Hippocampus und Sportliche Aktivität: Ein Schlüssel zu geistiger Fitness

Einführung

Das Altern wird oft mit einem Rückgang der Gehirnstruktur und -funktion in Verbindung gebracht, was sich negativ auf motorische und kognitive Fähigkeiten auswirkt. Regelmäßige Bewegung kann helfen, das Erinnerungs- und Lernvermögen zu verbessern, besonders im Alter. Dieser Artikel untersucht die vielfältigen positiven Auswirkungen sportlicher Aktivität auf den Hippocampus und die kognitive Leistungsfähigkeit, von der Förderung der Neurogenese bis zur Verbesserung der Durchblutung und der Ausschüttung von Glücksbotenstoffen.

Die Bedeutung des Hippocampus

Der Hippocampus spielt eine zentrale Rolle beim Lernen und Gedächtnis. Alles, was wir uns merken wollen, wird hier verarbeitet. Studien haben gezeigt, dass Sport die Nervenzellen im Hippocampus wachsen lässt.

Sport als Stressabbau

Nach einem anstrengenden Tag auf der Couch ausspannen mag verlockend erscheinen, ist aber wissenschaftlich gesehen nicht der effektivste Ansatz, um Stress abzubauen. Wer viel am Schreibtisch arbeitet, beansprucht vor allem den präfrontalen Cortex, das Denkzentrum des Gehirns. Sport kann hier Abhilfe schaffen, da Bewegung und Koordination das Gehirn fordern, die Aktivität ins Bewegungszentrum verlagert und das Denkzentrum entlastet wird. Das Resultat ist nicht nur Entspannung, sondern auch gesteigerte Fokussierung und Konzentration. Entscheidend ist jedoch, dass die sportliche Betätigung anstrengend genug ist und Freude bereitet.

Körperliche Aktivität und Gehirnfunktion

Sport kurbelt die Durchblutung im Gehirn an, verändert die Konzentration der Botenstoffe und schüttet Wachstumsfaktoren aus. Studien mit Menschen und Mäusen haben gezeigt, dass Sport die Nervenzellen im Hippocampus wachsen lässt, dem Lernzentrum des Gehirns. Regelmäßige Bewegung kann helfen, das Erinnerungs- und Lernvermögen zu verbessern, besonders im Alter. Sport stärkt nicht nur die Gedächtnisleistung, sondern erhöht darüber hinaus die Konzentration von Glücksbotenstoffen im Gehirn. Aktuelle Studien zeigen: Schon einmaliges Training kann einen positiven Effekt auf das Wohlbefinden und die Gehirnaktivität haben.

Differenzielle Ausprägung von Reservemechanismen

Die Abbildung 1 veranschaulicht die unterschiedliche Ausprägung von Reservemechanismen (Neuroprotektion versus Kompensation) über das gesamte Spektrum von kognitiv normal gesunden Erwachsenen bis hin zur Alzheimer-Demenz (AD). Dies unterstreicht die Bedeutung frühzeitiger Interventionen zur Förderung der Gehirngesundheit.

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Körperliche Aktivität versus Inaktivität

Körperliche Aktivität bezieht sich auf jedes menschliche Verhalten, das Bewegung mit sich bringt, die von den Skelettmuskeln erzeugt wird, zu einem erhöhten Energieverbrauch führt und die körperliche Fitness verbessert. Körperliche Inaktivität hingegen bezieht sich auf einen unzureichenden Umfang an moderater bis hoher Aktivität und gilt als das größte Gesundheitsproblem des 21. Jahrhunderts. Nachweislich sterben mehr Menschen an inaktivitätsbedingten Folgen als durch Rauchen, Diabetes und Fettleibigkeit zusammen.

Sedentariness

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, das sitzende Verhalten (engl. Sedentariness) von körperlicher Inaktivität zu unterscheiden. Sedentariness wird definiert als jegliche Art von Verhalten, die im Wachzustand in sitzender, zurücklehnender oder liegender Haltung mit geringem Energieaufwand (≤ 1.5 metabolisches Äquivalent der Aufgabe) durchgeführt wird. Sie gilt als unabhängiger Prädiktor für das metabolische Risiko, selbst wenn eine Person die aktuellen Richtlinien für körperliche Aktivität erfüllt.

