Influência do exercício físico na cognição: uma atualização sobre mecanismos fisiológicos

Influence of physical exercise on cognition: an update on physiological mechanisms

Influencia del ejercicio físico en la cognición: una actualización sobre mecanismos fisiológicos

Carlos Alberto Abujabra Merege Filho Christiano Robles Rodrigues Alves Carlos Andrés Sepúlveda André dos Santos Costa Antônio Herbert Lancha Junior Bruno Gualano Sobre os autores

Resumos

Embora um crescente corpo de literatura corrobore o papel benéfico do exercício sobre a cognição, não há consenso sobre os mecanismos que norteiam as adaptações cerebrais agudas e crônicas ao exercício. A presente revisão narrativa tem como objetivo apresentar e discutir os mecanismos pelos quais o exercício afeta o desempenho cognitivo. Agudamente, especula-se que os efeitos do exercício sobre a resposta cognitiva sejam mediados por aumentos no fluxo sanguíneo cerebral e, por conseguinte, no aporte de nutrientes, ou por um aumento na atividade de neurotransmissores. Cronicamente, especula-se que o exercício possa promover adaptações em estruturas cerebrais e plasticidade sináptica que culminariam com melhoras cognitivas. Tais hipóteses são discutidas à luz das evidências científicas disponíveis, tanto em modelos animais quanto em humanos.

cérebro; atividade física; cognição


Although a growing body of literature has supported the beneficial role of exercise on cognition, there is no consensus on the mechanisms underlying acute and chronic cerebral adaptations to exercise. The present review aims to present and discuss the mechanisms by which exercise affects cognitive performance. It has been speculated that the acute effects of exercise on cognitive response may be mediated by increases in cerebral blood flow and, hence, in nutrient availability, or by increases in neurotransmitter activity. It has been also postulated that chronic exercise may induce adaptations in brain structures and the synaptic plasticity, which would result in cognitive improvements. These hypotheses are discussed in light of available scientific evidence in animal models and humans

brain; physical activity; cognition


Aunque un creciente cuerpo de literatura corrobore el papel benéfico del ejercicio sobre la cognición, no hay consenso sobre los mecanismos que nortean las adaptaciones cerebrales agudas y crónicas al ejercicio. La presente revisión narrativa tiene como objetivo presentar y discutir los mecanismos por los cuales el ejercicio afecta el desempeño cognitivo. Agudamente, se especula que los efectos del ejercicio sobre la respuesta cognitiva sean mediados por aumentos en el flujo sanguíneo cerebral y, por consiguiente, en el aporte de nutrientes, o por un aumento en la actividad de neurotransmisores. Crónicamente, se especula que el ejercicio pueda promover adaptaciones en estructuras cerebrales y plasticidad sináptica que culminarían con mejoras cognitivas. Tales hipótesis son discutidas a la luz de las evidencias científicas disponibles, tanto en modelos animales como en humanos.

cerebro; actividad física; cognición


INTRODUÇÃO

Há décadas, tem sido demonstrada uma relação benéfica entre a prática de exercícios físicos e o metabolismo do sistema nervoso central11. Spirduso WW. Physical fitness, aging, and psychomotor speed: a review. J Gerontol. 1980;35(6):850-65. , 22. Hillman CH, Erickson KI, Kramer AF. Be smart, exercise your heart: exercise effects on brain and cognition. Nature Reviews Neuroscience. 2008;9(1):58-65.. Interessantemente, logo após uma única sessão de exercício físico aeróbio realizado em intensidade moderada (i.e. ~ 50 % do VO2pico), são observadas melhoras no desempenho de diferentes tarefas cognitivas, tais como velocidade de processamento, atenção seletiva e memória de curto prazo (para revisão, ver33. McMorris T, Sproule J, Turner A, Hale BJ. Acute, intermediate intensity exercise, and speed and accuracy in working memory tasks: a meta-analytical comparison of effects. Physiol Behav. 2011;1;102(3-4):421-8. , 44. Lambourne K, Tomporowski P. The effect of exercise-induced arousal on cognitive task performance: a meta-regression analysis. Brain Res. 2010;23;1341:12-24.). Similarmente, recentes achados do nosso grupo e outros indicam que os exercícios de força e intermitentes (i.e. que combinam esforços de alta intensidade a períodos de repouso) também exercem uma influência positiva sobre a cognição55. Alves CRR, Tessaro VH, Teixeira LAC, Murakava K, Roschel H, Gualano B, Takito MY. Influence of an acute high-intensity interval training session on selective attention and short-term memory tasks. Percept Mot Skills. 2014;118(1):63-72..

