Studienarbeit
Fachbereich: Personal, Gesundheit & Soziales Studiengang: Bachelor of Science Physiotherapie Modul: Physiotherapie-Projekte
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis…………………………………………………………………………………………….. III
Abkürzungsverzeichnis……………………………………………………………………………………………. IV
- Zusammenfassung…………………………………………………………………………………………….. 1
- Einleitung…………………………………………………………………………………………………………. 2
- Definitionen……………………………………………………………………………………………………… 3
- Studienlage………………………………………………………………………………………………………. 4
- Diskussion……………………………………………………………………………………………………… 14
- Ausblick…………………………………………………………………………………………………………. 16
Literaturverzeichnis……………………………………………………………………………………………….. 17
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Einflusses von körperlicher Aktivität aufneurale Strukturen 15
Abkürzungsverzeichnis
PET: Positronenemissionstomographie
FDG-PET:
bildgebendes Verfahren zur Erkennung von Regionen mit erhöhtem Glukosemetabolismus
BDNF:
Brain-derived- neutrophic factor
1 Zusammenfassung
In dieser Arbeit werden verschiedene Studien zum Einfluss von sportlicher Aktivität auf die Hirnleistung diskutiert. Dabei wird spezifisch auf folgende drei Altersgruppen eingegangen: Kinder (vier bis neun Jahre), Erwachsene (20 bis 26 Jahre) und Senioren (> 60 Jahre).
Es scheint nach der gesichteten Studienlage des Kindesalters, dass körperliche Aktivität einen Einfluss auf die kognitive Entwicklung und Kontrolle durch strukturelle Anpassung des Gehirns aufweist. Dies lässt sich durch die Förderung spezifischer Bereiche im präfrontalen Kortex vermuten, wodurch die kognitive Kontrolle verbessert werden könne.
Bei den Erwachsenen hingegen wiesen die Studien auf einen signifikanten Anstieg des BDNF-Levels als Reaktion zum körperlichen Training hin. Ebenfalls scheint das Training einen positiven Einfluss auf das Langzeitgedächtnis zu haben, insbesondere bei der Konsolidierung von Informationen ins Langzeitgedächtnis. Ebenfalls auffällig zeigte sich die graue Substanz, welche bei den körperlich aktiven Probanden ein höheres Volumen aufwies.
Die Studienlage der älteren Generation gibt einen positiven Einfluss, durch die körperliche Aktivität, auf die Erhaltung des Gehirns zu erkennen. Ob das BDNF-Gen bei körperlich aktiven Probanden im Zusammenhang mit dem Hirnvolumen stehen könnte, wird nicht bestätigt. Doch es wird erkannt, dass eine Vergrößerung des Hippocampusvolumen bei sportlichen Probanden im Schnitt grösser erscheint.1
1 Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird auf die gleichzeitige Verwendung personenspezifischer Sprachformen verzichtet. Sämtliche Personenbezeichnungen gelten gleichwohl für jedes Geschlecht.
2 Einleitung
«Sport und körperliche Aktivität gelten seit Jahrhunderten in vielen Kulturen als gesundheitsfördernde Verhaltensweisen» (Lippke S., Vögele C. 2006). Dass sich die körperliche Aktivität innerhalb der gesamten Lebensspanne auf das Hirnvolumen, die Hirnleistungsfähigkeit und auf die Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen auswirkt, wurde erst in den vergangenen Jahren nachgewiesen (Zimmer, P., Oberste, M. & Bloch, W. (2015); S.42). Aktuelle Studienlagen beschreiben, dass einmalige Sporteinheiten aber auch regelmäßige körperliche Aktivitäten positive Auswirkungen auf die kognitiven Fähigkeiten haben. Dabei ist das Gehirn bis ins hohe Alter in der Lage, sich strukturell und damit auch funktionell an Belastungen anzupassen, was als Neuroplastizität bezeichnet wird. (Müller, P. 2020; S1.). Diese neuronale Anpassungserscheinung beinhaltet die regionale Gehirndurchblutung, den Anstieg von neurotrophen Wachstumsfaktoren und die Neubildung von Nervenzellen, was wiederum zu einer Lernleistungsverbesserung führen kann. Durch die sportliche Betätigung werden ebenfalls die emotionalen, sozialen und kognitiven Prozesse beeinflusst und sie führt zu neurobiologischen Adaptionen. Auch werden Gehirnprozesse gefördert, in dem auf die Strukturen und Funktionsweise des Gehirns eingegangen werden kann (Kubesch 2012; S. 122).
Dieser Zusammenhang von körperlicher Aktivität und der Gehirnleistung kann aber nicht in jeder Altersgruppe gleich angesehen werden. Daher wird sich in der Diskussion auf den Vergleich von den drei Altersgruppen konzentriert: Kinder, Erwachsene und Senioren.
Einige verständnisrelevante Fachbegriffe werden im Folgenden erläutert.
3 Definitionen
• Neuroplastizität: Die neuralen Bahnen im Gehirn verändern sich aufgrund unserer Erfahrungen in unterschiedlicher Weise unser ganzes Leben lang. (Costandi 2015: S. 132)
• fMRT-Gehirnaktivierung = funktionelle Magnetresonanztomographie, erschließt ein diagnostisches Feld von morphologischer Abbildung der Hirnstrukturen bis zur Messung und Visualisierung von Hirnfunktionen (Stippich et al. 2002: S. 43).
• Neurogenese: Bildung von neuen Nervenzellen (Costandi 2015: S.132).
• Neuroprotektion: unter einer therapeutischen Neuroprotektion versteht man den Versuch, zelluläre Interaktionen im Gehirn und den damit verbundenen Schutz der neuralen Funktionen bestmöglich zu erhalten bzw. wiederherzustellen (Ehrenreich, Sirèn 2003: S. 112).
• Hippocampus: gehört zum räumliche Navigationssystem des Gehirns und ist somit für das Ablegen von Gedächtnisinhalten, vor allem der räumlichen Art, zuständig (Seeburg, Peter H. et al. 2008: S. 1).
• Amyloid-PET: Es werden von einer Körperregion mehrere Schichtbilder erstellt. Mit dem Amyloid-PET können, wie bei der Alzheimer-Erkrankung, typische Eiweissablagerungen im Gehirn festgestellt werden (Laforce, Rabinovici 2011: S. 3).
4 Studienlage
Seit vielen Jahren wird bereits erforscht, inwiefern Sport und körperliche Aktivität das Gehirn beeinflusst. Besonders durch die in den 1980er Jahren begonnene Einführung von bildgebenden Verfahren, konnten große Kenntnisse gewonnen werden. Darunter ist die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und die Positronen- Emissionstomographie (PET) zu verstehen. Dadurch wurde es der Forschung erstmals möglich, selbst kleinste Gehirnabschnitte auf Stoffwechsel und Durchblutung untersuchen zu können (Walk 2011: S. 27). Heutzutage existieren viele unterschiedliche Studien zu diesem Forschungsgebiet. Im Folgenden Teil wird auf Studien zu verschiedenen Altersgruppen aus den Jahren 2005-2015 genauer eingegangen. Für die Altersgruppe
„Kindesalter“ gibt es zahlreiche Studien. Einige Studien befassen sich mit dem Einfluss von sportlichem Training auf die Konzentrationsfähigkeit und die Schulleistung. In anderen Studien wurde der Zusammenhang von Sport und der Gehirnaktivierung bei kognitiven Aufgaben untersucht (Kubesch 2012: S. 125-127). Dabei zeigt sich, dass sich die Studien mit Probanden im Kindesalter, hauptsächlich auf den Bereich der Leistungsförderung fokussieren.
Für das Erwachsenenalter gibt es wenige Studien mit gesunden Probanden. Zu einem liegt es daran, dass die zugrundeliegenden Mechanismen der Effekte wenig bekannt sind und zum anderen an der eingeschränkten Zugänglichkeit des ZNS. Aus Tierstudien können zwar einige Erkenntnisse gewonnen werden, jedoch können diese nicht eins zu eins auf den Menschen übertragen werden (Zimmer, Oberste & Bloch 2015; S. 42). So sind die vorhandenen Studien mit Vorsicht zu betrachten und zu interpretieren. Von den wenigen vorhandenen Studien mit erwachsenen Menschen kommen einige auf unterschiedliche Ergebnisse, was diese vorsichtige Betrachtung und Interpretation nur verstärkt.
Im Gegensatz zu den Studien über das Erwachsenenalter gibt es viele Studien und Arbeiten, welche sich mit dem Thema Sport und Gehirn im höheren Alter befassen. Dabei wird vor allem das Themengebiet der Neuroplastizität abgedeckt, wobei sich der Fokus auf den Erhalt und die Verbesserung der kognitiven Funktionen setzt (Müller 2015: S 25). In anderen Studien wird genauer auf verschiedene Sportarten, wie zum Beispiel dem Ausdauerlauf, eingegangen und was für Auswirkungen diese auf das Gehirn haben (Andergasse 2017).
Die Prävention von neurodegenerativen Erkrankungen wie Demenz und Alzheimer wird ebenfalls in einigen Studien untersucht (Müller, T. 2019).
Somit kann erkannt werden, dass sich die Studien im Bereich Sport bei älteren Menschen vor allem um die Prävention von altersbedingten Veränderungen im Gehirn beschäftigen.
Im Folgenden Teil wird anhand von Studien der Einfluss von körperlicher Aktivität auf die Hirnleistung in Bezug auf verschiedene Altersgruppen dargestellt. Dabei wird in die Gruppen „Kinder“, „Erwachsene“ und „Senioren“ untergliedert.
4.1 Kindesalter
Das Gehirn gilt als das anpassungsfähigste Organ des menschlichen Körpers. Voraussetzung für diese Anpassungsfähigkeit bildet die Neuroplastizität. Sie ermöglicht, dass wir durch Sport und körperliche Beanspruchung auf Gehirnstrukturen und deren Funktionen einwirken können. Es wurde herausgefunden, dass dieser Prozess bereits im Fetalstadium beginnt. Die Bildung, Entwicklung und Vernetzung von Neuronen werden allein durch die Bewegungen des Kindes und der Mutter angeregt. Die Neuroplastizität des Gehirns bleibt zwar lebenslang erhalten, jedoch arbeitet sie im Kindesalter am effizientesten. Das bedeutet, dass die Bildung und Vernetzung von Neuronen im Kindesalter besonders schnell erfolgt (Kubesch 2012: S.139).
Laut dem Robert-Koch-Institut waren im Jahr 2017 circa 26.3% der Kinder und Jugendlichen in Deutschland im Alter von 5-17 Jahren übergewichtig und circa 8% sogar adipös. Mehr Sport und Bewegung sind für eine Reduktion des Übergewichtes hilfreich, aber inwiefern die körperliche Aktivität die Hirnleistung im Kindesalter beeinflussen kann, wird im folgenden Teil anhand verschiedener Studien genauer erläutert.
Mittlerweile gibt es eine Vielzahl an Studien, die sich mit dem Zusammenhang von körperlicher Aktivität bei Kindern und Jugendlichen und deren Einfluss auf Gehirnprozesse befassen. In einer Studie des Jacobs Center for Lifelong Learning and Institutional Development der International University Bremen wurde der Zusammenhang zwischen motorischer und kognitiver Entwicklung im frühen Kindesalter untersucht. Ziel der Studie war es, den Zusammenhang zwischen motorischer Leistungsfähigkeit und optischer Differenzierungsleistung zu analysieren. An dieser Studie nahmen insgesamt 85 Kindergartenkinder im Alter von vier bis sechs Jahren teil. Die Kinder absolvierten im Rahmen der Studie sieben motorische Tests zur Kraft, Beweglichkeit, Schnelligkeit und Koordination, sowie einen Test zur optischen Differenzierungsleistung. Es zeigte sich, dass die Kinder mit einer höheren motorischen Leistungsfähigkeit signifikant bessere kognitive Grundfunktionen aufweisen als motorisch weniger leistungsfähige Kinder. Die Betrachtung unterteilt nach Altersklassen, konnte eine Abnahme der Höhe des Zusammenhangs mit fortschreitendem Alter aufzeigen. Aus der Studie lässt sich schließen, dass bei motorischen und kognitiven Aktivitäten ähnliche zentralnervöse Prozesse beansprucht werden, wobei die Ursache dafür bis heute nicht geklärt ist. Die Resultate der Studien veranschaulichen, dass die körperliche Aktivität einen großen Einfluss auf die frühkindliche kognitive Entwicklung hat (Voelcker-Rehage 2005: S. 358).
In einer weiteren Studie: The effects of physical activity on functional MRI activation associated with cognitive control in children: a randomized controlled intervention wurde mithilfe von funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) der Einfluss eines neun- monatigen Programms mit körperlicher Aktivität auf die durch Aufgaben hervorgerufene Gehirnaktivierung im Kindesalter untersucht. Ursprünglich wurden 32 Kinder ausgewählt, um an der Studie teilzunehmen, doch es mussten einige aus der Studie ausgeschlossen werden, aufgrund von massiven Bewegungen während des fMRT. 23 Kinder im Alter von acht bis neun Jahren, der Urbana Illinois School District 116, repräsentieren die finalen Ergebnisse der Studie. Dabei wurden die Kinder in zwei Gruppen unterteilt. 14 Kinder verblieben in der Gruppe, die an körperlichem Training teilnahm. Die restlichen Kinder gehörten zur Warteliste-Kontrollgruppe und nahmen nicht an einem körperlichen Training teil. Die Kinder der Fitnessgruppe nahmen für neun Monate lang an mehr als 60 Minuten körperlicher Aktivität an fünf Tagen pro Woche teil. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kinder der Fitnessgruppe eine Abnahme der fMRT-Gehirnaktivierung im rechten vorderen präfrontalen Kortex aufwiesen. Außerdem zeigten sich innerhalb dieser Gruppe Verbesserungen im Erfüllen von Aufmerksamkeitsaufgaben. Bei der Warteliste- Kontrollgruppe hingegen, konnten keine Veränderungen der Gehirnfunktionen festgestellt werden. Darüber hinaus zeigten Kinder der Fitness-Gruppe nach den neun Monaten ähnliche vordere frontale Gehirnmuster wie eine Gruppe junger Erwachsener im Collegealter. Aus den Ergebnissen der Studie lässt sich vermuten, dass körperliche Aktivität während der Kindheit spezifische Bereiche im präfrontalen Kortex, die an der kognitiven Kontrolle beteiligt sind, verbessern kann (Chaddock-Heyman et al. 2013: S. 1)
4.2 Erwachsene
Anders als bei den Kindern sieht es in den Studien bei gesunden erwachsenen Probanden aus. Hier werden Neurogenese und Neuroprotektion vor allem im Hippocampus einer Leistungssteigerung im Hirn gleichgesetzt. Es werden daher einzelne Wachstumsfaktoren, die zur Neurogenese und Neuroprotektion führen, betrachtet. Darunter gehört der „brain- derived neurotrophic factor“ kurz BDNF, auf Deutsch übersetzt bedeutet es so viel wie „vom Gehirn stammender neurotropher Faktor“. Dieser BDNF ist ein Protein, welches der Gruppe Neurotrophine angehört und dessen wichtige Aufgabe es ist, den Schutz von bereits existierenden Neuronen und Synapsen zu gewährleisten. Er stimuliert auch das Wachstum und die Weiterentwicklung neuer Nervenzellen sowie neuraler Bahnen und Synapsen sowie deren Langzeitpotenzierung. Die BDNF-Konzentration im Gehirn und im Serum kann durch verschiedene Faktoren positiv wie auch negativ beeinflusst werden (Laske C., Eschweiler G. W. 2006: S. 523-537). Die Beeinflussung dieser Konzentration anhand von körperlicher Aktivität wird in verschiedenen Studien untersucht. Ebenfalls werden diverse Tests für die Erhebung der kognitiven Fähigkeiten und des Gedächtnisses durchgeführt, diese werden später näher beschrieben.
Einige Studien mit Tierversuchen konnten einen Anstieg des BDNF in verschiedenen Hirnregionen mit akutem und chronischem Training demonstrieren. Ferris, Williams und Shen kamen daher auf die Idee den Einfluss von akutem Training auf das BDNF-Level und kognitiven Funktionen bei Menschen zu untersuchen.
Dazu wurden 15 Probanden im Alter von 24 bis 26 Jahren genommen und mussten einen „graded exercise test“ (GXT) durchführen, bei dem die Erhebung des maximalen Sauerstoffvolumens und der ventilatorischen Schwelle auf einem Fahrrad-Ergometer gemacht wird. Die Probanden haben an separaten Tagen in zwei 30-minütigen Sequenzen mit 20% unter der ventilatorischen Schwelle und 10% darüber trainiert. Das Level des BDNF und die kognitive Funktion wurden jeweils vor und nach dem Training kontrolliert, Letzteres mit dem Stroop Test. Ein Stroop Test prüft die Reaktion und Konzentration, indem verschiedene Farben in Buchstaben aufgeschrieben sind, jedoch die Schriftfarbe eine andere ist, als das Wort beschreibt. So steht beispielsweise GELB in einer blauen Schrift und es soll nicht das Wort, sondern die Schriftfarbe des Wortes gesagt werden. Die Resultate ergaben, dass das BDNF-Level signifikant ansteigt als Reaktion auf körperliches Training. Außerdem ist erkenntlich, dass das Ausmaß des Anstiegs abhängig von der Trainingsintensität ist, da es nach dem Training mit 10% über der ventilatorischen Schwelle anstieg.
Coles und Tomporowski untersuchten im Jahr 2008 ebenfalls den Effekt von körperlichem Training in Form von 40-minütigem aeroben Training auf dem Fahrradergometer, diesmal in Bezug auf das Kurz- und Langzeitgedächtnis. Hierfür wurden 18 junge Erwachsene im Alter von 20 bis 23 Jahren genommen, welche einen „set-switching test“, einen „Brown- Peterson test“ sowie einen „free-recall memory test“ vor und nach dem Training auf dem Fahrradergometer.
Der „set-switching test“ misst die Fähigkeit von einer Aufgabe zur nächsten wechseln zu können und gibt so die Anpassungsfähigkeit preis, was viel Flexibilität der kognitiven Steuerungsprozessen benötigt.
Beim „Brown-Peterson test“ wird das Kurzzeitgedächtnis getestet, indem beispielsweise kurz drei Wörter gezeigt werden, welche nach einer Ablenkaufgabe abgefragt werden. Wie der Name schon vermuten lässt, wird beim „free-recall memory test“ eine Liste von Dingen gezeigt, welche anschließend verdeckt wird und vom Probanden aufgezählt werden müssen. Die Reihenfolge ist dabei egal. Bei diesem Test wird die Vitalität der Aufmerksamkeit und des Gedächtnisses geprüft.
Die Resultate zeigten, dass das Training weder das „set-switching“ noch das Kurzzeitgedächtnis beeinflusste. Jedoch zeigte es einen Einfluss auf verschiedene Aspekte des Langzeitgedächtnisses. Es könnte darauf geschlossen werden, dass durch die körperliche Bewegung hervorgerufene Erregung eine Erleichterung der Konsolidierung von Informationen ins Langzeitgedächtnis veranlasst.
In einer Studie beschreibt Baumgart, dass kein Zusammenhang zwischen Fitness, Aktivität und der Gedächtnisleistung nachgewiesen werden konnte. Die Probanden wurden auf ihren Fitnesszustand, die körperliche Aktivität und die Gedächtnisleistung geprüft und es wurde das Volumen der grauen Substanz ermittelt. Im Anschluss wurde der Einfluss von körperlicher Aktivität und Fitness auf die Gedächtnisleistung und das Volumen sowie die Dichte der grauen Substanz untersucht. Es zeigte sich eine signifikant positive Korrelation zwischen dem relativen Volumen der grauen Substanz und der maximalen
Sauerstoffaufnahme, welche den Fitnesszustand widerspiegelt. Sowie auch die Gedächtnisleistung mit dem Volumen und der Dichte der grauen Substanz positiv korrelierte.
Es kann demnach nicht sicher gesagt werden, dass körperliche Aktivität einen spezifischen Einfluss auf die Gedächtnisleistung hat. Einzig aus den vorherigen vorgestellten Studien ist einzusehen, dass Vieles für eine Neurogenese und somit für eine Steigerung der Gedächtnisleistung steht.
4.3 Senioren
„Wenn wir älter werden, baut das Gehirn langsam ab, und das geht gewöhnlich mit einem Nachlass der geistigen Funktion einher.“ (Costandi 2015: S. 144) Das Gehirn beginnt etwa ab dem 50. Lebensjahr abzubauen, jedoch ist dieser Alterungsprozess sehr individuell und verläuft unterschiedlich. Den Abbau der geistigen Fähigkeiten erleben viele, andere bleiben jedoch bis ins hohe Alter kognitiv sehr fit. Durch bildgebende Verfahren kann man heute Einblicke in die Hirnveränderungen bekommen, um die Veränderungen nachvollziehen zu können.
Veränderungen sind vor allem in der grauen Substanz erkennbar, wobei ein kleiner Rückgang der Dichte sichtbar ist. Dieser Rückgang geschieht vor allem im frontalen Cortex, Hippocampus, Nucleus caudatus und im Kleinhirn. Es kommt also zwischen 20 und 90 Jahren zu einem Verlust von etwa 10% des Gehirnvolumens (Costandi 2015: S. 145). Andere Hirnstudien zeigen jedoch auch bildgebend eine Abnahme der weißen Substanz, welche offenbar enger in Verbindung mit dem Abbau der geistigen Fähigkeiten steht (Costandi 2015: S. 146).
Die Kognitiven Fähigkeiten und das Gedächtnis wurden vermehrt auch im Zusammenhang mit körperlicher Aktivität untersucht. Dabei zeigten sich bei mehreren bildgebenden Studien verschiedene Effekte auf das Gehirn durch körperliche Aktivität, vor allem in Hinblick auf den Hippocampus (Erfurth 2013: S. 1).
Die Frage, ob der natürlichen Alterung des Gehirns wirklich nur durch körperliche Aktivität entgegengewirkt werden kann, wird im folgenden Text nun näher untersucht.
In einer Studie um Oziomo Okonwo von der Middelton Memorial Klinik in Madison wurde mit 317 Teilnehmern gewisse Biomarker von aktiven und weniger aktiven älteren Menschen untersucht. Das Alter der Teilnehmer war im Schnitt 60 Jahre. Bei 74% der Teilnehmer existierte eine Alzheimer-Erkrankung in der Familie und bei ca. 40% wurde das Risiko-Allel ApoE4 festgestellt. Somit hatten alle Teilnehmer ein erhöhtes Demenzrisiko.
Für die Studie wurde bei allen mittels einem MRT (Magnetresonanztomographie) das Hippocampusvolumen bestimmt, bei mehr als der Hälfte wurde ein Amyloid-PET durchgeführt und bei knapp der Hälfte wurde der Glukosemetabolismus per FDG-PET untersucht. Die Teilnehmer mussten alle Fragen zur körperlichen Aktivität beantworten und unterzogen sich einem ausführlichen Hirnleistungstest.
Bei der Studie wurde wie erwartet sichtbar, dass das Alter den größten Einfluss auf die Biomarker hat. Das heißt mit steigendem Alter nahm die Beta-Amyloid-Last zu, es führt zu einer Schrumpfung des Hippocampus und einem Rückgang des Glukosestoffwechsel (Glukose = Energieträger).
Nun wurden die Probanden in körperlich aktive und inaktive eingeteilt, die Grenze dabei war ca. fünfmal wöchentlich 30-minütige körperliche Aktivität. Dabei zeigte sich, dass ca. 40% der inaktiven Probanden über 60 Jahre ein positives Amyloid-PEP aufgewiesen haben, aber nur ca. 20% der aktiven Probanden. Ein positives Amyloid-PEP bedeutet, dass eine deutliche Ablagerung von Beta-Amyloid (Protein) sichtbar war in den Regionen, welche mit der Alzheimer-Erkrankung in Verbindung stehen.
Es wurden aber auch wichtige Unterschiede beim Gedächtnis festgestellt, denn dieses war bei sportlich aktiven Probanden deutlich besser als bei eher trägen Teilnehmern im selben Alter. Die körperlich aktiven Teilnehmer schnitten ebenfalls beim räumlichen Vorstellungsvermögen sowie bei der Verarbeitungsgeschwindigkeit besser ab als inaktive Probanden.
Als Fazit der Studie kann man also sagen, dass körperliche Aktivität einen positiven Einfluss auf die Erhaltung des Gehirns hat (Müller 2015: S. 24.).
Nun ist aber auch die Frage wichtig, wie denn dieser positive Einfluss von Sport auf das Gehirn wirkt und dieses vor Alzheimer-Demenz schützen kann. Dabei kann man die Relevanz der kardiovaskulären Fitness erkennen. Denn die kardiovaskulären Krankheitsbilder wie Hypertonie und Hypercholesterinämie gehören ebenfalls zu den Risikofaktoren einer Demenz. Wenn also nun die körperliche Aktivität einen positiven Einfluss auf diese Faktoren hat, kann man auch daraus schließen, dass das Demenz-Risiko sich durch die sportliche Betätigung senkt.
Neben diesem kardiovaskulären Faktor wird auch spekuliert, dass sich viel körperliche Aktivität bei älteren Menschen positiv auf das Hippocampusvolumen auswirkt, dieses also vergrößert wird und sich somit die kognitive Leistung verbessert. Für diese Tatsache wird der Wachstumsfaktor BDNF verantwortlich gemacht. Dieser hat die Aufgabe das Überleben der Nervenzellen im Hippocampus und im Kortex zu fördern. Im normalen Vorgang der Alterung sinkt die Konzentration des BDNF stetig, ob dies durch Sport wieder gesteigert werden kann wurde erforscht.
Belinda Brown und ein Forscherteam der Universität in Perth vermutet, dass dieser Anstieg des Hirnvolumens nicht bei jedem Menschen funktioniert und hat sich daher genauer für einen Polymorphismus im BDNF-Gen interessiert. Das BDNF-Gen kodiert in den meisten Fällen die Aminosäure Valin an Position 66 des Proteins. Bei ca. einem Drittel der Bevölkerung befindet sich jedoch an einem der Allele die Information für Methionin an Position 66. Durch diesen anderen Genotyp funktioniert die BDNF-Regulation weniger gut und die Alzheimer-Erkrankung wird begünstigt verglichen mit den Valin-Homozygoten.
Dieser Zusammenhang von BDNF-Polymorphismus und Sport wurde in einer Querschnittstudie von Brown et al. bei 114 Frauen im Alter von über 60 Jahren untersucht. Dabei wurde der BDNF-Genotyp bestimmt, per MRT wurde das Hirnvolumen gemessen und die Probanden wurden über ihre körperliche Aktivität befragt.
Es stellte sich heraus, dass zwar kein Zusammenhang zwischen der körperlichen Aktivität und dem Hirnvolumen besteht, jedoch war der Hippocampus bei den sportlich aktiven Probanden im Schnitt etwas grösser. Wenn man nun den Fokus auf den Genotyp legt, stellte sich heraus, dass bei den Valin-Homozygoten der Temporallappen und der Hippocampus umso grösser waren, je mehr sie sich bewegten. Bei den Methioninträgern jedoch war bei der Größe des Hippocampus kein Unterschied zwischen aktiven und inaktiven Probanden sichtbar und der Temporallappen zeigte bei den aktiveren Teilnehmern sogar eine Verkleinerung des Volumens. Somit wird nahegelegt, dass Sport das Volumen in den kritischen Hirnbereichen für das Gedächtnis offenbar nur bei den Valin- Homozygoten steigert (Müller 2015: S 25.).
5 Diskussion
Aus den Studien von den verschiedenen Altersgruppen sind unterschiedliche Ergebnisse herausgekommen. So konnte bei Kindern gezeigt werden, dass körperliche Aktivitäten einen erheblichen Einfluss auf die frühkindliche kognitive Entwicklung bewirken. Zudem sind körperlich aktive Kinder aufmerksamer und können sich besser konzentrieren. Hinzu kommt, dass bei motorischen Aktivitäten ähnliche zentralnervöse Prozesse beansprucht werden wie bei kognitiven Prozessen. Die Ursache dafür ist jedoch unklar.
Bei jungen Erwachsenen sieht das ein bisschen anders aus, zumal der Schwerpunkt auch nicht auf der Entwicklung liegt. Durch die missliche Studienlage dieser Altersgruppe, sind die Studien mit Vorsicht zu interpretieren. Es kann dennoch erkannt werden, dass die begünstigenden Faktoren für Neurogenese bei körperlicher Aktivität ansteigen. Durch die körperliche hervorgerufene Erregung kann ebenfalls zu einer Erleichterung der Konsolidierung von Informationen ins Langzeitgedächtnis führen, also dass man sich etwas leichter für einen längeren Zeitraum merken kann.
Bei Probanden im höheren Alter zeigte sich ein anderes Bild. Die körperlich aktiven Probanden schnitten insgesamt beim räumlichen Vorstellungsvermögen und bei der Verarbeitungsgeschwindigkeit sowie bei Gedächtnisaufgaben besser ab als inaktive Probanden. Ebenfalls fielen aktive Probanden auf, in dem gewisse Hirnareale wie die Valin- Homozygoten des Temporallappens und der Hippocampus grösser als die der anderen waren und somit die kognitive Leistung verbessert ist.
In Abb. 1 ist der Einfluss von körperlicher Aktivität auf neurale Strukturen zusammenfassend dargestellt. Da in den Studien mit Kindern andere Parameter genommen wurden, gilt die Darstellung für diese Altersgruppe nicht. Es wird gezeigt, dass die Stärke des Einflusses der körperlichen Aktivität von dem Gesundheitszustand, Fitnesslevel sowie der Belastungsart, Intensität und Dauer abhängt. Durch diese Aktivität werden verschiedene Stoffe wie BDNF und VGEF erhöht und gleichzeitig die chronische Inflammation gesenkt. Das wiederum erhöht die Neurogenese, Plastizität, Neuroprotektion und den Stoffwechsel, welche die Kognition und die Motorik positiv beeinflussen. Hinzukommt, dass das Risiko, an neurodegenerativen Krankheiten zu erkranken, sinkt.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Einflusses von körperlicher Aktivität auf neurale Strukturen.
Rot: Chronischer Effekt, Grün: Akuter Effekt (Zimmer 2016: S. 44)
Das Gehirn reagiert auf körperliche Aktivität je nach Alter unterschiedlich. Im Kindesalter kann durch Sport die kognitive Entwicklung gefördert werden und sie können aufmerksamer einer Aufgabe nachgehen. Junge Erwachsene können die Neurogenese durch körperliche Aktivität ankurbeln und die Konsolidierung von Informationen ins Langzeitgedächtnis können erleichtert werden. Sport im höheren Alter wirkt vorbeugend gegen die Alterung des Gehirns, so dass die kognitiven Leistungen länger und besser erhalten bleiben. Abschließend kann gesagt werden, dass körperliches Training auf die Hirnleistung einen meist positiven Einfluss hat und dies in der Stärke und Art und Weise variiert.
6 Ausblick
Basierend auf diesen Studien, könnte die Leistung der Kinder im Unterricht durch regelmäßige Bewegung gesteigert werden. Man könnte den Stundenplan demnach abwechslungsreicher gestalten, sodass die Kinder regelmäßig, beispielsweise ein Mal am Tag eine halbe Stunde, sich bewegen müssen. Sie werden unterschiedlich gefordert und können allgemein gefördert werden. Nebenbei würde damit auch der Fettleibigkeit entgegengesteuert werden.
Die neurologischen Auswirkungen von Sport, besonders auf das Gehirn bezogen, sind wenig untersucht worden. Mit neuer Technologie, welche stets neue Türen öffnen, könnte dies in der Zukunft anders aussehen. Durch weitere Forschung, kann vielleicht auch die Hirnleistung anhand von körperlicher Aktivität so optimiert werden, dass wir unseren Alltag dementsprechend ausrichten, um die bestmögliche Hirnleistung nutzen zu können.
Aufgrund der Studien mit Senioren könnten Volkskrankheiten wie Demenz anhand von körperlicher Aktivität präventiv vermindert werden. Dadurch könnte die Lebenserwartung und auch die Lebensqualität von uns Menschen gesteigert werden. Es müssten nur noch genauere Forschungen dazu betrieben werden, welche zu umsetzbaren Resultaten kommen.
Insgesamt sind noch weitere Studien zur Forschung vor allem bei den Erwachsenen und den Senioren nötig, um Resultate zu bekommen, welche jeder einzelne in den Alltag umsetzen kann.
Literaturverzeichnis
Andergasse, N. (2017): Reproduzierbarkeit von kognitiven Effekten nach akuten Trainingsbelastungen bei Senioren. In: University of Basel, Faculty of Medicine. URL: https://edoc.unibas.ch/63554/. (Abruf: 18.05.2021).
Baumgart, M. (2013): Sport, Gedächtnis und Gehirn – eine Querschnittstudie zum Einfluss von körperlicher Aktivität und Fitness auf die Gedächtnisleistung und das Volumen sowie die Dichte der grauen Substanz des Gehirns. Medizinische Fakultät Mannheim.
Brainfit (2020): Stroop-Test. URL: https://brain-fit.com/html/farbenwort.html. (Abruf: 05.04.2021).
C. Stippich et al. (2002): Klinische funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT): Physiologische Grundlagen, technische Aspekte und Anforderungen für die klinische Anwendung. RöFö; 174(01): S. 43 – 49.
Chaddock-Heyman et al. (2013) The effects of physical activity on functional MRI activation associated with cognitive control in children: a randomized controlled intervention. URL: https://doi.org/10.3389/fnhum.2013.00072. (Abruf: 28.04.21).
Coles, K. & Tomporowski, P. (2008): Effects of acute exercise on executive processing, short-term and long-term memory. Ort: unbekannt: J Sports Sci.
Eva Rudolf-Müller (2017): Hippocampus. URL: https://www.netdoktor.de/anatomie/gehirn/hippocampus/. (Abruf: 28.04.21).
Ferris, L., Williams,J., & Shen, C. (2007): The effect of acute exercise on serum brain-derived neuroptophic factor levels and cognitive function. Ort: unbekannt: Med Sci Sports Exerc.
H. Ehrenreich, A. Sirén (2003): EPO: Neuroprotektion bei Hirnerkrankungen. URL: https://www.researchgate.net/profile/Anna- Leena_Siren/publication/27273806_EPO_-
_Neuroprotektion_bei_Hirnerkrankungen/links/0c9605171784701ddd000000.pdf. (Abruf: 07.05.2021).
Hammelstein P. (eds) Gesundheitspsychologie. Springer-Lehrbuch. Springer, Berlin, Heidelberg.
Iring Koch und Marcel Brass (2013): Task Switching. URL: https://www.hogrefe.com/de/shop/task-switching-88974.html. (Abruf: 05.04.2021).
J. Erfurth (2013): Sport und Gedächtnis: Einfluss von regelmäßiger körperlicher Aktivität auf die Hippocampusaktivierung und seine Funktion: eine Funktionelle Kernspintomographie-Studie. URL: https://archiv.ub.uni- heidelberg.de/vollterxtserver/18198/1/diss14_134.pdf. (Abruf: 07.05.2021).
Käfer, S. (2020): Trainingslehre und Rehabilitation
Kubesch (2005): Das bewegte Gehirn, Exekutive Funktionen und körperliche Aktivität. URL: http://dx.doi.org/10.18725/OPARU-725. (Abruf: 05.05.21).
Kubesch (2012): Exekutive Funktionen und Selbstregulation, Verlag Hans Huber, S. 139.
Laforce, R., Rabinovici, G. D. (2011): Amyloid imaging in the differential diagnosis of dementia: review and potential clinical applications. URL: https://alzres.biomedcentral.com/articles/10.1186/alzrt93#citeas.
(Abruf: 30.05.2021).
Laske, C., Eschweiler, G.W. (2006): Brain-derived neurotrophic factor. In: Nervenarzt (Band 77), S. 523-537.
Lippke, S., Vögele C. (2006): Sport und körperliche Aktivität. In: Renneberg B., Hammelstein P.: Gesundheitspsychologie. Springer-Lehrbuch. Springer, Berlin, Heidelberg, S. 195-216.
Müller, P. (2020): Körperliche Aktivität und Sport in der Prävention und Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen. In: German journal of sports medicine 2020 (71), S. 1-4.
Müller, T. (2015): Sport ist gut für das Gedächtnis? Vielleicht nicht bei jedem. In: DNP-der Neurologe & Psychiater 2015 (16), S. 24-25.
Müller, T. (2019): Sport bremst, Stress fördert eine Demenz. CME 16, 39 Raymond de Young (2016): Free Recall. URL:
http://seas.umich.edu/eplab/demos/fr0/freerecallintro.html#:~:text=Free%20reca
ll%20is%20a%20method,similar%20items%20together%20during%20recall. (Abruf: 05.04.2021).
Seeburg et al. (2008): Hippokampus und räumliches Kurz- und Langzeitgedächtnis. In: Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, Heidelberg, S. 1-7.
Spektrukm.de (2000): Gedächtnistests. In: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg Universität Graz (Jahr unbekannt): Magnetresononztomographie (MRT). URL:
https://psychologie.uni-
graz.at/de/psyamb/methoden/magnetresonanztomographie-mrt/. (Abruf: 28.04.21).
Universitätsklinikum Münster (Jahr unbekannt): Glukosestoffwechsel (FDG). URL: https://www.ukm.de/index.php?id=7805. (Abruf: 28.04.21).
Voelcker-Rehage, C. (2005): Der Zusammenhang zwischen motorischer und kognitiver Entwicklung im frühen Kindesalter. In: Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin 56 (10),
S. 358-363.
Walk, L. (2011): Bewegung formt das Hirn: lernrelevante Erkenntnisse der Gehirnforschung. In: Die Zeitschrift für Erwachsenenbildung 1, S. 27-29.
Zimmer, P., Oberste, M. & Bloch, W. (2015): Einfluss von Sport auf das zentrale Nervensystem – Molekulare und zelluläre Wirkmechanismen. In: Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin
