Schneller Rennen, Schneller Denken?

Wir alle wissen, dass Sport gut für unseren Körper ist. Die meisten werden dabei vor allem an ihr Herz und ihre Muskeln denken, doch welche Vorteile birgt das Training für unser Gehirn?

Worum geht es genau?

Erst einmal muss uns klar sein, dass der Zusammenhang zwischen neurologischer Gesundheit und Sport sehr viele verschiedene Forschungsfragen umfasst. Erstens ist „Sport“ schließlich ein vager Begriff, der diverse Aktivitäten und Trainingsformen umfasst. Außerdem ist unser Gehirn ein hochkomplexes Organ, in dem permanent eine Reihe von Prozessen gleichzeitig abläuft, von denen einige durch Sport beeinflusst werden können.

Zum ersten Punkt ist davon auszugehen, dass verschiedene Sportarten im Detail auch verschiedene Vorteile bieten. So werden beim Rudern etwa andere Muskelgruppen beansprucht als beim Joggen. Was viele Sportarten jedoch eint, ist ihr Effekt auf kardiorespiratorische oder auch kardiovaskuläre Fitness. Dieser Begriff klingt kompliziert, meint aber nichts anderes als den Effekt von Sport auf das Herzkreislaufsystem, die Lunge, die Muskulatur und somit die gesteigerte Fähigkeit, Sauerstoff durch den Körper zu transportieren.

Beim zweiten Punkt muss man eingestehen, dass unser Gehirn ein so komplexes Organ ist, dass wir schlicht und ergreifend noch nicht alle Prozesse verstehen, die darin ablaufen. Somit können wir natürlich auch nicht abschließend sagen, wie Sport sich darauf auswirkt. Allerdings hat die moderne Neurowissenschaft bereits viele dieser Prozesse beschrieben und einige Zusammenhänge mit kardiovaskulärem Training herstellen können.

Generell scheint das eigentlich selbstverständlich. Kein Organ verbraucht so viel unseres Blutsauerstoffs wie unser Gehirn. Folglich ist ein gesundes kardiovaskuläres System eine Voraussetzung für ein gesundes Gehirn. Doch neben der verbesserten Blutversorgung zeichnet sich ein anderer Effekt in der Forschung ab, der spezifisch für unser Gehirn wichtig ist:  der sogenannte neuroprotektive Effekt von Sport. Es scheint nämlich so, als könnte Sport unser Hirn vor Alterserscheinungen schützen. Doch um das besser zu verstehen, müssen wir uns erst einmal ansehen, was in einem alternden Gehirn so vor sich geht.

Das alternde Gehirn

Wie auch der Rest unseres Körpers, verändert sich unser Gehirn mit höheren Alter. Dies zeigt sich unter anderem darin, dass einige kognitive Fähigkeiten abnehmen. Genauso, wie wir in der Regel mit sechzig Jahren nicht mehr so viel Gewicht stemmen können wie mit zwanzig, werden wir beispielsweise auch etwas schlechter darin, schnell neue Konzepte zu begreifen. Dies heißt nicht, dass ältere Menschen weniger intelligent wären. Forschende in der Psychologie unterscheiden hier etwa zwischen kristalliner und fluider Intelligenz. Die kristalline Intelligenz beschreibt Fähigkeiten, die bereits erworbenes Wissen und dessen Anwendung beinhalten, während die fluide Intelligenz für die Aneignung von neuem Wissen und generelle Denkprozesse zuständig ist. Die kristalline Intelligenz bleibt im Halter erhalten, die fluide nimmt dagegen im Durchschnitt ab [1]. Ein anderer Effekt bezieht sich auf das Gedächtnis. Auch gesunde ältere Erwachsene, ohne Demenz, werden mit dem Alter schlechter darin, sich Dinge einzuprägen [2]. Mit solchen Alterseffekten beschäftigt sich ein ganzer Zweig der Entwicklungspsychologie.

Manche dieser Altersprozesse hängen eng mit Veränderungen im Gehirn zusammen, die sich mit Hirnscans oder Analysen von Körperflüssigkeiten erfassen lassen. Das Hirnareal, das hiervon am stärksten betroffen zu sein scheint, ist der Hippocampus.