Sabidamente, indivíduos que praticam regularmente exercícios físicos apresentam melhor desempenho cognitivo quando comparados a seus pares sedentários22. Hillman CH, Erickson KI, Kramer AF. Be smart, exercise your heart: exercise effects on brain and cognition. Nature Reviews Neuroscience. 2008;9(1):58-65. , 66. Etnier JL, Chang YK. The effect of physical activity on executive function: a brief commentary on definitions, measurement issues, and the current state of the literature. J Sport Exerc Psychol. 2009;31(4):469-83.. Diante disso, cresce o interesse clínico e científico na aplicação do treinamento físico em diversas populações. Por exemplo, tem-se demonstrado que escolares fisicamente ativos apresentam uma maior facilidade no processo de aprendizagem, razão pela qual se sugere que o treinamento físico possa ser de suma relevância não apenas para o crescimento e desenvolvimento físico, mas também intelectual77. Hillman CH, Castelli DM, Buck SM. Aerobic fitness and neurocognitive function in healthy preadolescent children. Med Sci Sports Exerc. 2005;37(11):1967-74.. Além disso, há evidências de que a prática habitual de atividade física está associada a uma melhor função executiva em crianças com hiperatividade e déficit de atenção88. Gapin J, Etnier JL. The Relationship Between Physical Activity and Executive Function Performance in Children With Attention-Deficit Hyperactivity Disorder. J Sport Exercise Psy. 2010;32(6):753-63.. Sabe-se, ainda, que o treinamento físico pode abrandar a perda cognitiva na população idosa que, geralmente, apresenta piora nas capacidades desde processamento e manipulação de novas informações, baixo desempenho na realização de múltiplas tarefas simultaneamente, déficits de atenção e perda de memória de curta e longa duração9 9. Kramer AF, Erickson KI, Colcombe SJ. Exercise, cognition, and the aging brain. J Appl Physiol. 2006;101(4):1237-42.

10. Cassilhas RC, Viana VAR, Grassmann V, Santos RT, Santos RF, Tufik S, et al. The impact of resistance exercise on the cognitive function of the elderly. Med Sci Sport Exer. 2007;39(8):1401-7.

11. Spirduso WW, Francis K, Eakin T, Stanford C. Quantification of manual force control and tremor. J Mot Behav. 2005;37(3):197-210.
- 1212. Karceski S. Preventing Alzheimer disease with exercise? Neurology. 2012;24;78(17):e110-2.. Por fim, há evidências de que o treinamento físico possa atenuar os déficits cognitivos em pacientes acometidos por doenças neurodegenerativas1212. Karceski S. Preventing Alzheimer disease with exercise? Neurology. 2012;24;78(17):e110-2..

A despeito do crescente número de estudos demonstrando o papel do exercício físico - aguda ou cronicamente - sobre o desempenho cognitivo, os mecanismos que norteiam tais adaptações permanecem controversos e pouco explorados. Portanto, esta breve revisão narrativa tem como objetivo compilar e discutir as principais hipóteses fisiológicas que, potencialmente, explicariam os efeitos agudos e crônicos do exercício sobre a cognição.

Hipótese do aumento no fluxo sanguíneo regional e aporte energético: O cérebro, embora constitua apenas 2% da massa corporal, pode ser responsável por até 20% do consumo energético total. Dessa forma, um substancial turnover de adenosina-trifosfato (ATP) faz se necessário para manter os potenciais de membrana, bem como as atividades de sinalização centrais e periféricas1313. Andres RH, Ducraya AD, Schlattner U, Wallimann T, Widmer HR. Functions and effects of creatine in the central nervous system. Brain Res Bull. 20081;76(4):329-43..

Nesse contexto, o fornecimento de oxigênio e nutrientes através do fluxo sanguíneo cerebral é determinante para suprir tamanha demanda energética1313. Andres RH, Ducraya AD, Schlattner U, Wallimann T, Widmer HR. Functions and effects of creatine in the central nervous system. Brain Res Bull. 20081;76(4):329-43. , 1414. Ide K, Secher NH. Cerebral blood flow and metabolism during exercise. Prog Neurobiol. 2000;61(4):397-414.. Em repouso, o fluxo sanguíneo cerebral gira em torno de 15% do débito cardíaco total (750 mL/min). O controle fino deste fluxo é efetuado por mecanismos específicos de autorregulação, sendo pouco influenciado pelo sistema nervoso autônomo1414. Ide K, Secher NH. Cerebral blood flow and metabolism during exercise. Prog Neurobiol. 2000;61(4):397-414.

