สรุปงานวิจัย: High-intensity interval training evokes larger serum BDNF levels compared with intense continuous exercise

Introduction

• การออกกำลังกาย นอกเหนือจากประโยชน์ในด้านระบบหัวใจและหลอดเลือด ยังมีผลดีต่อสมองด้วย ซึ่งหนึ่งในกลไกหลักต่างๆนั้น ส่วนหนึ่งมาจาก การเพิ่มขึ้นของ Brain-derived neurotrophic factor(BDNF) ในแต่ละส่วนต่างๆของสมอง
  • ซึ่ง BDNF เป็นโปรตีน ประเภท growth factor สำหรับระบบประสาท(neurotrophin) มีผลโดยตรงในเรื่อง
    • การสร้างเซลล์ประสาทใหม่(neurogenesis) โดยเฉพาะในสมองส่วน Hippocampus ซึ่งเกี่ยวข้องกับความจำ
    • การรักษา(neuroprotection) ช่วยป้องการการตายของเซลล์ประสาทจาก สารพิษ ความเครียด
    • การเชื่อมต่อ(synaptic plasticity) ช่วยให้มีการแตกแขนงใยประสาท(synapse) ที่มากขึ้นและแข็งแรงขึ้น ทำให้เรียนรู้สิ่งใหม่ได้เร็วและทักษะคงอยู่นาน สลายช้า
• ในหนูทดลองพบว่า การออกกำลังกายทำให้มีการสร้าง BDNF ขึ้นที่สมองหลายส่วนโดยตรง เช่น Hippocampus, striatum, cerebral cortex(เปลือกสมอง) หลายส่วน แต่สำหรับการทดลองในมนุษย์ เราไม่สามารถตรวจจากสมองโดยตรงได้(เพราะหมายถึงการเปิดกระโหลก ตัดชิ้นส่วนสมองไปตรวจ) แต่อาศัยสมมติฐานที่ว่า BDNF ที่ถูกสร้างจากสมอง และจะสามารถผ่าน blood brain carrier และเข้าสู่กระแสเลือดได้ การตรวจระดับ BDNF ในกระแสเลือดจึงเป็นวิธีมาตรฐานในมนุษย์
  • BDNF เมื่อเข้าสู่กระแสเลือด สามารถถูกเก็บไว้ ใน platelet และสามารถถูกปล่อยออกมาใน serum ในระหว่างกระบวนการแข็งตัวของเลือด ในงานวิจัยหากวัด BDNF ใน serum(เลือดที่มีการทิ้งไว้ให้เกิดกระบวนการแข็งตัวของ platelet clot) จะสูงกว่าใน plasma(เลือดที่ถูกใส่สารป้องกันการแข็งตัว) 200 เท่า
    • การวัดใน BDNF ใน plasma จึงเป็นการวัดBDNF ที่เปลี่ยนไปขณะนั้นที่สร้างจากสมองโดยตรง เพราะ เป็น BDNF ที่ไม่ได้ถูกรบกวนจาก platelet, ส่วนการวัดใน Serum จะเหมือนเป็นการวัด 'ขนาดถังเก็บเสบียง' มักเป็นการวัดผลในระยะยาว
    • BDNF ยังสามารถถูกสร้างได้จากกล้ามเนื้อ(Skeletal muscle cells) แต่ในปัจจุบันเชื่อว่า มันจะไม่สามารถออกมาภายนอกเซลล์ได้ จึงไม่มีผลต่อระดับ BDNF ในกระแสเลือด

Material and method

• สำหรับงานวิจัยนี้ ทดลองระหว่าง Continuous exercise(CON) กับ High-Intensity Interval Training(HIIT) ว่าทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของ BDNF แตกต่างกันหรือไม่ โดยวัด BDNF ใน serum นอกจากนี้ ยังวัด lactate, cortisol, ระดับความเหนื่อย สำหรับอาการหอบ(Dyspnea) และ ความล้าที่ขา(leg fatigue) ด้วย Borg CR-10 Scale
• รูปแบบการออกกำลังกาย
  • วัด Maximal work rate(VO2 max) ก่อนในตอนแรก
  • Continuous exercise ออกกำลังกายด้วย 70% ของ Maximal work rate(~85% ของ HR = zone4) อย่างต่อเนื่อง เป็นเวลา 20 นาที
  • HIIT ออกกำลังกายด้วย 90% ของ Maximal work rate เป็นเวลา 1 นาทีสลับพัก(~20% ของ Max work rate คล้ายๆกับการเดิน) เป็นเวลารวมกัน 20 นาที(ออกแรงหนัก 10 นาที พัก 10 นาที)
  • 
  • มีการสลับทำระหว่าง CON และ HIT ในแต่ละผู้เข้าร่วมการทดลอง โดยเว้นระยะระหว่างกัน 1 สัปดาห์
• Blood sampling วัดค่า BDNF ในเลือด จาก serum โดยแบ่งเป็น รอบแรก ที่ความถี่ 4-6 นาที เพื่อหาจุดที่ BDNF ขึ้นสูงสุด เพื่อกำหนดเวลาที่จะสิ้นสุดการออกกำลังกาย และ รอบสอง ตรวจเลือด เฉพาะขณะเรื่มต้นและสิ่นสุด ตามจุดเวลาที่เหมาะสมที่ได้จากรอบแรก

Result

• ช่วง 6 นาทีแรกของการออกกำลังกาย ไม่มีความต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ระหว่าง CON, HIT(แม้กราฟ CON จะดูสูงกว่า แต่กลุ่มทดลองที่ทำ HIT ก็มี BDNF เริ่มต้นต่ำกว่า)
• หลังจาก 6 นาทีแรก CON มีค่า peak BDNF ไม่เพิ่ม ขณะที่ HIIT ยังคงเพิ่มขึ้นเรื่อยๆตลอด จนถึง 37.7% จวบจนหมดเวลา
  • เมื่อคำนวณค่าเฉลี่ย BDNF ของผู้เข้าร่วมทดลองทั้งหมด พบว่า HIIT มีแนวโน้มได้ BDNF มากกว่า CON
• 20 นาที หลังออกกำลังกาย BDNF ลดลงอย่างรวดเร็ว จนเกือบเท่ากับช่วงก่อนออกกำลังกาย
  • ระดับ BDNF ที่ลดลงอย่างรวดเร็วนี้ AI บอกประมาณว่า BDNF เหมือนปุ๋ยสำหรับกระตุ้นเซลล์ประสาท ที่ไม่จำเป็นต้องสูงค้างตลอดเวลา(ถ้าสูงค้าง อาจเกิดการดื้อต่อสัญญาณ) ส่วนการสร้างเพิ่มจะเกิดหลังจากนี้ โดยเฉพาะตอนนอนหลับ
• จากการทดลองพบว่า ในคนส่วนใหญ่ เมื่อทำ HIIT จะได้ BDNF มากกว่า CON และ HIIT ยังได้ BDNF, lactate, work rate มากกว่า อย่างมีนัยสำคัญ และ Cortisol น้อยกว่า(แต่ไม่มีนัยสำคัญ)

