Неуробиолошки ефекти физичког вежбања обухватају могуће међусобно повезане ефекте на структуру мозга, функцију мозга и спознају (когницију). Истраживања на људима су показала да константно аеробно вежбање (нпр. 30 минута сваког дана) може довести до побољшања одређених когнитивних функција, неуропластичности и пластичности понашања; неки од ових дугорочних ефеката могу укључивати повећан раст неурона, повећану неуролошку активност (нпр. c-Fos и BDNF сигнализација), боље суочавање са стресом, побољшану когнитивну контролу понашања, побољшану декларативну, просторну и радну меморију, као и структурна и функционална побољшања у можданим структурама и неуралним путевима повезаним са когнитивном контролом и памћењем. Ефекти вежбања на когницију могу утицати на академски успех код деце и студената, побољшати продуктивност одраслих, очувати когнитивну функцију у старости, спречити или лечити одређене неуролошке поремећаје и побољшати укупан квалитет живота.

Код здравих одраслих особа, показало се да аеробно вежбање изазива пролазне ефекте на когницију након самог једног тренинга, као и трајне ефекте услед редовног вежбања током неколико месеци. Особе које редовно изводе аеробне вежбе (нпр. трчање, џогирање, брзо ходање, пливање и бициклизам) постижу боље резултате на неуропсихолошким тестовима који мере одређене когнитивне функције, као што су контрола пажње, инхибиторна контрола, когнитивна флексибилност, ажурирање и капацитет радне меморије, декларативно памћење, просторно памћење и брзина обраде информација.

Аеробно вежбање има и краткорочне и дугорочне ефекте на расположење и емоционална стања тако што промовише позитиван афект, инхибира негативан афект и смањује биолошки одговор на акутни психолошки стрес. Аеробно вежбање такође може утицати на самопоуздање и укупно благостање (укључујући обрасце спавања) при редовном, дугорочном ангажману. Редовно аеробно вежбање може ублажити симптоме повезане са поремећајима централног нервног система и може се користити као додатна терапија за ове поремећаје. Постоје докази о ефикасности вежбања у лечењу великог депресивног поремећаја.

Неки претклинички докази и све већи број клиничких доказа подржавају употребу вежбања као додатне терапије за лечење и превенцију болести зависности.

Прегледи клиничких доказа такође подржавају употребу вежбања као додатне терапије за одређене неуродегенеративне поремећаје, посебно Алцхајмерову болест и Паркинсонову болест. Редовно вежбање може бити повезано са мањим ризиком од развоја неуродегенеративних поремећаја.

Дугорочни ефекти

Неуропластичност Неуропластичност је процес којим се неурони временом прилагођавају променама, а најчешће се јавља као одговор на поновљено излагање стимулансима. Аеробно вежбање повећава производњу неуротрофних фактора (нпр. BDNF, IGF-1, VEGF) који посредују у побољшању когнитивних функција и различитих облика памћења тако што промовишу формирање крвних судова у мозгу, неурогенезу одраслих, и друге облике неуропластичности. Конзистентно аеробно вежбање током периода од неколико месеци индукује клинички значајна побољшања у извршним функцијама и повећава запремину сиве масе у готово свим регионима мозга, при чему се највећа повећања дешавају у регионима мозга који су одговорни за извршне функције. Мождане структуре које показују највећа побољшања у запремини сиве масе као одговор на аеробно вежбање су префронтални кортекс, каудатни нуклеус и хипокампус; мање значајна повећања запремине сиве масе се дешавају у предњем цингуларном кортексу, паријеталном кортексу, малом мозгу и нуклеус акумбенсу. Префронтални кортекс, каудатни нуклеус и предњи цингуларни кортекс су међу најзначајнијим можданим структурама у системима допамина и норепинефрина који омогућавају когнитивну контролу. Неурогенеза изазвана вежбањем (тј. повећање запремине сиве масе) у хипокампусу повезана је са мерљивим побољшањима у просторном памћењу. Виши резултати физичке спремности, мерени помоћу VO2 max, повезани су са бољом извршном функцијом, бржом обрадом информација и већом запремином сиве масе хипокампуса, каудатног нуклеуса и нуклеус акумбенса.