15. Ogoh S, Ainslie PN. Cerebral blood flow during exercise: mechanisms of regulation. J Appl Physiol. 2009;107(5):1370-80.
- 1616. Tamayo-Orrego L, Duque-Parra JE. [The metabolic regulation of cerebral microcirculation]. Rev Neurol. 2007;1-15;44(7):415-25.. Entretanto, eventualmente, pode ocorrer uma redistribuição desse fluxo a fim de suprir a demanda energética de áreas cerebrais em pleno funcionamento1515. Ogoh S, Ainslie PN. Cerebral blood flow during exercise: mechanisms of regulation. J Appl Physiol. 2009;107(5):1370-80.. De fato, é bem estabelecido que uma atividade motora dinâmica eleva a demanda energética em áreas do córtex responsáveis pelo controle motor, tais como área pré-motora, motora suplementar e sensoriomotora1515. Ogoh S, Ainslie PN. Cerebral blood flow during exercise: mechanisms of regulation. J Appl Physiol. 2009;107(5):1370-80.. Portanto, é possível especular que essa redistribuição do fluxo esteja relacionada ao melhor desempenho em tarefas cognitivas.

Corroborando tal hipótese, após uma sessão aguda de exercício físico, parece ocorrer um aumento significativo no fluxo sanguíneo cerebral1515. Ogoh S, Ainslie PN. Cerebral blood flow during exercise: mechanisms of regulation. J Appl Physiol. 2009;107(5):1370-80. , 1717. Smith JC, Paulson ES, Cook DB, Verber MD, Tian Q. Detecting changes in human cerebral blood flow after acute exercise using arterial spin labeling: implications for fMRI. J Neurosci Methods. 2010;30;191(2):258-62.. Por exemplo, Smith et al.1717. Smith JC, Paulson ES, Cook DB, Verber MD, Tian Q. Detecting changes in human cerebral blood flow after acute exercise using arterial spin labeling: implications for fMRI. J Neurosci Methods. 2010;30;191(2):258-62. avaliaram o fluxo sanguíneo cerebral por meio de uma técnica de ressonância magnética (arterial spin labeling), antes e imediatamente após uma sessão de exercício físico em cicloergômetro em intensidade moderada (escore 13 de percepção subjetiva de esforço na escala 6-20 de Borg). Os achados indicaram um aumento significativo no fluxo sanguíneo cerebral logo após a sessão aguda de exercício físico (+20%). Tendo em vista que maior fluxo de sangue no cérebro (ou em suas diferentes regiões) representaria maior oferta de oxigênio e nutrientes (i.e. carboidratos, creatina) e, por conseguinte, maior aporte energético (i.e. ATP) pode-se assumir que esse seja um provável mecanismo através do qual o exercício agudo favorece o desempenho cognitivo14 14. Ide K, Secher NH. Cerebral blood flow and metabolism during exercise. Prog Neurobiol. 2000;61(4):397-414.

15. Ogoh S, Ainslie PN. Cerebral blood flow during exercise: mechanisms of regulation. J Appl Physiol. 2009;107(5):1370-80.

16. Tamayo-Orrego L, Duque-Parra JE. [The metabolic regulation of cerebral microcirculation]. Rev Neurol. 2007;1-15;44(7):415-25.

17. Smith JC, Paulson ES, Cook DB, Verber MD, Tian Q. Detecting changes in human cerebral blood flow after acute exercise using arterial spin labeling: implications for fMRI. J Neurosci Methods. 2010;30;191(2):258-62.
- 1818. Ando S, Kokubu M, Yamada Y, Kimura M. Does cerebral oxygenation affect cognitive function during exercise? Eur J Appl Physiol. 2011;111(9):1973-82..