Empfehlungen für ältere Erwachsene

Die Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung gibt Empfehlungen für verschiedene Bewegungsdimensionen für ältere Erwachsene ab 65 Jahren ab. In Deutschland erfüllen etwa 42 % der Erwachsenen ab 65 Jahren die Empfehlungen für Ausdauer- und 26 % für Krafttraining.

Exekutive Funktionen (EF)

EF sind ein Überbegriff für die übergeordneten „top-down“ kognitiven Prozesse, die die Koordination von Denken und Handeln ermöglichen und die mit verhaltens- und neurophysiologischen Methoden gemessen werden. Die EF bestehen aus einer Reihe von Grundfähigkeiten, die die Hemmung präpotenter Reaktionen (Inhibition), den Wechsel zwischen mentalen Repräsentationen (kognitive Flexibilität) und die Aktualisierung von im Arbeitsgedächtnis gehaltenen Repräsentationen umfassen. Die Leistungsfähigkeit in jedem dieser verschiedenen Bereiche wurde als wichtige Determinante für das Gesundheitsverhalten identifiziert. Eine altersbedingte Beeinträchtigung in den Bereichen Arbeitsgedächtnis und Hemmung von Impulsen ist weitgehend nachgewiesen.

Studien bei gesunden älteren Erwachsenen

Studien, die die Auswirkungen von langfristiger, körperlicher Aktivität auf die kognitive Funktionen bei gesunden älteren Erwachsenen untersuchten, belegen bestenfalls moderate Effekte für Aktivitäten mit mittlerer bis starker Intensität auf die kognitive Leistungsfähigkeit. Die Effektstärken sind am größten bei den Maßen der EF, der globalen Kognition und der Aufmerksamkeit. In einer Metaanalyse von 39 RCT verbesserte das zumeist durchgeführte Ausdauertraining die EF, das episodische Gedächtnis, die visuell-räumliche Funktion, die Wortflüssigkeit, die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die globale kognitive Funktion. Zudem fallen die Effekte für das aerobe Training im Vergleich zu Krafttraining oder multimodalen Interventionen (Kraft und Ausdauer) meist höher aus. Ein kürzlich erschienenes systematisches Review bestätigt jedoch, dass sich durch Krafttraining erhebliche Veränderungen in der funktionellen Hirnfunktion hervorrufen lassen, insbesondere im PFC, die wiederum mit Verbesserungen der EF einhergingen. Darüber hinaus führt Krafttraining zu einer geringeren Atrophie der weißen Substanz und zu kleineren Läsionsvolumen der weißen Substanz. Studien mit bildgebenden Verfahren zeigen, dass aerobes Training das rechte und linke anteriore Hippocampusvolumen vergrößern. Allerdings dürfen auch hier Befunde nicht überinterpretiert werden, da bislang nur wenige langfristig angelegte Studien mit ausreichender Stichprobengröße die Auswirkungen von Trainingsinterventionen auf das Hippocampusvolumen bei älteren Erwachsenen untersucht haben. Ältere Erwachsene, die sich mit einer geringeren Anzahl an sitzenden Aktivitäten beschäftigen, schneiden bei einer Vielzahl von EF als auch Gedächtnisaufgaben besser ab als ihre überwiegend sitzenden Altersgenossen. Darüber hinaus scheint die Zeit, die in verschiedenen Arten von sitzenden Aktivitäten (Fernsehen, Lesen, Musik hören usw.) verbracht wird, unterschiedlich mit den EF zu korrelieren.

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Studien bei älteren Erwachsenen mit MCI oder AD

