Studie: Cardio und intensiver Sport wirken kognitivem Verfall entgegen

Sport und körperliche Bewegung helfen nicht nur, Müdigkeit zu vertreiben und die Konzentrationsfähigkeit zu verbessern, sondern haben auch signifikante Auswirkungen auf die Gehirnleistung und die Gehirnaktivität.

Gehirnleistung steigern und altersbedingte Veränderungen auszugleichen

Eine Studie der University of Texas zeigt, dass die Gehirne älterer Erwachsener, die ihre körperliche Fitness durch regelmäßiges anstrengendes Training erhalten, denen jüngerer Erwachsener ähnlicher sind.

Die Studie beschreibt, wie anstrengende körperliche Aktivität und kardiorespiratorische Fitness dem Gehirn älterer Erwachsener helfen, altersbedingte Veränderungen auszugleichen, indem sie ihre Fähigkeit verbessern, komplexe kognitive Aufgaben zu bewältigen.

Die Forschungsergebnisse zeigen auch, wie wichtig es für die Erhaltung der Gesundheit des Gehirns ist, körperlich fit zu bleiben und sich regelmäßig körperlich zu betätigen.

Das Alter ist laut Dr. Chandramallika Basak, Professorin für Psychologie an der School of Behavioral and Brain Sciences und eine der Autorinnen der Studie, nur ein Faktor der geistigen Gesundheit, und die körperliche Fitness kann ein wichtiger Einflussfaktor sein.

Die Hirnaktivierungsmuster der sehr fitten älteren Erwachsenen in unserer Studie ähneln denen junger Erwachsener während einer komplexen kognitiven Aufgabe, die einen schnellen Wechsel der Aufmerksamkeit und eine Aktualisierung des Gedächtnisses erfordert.

• Dies deutet darauf hin, dass körperliche Fitness altersbedingte Veränderungen im Gehirn signifikant beeinflussen kann.

Mit Hilfe der funktionellen Kernspintomographie maßen die Forscher die Veränderungen der Signale, die vom Sauerstoffgehalt des Blutes abhängen, während die 52 Studienteilnehmer Aufgaben mit verschiedenen Arten kognitiver Kontrolle ausführten.

Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass ein Lebensstil mit moderater bis anstrengender körperlicher Aktivität dazu beitragen kann, die kognitive Verarbeitung im präfrontalen Kortex älterer Erwachsener auf einem Niveau zu halten, das dem jüngerer Erwachsener entspricht.

• Unter anstrengenden körperlichen Aktivitäten verstehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine körperliche Aktivität, bei der die Herzfrequenz steigt und die Lungenkapazität zunimmt.

In der Studie wurden nicht nur besonders trainierte und weniger trainierte ältere Erwachsene mit einem Durchschnittsalter von 73 Jahren verglichen, die sich in vielen Aspekten wie Blutdruck und allgemeine Kognition ähnelten, sondern auch jüngere Teilnehmende mit einem Durchschnittsalter von 26 Jahren.

• Die älteren Teilnehmerinnen und Teilnehmer wurden in Kategorien mit hoher oder niedriger Fitness eingeteilt, basierend auf der von ihnen selbst angegebenen Häufigkeit anstrengender körperlicher Aktivitäten wie Joggen, Schwimmen, Radfahren, Tennis, Aerobic oder Skifahren.

Die fMRI-Scans zeigten, dass die jungen Erwachsenen vor allem den dorsolateralen präfrontalen Kortex nutzten – ein klassisches Arbeitsgedächtnis- und kognitives Kontrollzentrum des Gehirns, das umso stärker aktiviert wird, je anspruchsvoller die Aufgaben sind.

• Im Allgemeinen greift das Gehirn auf seine Ressourcen zurück: Wird die Aufgabe schwieriger, als eine einzelne Region bewältigen kann, wird eine andere Station aktiv.
• Jüngere Gehirne sind leistungsfähiger. Sie müssen sich nicht anstrengen, sagt Basak. Sie müssen die zusätzlichen Ressourcen nur dann nutzen, wenn es schwieriger wird.
• Ältere Gehirne überaktivieren den dorsolateralen präfrontalen Kortex, selbst wenn die Aufgabe einfach ist.

Wenn eine Aufgabe extrem schwierig ist, nimmt die Aktivierung dieser Region bei älteren Erwachsenen typischerweise ab, während sie bei jüngeren Erwachsenen zunehmen kann.

Nach Aussage von Basak ist dieses Muster, das auch als CRUNCH-Muster bekannt ist, ein neuronaler Marker, der darauf hindeutet, dass ältere Menschen nicht mehr in der Lage sind, diese Hirnregion so zu modulieren, dass sie ihre Aufgabenleistung unterstützt.

• Die Ergebnisse der Studie zeigen jedoch, dass das CRUNCH-Modell (Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis) nicht auf alle alternden Erwachsenen zutrifft.

Die Forschenden stellten fest, dass die körperlich fitten Senioren den dorsolateralen präfrontalen Kortex nur bei moderaten Schwierigkeitsgraden der Aufgabe überaktivierten, während die körperlich weniger fitten Senioren diese Region auch bei der einfachsten Version der Aufgabe nutzten, so Basak.

Darüber hinaus kompensierten die körperlich fitten Senioren dies durch die Aktivierung einer anderen Hirnregion, des oberen Parietallappens.

Solche schützenden Effekte fanden die Forscher bei Probanden, die sich regelmäßig körperlich betätigten und über eine hohe kardiorespiratorische Fitness verfügten, die den mit zunehmendem Alter zu beobachtenden Abbau kognitiver Fähigkeiten ausgleicht.

• Als kardiorespiratorische Fitness wird die Fähigkeit der Atmung und des Blutkreislaufs bezeichnet, den Körper mit Sauerstoff zu versorgen. Mit zunehmendem Alter nimmt die kardiorespiratorische Fitness und damit die Funktionsfähigkeit des Immunsystems ab.

Die Forschungsergebnisse verdeutlichen, dass das CRUNCH-Modell modifiziert werden muss, um die schützende Wirkung der körperlichen Fitness auf das alternde Gehirn zu berücksichtigen.

Die Unterschiede sowohl in der Aufgabenleistung als auch in der Gehirnaktivität zwischen jungen Probanden und sehr körperlich fitten älteren Menschen waren wesentlich geringer als die Unterschiede zwischen sehr körperlich fitten und weniger fitten älteren Menschen.

• Viele Dinge verschlechtern sich, wenn Menschen älter werden, und einige davon können unabhängig vom Alterungsprozess einen Einfluss haben, so Basak.

Die Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass ein hohes Maß an körperlicher Aktivität und eine hohe kardiorespiratorische Fitness es dem Menschen ermöglichen, zusätzliche Gehirnareale zu aktivieren, die ihm dabei helfen, sein Genauigkeitsniveau zu kompensieren und aufrechtzuerhalten.

Leichte körperliche Aktivität verbessert kognitive Funktion und Gehirnleistung bei älteren Erwachsenen

Bereits leichte körperliche Aktivitäten über einen Zeitraum von drei Monaten verbessern laut Wissenschaftlern die kognitive Funktion und die Gehirnleistung bei älteren Menschen.

• Die Erhaltung und Verbesserung der kognitiven Funktion bei älteren Menschen kann durch regelmäßige körperliche Aktivität unterstützt werden.

Viele Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Auswirkungen moderater bis hochintensiver aerober Trainingsprogramme über einen Zeitraum von sechs Monaten bis zu einem Jahr auf die vom präfrontalen Kortex gesteuerten exekutiven Funktionen.

• Die Herausforderung dabei besteht jedoch darin, die Menschen zu motivieren, sich auf strenge Trainingsroutinen einzulassen und diese durchzuhalten.

Frühere Studien von Forschern der Universität Tsukuba und der Universität von Kalifornien, Irvine, haben gezeigt, dass selbst kurze, leichte Übungen wie Gehen und Yoga das Gehirn stimulieren und zu einer vorübergehenden Verbesserung der kognitiven Leistung führen können.

Bislang war jedoch nicht untersucht worden, wie sich leichte aerobe Übungen über einen längeren Zeitraum auf die Gehirnfunktion beim Menschen auswirken und welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen.

• Für diese Studie wurde eine Gruppe gesunder Erwachsener mittleren und höheren Alters (55 bis 78 Jahre) nach dem Zufallsprinzip in zwei Gruppen eingeteilt:
• Die eine Gruppe absolvierte drei Monate lang dreimal wöchentlich ein leichtes Fahrradtraining (Trainingsgruppe), die andere Gruppe setzte ihren normalen Tagesablauf fort (Kontrollgruppe).

Das Forschungsteam untersuchte die exekutive Funktion der Teilnehmer mit dem Stroop-Test und die Aktivität des präfrontalen Kortex während der Aufgabe mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie vor und nach der Intervention.

Die in der Fachzeitschrift GeroScience veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigten eine signifikante Verbesserung der kognitiven Funktionen in der Trainingsgruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe.

• Bei der Analyse der Daten nach Alter waren die Vorteile des leichten Trainings in der Gruppe der älteren Erwachsenen (68-78 Jahre) besonders ausgeprägt.
• Der dieser Verbesserung zugrundeliegende Hirnmechanismus bestand in einer Zunahme der effektiven Aktivierung des präfrontalen Kortex.

Mit anderen Worten, die exekutive Funktion war hoch, während die entsprechende Hirnaktivierung relativ niedrig war.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass bereits ein dreimonatiges leichtes Training die funktionellen Netzwerke des Gehirns stärken kann, so dass der präfrontale Kortex beim Stroop-Test effizienter genutzt werden kann.

• Diese Entdeckung unterstreicht die positiven Auswirkungen eines leichten, stressfreien Trainings über einen Zeitraum von drei Monaten auf die Stärkung des präfrontalen Kortex und die Verbesserung der kognitiven Funktion bei älteren Erwachsenen.

Wie Sport und Bewegung das menschliche Gehirn beeinflusst

Sport und körperliche Bewegung verlagert die Gehirnaktivität in das Bewegungszentrum und entlastet das Denkzentrum.

Während der motorische Kortex (die menschliche Schaltzentrale für Bewegung und Koordination) aktiviert wird und auf Hochtouren arbeitet, wird das für das logische Denken zuständige Areal heruntergefahren und kann sich erholen.

• Der Kopf, das Gehirn wird sprichwörtlich wieder frei.

Sport regt nicht nur das Herz-Kreislauf-System an und fördert die Durchblutung der Muskulatur, sondern erhöht auch die Durchblutung des Gehirns, das dadurch besser mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt wird.

Mit der gesteigerten Durchblutung ist auch eine erhöhte Produktion verschiedener Wachstumsfaktoren für die Nerven verbunden. Diese stimulieren die Bildung neuer neuronaler Nervenverbindungen vor allem in der Großhirnrinde, im Kleinhirn und im dem Hippocampus, der Gedächtniszentrale des Gehirns.

Das alles hat positive Auswirkungen auf die Gedächtnisleistung. In zahlreichen Studien konnten Verbesserungen der kognitiven Leistungsfähigkeit durch Sport und körperliche Aktivität nachgewiesen werden.

Welche Sportarten eignen sich, um die Gehirnleistung zu steigern oder im Alter zu erhalten?

Neben Ausdauersportarten wie Joggen, Schwimmen, Radfahren, Cardiotraining, Skilanglauf, Rudern oder auch Walking sind vor allem koordinativ anspruchsvolle Disziplinen wie Boxen oder Tanzen geeignet, um allgemeine kognitive Verbesserungen zu erzielen.

• In einer Studie der Forscher David Moreau, Alexandra B. Morrison und Andrew R.A. Conway, die in der wissenschaftlichen Zeitschrift Acta Psychologica veröffentlicht wurde, wird eine Gruppe von Versuchspersonen beschrieben, die acht Wochen lang eine Variante des Freistilringens ausübten.

Diese Probanden schnitten anschließend in verschiedenen standardisierten Tests zum Kurzzeitgedächtnis oder zu mentalen Operationen insgesamt besser ab als die Vergleichsgruppen.

In einer weiteren Studie, die in dem Fachmagazin Nature veröffentlicht wurde, fanden Wissenschaftler (Bogdan Draganski et al.) heraus, dass sich das Gehirnvolumen von Probanden nach einem regelmäßigen Jongliertraining über einen Zeitraum von drei Monaten vergrößerte.

Die Studie konnte zeigen, dass der motorische Lernprozess zu strukturellen Veränderungen in der Großhirnrinde führt. Es konnte gezeigt werden, dass die Hirnareale, die für die Wahrnehmung und das Erfassen von bewegten Objekten im dreidimensionalen Raum zuständig sind, nach längerem Jonglieren gewachsen sind.

Damit konnte die gängige Vorstellung widerlegt werden, dass sich die Struktur des erwachsenen Gehirns nicht mehr verändert oder durch den Alterungsprozess nur noch abnimmt.

• Vielmehr konnten die Forschenden zeigen, dass sich die altersbedingte Schrumpfung des Gehirns sogar umkehren lässt.

Was versteht man unter kognitiven Störungen?

Der Begriff kognitiv (von lat. cognoscere – wissen, erkennen) bezeichnet diejenigen Funktionen des menschlichen Körpers, die mit Wahrnehmung, Lernen, Erinnern, Denken und Wissen zusammenhängen.

Bei kognitiven Störungen haben Menschen zeitweise oder dauerhaft Probleme mit ihrer geistigen Leistungsfähigkeit. Typische Anzeichen und Symptome sind beispielsweise zunehmende Vergesslichkeit, verminderte Aufmerksamkeit, Konzentrationsschwierigkeiten, Sprachstörungen, Orientierungsprobleme oder Gedächtnisverlust.

Quellen

• The University of Texas at Dallas‘ Center for Vital Longevity (CVL)
• University of Tsukuba (jap. 筑波大学)
• University of California, Irvine
• Paulina Skolasinska et al, Influence of Strenuous Physical Activity and Cardiorespiratory Fitness on Age-Related Differences in Brain Activations During Varieties of Cognitive Control, Neuroscience (2023). DOI: 10.1016/j.neuroscience.2023.04.007
• Kyeongho Byun et al, Mild exercise improves executive function with increasing neural efficiency in the prefrontal cortex of older adults, GeroScience (2023). DOI: 10.1007/s11357-023-00816-3
• Moreau, D., Morrison, A. B. & Conway, A. R. (2015). An ecological approach to cognitive enhancement: Complex motor training. Acta Psychologica, 157, 44–55. https://doi.org/10.1016/j.actpsy.2015.02.007
• Draganski, B., Gaser, C., Busch, V., Schuierer, G., Bogdahn, U., & May, A. (2004). Changes in grey matter induced by training. Nature, 427(6972), 311-312. https://doi.org/10.1038/427311a 

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