Hipótese de maior atividade de neurotransmissores: Há estudos que indicam que o exercício físico agudo é capaz de elevar a síntese de neurotransmissores sinápticos1919. Chmura J, Nazar K, Kaciuba-Uscilko H. Choice reaction time during graded exercise in relation to blood lactate and plasma catecholamine thresholds. Int J Sports Med. 1994;15(4):172-6. , 2222. Watson P, Shirreffs SM, Maughan RJ. Blood-brain barrier integrity may be threatened by exercise in a warm environment. Am J Physiol-Reg I. 2005288(6):R1689-R94.. Por exemplo, Sharma et al. 2121. Sharma HS, Cervos-Navarro J, Dey PK. Increased blood-brain barrier permeability following acute short-term swimming exercise in conscious normotensive young rats. Neurosci Res. 1991;10(3):211-21. demonstraram que o exercício físico prolongado de intensidade moderada atua na ativação das catecolaminas cerebrais, facilitando sua entrada através da barreira hematoencefálica, provavelmente em função da elevação na temperatura corporal induzida pelo exercício. Em suporte a essa hipótese, Watson et al.2222. Watson P, Shirreffs SM, Maughan RJ. Blood-brain barrier integrity may be threatened by exercise in a warm environment. Am J Physiol-Reg I. 2005288(6):R1689-R94. submeteram um grupo de sujeitos a condições de temperatura diferentes (39ºC e 35ºC) e encontraram diferenças significativas nas concentrações de S100β (maior a 39ºC), uma proteína especifica do metabolismo cerebral utilizada como marcador sanguíneo de rompimento da permeabilidade da barreira hematoencefálica. Especula-se que, em consequência de um aumento na permeabilidade da barreira hematoencefálica, as catecolaminas podem ingressar mais facilmente no sistema nervoso central. De fato, sabe-se que a sensação de bem-estar experimentada após uma sessão de exercício físico realizado em intensidade moderada parece estar diretamente associada a maior ação de neurotransmissores, tais como: noradrenalina, β-endorfina e a própria dopamina2323. McMorris T, Tallon M, Williams C, Sproule J, Draper S, Swain J, et al. Incremental exercise, plasma concentrations of catecholamines, reaction time, and motor time during performance of a noncompatible choice response time task. Percept Motor Skill. 2003;97(2):590-604.

24. Anish EJ. Exercise and its effects on the central nervous system. Curr Sports Med Rep. 2005;4(1):18-23.

25. Hasegawa H, Takatsu S, Ishiwata T, Tanaka H, Sarre S, Meeusen R. Continuous monitoring of hypothalamic neurotransmitters and thermoregulatory responses in exercising rats. J Neurosci Meth. 2011;15;202(2):119-23.
- 2626. Goekint M, Bos I, Heyman E, Meeusen R, Michotte Y, Sarre S. Acute running stimulates hippocampal dopaminergic neurotransmission in rats, but has no influence on brain-derived neurotrophic factor. J Appl Physiol. 2011;1..

O papel da intensidade do exercício agudo sobre a resposta cognitiva:Embora seja bem aceito que uma única sessão de exercício físico possa aumentar substancialmente o desempenho cognitivo, Chmura et al.1919. Chmura J, Nazar K, Kaciuba-Uscilko H. Choice reaction time during graded exercise in relation to blood lactate and plasma catecholamine thresholds. Int J Sports Med. 1994;15(4):172-6. encontram efeitos negativos sobre a cognição. A intensidade na qual o exercício físico é realizado parece explicar tal contradição2020. Kashihara K, Maruyama T, Murota M, Nakahara Y. Positive effects of acute and moderate physical exercise on cognitive function. J Physiol Anthropol. 2009;28(4):155-64.. Nesse sentido, tem sido proposta uma relação em"U invertido" entre a ativação do sistema nervoso central e a intensidade com a qual o exercício é realizado1919. Chmura J, Nazar K, Kaciuba-Uscilko H. Choice reaction time during graded exercise in relation to blood lactate and plasma catecholamine thresholds. Int J Sports Med. 1994;15(4):172-6. , 2020. Kashihara K, Maruyama T, Murota M, Nakahara Y. Positive effects of acute and moderate physical exercise on cognitive function. J Physiol Anthropol. 2009;28(4):155-64.. Sendo assim, uma sessão de exercício físico aeróbio realizado de forma contínua em intensidade moderada (~60% VO2máx) poderia promover um efeito benéfico em importantes funções cognitivas, tais como velocidade de processamento, atenção seletiva e controle inibitório2727. Yanagisawa H, Dan I, Tsuzuki D, Kato M, Okamoto M, Kyutoku Y, et al. Acute moderate exercise elicits increased dorsolateral prefrontal activation and improves cognitive performance with Stroop test. Neuroimage. 2010;1;50(4):1702-10. , 28 28. Hogervorst E, Riedel W, Jeukendrup A, Jolles J. Cognitive performance after strenuous physical exercise. Percept Mot Skills. 1996;83(2):479-88.. Em contrapartida, uma sessão aguda de exercício físico contínuo realizado em alta intensidade (~80% VO2 máx) exerceria efeitos prejudiciais sobre a cognição18 18. Ando S, Kokubu M, Yamada Y, Kimura M. Does cerebral oxygenation affect cognitive function during exercise? Eur J Appl Physiol. 2011;111(9):1973-82.

19. Chmura J, Nazar K, Kaciuba-Uscilko H. Choice reaction time during graded exercise in relation to blood lactate and plasma catecholamine thresholds. Int J Sports Med. 1994;15(4):172-6.
- 2020. Kashihara K, Maruyama T, Murota M, Nakahara Y. Positive effects of acute and moderate physical exercise on cognitive function. J Physiol Anthropol. 2009;28(4):155-64.. Na tentativa de explicar tal relação entre intensidade de exercício e resposta cognitiva, Tomporowski29 29. Tomporowski PD. Effects of acute bouts of exercise on cognition. Acta Psychol (Amst). 2003;112(3):297-324.sugere que o exercício físico em alta intensidade poderia provocar um quadro de fadiga sistêmica, resultando tanto na queda do desempenho físico quanto cognitivo. Interessantemente, recentes achados do nosso grupo demonstram que uma única sessão de exercício físico em alta intensidade realizada de maneira intervalada (i.e. dez sprints de um minuto de duração em intensidade correspondente a 80% FC máxima, intercalados por pausas ativas de um minuto em intensidade correspondente a 60% da FC máxima) não prejudicou a memória de curto prazo e até mesmo melhorou a velocidade de processamento (avaliada pelo Stroop Test)55. Alves CRR, Tessaro VH, Teixeira LAC, Murakava K, Roschel H, Gualano B, Takito MY. Influence of an acute high-intensity interval training session on selective attention and short-term memory tasks. Percept Mot Skills. 2014;118(1):63-72.. Esses dados sugerem que as pausas ativas realizadas entre os esforços possam ter minimizado o quadro de fadiga, evitando assim os prejuízos na cognição. Especula-se que a redução de desempenho cognitivo acarretada pela fadiga possa estar associada à redução do aporte sanguíneo e energético cerebral bem como à supressão da síntese de neurotransmissores30 30. Ando S, Yamada Y, Kokubu M. Reaction time to peripheral visual stimuli during exercise under hypoxia. J Appl Physiol. 2010;108(5):1210-6.

31. Bhambhani Y, Malik R, Mookerjee S. Cerebral oxygenation declines at exercise intensities above the respiratory compensation threshold. Respir Physiol Neurobiol. 2007;14;156(2):196-202.
- 3232. Ogoh S, Dalsgaard MK, Yoshiga CC, Dawson EA, Keller DM, Raven PB, et al. Dynamic cerebral autoregulation during exhaustive exercise in humans. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2005;288(3):H1461-7.. De certa forma, essa possibilidade é sustentada pelas duas hipóteses anteriores que se propõem a explicar mecanismos pelos quais o exercício agudo atua sobre o desempenho cognitivo.

Hipótese de adaptações em estruturas cerebrais e plasticidade sináptica: Os avanços das técnicas não invasivas de neuroimagem, como a espectroscopia por ressonância magnética e o eletroencefalograma, vêm colaborando substancialmente para o entendimento dos mecanismos envolvidos na positiva relação entre a prática de exercícios físicos e o desempenho em tarefas cognitivas22. Hillman CH, Erickson KI, Kramer AF. Be smart, exercise your heart: exercise effects on brain and cognition. Nature Reviews Neuroscience. 2008;9(1):58-65.. De fato, diversos estudos têm revelado que indivíduos fisicamente ativos apresentam maiores ativações no espectro de bandas específicas (i.e.theta, alpha e beta) no exame de eletroencefalograma quando comparados a seus pares sedentários, o que sugere padrão de ativação cerebral diferenciado em função do nível individual de atividade física ou capacidade física33 33. Dustman RE, LaMarche JA, Cohn NB, Shearer DE, Talone JM. Power spectral analysis and cortical coupling of EEG for young and old normal adults. Neurobiol Aging. 1985;6(3):193-8.

34. Dustman RE, Emmerson RY, Ruhling RO, Shearer DE, Steinhaus LA, Johnson SC, et al. Age and fitness effects on EEG, ERPs, visual sensitivity, and cognition. Neurobiol Aging. 1990;11(3):193-200.
- 3535. Lardon MT, Polich J. EEG changes from long-term physical exercise. Biol Psychol. 1996;27;44(1):19-30.. Além disso, jovens fisicamente ativos parecem apresentar maior ativação em áreas cerebrais específicas, sugerindo a existência de uma maior rede de estruturas neurais em diversas regiões cerebrais, tais como lóbulo frontal, córtex cingulado anterior, lóbulo infra-temporal e córtex parietal, em decorrência da atividade física regular. Curiosamente, cada uma dessas regiões está envolvida na realização de tarefas cognitivas específicas22. Hillman CH, Erickson KI, Kramer AF. Be smart, exercise your heart: exercise effects on brain and cognition. Nature Reviews Neuroscience. 2008;9(1):58-65..

