Warum Ihr Gehirn Übung braucht



In den neunziger Jahren kündigten die Forscher eine Reihe von Entdeckungen an, die eine grundlegende Lehre der Neurowissenschaften auf den Kopf stellen würden. Jahrzehntelang galt das reife Gehirn als unfähig, neue Neuronen zu züchten. Sobald ein Individuum das Erwachsenenalter erreicht hatte, verlor das Gehirn die Nervenzellen, anstatt sie zu gewinnen. Es wurde jedoch nachgewiesen, dass das Gehirn eines Erwachsenen tatsächlich neue Neuronen erzeugen kann. In einem besonders auffälligen Experiment mit Mäusen stellten die Wissenschaftler fest, dass das einfache Laufen auf einem Rad zur Geburt neuer Neuronen im Hippocampus führte, einer Gehirnstruktur, die mit dem Gedächtnis verbunden ist. Seitdem haben andere Studien gezeigt, dass Bewegung auch positive Auswirkungen auf das Gehirn des Menschen hat, insbesondere wenn wir älter werden, und sogar dazu beitragen kann, das Risiko für Alzheimer und andere neurodegenerative Erkrankungen zu verringern. Die Forschung warf jedoch eine Schlüsselfrage auf: Warum wirkt sich Bewegung überhaupt auf das Gehirn aus?

Körperliche Aktivität verbessert die Funktion vieler Organsysteme im Körper, aber die Auswirkungen hängen normalerweise mit einer besseren sportlichen Leistung zusammen. Wenn Sie zum Beispiel laufen oder rennen, benötigen Ihre Muskeln mehr Sauerstoff, und im Laufe der Zeit reagiert Ihr Herz-Kreislaufsystem mit einer Vergrößerung des Herzens und der Bildung neuer Blutgefäße. Die kardiovaskulären Veränderungen sind in erster Linie eine Reaktion auf die körperlichen Herausforderungen des Trainings, die die Ausdauer verbessern können. Aber welche Herausforderung löst eine Reaktion des Gehirns aus?

Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir unsere Ansichten zur Übung überdenken. Menschen betrachten Laufen und Gehen oft als Aktivitäten, die der Körper mit dem Autopiloten ausführen kann. Untersuchungen, die wir und andere im letzten Jahrzehnt durchgeführt haben, würden jedoch darauf hinweisen, dass diese Volksweisheit falsch ist. Stattdessen scheint Bewegung eine ebenso kognitive wie eine physische Aktivität zu sein. Tatsächlich kann diese Verbindung zwischen körperlicher Aktivität und Gehirngesundheit Jahrmillionen zurückreichen, um die Merkmale der Menschheit zu kennzeichnen. Wenn wir besser verstehen können, warum und wie Bewegung das Gehirn beschäftigt, können wir die relevanten physiologischen Pfade nutzen, um neuartige Übungsroutinen zu entwickeln, die die Kognition der Menschen mit zunehmendem Alter verbessern – Arbeiten, die wir begonnen haben.

Das Gehirn beugen

Um herauszufinden, warum Bewegung dem Gehirn zugute kommt, müssen wir zunächst überlegen, welche Aspekte der Gehirnstruktur und der Kognition am besten darauf zu reagieren scheinen. Als Forscher des Salk-Instituts für biologische Studien in La Jolla, Kalifornien, unter der Leitung von Fred Gage und Henriette Van Praag in den neunziger Jahren zeigten, dass das Laufenlassen die Geburt neuer Hippocampus-Neuronen bei Mäusen beschleunigte, stellten sie fest, dass dieser Prozess anscheinend damit zusammenhängt zur Produktion eines Proteins namens Brain-Derivated Neurotrophic Factor (BDNF). BDNF wird im gesamten Körper und im Gehirn produziert und fördert sowohl das Wachstum als auch das Überleben von entstehenden Neuronen. Die Salk-Gruppe und andere zeigten weiter, dass die durch körperliche Betätigung hervorgerufene Neurogenese mit einer verbesserten Leistung bei gedächtnisbezogenen Aufgaben bei Nagetieren verbunden ist. Die Ergebnisse dieser Studien waren bemerkenswert, da die Atrophie des Hippocampus in großem Umfang mit Gedächtnisschwierigkeiten während des gesunden Alterns des Menschen zusammenhängt und in größerem Maße bei Personen mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer auftritt. Die Ergebnisse bei Nagetieren gaben einen ersten Einblick, wie körperliche Betätigung diesem Rückgang entgegenwirken kann.

Im Anschluss an diese Arbeit an Tieren führten die Forscher eine Reihe von Untersuchungen durch, bei denen festgestellt wurde, dass Aerobic-Übungen beim Menschen wie bei Nagetieren zur Bildung von BDNF führen und die Struktur, dh Größe und Konnektivität, der Schlüsselbereiche verbessern des Gehirns, einschließlich des Hippocampus. In einer randomisierten Studie, die Kirk Erickson und Arthur Kramer an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign durchgeführt hatten, führten 12 Monate Aerobic zu einer Erhöhung des BDNF-Spiegels, einer Vergrößerung des Hippocampus und einer Verbesserung des Gedächtnisses bei älteren Erwachsenen.

Andere Forscher haben in einer Reihe von Beobachtungsstudien Zusammenhänge zwischen Bewegung und Hippocampus festgestellt. In unserer eigenen Studie von mehr als 7.000 Erwachsenen mittleren Alters bis zu älteren Erwachsenen in Großbritannien, veröffentlicht im Jahr 2019 in Bildgebung und Verhalten des GehirnsWir haben gezeigt, dass Menschen, die mehr Zeit mit mäßiger bis starker körperlicher Aktivität verbracht haben, ein größeres Hippocampusvolumen haben. Ob diese Wirkungen beim Menschen mit der Neurogenese oder anderen Formen der Gehirnplastizität zusammenhängen, wie z. B. zunehmende Verbindungen zwischen vorhandenen Neuronen, lässt sich noch nicht sagen. Die Ergebnisse zeigen jedoch eindeutig, dass körperliche Betätigung dem Hippocampus des Gehirns und seinen kognitiven Funktionen zugute kommen kann.

Die Forscher haben auch klare Zusammenhänge zwischen Aerobic-Übungen und Vorteilen für andere Teile des Gehirns dokumentiert, einschließlich der Erweiterung der präfrontalen Hirnrinde, die sich direkt hinter der Stirn befindet. Eine solche Ausweitung dieser Region ist mit schärferen kognitiven Funktionen der Exekutive verbunden, die Aspekte der Planung, Entscheidungsfindung und Multitasking umfassen – Fähigkeiten, die wie das Gedächtnis mit dem gesunden Altern tendenziell nachlassen und bei Alzheimer weiter abgebaut werden. Wissenschaftler vermuten, dass vermehrte Verbindungen zwischen bestehenden Neuronen und nicht die Entstehung neuer Neuronen für die positiven Auswirkungen von Bewegung auf den präfrontalen Kortex und andere Hirnregionen außerhalb des Hippocampus verantwortlich sind.

Aufrecht und aktiv

Der nächste Schritt bestand darin, herauszufinden, welche kognitiven Herausforderungen körperliche Aktivität mit sich bringt, die diese adaptive Reaktion auslösen. Wir begannen zu denken, dass die Untersuchung der evolutionären Beziehung zwischen Gehirn und Körper ein guter Ausgangspunkt sein könnte. Hominine (die Gruppe, zu der moderne Menschen und unsere nahen, ausgestorbenen Verwandten gehören) haben sich vor sechs bis sieben Millionen Jahren von der Linie zu unseren nächsten lebenden Verwandten, Schimpansen und Bonobos getrennt. In dieser Zeit entwickelten Hominine eine Reihe von anatomischen und Verhaltensanpassungen, die uns von anderen Primaten unterscheiden. Wir glauben, dass zwei dieser evolutionären Veränderungen das Training der Gehirnfunktionen in einer Weise beeinflussen, die die Menschen heute nutzen können.

Bildnachweis: Tami Tolpa

Erstens gingen unsere Vorfahren nicht mehr auf allen Vieren, sondern nur noch auf den Hinterbeinen. Diese zweibeinige Haltung bedeutet, dass unser Körper manchmal nicht wie bei anderen Affen über zwei oder mehr Gliedmaßen, sondern über einem Fuß ausbalanciert ist. Um diese Aufgabe zu erfüllen, muss unser Gehirn eine Vielzahl von Informationen koordinieren und dabei die Muskelaktivität im gesamten Körper anpassen, um unser Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Bei der Koordinierung dieser Maßnahmen müssen wir auch auf mögliche Umwelthindernisse achten. Mit anderen Worten, einfach weil wir zweibeinig sind, kann unser Gehirn kognitiver herausgefordert sein als das unserer vierbeinigen Vorfahren.

Zweitens änderte sich die Lebensweise der Homininen, um ein höheres Maß an aerober Aktivität zu berücksichtigen. Fossile Beweise deuten darauf hin, dass unsere Vorfahren in den frühen Stadien der menschlichen Evolution wahrscheinlich relativ sesshafte Zweibeineraffen waren, die hauptsächlich Pflanzen aßen. Vor etwa zwei Millionen Jahren jedoch, als die Lebensräume unter einem kühlen Klima austrockneten, begann mindestens eine Gruppe von Vorfahren auf neue Weise nach Nahrung zu suchen, Tiere zu jagen und pflanzliche Nahrung zu sammeln. Die Jagd und das Sammeln von Lebensmitteln beherrschten die Existenzgrundlagen des Menschen fast zwei Millionen Jahre lang, bis vor etwa 10.000 Jahren Landwirtschaft und Viehzucht aufkamen. Mit Herman Pontzer von der Duke University und Brian Wood von der University of California in Los Angeles haben wir gezeigt, dass Jagen und Sammeln aufgrund der langen Wege, die auf der Suche nach Nahrung zurückgelegt werden, viel mehr aerobe Aktivitäten erfordert als bei anderen Affen.

Zunehmende Anforderungen an das Gehirn gingen mit dieser Verlagerung hin zu einer körperlich aktiveren Routine einher. Wenn Jäger und Sammler auf der Suche sind, müssen sie ihre Umgebung überblicken, um sicherzugehen, dass sie wissen, wo sie sich befinden. Diese Art der räumlichen Navigation beruht auf dem Hippocampus, der gleichen Gehirnregion, die von Bewegung profitiert und mit zunehmendem Alter zur Atrophie neigt. Außerdem müssen sie die Landschaft nach Anzeichen von Lebensmitteln absuchen und dabei sensorische Informationen aus ihrem visuellen und auditorischen System verwenden. Sie müssen sich daran erinnern, wo sie vorher waren und wann bestimmte Arten von Lebensmitteln verfügbar waren. Das Gehirn nutzt diese Informationen sowohl aus dem Kurz- als auch aus dem Langzeitgedächtnis, um Entscheidungen zu treffen und Routen zu planen – kognitive Aufgaben, die unter anderem vom Hippocampus und der präfrontalen Hirnrinde unterstützt werden. Jäger und Sammler stöbern auch häufig in Gruppen. In diesem Fall können sie Gespräche führen, während ihr Gehirn das Gleichgewicht beibehält und sie räumlich in ihrer Umgebung lokalisiert hält. All dieses Multitasking wird zum Teil von der präfrontalen Kortikalis gesteuert, die mit zunehmendem Alter ebenfalls abnimmt.

Obwohl jedes Futtertier navigieren und herausfinden muss, wo es Futter findet, müssen Jäger und Sammler diese Funktionen bei schnellen Wanderungen ausführen, die sich über mehr als 20 Kilometer erstrecken können. Bei hohen Geschwindigkeiten wird Multitasking noch schwieriger und erfordert eine schnellere Informationsverarbeitung. Aus evolutionärer Sicht wäre es sinnvoll, ein Gehirn zu haben, das bereit ist, auf eine Reihe von Herausforderungen während und nach der Nahrungssuche zu reagieren, um die Erfolgschancen bei der Nahrungssuche zu maximieren. Die physiologischen Ressourcen, die für den Aufbau und die Aufrechterhaltung eines solchen Gehirns erforderlich sind – einschließlich derjenigen, die die Geburt und das Überleben neuer Neuronen unterstützen -, kosten den Körper jedoch Energie. Wenn wir dieses System nicht regelmäßig nutzen, werden wir diese Vorteile wahrscheinlich verlieren .

Diese evolutionäre neurowissenschaftliche Perspektive auf Bewegung und das Gehirn, die wir in einem im Jahr 2017 veröffentlichten Artikel ausführlich beschrieben haben Trends in den Neurowissenschaftenhat tiefgreifende Auswirkungen auf den Menschen heute. In unserer modernen Gesellschaft müssen wir uns nicht auf aerobe körperliche Aktivitäten einlassen, um Nahrung zum Überleben zu finden. Die Hirnatrophie und die damit einhergehenden kognitiven Rückgänge, die häufig während des Alterns auftreten, können teilweise mit unseren sitzenden Gewohnheiten zusammenhängen.

Aber wenn Sie einfach mehr Sport treiben, wird das Potenzial der körperlichen Aktivität möglicherweise nicht voll ausgeschöpft, um den Rückgang des Gehirns in Schach zu halten. In der Tat schlägt unser Modell vor, dass sogar Menschen, die bereits viel aerobe Aktivität haben, ihre Routinen überdenken möchten. Es ist möglich, dass wir nicht immer auf eine Weise trainieren, die unsere entwickelten Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Gehirnleistung voll ausnutzt.

Bildnachweis: Tami Tolpa

Denken Sie darüber nach, wie viele von uns ihre Aerobic-Übungen machen. Oft gehen wir ins Fitnessstudio und benutzen ein stationäres Trainingsgerät. Die kognitiv anspruchsvollste Aufgabe bei einem solchen Training ist möglicherweise die Entscheidung, welchen Kanal Sie auf dem eingebauten Fernseher sehen möchten. Darüber hinaus beseitigen diese Maschinen einige der Anforderungen an die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts und die Anpassung der Geschwindigkeit sowie viele andere kognitive Herausforderungen, die sich aus der Bewegung in einer sich ändernden Umgebung ergeben.

Was ist, wenn diese Form der Übung uns verunsichert? Unsere Vorfahren haben sich in einer unvorhersehbaren Welt entwickelt. Was wäre, wenn wir unsere Trainingsroutinen dahingehend ändern könnten, dass sie kognitive Herausforderungen beinhalten, mit denen unsere Vorfahren von Jägern und Sammlern konfrontiert sind? Wenn wir die Auswirkungen von Bewegung durch die Einbeziehung einer kognitiv anstrengenden Aktivität verstärken können, können wir möglicherweise die Wirksamkeit von Trainingsprogrammen steigern, die darauf abzielen, die Kognition während des Alterns zu verbessern, und möglicherweise sogar den Verlauf von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer verändern.

Bewegen und nachdenken

Tatsächlich deutet eine wachsende Zahl von Forschungen darauf hin, dass kognitiv stimulierende Übungen dem Gehirn tatsächlich mehr nützen können als Übungen, die keine solchen kognitiven Anforderungen stellen. Zum Beispiel untersuchten Gerd Kempermann und seine Kollegen vom Zentrum für Regenerative Therapien Dresden diese Möglichkeit, indem sie das Wachstum und das Überleben neuer Neuronen im Hippocampus der Maus nach alleiniger Belastung oder nach Belastung in Verbindung mit dem Zugang zu einer kognitiv angereicherten Umgebung verglichen. Sie fanden einen additiven Effekt: Bewegung allein war gut für den Hippocampus, aber die Kombination von körperlicher Aktivität mit kognitiven Anforderungen in einem stimulierenden Umfeld war noch besser, was zu noch mehr neuen Neuronen führte. Die Verwendung des Gehirns während und nach dem Training schien ein verbessertes Überleben der Neuronen auszulösen.

Wir und andere haben kürzlich begonnen, diese Studien von Tieren auf Menschen auszuweiten – mit ermutigenden Ergebnissen. Zum Beispiel haben Forscher untersucht, wie man körperliche Betätigung und kognitive Herausforderungen bei Personen, die unter einem merklichen kognitiven Rückgang leiden, kombinieren kann. Cay Anderson-Hanley vom Union College in Schenectady, New York, hat gleichzeitige körperliche Betätigung und kognitive Interventionen bei Menschen mit leichten kognitiven Beeinträchtigungen getestet, einer Erkrankung, die mit einem erhöhten Risiko für Alzheimer verbunden ist. In Bevölkerungsgruppen wie dieser muss sicherlich noch mehr Arbeit geleistet werden, bevor wir endgültige Schlussfolgerungen ziehen können. Die bisherigen Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass Menschen, die bereits einen gewissen kognitiven Rückgang erleben, vom Training in einem geistig anstrengenden Videospiel profitieren können. In Studien an gesunden Erwachsenen haben Anderson-Hanley und ihre Kollegen auch gezeigt, dass das gleichzeitige Trainieren und Spielen eines kognitiv herausfordernden Videospiels eine größere Zunahme des zirkulierenden BDNF hervorrufen kann als das alleinige Trainieren. Diese Ergebnisse untermauern die Idee, dass BDNF maßgeblich zur Erzielung von durch körperliche Betätigung induzierten Vorteilen für das Gehirn beiträgt.

In unserer eigenen Arbeit haben wir ein Spiel entwickelt, das speziell Aspekte der Wahrnehmung herausfordert, die mit zunehmendem Alter tendenziell nachlassen und wahrscheinlich während der Nahrungssuche benötigt werden. Im Spiel navigieren die Spieler räumlich und erledigen Aufmerksamkeits- und Gedächtnisaufgaben, während sie mit einer moderaten aeroben Intensität fahren. Um das Potenzial dieses Ansatzes zur Steigerung der kognitiven Leistung bei gesunden älteren Erwachsenen zu bewerten, vergleichen wir eine Gruppe, die während des Spiels trainiert, mit einer Gruppe, die ohne das Spiel trainiert, einer Gruppe, die das Spiel ohne das Training spielt, und einer Kontrollgruppe, die nur die Natur beobachtet Videos. Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend.

Viele andere Forschungsgruppen testen Kombinationen von körperlichen und kognitiven Aufgaben. In naher Zukunft werden wir wahrscheinlich eine bessere Vorstellung davon haben, wie wir sie am besten einsetzen können, um die Kognition sowohl bei gesunden Personen als auch bei Personen mit krankheitsbedingtem kognitiven Rückgang zu unterstützen und zu verbessern.

Zusätzlich zu speziell entwickelten Interventionen, die den hier beschriebenen Interventionen ähneln, kann die Teilnahme an Sportarten, die eine Kombination aus kognitiven und aeroben Aufgaben erfordern, eine Möglichkeit sein, diese Vorteile für das Gehirn zu aktivieren. Zum Beispiel haben wir kürzlich gezeigt, dass College-Cross-Country-Läufer, die ausgiebig auf Outdoor-Trails trainieren, im Vergleich zu gesunden, aber sesshaften jungen Erwachsenen eine bessere Konnektivität zwischen Gehirnregionen aufweisen, die mit kognitiven Funktionen der Exekutive assoziiert sind. Zukünftige Arbeiten helfen uns zu verstehen, ob diese Vorteile auch größer sind als bei Läufern, die in weniger komplexen Umgebungen trainieren, beispielsweise auf einem Laufband.

Es bleibt noch viel zu entdecken. Obwohl es noch zu früh ist, spezifische Vorschriften für die Kombination von körperlicher Betätigung und kognitiven Aufgaben zu erlassen, können wir mit Sicherheit sagen, dass körperliche Betätigung im Alter eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Gehirnfunktion spielt. Die Richtlinien des US-Gesundheitsministeriums schlagen vor, dass Personen mindestens 150 Minuten pro Woche bei mäßiger Intensität oder mindestens 75 Minuten pro Woche bei starker Intensität (oder einer äquivalenten Kombination aus beiden) aerob trainieren sollten. Das Einhalten oder Überschreiten dieser Übungsempfehlungen ist gut für den Körper und kann die Gesundheit des Gehirns verbessern.

In klinischen Studien erfahren wir viel mehr über die Wirksamkeit kognitiv motivierter Übungen – welche Arten von geistigen und körperlichen Aktivitäten sind beispielsweise am wirkungsvollsten, und welche Intensität und Dauer für die Steigerung der Kognition optimal sind. Angesichts der uns vorliegenden Erkenntnisse glauben wir jedoch, dass wir durch fortgesetzte sorgfältige Forschung die physiologischen Pfade, die das Gehirn und den Körper verbinden, gezielt untersuchen und die entwickelte Anpassungsfähigkeit unseres Gehirns für die durch körperliche Betätigung verursachte Plastizität während des Alterns ausnutzen können. Am Ende kann es hilfreich sein, Körper und Gehirn während des Trainings zu trainieren, um den Geist ein Leben lang scharf zu halten.