Discussion

• การทดลองนี้วัดที่ระยะเวลา 20 นาที ซึ่งสำหรับ HIIT ยังคงทำให้ BDNF สูงขึ้นเรื่อยๆ จวบจนนาทีสุดท้าย คือ เพิ่ม 37.7% (เมื่อดูจากกราฟ Fig.2) แต่ทั้งนี้ผู้เขียนอ้างอิงว่า จุด peak BDNF อาจอยู่ที่นาทีที่ 20 ตามการทดลองของ Schmidt-Kassow et al ซึ่งเป็นการทดลองทำ High intensity exercise (แต่เป็นแบบ Continuous ไม่ใช่ HIIT แบบการทดลองนี้) ที่ HR ประมาณ 150bpm(zone3-4) พบว่า BDNF ไม่ได้ขึ้นสูงขึ้นเรื่อยๆ แต่จะ peak สุดที่ 15-20 นาที และค่อยๆลดลง แม้ว่าจะยังออกแรงคงที่เท่าเดิม
  • ข้อสังเกต: ก็ยังสรุปไม่ได้ว่า HIIT ทำให้ได้ BDNF peak ที่เวลาใด เพราะ ในงานวิจัยนี้ทดลองแค่ 20 นาที แต่ถ้าทำนานกว่านี้ ผู้ทดลองก็อาจไม่ไหว เพราะ ออกแรงถึง 90% ของ maximum work load
• การศึกษาพบว่า BDNF ใน serum เพิ่มขึ้น 10-30% ช่วยให้การเรียนรู้ศัพท์จากนิยายดีขึ้น 20% รวมทั้งการทดสอบ Stroop test ดีขึ้น(แบบฝึกหัดในการแยก สีของคำศัพท์ ออกจาก คำศัพท์ที่เรียกชื่อสี ที่ขัดแย้งกัน), จำชื่อคนและหน้าตาได้ดีขึ้น(face-name recognition)
• สำหรับสมมติฐานที่ว่า BDNF น่าจะสร้างจากสมองเป็นส่วนใหญ่ โดยเฉพาะขณะออกกำลังกาย คือ มีการตรวจวัดความต่างของ BDNF ในหลอดเลือด Internal jugular vein(หลอดเลือดดำที่รับเลือดที่ออกจากสมองโดยตรง) กับ BDNF ในหลอดเลือด Radial artery(หลอดเลือดแดงที่รับเลือดจากปอด ซึ่งเป็นศูนย์รวมเลือดจากทั้งร่างกาย) พบว่า ในหลอดเลือดดำที่รับเลือดมาจากสมองโดยตรง มีปริมาณ BDNF สูงกว่า หลอดเลือดแดงจากร่างกาย และปริมาณ BDNF ยังมีการเพิ่มขึ้นในหลอดเลือดดำขณะออกกำลังกาย โดยลดลงมาที่ระดับปกติในระยะเวลา 1 ชม.
• ปัจจัยหลักๆที่อาจมีผลต่อ BDNF ขณะออกกำลังกาย มีดังนี้
  1. Lactate - มีบางงานวิจัยพบว่า เมื่อฉีดสาร sodium-lactate เข้าสู่ร่างกายในขณะพัก พบว่าสามารถทำให้ปริมาณ BDNF ในเลือดสูงขึ้นได้ แต่ผลในงานวิจัยอื่นๆค่อนข้างไม่แน่นอน โดยในการทดลองนี้ ก็ไม่พบความสัมพันธ์(correlation) ระหว่างปริมาณของ lactate กับ BDNF แต่อย่างใด(แม้ lactate จะเพิ่มขึ้นหลังออกกำลังกายก็ตาม)
  2. Cortisol(ฮอร์โมนความเครียด) - มีการทดลองในหนูทดลอง พบว่า Cortisol สามารถยังยั้งการสร้าง BDNF ในสมองได้ แต่สำหรับในมนุษย์ ไม่มีหลักฐานที่บ่งบอกถึงความสัมพันธ์(correlation) ระหว่าง Cortisol ที่เพิ่มขึ้น ว่าจะทำให้ BDNF ลดลงโดยตรง เพราะ อาจมีปัจจัยต่างๆอีกมาก โดยในงานวิจัยนี้ก็ไม่พบความเกี่ยวข้องนั้นเช่นกัน
     นอกจากนี้มีการศึกษาพบว่า Cortisol จะเกิดหลังจากออกกำลังกายหนักระดับ High intensity เท่านั้น[1, 2] แต่ไม่พบความเปลี่ยนแปลงในระดับ Moderate intensity
     • ทั้งนี้ คุยกับ AI บอกว่า: ที่เราต้องกังวล ไม่ใช่ cortisol จากการออกกำลังกาย เพราะ มันออกมาเพื่อกระตุ้นการสลายพลังงาน แต่เป็น cortisol สูงค้างจากภาวะเครียดเรื้อรัง ทางกาย(เช่น พักผ่อนไม่พอ) หรือ ใจ(มีเรื่องกังวลมากๆ) ที่จะมีผลกับ BDNF และสมองมากกว่า
  3. Intensity ในการทดลอง เมื่อวัดระดับความเมื่อยล้าขา(ด้วยเกณฑ์Borg CR-10) พบว่ามีความสัมพันธ์(Correlation) กับระดับ BDNF ที่แตกต่างกันออกไป โดยข้อสันนิษฐานคือ อาจเป็นผลของกระบวนการทางชีวเคมี(biochemical pathway) จากกล้ามเนื้อ ที่เมื่อกล้ามเนื้อหดตัว(muscle contraction) จะมีการกระตุ้น PGC-1⍺ ซึ่งเมื่อจับกับ transcription factor Err⍺ จะกระตุ้น FNDC5 gene ซึ่งจะกระตุ้นการสร้าง BDNF ในสมอง ซึ่งการศึกษาพบว่า HIIT มีการกระตุ้น PGC-1⍺ มากกว่า CON
  4. Platelet(เกล็ดเลือด) มีสมมติฐานว่า BDNF ที่เก็บในเกล็ดเลือด อาจมีไว้สำหรับซ่อมแซมระบบประสาทและกล้ามเนื้อหลังออกกำลังกาย แต่มีการทดลองเทียบระหว่าง การออกกำลังกาย ที่มีการต่อกระแสไฟฟ้าเข้ากล้ามเนื้อ ซึ่งจะก่อให้เกิดการบาดเจ็บกล้ามเนื้อมากขึ้น ก็ไม่ทำให้ BDNF ออกมา มากกว่าการออกกำลังกายปกติแต่อย่างใด
  5. กลไกจากกล้ามเนื้อ ไม่ใช่ปัจจัยเดียวที่จะกระตุ้นการหลั่ง BDNF ถ้าเป็นอย่างนั้นจริง การออกกำลังกายแบบฝึกแรงต้าน(resistance training) ก็จะเป็นสิ่งเหมาะสมที่สุด แต่ผลการศึกษายังไม่มีข้อสรุปที่แน่ชัด โดยสมมติฐานคือ
     • อาจเกิดจากระยะเวลาการออกแรง ที่มักจะสั้นมากและพักยาว(ตามรูปแบบการออกกำลัง) จน BDNF เจือจาง(washed outs)ไปก่อนที่จะได้วัด
     • นอกจากนี้ การออกกำลังกายแบบแรงต้าน มักจะมีจำนวนการหดตัวของกล้ามเนื้อ โดยรวมน้อยกว่าแบบ aerobic เพราะ แม้จะออกแรงเยอะ แต่ทำด้วยจำนวนรอบน้อย ซึ่งเทียบกันไม่ได้เลยกับ aerobic เช่น วิ่ง 10นาที อัตราการก้าว 120 ครั้งต่อนาที ก็มีการหดตัวของกล้ามเนื้อ อย่างน้อย 1200 ครั้ง ซึ่งปริมาณการหดตัวจะต่างกันมาก กับการยกน้ำหนักไม่กี่ครั้งในการฝึกแบบแรงต้าน
     • สำหรับการออกกำลังกายแบบแรงต้าน อาจต้องออกแบบการทดลอง ให้มีระยะเวลาการออกแรงที่นานขึ้น และมีการวัด BDNF ในขณะออกแรง และหลังออกแรงด้วย รวมถึงการเปลี่ยนแปลง BDNF ในระยะยาว
  6. Transient tissue hypoxia มีการศึกษาพบว่า BDNF ถูกหลั่งออกมา จากเซลล์บุผนังหลอดเลือดในสมอง(Cerebral vascular endothelium) ขณะที่เนื้อเยื่อมี oxygen ต่ำลง และ นอกจากนี้ การศึกษาพบว่า ในภาวะที่สมองและกล้ามเนื้อ มี Oxygen ลดลง จะมีการกระตุ้นกระบวนการ Mitochondria biogenesis(เพิ่มอวัยวะในเซลล์ สำหรับเผาผลาญพลังงานได้ดีขึ้น) ช่วยให้สมองและกล้ามเนื้อ มีความทนทานต่อการใช้งานได้ยาวนานและหนักขึ้น
  7. H2O2 และ TNF-α นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาในหนูทดลองพบว่า HIIT ทำให้เกิด H2O2(Hydrogen peroxide) และ TNF-α ในสมอง มากกว่า CON ซึ่งมีความสัมพันธ์(Correlation) กับ BDNF ที่มากกว่า โดยมีสมมติฐานว่า การออกกำลังกายสองรูปแบบนี้ อาจมีการกระตุ้นให้เกิด Oxidative stress(สภาวะอักเสบระดับเซลล์) ที่เข้มข้นต่างกัน(HIIT กระตุ้นมากกว่า จึงเกิด H2O2 มากกว่า) ซึ่ง H2O2 นี้จะมีผลทำให้กล้ามเนื้อหดตัวได้น้อยลง ซึ่งสัมพันธ์กับความเมื่อยล้าขาที่มากกว่า (ดังที่วัดจาก Borg CR-10 ในงานวิจัยนี้) แต่ได้ BDNF มากกว่า