Структурни раст

Прегледи неуровизуелизационих студија показују да редовно аеробно вежбање повећава запремину сиве масе у готово свим регионима мозга, при чему се израженија повећања дешавају у можданим регионима повезаним са обрадом памћења, когнитивном контролом, моторним функцијама и системом награђивања; најистакнутија повећања запремине сиве масе се примећују у префронталном кортексу, каудатном нуклеусу и хипокампусу, који, између осталог, подржавају когнитивну контролу и обраду памћења. Штавише, лева и десна половина префронталног кортекса, хипокампуса и цингуларног кортекса изгледа да постају функционално повезаније као одговор на редовно аеробно вежбање. Три прегледа указују на то да се значајна побољшања у запремини префронталне и хипокампалне сиве масе дешавају код здравих одраслих особа које редовно вежбају средњим интензитетом током неколико месеци. Други региони мозга који показују умерена или мање значајна повећања запремине сиве масе током неуровизуелизације укључују предњи цингуларни кортекс, паријетални кортекс, мали мозак и нуклеус акумбенс.

Редовно вежбање доказано ублажава скупљање хипокампуса и оштећење памћења које се природно јавља у каснијем одраслом добу. Физички неактивне одрасле особе старије од 55 година показују годишњи губитак запремине хипокампуса од 1–2%. Неуровизуелизациона студија са узорком од 120 одраслих особа открила је да је редовно аеробно вежбање повећало запремину левог хипокампуса за 2,12% и десног хипокампуса за 1,97% током периода од једне године. Испитаници у групи за истезање ниског интензитета који су имали виши ниво физичке спремности на почетку студије показали су мањи губитак запремине хипокампуса, што пружа доказе да вежбање штити од когнитивног пропадања повезаног са старењем. Уопштено, особе које више вежбају током одређеног периода имају већу запремину хипокампуса и бољу функцију памћења. Показало се да аеробно вежбање индукује и раст трактова беле масе у предњем делу жуљевитог тела (corpus callosum), који се нормално скупљају са старењем.

Различите функције можданих структура које показују повећање запремине сиве масе изазване вежбањем укључују: Каудатни нуклеус – одговоран за учење засновано на стимулансу и одговору и инхибиторну контролу; повезан са Паркинсоновом болешћу и АДХД-ом Мали мозак – одговоран за моторну координацију и моторно учење Хипокампус – одговоран за складиштење и консолидацију декларативног памћења и просторног памћења Нуклеус акумбенс – одговоран за жељу (облик мотивације повезан са наградом) и позитивно поткрепљење; повезан са болестима зависности Паријетални кортекс – одговоран за сензорну перцепцију, радну меморију и пажњу Префронтални кортекс и предњи цингуларни кортекс – неопходни за когнитивну контролу понашања, посебно за: радну меморију, контролу пажње, доношење одлука, когнитивну флексибилност, социјалну когницију и инхибиторну контролу понашања; повезани са АДХД-ом и болестима зависности

Трајни ефекти на спознају У складу са функционалним улогама можданих структура које показују повећање запремине сиве масе изазване вежбањем, редовно вежбање током периода од неколико месеци доказано трајно побољшава бројне извршне функције и неколико облика памћења. Нарочито се показало да редовно аеробно вежбање побољшава контролу пажње, брзину обраде информација, когнитивну флексибилност (нпр. промену задатака), инхибиторну контролу, ажурирање и капацитет радне меморије, декларативно памћење, и просторно памћење. Код здравих младих и средовечних одраслих особа, највећи ефекти побољшања когнитивних функција се примећују у извршним функцијама, док су мањи до умерени ефекти присутни код аспеката памћења и брзине обраде информација. Код старијих одраслих особа могуће је да когнитивне користи проистичу из учешћа и у аеробним вежбама и у вежбама отпора најмање умереног интензитета. Особе које воде седентарни начин живота имају склоност ка слабијим извршним функцијама у поређењу са физички активнијим особама које не тренирају редовно. Примећен је и реципрочан однос између вежбања и извршних функција: побољшања у процесима извршне контроле, као што су контрола пажње и инхибиторна контрола, повећавају склоност појединца ка вежбању.

Механизам ефеката BDNF сигнализација Један од најзначајнијих ефеката вежбања на мозак је повећана синтеза и експресија BDNF-а, неуропептида и хормона, што резултира појачаном сигнализацијом кроз његову рецепторску тирозин киназу, TrkB. Пошто је BDNF способан да прође кроз крвно-мождану баријеру, већа периферна синтеза BDNF-а такође повећава BDNF сигнализацију у мозгу. Повећање BDNF сигнализације изазвано вежбањем повезано је са побољшаном когнитивном функцијом, побољшаним расположењем и побољшаним памћењем. Штавише, истраживања су пружила велику подршку улози BDNF-а у хипокампалној неурогенези, синаптичкој пластичности и неуралној поправци. Бављење умереним до јаким аеробним вежбањем као што су трчање, пливање и бициклизам повећава биосинтезу BDNF-а путем сигнализације миокина, што резултира до троструким повећањем нивоа BDNF-а у крвној плазми; интензитет вежбања позитивно корелира са магнитудом повећања биосинтезе и експресије BDNF-а. Мета-анализа студија које су проучавале ефекат вежбања на нивое BDNF-а открила је да редовно вежбање скромно повећава нивое BDNF-а и у стању мировања. Ово има важне импликације за вежбање као механизам за смањење стреса пошто је стрес уско повезан са смањеним нивоима BDNF-а у хипокампусу. Заправо, студије сугеришу да BDNF доприноси ефектима антидепресива који смањују анксиозност. Повећање нивоа BDNF-а изазвано вежбањем помаже у преокретању смањења BDNF-а изазваног стресом, што ублажава стрес краткорочно и штити од болести повезаних са стресом дугорочно.

Цитокини Цитокини су мали протеини и пептиди које ослобађају мишићне ћелије током вежбања или контракције, који се емитују током тренинга снаге и отпора и шаљу сигнале имунском систему. Beate Zunner, и сар. "Myokines and Resistance Training: A Narrative Review." International Journal of Molecular Sciences, vol. 23, no. 7, 23. 3. 2022., pp. 3501–3501, www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8998961/, https://doi.org/10.3390/ijms23073501. Severinsen, Mai Charlotte Krogh, and Bente Klarlund Pedersen. "Muscle–Organ Crosstalk: The Emerging Roles of Myokines." Endocrine Reviews, vol. 41, no. 4, 11. 5. 2020., pp. 594–609, https://doi.org/10.1210/endrev/bnaa016. Луче их различити типови ћелија, укључујући имунске ћелије, као што су макрофаги, Т ћелије и дендритске ћелије, ендотелне ћелије и фибробласти. Цитокини олакшавају комуникацију између ћелија, координирајући различите имунске одговоре као што су упала, активација ћелија, пролиферација, диференцијација и апоптоза (програмирана ћелијска смрт). Цитокини могу деловати аутокрино, паракрино или ендокрино, у зависности од циљних ћелија на које утичу. Цитокинска сигнализација је неопходна за одржавање имунске хомеостазе, одбрану од патогена и решавање упала. Cleveland Clinic. "What Are Cytokines? Types and Function." Cleveland Clinic, Cleveland Clinic, 1. 3. 2023., my.clevelandclinic.org/health/body/24585-cytokines. Zhang, Jun-Ming, and Jianxiong An. "Cytokines, Inflammation, and Pain." International Anesthesiology Clinics, vol. 45, no. 2, 2007, pp. 27–37, pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2785020/, https://doi.org/10.1097/AIA.0b013e318034194e.‌ American Cancer Society. "Cytokines and Their Side Effects." Www.cancer.org, 27. 12. 2019., www.cancer.org/cancer/managing-cancer/treatment-types/immunotherapy/cytokines.html.‌ Lacy, Paige, and Jennifer L. Stow. "Cytokine Release from Innate Immune Cells: Association with Diverse Membrane Trafficking Pathways." Blood, vol. 118, no. 1, 7. 7. 2011., pp. 9–18, ashpublications.org/blood/article/118/1/9/28431/Cytokine-release-from-innate-immune-cells, https://doi.org/10.1182/blood-2010-08-265892.

IGF-1 сигнализација