Zahlreiche prospektive Beobachtungsstudien, die Personen über längere Zeiträume verfolgten geben Hinweise darauf, dass größere Umfänge an körperlicher Aktivität mit einem verringerten Risiko für kognitive Beeinträchtigungen und Demenz verbunden sind. In diesen Studien werden kognitiv gesunde Personen über einen längeren Zeitraum verfolgt, um zu bestimmen, ob körperliche Inaktivität und Sedentariness mit einem Risiko für die Entwicklung kognitiver Beeinträchtigung verbunden ist. Beispielsweise ergab eine Metaanalyse von Sofi et al. mit 15 prospektiven Studien mit einer Dauer von 1 bis 12 Jahren und mehr als 33.000 Teilnehmern, dass höhere Umfänge von körperlicher Aktivität mit einem um 38 % verringerten Risiko für kognitive Beeinträchtigung verbunden sind. Eine weitere Metaanalyse von 10 prospektiven Studien mit mehr als 20.000 Teilnehmern berichtete, dass höhere Aktivitätsumfänge mit einem um 40 % verringerten Risiko, an Demenz zu erkranken, assoziiert war. Bewegung ist ebenso ein möglicher Ansatz zur Behandlung der Symptome von Demenz, was darauf hindeutet, dass Bewegungsinterventionen zur Verbesserung der Kognition bei Personen mit einer klinischen Demenzdiagnose beitragen können. Beispielsweise ermitteln Groot und Kollegen über 18 RCTs von 802 Demenzpatienten hinweg einen standardisierten Gesamtmittelwertsunterschied von 0,42 für hochfrequente als auch niederfrequente Interventionen; dieser Effekt war auch signifikant für Personen mit AD oder in Studien, die AD und Nicht-AD-Demenz kombinierten.

Neurotrophe Hypothese

Während die potenziellen positiven Auswirkungen von Bewegung auf die Kognition und die Gehirngesundheit bei älteren Erwachsenen gut bekannt sind, sind die Mechanismen, die dieser Assoziation zugrunde liegen, noch nicht vollständig verstanden. Die meist untersuchte Hypothese, die die positive Wirkung habituell körperlicher Aktivität auf die kognitive Leistungsfähigkeit erklärt, ist die so genannte neurotrophe Hypothese (Abb. 4). Hier wird angenommen, dass Ausdauertraining auf molekularer und zellulärer Ebene Neuroplastizität anregt. So führt die trainingsbedingte erhöhte zentrale Zirkulation von neurotrophen und Wachstumsfaktoren (BDNF, IGF-1, VEGF) zur Hochregulation von Neurogenese, Synaptogenese, Gliogenese und Angiogenese. Durch die Hochregulierung der gliogenen und neurogenen Prozesse erhöht aerobes Training das Volumen der weißen Substanz, während Gliogenese, Neurogenese und Synaptogenese das Volumen der grauen Substanz erhöhen. Diese strukturellen Veränderungen werden wahrscheinlich durch eine verbesserte zerebrovaskuläre Funktion als Folge von körperlicher Aktivität hervorgerufen. Daher kann die Angiogenese die strukturellen Veränderungen des Volumens der grauen und weißen Substanz durch eine verbesserte zerebrovaskuläre Funktion und Perfusion vermitteln. Dies ist entscheidend für das neuronale Wachstum und die Synapsenbildung, da eine größere Blutversorgung für die Bereitstellung ausreichender Nährstoffe zur Unterstützung der neuronalen Entwicklung unerlässlich ist. Zudem führen trainingsinduzierte Strukturveränderungen zu einer erhöhten Effizienz der neuronalen Aktivierung und Kommunikation. Letztendlich führt Bewegung durch diese Mechanismen zu verbesserten kognitiven und motorischen Funktionen.

Alternative Hypothesen

Es wurden auch alternative Hypothesen vorgeschlagen, wie z. B. die neuroinflammatorische Hypothese (Verringerung von neurodegenerativen Erkrankungen des Gehirns durch Modifikation der gliavermittelten Neuroinflammation) sowie die Aufwands[Effort] Hypothese. Letztere besagt, dass es einen bidirektionalen Zusammenhang zwischen sportlicher Aktivität, willentlicher Kontrolle und den EF gibt: während einerseits Übung und Training zu einer Verbesserung der Konnektivität neuronaler Ressourcen und damit einer besseren kognitiven Leistungsfähigkeit führt, so ist andererseits die Aufnahme bzw.

Die Rolle der Hirndurchblutung

Um sich einen Spruch wie "Mens sana in corpore sano" zu merken, braucht es eine spezielle Gehirnstruktur, den Hippocampus. Und damit dieser seiner Arbeit nachkommen kann, braucht es Blut, das die Nervenzellen mit Sauerstoff und Glukose versorgt. Der Gedächtnisspezialist Hippocampus wird entweder von einer oder von zwei Arterien versorgt. Probanden, bei denen zumindest einer der beiden Hippocampi von zwei Arterien versorgt wurde, legten bessere Gedächtnis- und Aufmerksamkeitsleistungen an den Tag. Des Weiteren schlugen sich von ihren älteren Studienteilnehmern Probanden mit gesunden Blutgefäßen in Kognitionstests besser als solche, die unter krankhaften Veränderungen an den Blutgefäßen des Gehirns litten. Um die optimale Durchblutung zu gewährleisten, muss das Herz ausreichend gut funktionieren. "Die Verbesserungen in der kognitiven Leistungsfähigkeit, die im Rahmen eines regelmäßigen sportlichen Trainings erreicht werden können, bringt man mit Verbesserungen der Hirndurchblutung und des Stoffwechsels in Zusammenhang."

Sport und Hirnstruktur

Sport bringt aber offenbar nicht nur das Blut in Wallung und damit die Hirnleistung auf Trab, sondern hinterlässt auch Spuren in der Struktur des Gehirns. Je fitter ein Mensch war, umso größer war sein Hirnvolumen. Doch durch körperliche Ertüchtigung werden nachweislich Substanzen freigesetzt, die dem Verlust von Nervenzellen entgegenwirken können. Zudem scheint körperliche Aktivität die Neubildung von Nervenzellen anregen zu können. "Am eindeutigsten sind die Veränderungen im Hippocampus, in dem auch im erwachsenen Gehirn neue Nervenzellen gebildet werden können. Hier ging die Steigerung der Fitness mit einer Zunahme des Hippocampusvolumens einher", so Boecker.

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Krafttraining und Kognition

Das Gehirn wird gerne als Muskel beschrieben, den man mit Hilfe von Denksport trainieren kann. Doch auch die Muskeln des Körpers zu trainieren, bringt die grauen Zellen auf Trab. Die Probanden, die ein Krafttraining absolviert hatten, schnitten bei Denksport-Aufgaben und einem Kognitionstest besser ab als Versuchspersonen ohne ein solches Training. Sie überflügelten zudem Probanden, die nur mental trainiert hatten. Auch das Hirnvolumen der Kraftsport-Gruppe hatte sich vergrößert. Je mehr Muskeln die Probanden entwickelten, desto größer war der Nutzen für ihre Gehirne.

Sport und Lernen

Eine große Leistung des Gehirns ist es, sich immer wieder neues Wissen anzueignen, also zu lernen. Dabei könne Sport enorm helfen, so der Neuro- und Bewegungswissenschaftler Stefan Schneider von der Deutschen Sporthochschule Köln. "Und zwar indem er die Aufmerksamkeits- und Konzentrationsleistung erhöht." Der Sport selbst sorge für eine Defokussierung.

Sport und psychische Gesundheit

Indem man ganz beim Joggen, Fußball oder Krafttraining aufgeht, tut man gleichzeitig der Psyche etwas Gutes. "Wenn depressive Menschen beispielsweise in einer Grübelspirale sind, richten sie ihre ganze Aufmerksamkeit auf ihre Probleme", sagt Stefan Schneider. Der Sport bringe dann die Defokussierung. "Auf einmal vergessen sie ihre Probleme." Es ist mittlerweile fast schon eine Binsenweisheit, dass Sport gegen Stress hilft. Erstaunlicherweise ist aber nicht klar, wie das geschieht. Zum einen lenkt Sport uns von Problemen ab, über die wir nachgrübeln. Zum anderen spielen wohl Endorphine eine Rolle. Denn nach dem Sport ist der Endorphinspiegel im Blut erhöht. Und Endorphine wirken dämpfend auf das zentrale Nervensystem.

Die Bonner "Rheinland Studie"

Schon leichte körperliche Aktivität wirkt sich positiv auf das Gehirn aus. Das konnten Forschende des DZNE um Dr. Dr. Ahmad Aziz aus Untersuchungen von 2.550 Teilnehmenden der Bonner „Rheinland Studie“ zeigen. Bestimmte Bereiche des Gehirns sind demnach bei körperlich aktiven Personen größer als bei Personen, die weniger aktiv sind. Insbesondere Hirnregionen, die relativ viel Sauerstoff benötigen, profitieren von diesem Effekt. "Wir konnten zeigen, dass sich körperliche Aktivität in nahezu allen untersuchten Hirnregionen deutlich bemerkbar machte. Prinzipiell kann man sagen: Je höher und intensiver die körperliche Aktivität, umso größer waren die Hirnregionen, entweder in Bezug auf das Volumen oder auf die Dicke des Kortex", fasst Fabienne Fox die Forschungsergebnisse zusammen. „Das haben wir unter anderem beim Hippocampus beobachtet, der als Schaltzentrale des Gedächtnisses gilt. Größere Hirnvolumina bieten einen besseren Schutz vor Neurodegeneration als kleinere.“ Allerdings nehmen die Ausmaße der Hirnregionen nicht linear mit der körperlichen Aktivität zu. „Das ist grundsätzlich eine sehr gute Nachricht - insbesondere für Bewegungsmuffel“, sagt Ahmad Aziz, Leiter der Forschungsgruppe „Populationsbezogene und Klinische Neuroepidemiologie“ am DZNE. „Unsere Studienergebnisse weisen darauf hin, dass schon kleine Verhaltensänderungen, wie etwa 15 Minuten am Tag Spazierengehen oder die Treppe statt des Aufzugs zu nehmen, eine erhebliche positive Wirkung auf das Gehirn haben und möglicherweise altersbedingtem Verlust an Hirnsubstanz sowie der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen entgegenwirken können.

Mitochondrien und Neurodegeneration

Um die Hirnregionen zu charakterisieren, die von körperlicher Aktivität am meisten profitierten, hat das Forschungsteam in Datenbanken nach Genen gefahndet, die in den jeweiligen Hirnregionen besonders aktiv sind. „Dabei handelte es sich vor allem um Gene, die für die Funktion der Mitochondrien - das sind die Kraftwerke unserer Zellen - essenziell sind“, sagt Fabienne Fox. Das heißt: In diesen Hirnregionen kommen besonders viele Mitochondrien vor. Sie stellen unserem Körper Energie zur Verfügung und benötigen dafür viel Sauerstoff. Die bioinformatische Analyse zeigte weiterhin, dass es eine große Schnittmenge gibt zwischen Genen, deren Expression durch körperliche Aktivität beeinflusst wird und solchen, die durch neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder der Huntington-Krankheit beeinträchtigt werden.

Motorische Fähigkeiten und Training

Vom Tippen auf dem Smartphone bis zum Schuhebinden - fast alle unserer alltäglichen Aktivitäten benötigen ein gewisses Maß an motorischen Fähigkeiten. Die neuronalen Prozesse dort sind für die zeitliche Abfolge von Bewegungsabläufen verantwortlich. Die Probanden, die zwischen den beiden Tests eine intensive Einheit - mit 80 Prozent der maximalen Herzfrequenz - absolvierten, konnten ihre motorischen Fähigkeiten signifikant steigern. Jene, die mit moderaten Intensitäten - von rund 60 Prozent der Maximal-Herzfrequenz - trainierten, konnten diese ebenfalls tendenziell steigern.

Marian Diamonds Forschung

Unser Wissen über die Auswirkungen von Trainings auf das Gehirn hat seine Ursprünge in der Forschung, welche die Neuroanatomin Marian Diamond schon in den 1960er Jahren durchgeführt hatte. In diesen frühen Studien zeigten sich alle möglichen Veränderungen im Gehirn, wenn Ratten in Enriched Environments leben: Sie entwickelten einen dickeren Kortex durch die umfangreichere Verzweigung der Dendriten, bildeten mehr Blutgefäße und höhere Spiegel bestimmter Neurotransmitter wie Acetylcholin und anderer Wachstumsfaktoren wie BDNF (brain-derived neurotrophic factor).

Acetylcholin und BDNF

Acetylcholin war der erste Neurotransmitter, den man fand, und die Hirnzellen, die diesen Neurotransmitter einsetzen, verbinden sich mit Regionen über den gesamten Kortex sowie den Hippocampus und die Amygdala. Acetylcholin ist ein wichtiger Modulator für Lernen und Gedächtnis. BDNF ist ein Wachstumsfaktor im Gehirn, der das Überleben und das Wachstum von Nervenzellen während der Hirnentwicklung fördert sowie die synaptische Plastizität und das Lernen im Erwachsenenalter unterstützt.

Neurogenese

Über eine wirklich aufregende Erkenntnis wurde in den 1990ern berichtet, als Forscher in Kalifornien zeigten, dass im Gehirn von in einem Enriched Environment gehaltenen Ratten mehr neue Nervenzellen entstanden. Dieser Vorgang wird als "Neurogenese" bezeichnet.

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