Estudos que utilizaram o exame de espectroscopia por ressonância magnética corroboram a hipótese de que indivíduos treinados apresentam padrão diferenciado de ativação cerebral quando comparados a não treinados3636. Kramer AF, Hahn S, Cohen NJ, Banich MT, McAuley E, Harrison CR, et al. Ageing, fitness and neurocognitive function. Nature. 1999;29;400(6743):418-9.

37. Colcombe S, Kramer AF. Fitness effects on the cognitive function of older adults: a meta-analytic study. Psychol Sci. 2003;14(2):125-30.

38. Colcombe SJ, Kramer AF, McAuley E, Erickson KI, Scalf P. Neurocognitive aging and cardiovascular fitness: recent findings and future directions. J Mol Neurosci. 2004;24(1):9-14.
- 3939. Themanson JR, Hillman CH. Cardiorespiratory fitness and acute aerobic exercise effects on neuroelectric and behavioral measures of action monitoring. Neuroscience. 2006;25;141(2):757-67.. Colcombe et al.40 40. Colcombe SJ, Kramer AF, Erickson KI, Scalf P, McAuley E, Cohen NJ, et al. Cardiovascular fitness, cortical plasticity, and aging. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004;2;101(9):3316-21.conduziram dois elegantes experimentos, nos quais demonstraram que indivíduos com alta aptidão aeróbia (experimento #1) ou indivíduos submetidos a treinamento físico aeróbio (experimento #2) apresentam maior ativação nas regiões corticais pré-frontal e parietal, quando comparados àqueles com baixa aptidão física e indivíduos controles não treinados, respectivamente.

A fim de investigar mecanismos biomoleculares envolvidos no remodelamento das estruturas cerebrais e na maior plasticidade sináptica, diversas pesquisas utilizaram de métodos invasivos em modelos animais. Destacam-se os estudos que demonstraram 1) proliferação de novos capilares cerebrais, 2) neurogênese e 3) surgimento de novas conexões sinápticas após a realização de treinamento aeróbio regular4141. Rhyu IJ, Bytheway JA, Kohler SJ, Lange H, Lee KJ, Boklewski J, et al. Effects of aerobic exercise training on cognitive function and cortical vascularity in monkeys. Neuroscience. 2010;2;167(4):1239-48.

42. van Praag H, Kempermann G, Gage FH. Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus. Nat Neurosci. 1999;2(3):266-70.
- 4343. van Praag H, Christie BR, Sejnowski TJ, Gage FH. Running enhances neurogenesis, learning, and long-term potentiation in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999;9;96(23):13427-31.. Estas alterações parecem ocorrer principalmente por conta de importantes ações hormonais. Enquanto alguns hormônios exercem funções de estímulo e crescimento neuronal, tais como Insuline Growth Factor I (IGF-I) e Vascular Endothelial Growth Factor(VEGF), outros podem desempenhar um papel deletério no sistema nervoso central, tal como o cortisol. Portanto, a compreensão acerca dos efeitos do treinamento físico sobre a produção hormonal faz-se relevante no entendimento da adaptação do sistema nervoso central ao treinamento.

Tabela 1
Efeito agudo do exercício no metabolismo cerebral em modelos animais e humanos.

Tabela 2
Efeitos do exercício físico crônico no metabolismo cerebral em modelos animais e humanos.

O IGF-1 é um dos principais candidatos a explicar os benefícios do exercício crônico sobre o desempenho cognitivo. Trata-se de um hormônio que induz neurogênese, cujas concentrações séricas guardam relação direta com os resultados em testes de aprendizagem espacial em ratos4444. Trejo JL, Llorens-Martin MV, Torres-Aleman I. The effects of exercise on spatial learning and anxiety-like behavior are mediated by an IGF-I-dependent mechanism related to hippocampal neurogenesis. Mol Cell Neurosci. 2008;37(2):402-11.. Além disso, sabe-se que indivíduos com altas concentrações séricas de IGF-I apresentam baixas concentrações plasmáticas de homocisteína, um aminoácido sulfuroso derivado da demetilação da metionina e que, em altos níveis, pode causar lesões cerebrais e transtornos neuropsiquiátricos4545. Ducloux D, Motte G, Nguyen NU, Abdelfatah A, Gibey R, Chalopin JM. Homocysteine, nutritional status and insulin in renal transplant recipients. Nephrol Dial Transplant. 2002;17(9):1674-7.. Além disso, a homocisteína é pró-aterogênica e pró-trombótica, elevando o risco de acidente vascular cerebral e neurotoxidade4646. Sachdev P. [Homocysteine and neuropsychiatric disorders]. Rev Bras Psiquiatr. 2004;26(1):50-6.. No hipocampo, o IGF-I também modula os níveis de acetilcolina, a qual exerce importantes funções no desenvolvimento do sistema nervoso central4747. Arwert LI, Deijen JB, Drent ML. The relation between insulin-like growth factor I levels and cognition in healthy elderly: A meta-analysis. Growth Horm Igf Res. 2005;15(6):416-22.. Interessantemente, Casilhas et al. 1010. Cassilhas RC, Viana VAR, Grassmann V, Santos RT, Santos RF, Tufik S, et al. The impact of resistance exercise on the cognitive function of the elderly. Med Sci Sport Exer. 2007;39(8):1401-7. observaram aumentos nas concentrações de IGF-1 em idosos submetidos a 24 semanas de treinamento de força e apresentaram melhoras cognitivas (ex: memória, atenção), enfatizando o potencial papel desse hormônio nas adaptações cerebrais induzidas pelo exercício.

Outro hormônio que vem sendo estudado devido a seu papel ímpar na angiogênese cerebral é o VEGF4848. Ramirez-Rodriguez G, Benitez-King G, Kempermann G. The new neuron formation in the adult hippocampus: Neurogenesis. Salud Ment. 2007;30(3):12-9.

49. Kerr AL, Steuer EL, Pochtarev V, Swain RA. Angiogenesis but not neurogenesis is critical for normal learning and memory acquisition. Neuroscience. 2010;24;171(1):214-26.

50. Laufs U, Werner N, Link A, Endres M, Wassmann S, Jurgens K, et al. Physical training increases endothelial progenitor cells, inhibits neointima formation, and enhances angiogenesis. Circulation. 2004;20;109(2):220-6.
- 5151. Gavin TP, Robinson CB, Yeager RC, England JA, Nifong LW, Hickner RC. Angiogenic growth factor response to acute systemic exercise in human skeletal muscle. J Appl Physiol. 2004;96(1):19-24.. Um elegante estudo de bloqueio farmacológico revelou que a angiogênese é um dos principais fatores responsáveis pela aquisição de memória e aprendizagem em ratos4949. Kerr AL, Steuer EL, Pochtarev V, Swain RA. Angiogenesis but not neurogenesis is critical for normal learning and memory acquisition. Neuroscience. 2010;24;171(1):214-26.. Supostamente, tal achado se explica em razão da iminente necessidade de novos vasos sanguíneos, responsáveis por manterem a demanda energética nos processos de diferenciação, migração e posterior maturação neural4848. Ramirez-Rodriguez G, Benitez-King G, Kempermann G. The new neuron formation in the adult hippocampus: Neurogenesis. Salud Ment. 2007;30(3):12-9.. É imperativo destacar que o treinamento físico é considerado um importante estimulador do VEGF5050. Laufs U, Werner N, Link A, Endres M, Wassmann S, Jurgens K, et al. Physical training increases endothelial progenitor cells, inhibits neointima formation, and enhances angiogenesis. Circulation. 2004;20;109(2):220-6. , 5151. Gavin TP, Robinson CB, Yeager RC, England JA, Nifong LW, Hickner RC. Angiogenic growth factor response to acute systemic exercise in human skeletal muscle. J Appl Physiol. 2004;96(1):19-24.. Os efeitos positivos da atividade física na plasticidade cerebral e na função cognitiva podem, em parte, ser mediados por um estímulo salientado sobre a vascularização cerebral e o fluxo sanguíneo local5252. Van der Borght K, Kobor-Nyakas DE, Klauke K, Eggen BJ, Nyakas C, Van der Zee EA, et al. Physical exercise leads to rapid adaptations in hippocampal vasculature: temporal dynamics and relationship to cell proliferation and neurogenesis. Hippocampus. 2009;19(10):928-36..

Sabe-se, ainda, que o eixo endócrino hipotalámico-hipofisário-adrenocortical é extremamente influenciado pelo treinamento físico. Estudos tanto em modelos animais quanto em humanos demonstram que o treinamento físico pode gerar adaptações nas glândulas adrenais, reduzindo a liberação de cortisol e corticosterona2424. Anish EJ. Exercise and its effects on the central nervous system. Curr Sports Med Rep. 2005;4(1):18-23. , 5353. Armstrong LE, VanHeest JL. The unknown mechanism of the overtraining syndrome - Clues from depression and psychoneuroimmunology. Sports Med. 2002;32(3):185-209.. Sabidamente, elevações séricas de corticosterona inibem a diferenciação de células progenitoras no hipocampo5353. Armstrong LE, VanHeest JL. The unknown mechanism of the overtraining syndrome - Clues from depression and psychoneuroimmunology. Sports Med. 2002;32(3):185-209. , 5454. Wong EY, Herbert J. Raised circulating corticosterone inhibits neuronal differentiation of progenitor cells in the adult hippocampus. Neuroscience. 2006;137(1):83-92.. Além disso, há boas evidências de que o excesso de corticosterona produz um comprometimento da função hipocampal, tal como a memória de trabalho e a espacial5555. Coburn-Litvak PS, Pothakos K, Tata DA, McCloskey DP, Anderson BJ. Chronic administration of corticosterone impairs spatial reference memory before spatial working memory in rats. Neurobiol Learn Mem. 2003;80(1):11-23. , 5656. Woodson JC, Macintosh D, Fleshner M, Diamond DM. Emotion-induced amnesia in rats: working memory-specific impairment, corticosterone-memory correlation, and fear versus arousal effects on memory. Learn Mem. 2003;10(5):326-36.. Evidentemente, estratégias que visem a redução de cortisol e corticosterona são de potencial valia nas adaptações cognitivas, de modo que o efeito supressor do exercício sobre tais hormônios merece destaque.

Por fim, cabe ressaltar que o treinamento físico regular de intensidade moderada exerce ação antioxidante5757. Oliveira VN, Bessa A, Jorge ML, Oliveira RJ, de Mello MT, De Agostini GG, et al. The effect of different training programs on antioxidant status, oxidative stress, and metabolic control in type 2 diabetes. Appl Physiol Nutr Metab. 2012;37(2):334-44. , 5858. Cakir-Atabek H, Demir S, PinarbaSili RD, Gunduz N. Effects of different resistance training intensity on indices of oxidative stress. J Strength Cond Res. 2010;24(9):2491-7.. Embora os marcadores de estresse oxidativo normalmente avaliados sejam plasmáticos ou séricos, é possível especular que essa ação antioxidante do exercício seja sistêmica e, como tal, atinja também o sistema nervoso central. Considerando que o estresse oxidativo exacerbado é um dos candidatos responsáveis pelo envelhecimento e, consequentemente, pelo declínio de diversas funções executivas, possivelmente a ação antioxidante do treinamento físico possa se constituir como um adicional mecanismo pelo qual o exercício melhora a cognição5959. Lin MT, Beal MF. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases. Nature. 2006;19;443(7113):787-95.. De fato, mais estudos randomizados com humanos devem ser conduzidos para comprovar ou não essa premissa.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os benefícios agudos e crônicos do exercício físico sobre o desempenho cognitivo têm sido amplamente reportados. Agudamente, tais efeitos devem-se, provavelmente, a um aumento do fluxo sanguíneo cerebral e, por conseguinte, do aporte de nutrientes. Paralelamente, há evidências sugerindo que o efeito agudo do exercício possa ser mediado por um aumento na atividade de neurotransmissores. Cronicamente, especula-se que o exercício possa promover adaptações em estruturas cerebrais e na plasticidade sináptica que culminariam com melhoras cognitivas (figura 1). Muitas evidências acerca dos mecanismos que norteiam as positivas respostas cognitivas ante o exercício agudo e crônico são produzidas em modelos animais. Em virtude dos avanços científicos e tecnológicos que têm permitido o desenvolvimento de novos e sofisticados métodos de imagem cerebral, tem-se aumentado a compreensão dos mecanismos pelos quais o exercício interfere na função cognitiva. Tais estudos mecanísticos são de grande relevância para a elaboração de modelos eficazes de treinamento objetivados a melhorar a cognição em populações saudáveis e também naquelas acometidas por demência.

Figura 1
Mecanismos fisiológicos que explicariam o papel agudo e crônico do exercício sobre a cognição.

AGRADECIMENTOS

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    May-Jun 2014

Histórico

  • Recebido
    29 Nov 2013
  • Aceito
    16 Abr 2014
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