Laufen macht schlau!
Der Einfluss von Lauftraining auf die Leistungsfähigkeit des Gehirns.
Dr. Dr. Ralf K. Reinhardt & Dr. Sanna Stroth
Ein Kooperationsprojekt der Universitäten Ulm und Karlsruhe (Prof. Klaus Bös, M.A. Matthias Schneider, Institut für Sport und Sportwissenschaft) zeigt einen Zusammenhang zwischen körperlicher Fitness und kognitiver Leistungsfähigkeit.
Neu an der Studie von Sanna Stroth (damals ZNL, Ulm) und Ralf K. Reinhardt (Akademie für Gesundheitsberufe, Universitätsklinikum Ulm) ist die Kombination unterschiedlichster Methoden (u.a. EEG und Molekularbiologie), sowie die Zielgruppe: Junge Erwachsene im Alter von 22 ± 6 Jahren.
Wissenschaftlicher Hintergrund
Die Bedeutung regelmäßiger körperlicher Aktivität für Gesundheit und Wohlbefinden steht außer Frage und ist wissenschaftlich gut belegt (Mensink, 2003).
Zunehmend wurde in den letzten Jahren deutlich, dass darüber hinaus ein Zusammenhang zwischen körperlicher Fitness und geistiger Leistungsfähigkeit besteht.
Über die physiologischen Hintergründe dieses Zusammenhangs ist bis heute wenig bekannt. Was man weiß, weiß man größtenteils aus dem Tierversuch mit Ratten und Mäusen. Hier zeigt sich, dass schon wenige Kilometer täglichen Laufrad-Trainings verblüffende Effekte haben: Das Gehirn der Nager wird stärker und besser durchblutet, neurotrophe (hormonähnliche) Substanzen werden vermehrt gebildet, was wiederum den Untergang von Neuronen hemmt und neues Zellwachstum (v.a. im Bereich des Hippokampus) begünstigt. Außerdem wird der Stoffwechsel verschiedener Neurotransmitter beeinflusst – ganz besonders Dopamin rückt hier zunehmend in das Zentrum der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit (Hillman, Erickson, & Kramer, 2008).
Ein Problem bei der Forschung am Menschen ist, dass invasive Untersuchungsmethoden, bei denen eine Verletzung des Gehirngewebes in Kauf genommen wird, selbstverständlich nicht möglich sind.
Dennoch konnte inzwischen die wichtige Rolle des Neurotransmitters Dopamin auch beim Menschen aufgezeigt werden. Man kann sagen, dass Dopamin bei zwei unterschiedlichen Aufgaben des Gehirns eine zentrale Rolle spielt: Zum einen ist es wichtig bei der zentralen Regulation der Motorik (das wird z.B. beim Krankheitsbild des M. Parkinson deutlich), zum anderen spielt es eine wesentliche Rolle in Bezug auf kognitive Leistungsfähigkeit und Lernen, indem es ganz besonders im vorderen Teil des Gehirns (präfrontaler Kortex) die sog. Exekutiven Funktionen (Aufmerksamkeit, Fehlerkorrektur, planvolles Handeln, usw.) ermöglicht und verbessert (Colcombe & Kramer, 2003; Etnier, et al., 1997).
Ein Ziel der Studie Laufen macht schlau! war, mit Hilfe molekularbiologisch-genetischer Experimente eine Beiteiligung von Dopamin als Grundlage der zu erwartenden kognitiven Veränderungen zu belegen oder auzuschließen.
Zunächst aber ein paar Worte zum Studien-Design von Laufen macht schlau!.
Studien-Design von Laufen macht schlau!
Nachdem eine Pilotstudie 2005 grundsätzlich gezeigt hatte, dass in der bislang kaum untersuchten Gruppe junger Erwachsener eine Veränderung kognitiver Parameter infolge aeroben Ausdauer-Lauftrainings nachgewiesen werden kann, waren die Weichen gestellt für unsere umfangreiche Hauptstudie 2006.
Für die Hauptstudie Laufen macht schlau! wurden 128 Probanden der Akademie für Gesundheitsberufe gewonnen. Die Dauer des Interventionszeitraums wurde von 6 Wochen (Pilotstudie) auf 17 Wochen erhöht, für die Konzeption des Trainingsplans und für die Durchführung der Lauf-Ergometrien wurde eine Kooperation mit dem Institut für Sport und Sportwissenschaft (Leitung: Prof. Dr. Klaus Bös) der Universität Karlsruhe (TH) eingegangen. Allein die Planung individueller Trainingsintensitäten war Gegenstand einer Bachelorarbeit von Matthias Schneider (Universität Karlsruhe).
Die psychologischen Tests wurden teilweise aus der Pilotstudie übernommen (räumliches Vorstellungsvermögen), teilweise aber auch ausgeweitet, indem Tests eingeführt wurden, die die Leistung im Bereich der exekutiven Funktionen abbilden. Diese neu eingeführten Tests waren wichtig, um die Ergebnisse von Laufen macht schlau! mit anderen, ähnlich angelegten Studien vergleichen zu können.
Inzwischen hatten sich nämlich gerade die als „höhere Kontrollfunktionen“ zu umschreibenden exekutiven Funktionen als besonders sensitiv gegenüber bewegungs-induzierten Veränderungen erwiesen - zumindest bei Studien, die sich mit älteren Probanden beschäftigen.
Molekularbiologie und Genetik
Aus den Studien anderer Forschergruppen war bereits bekannt, dass im präfrontalen Kortex (PFC), da, wo die exekutiven Funktionen verarbeitet werden, der Neurotransmitter Dopamin vorherrscht. