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Neuroprotektive Effekte von Sport

Positive Auswirkungen körperliche Aktivität auf den Gehirnstoffwechsel

Bewegung zur Vorbeugung des kognitiven Abbaus im Alter wird ein großer Stellenwert zugeschrieben. Beobachtungsstudien konnten einen positiven Effekt von Bewegung auf die kognitiven Leistungen bei älteren Menschen zeigen [1 – 3]. Mögliche Wirkmechanismen beschreiben ein komplexes Zusammenspiel von hämodynamischen, neurohumoralen und neurometabolischen Veränderungen, welches das Gehirn plastischer, adaptiver und letztlich effizienter in Hinblick auf die Gedächtnisfunktion machen [4].

Ein neuer und innovativer Forschungsansatz ist die in vivo Untersuchung von Markern des Energiemetabolismus im Gehirn, welcher neue Einblicke in die Entstehung, aber auch Ansätze für die Prävention von Demenzerkrankungen ermöglichen könnte. Zu diesen vielversprechenden Markern gehören beispielsweise Glukose, Adenosin-Tri-Phosphat (ATP), N-Acetyl-Aspartat (NAA) oder Glutamat. Verändert sich der zerebrale Energiebedarf, so ist dies an veränderten Konzentrationen abzulesen. Diese metabolischen Veränderungen im Gehirn lassen sich dank modernster Technik nicht-invasiv mit einer MRT-basierten Spektroskopie nachverfolgen.

SMART-Studie

Um den derzeitigen Wissensstand zum positiven Einfluss von Bewegung auf das Gehirn zu erweitern, hat an der Goethe-Universität Frankfurt die Abteilung Sportmedizin gemeinsam mit dem Arbeitsbereich Altersmedizin eine randomisierte kontrollierte Studie durchgeführt. Bei SMART (Sport-und Metabolismus im Alter – eine MRT Studie) wurden die Effekte von regelmäßiger Bewegung auf den Gehirnstoffwechsel und die kognitiven Funktionen bei 60 Teilnehmern im Alter zwischen 65 und 85 Jahren untersucht. Das ausführliche Studienprotokoll [5] sowie die ausführliche Darstellung der Ergebnisse der Studie [6] wurde anderswo publiziert. Für die Studie nahmen Bewohner aus Frankfurter Service-Wohneinrichtungen, bei welchen vorab eine Demenz ausgeschlossen werden konnte, an einer Vielzahl ausführlicher sportmedizinischer und neuropsychologischer Untersuchungen teil. Darüber hinaus wurden der Gehirnstoffwechsel und die Gehirnmorphologie im MRT gemessen. Im Anschluss an die Untersuchungen wurden die Teilnehmer per Zufall einer von zwei Gruppen zugeordnet. Eine Hälfte wurde dazu angehalten, den normalen Lebensstil weiter zu pflegen (Kontrollgruppe). Die andere Hälfte der Teilnehmer nahm an einem Sportprogramm teil. Dazu trainierten sie über einen Zeitraum von 12 Wochen dreimal wöchentlich auf einem Fahrradergometer. Die 30- minütigen Trainingseinheiten wurden durch das Team der Sportmedizin supervidiert. Ziel war ein Training bei kräftiger körperlicher Anstrengung. Auf der Grundlage von leistungsdiagnostischen Untersuchungen wurde das Leistungsniveau jedes Teilnehmers vorab individuell angepasst. Dafür wurde eine individuelle Trainingslast (in Watt) gewählt, die im Schnitt bei 64 ± 9 % der maximalen Sauerstoffaufnahme VO2max der Teilnehmer lag. Eine weitere Anpassung erfolgte nach einer Trainingsgewöhnung von vier Wochen. Nach dem Abschluss des Sportprogramms wurden die Teilnehmer erneut untersucht, um Effekte des Trainings auf den Gehirnstoffwechsel, die kognitive Leistung und die Gehirnmorphologie zu erfassen. Außerdem wurde untersucht, inwiefern das Training zu einer Verbesserung der körperlichen Fitness geführt hatte.

Ergebnisse

Abb. Zerebrale Veränderungen durch Sport. Die Abbildung zeigt schematisch die Lage des Gehirns in einem transparenten Schädel. Mittels MRT-basierter Spektroskopie wurde der Cholingehalt (C5H14ClNO) des Gehirns, einem Abbaumarker bei degenerativen Veränderungen, bestimmt. In der Trainingsgruppe (12 Wochen, 3*30 min Fahrrad-Ergometer) konnte ein Anstieg der Cholinkonzentration, metabolischer Marker für einen Verlust von Nervenzellen, verhindert werden.
Wie zuvor vermutet, hatte das Training einen Einfluss auf den Gehirnstoffwechsel. Es konnte gezeigt werden, dass durch regelmäßiges Training ein Metabolit des Gehirnstoffwechsels, das Cholin (C5H14ClNO) positiv beeinflusst wird. Cholin ist z.B. ein wichtiger Bestandteil der Nervenzellmembran. Hohe Cholinkonzentrationen im Gehirn konnten beispielsweise bei der Alzheimer Demenz nachgewiesen werden und werden dort als Ausdruck eines verstärkten Abbaus von Neuronen interpretiert. Durch das Training konnte die Cholinkonzentration im Gehirn konstant gehalten werden, während sie bei der Kontrollgruppe anstieg (siehe Abb.). Dies ist ein objektiver Hinweis für einen neuroprotektiven Effekt des Sports bei den Versuchsteilnehmern. Auch die Fitness der Teilnehmer wurde deutlich verbessert. Im Anschluss an das Training war die kardiopulmonale Leistung deutlich gesteigert. Das Training wirkte sich also nicht nur positiv auf den Gehirnmetabolismus aus, sondern steigerte auch die Herzleistung. Eine Korrelationsanalyse zeigte, dass Verbesserungen an der ersten ventilatorischen Schwelle mit den Veränderungen der Metabolit-Konzentration im Gehirn linear einhergingen. Regelmäßiger Sport steigert also nicht nur die Fitness, sondern wirkt sich auch positiv auf den Gehirnstoffwechsel aus. 

Im Rahmen der Studie wurden weitere Nebenparameter untersucht, für die sich keine Veränderung zwischen den Gruppen fand. Blutanalysen des sogenannten brain derived neurotrophic factor (BDNF), einem neurohumoralen Mediator, der mit der Steuerung synaptischer Proteine durch Sport in Zusammenhang gebracht wurde, zeigten in unserer Studie keinen Unterschied zwischen den Gruppen. Ebenso wurde die kognitive Leistungsfähigkeit mit einer Vielzahl psychologischer Testverfahren untersucht. Auch hier konnten keine Veränderungen festgestellt werden. Limitierend auf die Ergebnisse sind der relativ kurze Interventionszeitraum und die für komplexe Interaktionsanalysen relativ kleine Fallzahl.

Fazit

Die Aussagen dieser Studie beziehen sich auf den präventiven Effekt einer Sporttherapie bei Gesunden. Zukünftige Untersuchungen mit größeren Stichproben und längeren Interventionszeiträumen könnten dazu beitragen, das noch sehr bruchstückhafte Wissen über den Einfluss von Sport auf den Hirnstoffwechsel weiter zu vertiefen, und dabei auch neue Erkenntnisse über die Bedeutung von Intensität (Dosis) und Art des Trainings zu gewinnen. Aus sportmedizinischer Sicht ist anzumerken, dass die Leistungsfähigkeit mit Stufenprotokollen und nicht mit Rampenprotokollen bestimmt wurde. Bezüglich der maximalen Ausbelastung werden beide Verfahren als gleichwertig beschrieben und obliegen der Präferenz der jeweiligen Untersuchungsstelle [7]. Stufenprotokolle haben den Vorteil die Beziehung zwischen Sauerstoffbedarf und Arbeitslast etwas präziser zu bestimmen [8]. Die Auswertung der Protokolle durch zwei Untersucher gewährleiste eine besonders hohe Genauigkeit in der Bestimmung der individuellen Leistungsniveaus.

Gefördert wurde die Studie durch unabhängige Zuschüsse der Else-Kröner-Fresenius-Stiftung, der Cronstetten Stifung und der Familie Schambach Stiftung.

 

Literatur
[1] Colcombe SJ, Kramer AF, Erickson KI, Scalf P, McAuley E, Cohen NJ et al. Cardiovascular fitness, cortical-plasticity, and aging. Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101: 3316 – 3321. [2] Liu-Ambrose T, Nagamatsu LS, Graf P, Beattie BL, Ashe MC, Handy TC. Resistance training and executive functions: a 12-month randomized controlled trial. Arch Intern Med 2010; 170: 170 – 178.
[3] Nagamatsu LS, Handy TC, Hsu CL, Voss M, Liu-Ambrose T. Resistance training promotes cognitive and functional brain plasticity in seniors with probable mild cognitive impairment. Arch Intern Med 2012; 172: 666 – 668. [4] Erickson KI, Voss MW, Prakash RS, Basak C, Szabo A, Chaddock L et al. Exercise training increases size of
hippocampus and improves memory. Proc Natl Acad Sci USA 2011; 108: 3017 – 3022. [5] Fleckenstein J, Matura S, Engeroff T, Fuzeki E, Tesky VA, Pilatus U et al. SMART: physical activity and cerebral metabolism in older people: study protocol for a randomised controlled trial. Trials 2015; 16: 155.
[6] Matura S, Fleckenstein J, Deichmann R, Engeroff T, Fuzeki E, Hattingen E et al. Effects of aerobic exercise on brain metabolism and grey matter volume in older adults: results of the randomised controlled SMART trial. Transl Psychiatry (2017) 7, e1172; doi:10.1038/tp.2017.135
[7] Revill SM, Beck KE, Morgan MD. Comparison of the peak exercise response measured by the ramp and 1-min step cycle exercise protocols in patients with exertional dyspnea. Chest 2002; 121: 1099 – 1105.
[8] Balady GJ, Arena R, Sietsema K, Myers J, Coke L, Fletcher GF et al. Clinician’s Guide to cardiopulmonary exercise testing in adults: a scientific statement from the American Heart Association. Circulation 2010;
122: 191 – 225.

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Die Autoren

Dr. med. Johannes Fleckenstein ist Facharzt für Anästhesiologie und Akademischer Oberrat am Institut für Sportwissenschaften, Abteilung Sportmedizin der Goethe Universität Frankfurt a.M. Derzeit vertritt er die Professur für Sportmedizin mit dem Schwerpunkt Leistungsphysiologie an der Justus-Liebig-Universität Gießen.

Dr. Dipl.-Psych. Silke Matura ist Psychologische Psychotherapeutin mit Schwerpunkt Verhaltenstherapie. Sie ist seit 2015 wissenschaftliche Mitarbeiterin im Zentrum für Psychiatrie der Universitätsklinik Frankfurt/M. und untersucht u.a. den Einfluss von körperlicher Aktivität auf die Hirnleistung und den Hirnmetabolismus.

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