkins, K., Dean, D., Pearlson, G. (2004). Alternative forms of the Rey Auditory Verbal Learning Test: a review. Behav Neurol, (15) 99-107.

Lenart, J. (2017). Mitochondria w niedotlenieniu mózgu. Mitochondria in brain hypoxia, 118–128.

Moss, M., Scholey, A., Wesnes, K. (1998). Oxygen administration selectively enhances cognitive performance in healthy young adults: a placebo-controlled double-blind crossover study. Psychopharmacology, (138) 27-33.

Paprocki, J. (2016). The current use of hyperbaric oxygen treatment. Medycyna Rodzinna.

Scholey, A., Moss, M., Wesnes, K. (1998). Oxygen and cognitive performance: The temporal relationship between hyperoxia and enhanced memory. Psychopharmacology, 140(1), 123–126.

Seo, H., Bahk, W., Jun, T. i Chae, J. (2007). The effect of oxygen inhalation on cognitive function and EEG in healthy adults. Clinical Psychopharmacology and Neuroscience, 5(1), 25–30.

Siesjo, B. (1978). Epileptic seizures. In: Brain Energy Metabolism, 345-380.

Shapira, R., Efrati, S., Ashery, U. (2018). Hyperbaric oxygen therapy as a new treatment approach for Alzheimer’s disease. Neural Regeneration Research, 13(5), 817.

Sung, J., Min, C., Jeon, J., Kim, C. i Kim, C. (2002). Influence of oxygen rate on driver fatigue during simulated driving. Korean J Sci Emotion and Sensibility, (5),71-78.

Vadas, D., Kalichman, L., Hadanny, A. i Efrati, S. (2017). Hyperbaric oxygen environment can enhance brain activity and multitasking performance. Frontiers in Integrative Neuroscience, 11, 1–6.