Der Hippocampus im Alter

Der Hippocampus ist eine evolutionär sehr alte Hirnregion in der Hirnrinde von Säugetieren. Die primäre Funktion des Hippocampus ist das Speichern von kurzfristigen Erinnerungen und die Übertragung dieser Inhalte in das Langzeitgedächtnis. Eine Verletzung dieses Bereichs führt zur anterograden Amnesie, also der Unfähigkeit, neue Erinnerungen zu formen. Der Hippocampus ist zudem die einzige Hirnstruktur (abseits des Riechsystems), in der bei erwachsenen Menschen das Wachstum neuer Hirnzellen festgestellt wurde. In der subgranularen Zone des Hippocampus bleiben auch bei Erwachsenen Menschen (und anderen Tieren) neuronale Stammzellen erhalten, die sich zu neuen Hirnzellen entwickeln und mit bestehenden Zellen in Kontakt treten können. Diesen Prozess nennt man adulte Neurogenese. Die genaue Funktion dieser neu entstehenden Zellen ist noch nicht abschließend erklärt [3].

Ein wichtiger Botenstoff in der Kontrolle der adulten Neurogenese ist BDNF, was für brain derived neurotrophic factor steht. BDNF hat eine Vielzahl von Funktionen. Es ist bereits beim Wachstum der ersten Nervenzellen beteiligt und spielt später eine entscheidende Rolle beim Erhalt bestehender Nervenzellen und dem Formen neuer Synapsen zwischen denselben [3]. Einer der Rezeptoren an dem BDNF bevorzugt bindet ist die sogenannte Tropomyosinrezeptorkinase B (TrkB). Forschung an Nagern hat gezeigt, dass das genetische Unterbinden der BDNF- oder TrkB-Produktion im Hirn zu Lerndefiziten führt [4].

Bei älteren Menschen schrumpft der Hippocampus von Jahr zu Jahr um ein bis zwei Prozent seines Volumens, wobei sich der Prozess mit zunehmendem Alter beschleunigt [5]. Man nennt diesen Vorgang Hippocampusatrophie. Auch die messbare Menge von BDNF und die Dichte von TrkB Rezeptoren nimmt ab. Dies ist der führende Erklärungsansatz für die schwindenden Gedächtnisleistungen im Alter.

Rennen für den Hippocampus

Eine einschlägige Studie aus dem Jahre 2011 sah sich nun eben diese Effekte, also die verringerte Gedächtnisleistung, Hippocampusatrophie und verringerte BDNF-Werte, genauer an. Hintergrund war, dass einige frühere Studien aufgezeigt hatten, dass diese Effekte bei körperlich fitten Menschen verlangsamt und in geringerem Maße auftraten. Auch konnte die Gedächtnisleistung von Nagern mit körperlicher Aktivität verbessert und die adulte Neurogenese gesteigert werden [4, 6]. Man vermutete also, dass Sport die Nervenzellen schützen könnte, oder um es in der Fachsprache auszudrücken: einen neuroprotektiven Effekt hat.

Kirk l. Erickson und sein Team an Forschenden wollten dieses Phänomen nun genauer unter die Lupe nehmen. Dazu untersuchten sie das Hippocampusvolumen, die Gedächtnisleistung in einem psychologischen Gedächtnistest und BDNF-Blutwerte von 120 Erwachsenen zwischen fünfundfünfzig und achtzig Jahren. Die Teilnehmenden unterzogen sich einem Trainingsprogramm, bei dem sie dreimal in der Woche für 40 Minuten schnell gingen, sodass sich der Puls deutlich erhöhte. Eine Kontrollgruppe führte ebenfalls ein Trainingsprogramm durch, betrieben dabei aber kein kardiovaskuläres Training, sondern ausschließlich Dehn- oder Kraftübungen. [2]

Über den Verlauf des Trainingsjahres konnte in der Laufgruppe im Schnitt sogar eine Zunahme des Hippocampusvolumens festgestellt werden, während in der Kontrollgruppe der übliche Volumenverlust auftrat. Zudem wurde gezeigt, dass innerhalb beider Gruppen fittere Individuen bessere Gedächtnisleistungen aufwiesen und dass in der Laufgruppe Zuwächse im Hippocampusvolumen mit Verbesserungen in der Gedächtnisleistung zusammenhingen. Jedoch zeigte sich im direkten Gruppenvergleich kein Unterschied zwischen der Lauf- und der Kontrollgruppe in der Gedächtnisleistung und den BDNF-Werten. Es verbesserten sich also beide Gruppen gleichermaßen, wobei aber angemerkt werden muss, dass auch die Trainingseinheiten der Kontrollgruppe ausreichten, um die kardiovaskuläre Fitness zu verbessern.

Ob der Volumenzuwachs im Hippocampus nun mit adulter Neurogenese (also neuen Hirnzellen), oder mit anderen Faktoren, wie verbesserter Durchblutung oder mehr neuen Synapsen zusammenhing, kann momentan im Menschen nur schwer ermittelt werden. In Tierstudien, konnte jedoch eine verbesserte adulte Neurogenese durch Sport nachgewiesen werden [6].

Die Ergebnisse von Erickson und Kollegen hatten natürlich eine hohe Durchschlagskraft, da nicht nur gezeigt wurde, dass Sport die Hippocampusatrophie verlangsamt, sondern sogar verlorenes Volumen zurückgewonnen wurde. Zudem konnten BDNF-Werte erhöht und das Gedächtnis verbessert werden. Man könnte nun also meinen: Heureka! Wir haben das Mittel gefunden, um uns im Alter mental fit zu halten. Ab zum Sport, denn davon wachsen nicht nur die Muskeln, sondern auch der Hippocampus. Doch ganz so einfach scheint es dann leider doch nicht zu sein.

Sport auf Rezept?

In ihrer Review aus dem Jahre 2019 sahen sich Michelle Voss und Kollegen die Ergebnisse rund um Sport und den Hippocampus genauer an, um zu ermitteln, ob Sport für den Erhalt des Gedächtnisses empfohlen werden kann. Hierbei listeten sie neben zahlreichen Studien, die die Ergebnisse von Erickson und seinem Team bestätigten, auch einige Studien, die keinen Zusammenhang auffinden konnten. Studien, die einen negativen Zusammenhang zwischen kardiovaskulärer Fitness und Gedächtnis Leistungen aufwiesen, gab es nicht [6].

Für diese Ungereimtheiten führten die Forschenden zwei Erklärungsansätze an. Einerseits wurden in verschiedenen Studien unterschiedliche Gedächtnistests verwendet, was Diskrepanzen in den Ergebnissen zur Gedächtnisleistung erklären könnte. Voss und Kollegen schlüsselten die Ergebnisse nach der Art des Tests auf und fanden, dass der größte Effekt von kardiovaskulärem Training bei relationalen Gedächtnistests lag. Bei diesen Tests lernen die Teilnehmenden, Zusammenhänge zwischen Testitems wie etwa Buchstaben, Zahlen oder Wörtern und müssen die gelernten Kombinationen im Nachhinein von neuen unterscheiden. Keine Effekte schien das körperliche Training hingegen auf visuell räumliche Gedächtnisleistungen zu haben.

Ein zweiter Erklärungsansatz für die Ungereimtheiten bezieht sich darauf, dass die zwei größten Studien, die keinen Effekt zwischen körperlichem Training und Gedächtnisleistungen herstellen konnten, einen gemeinsamen Mangel hatten. Laut Voss und Kollegen wurde hier nämlich nicht gemessen, ob die Teilnehmenden tatsächlich über die Studie fitter wurden. In der Erickson-Studie hingegen wurde hierzu das Vo2-Maximum erhoben. Dies ist ein üblicher Messwert für kardiovaskuläre Fitness und beschreibt, wie gut man während des Sports Sauerstoff aufnehmen kann. Es könnte also sein, dass für den positiven Effekt auf den Hippocampus und die verbundenen Gedächtnisfähigkeiten ein klarer Zuwachs an Fitness nötig ist. Scherzhaft könnte man also sagen, dass man für größere Muskeln stärker und für einen größeren Hippocampus fitter werden muss.

Dies bedeutet auch, dass das Maß an Sport, das für den neuroprotektiven Effekt von Nöten ist, je nach dem Fitnesslevel zu Beginn des Trainings variieren würde. Dennoch schienen die meisten Studien in ihrem Trainingsregiment dem von Erickson und Kollegen zu gleichen und drei Trainingseinheiten pro Woche mit kontinuierlich erhöhtem Puls vorzusehen.

Darüber hinaus sind gesteigertes Hippocampusvolumen, adulte Neurogenese und höhere BDNF-Werte zwar wichtige, aber bei weitem nicht die einzigen Kandidaten für die biologischen Mechanismen hinter dem neuroprotektiven Effekt. Denn Voss und ihr Team listeten auch Studien auf, die die Durchblutung des Hippocampus, die Aktivität der bestehenden Hippocampuszellen oder auch weitere relevante Botenstoffe im Blut durch Sport beeinflussen konnten [4, 6].

Fazit

Selbst mit den genannten Einwänden im Hinterkopf spricht der Großteil der Datenlage für den neuroprotektiven Effekt von Sport. Auch Voss und ihr Team kommen zu dem Schluss, dass kardiovaskuläres Training die Gedächtnisleistung im höheren Alter gut zu schützen scheint. Darüber hinaus ist kardiovaskuläres Training natürlich auch ein wichtiger Weg, um Gefäßerkrankungen vorzubeugen, mit anderen in Kontakt zu kommen und sich ganz einfach zu Vergnügen. All diese Vorteile sind erwiesenermaßen zentral für ein gesundes Leben im Alter.

Dies heißt aber keineswegs, dass Trainingsformen, die sich weniger direkt auf den Hippocampus auszuwirken scheinen, wie etwa das Krafttraining, nicht empfehlenswert wären. Im Gegenteil kann Kraft- und Mobilitätstraining, der Sturzprävention dienen und wird (unter anderem) deshalb dringend empfohlen. Auch heißt all dies nicht, dass die Gehirne jüngerer Menschen nicht von Sport profitieren, denn Sport kann die Koordination fördern, dem psychischen Ausgleich dienen und schon früh den ersten Alterserscheinungen vorbeugen.

Wenn ihr also das nächste Mal nach Motivation sucht, um euch zum Sport aufzuraffen, dann denkt nicht nur an eure Muskeln, sondern auch an euer Hirn.

Literaturverzeichnis

[1]   Cattell R. B.: Abilities: their structure, growth, and action. Houghton Mifflin, Oxford, England 1971.

[2]   Erickson K. I., Voss M. W., Prakash R. S., Basak C., Szabo A., Chaddock L., Kim J. S., Heo S., Alves H., White S. M., Wojcicki T. R., Mailey E., Vieira V. J., Martin S. A., Pence B. D., Woods J. A., McAuley E., Kramer A. F.: Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108, 3017–3022 (2011).

[3]   Purves D., Augustine G. J., Fitzpatrick D.: Neuroscience. Oxford University Press Sinauer Associates is an imprint of Oxford Universitiy Press, New York, Oxford 2018.

[4]   Vecchio L. M., Meng Y., Xhima K., Lipsman N., Hamani C., Aubert I.: The Neuroprotective Effects of Exercise: Maintaining a Healthy Brain Throughout Aging. Brain plasticity (Amsterdam, Netherlands) 4, 17–52 (2018).

[5]   Raz N., Lindenberger U., Rodrigue K. M., Kennedy K. M., Head D., Williamson A., Dahle C., Gerstorf D., Acker J. D.: Regional brain changes in aging healthy adults: general trends, individual differences and modifiers. Cerebral cortex (New York, N.Y. : 1991) 15, 1676–1689 (2005).

[6]   Voss M. W., Soto C., Yoo S., Sodoma M., Vivar C., van Praag H.: Exercise and Hippocampal Memory Systems. Trends in cognitive sciences 23, 318–333 (2019).

Abbildungen

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Bild 2: Wikimedia Commons CC BY-SA 2.1 JP DEED

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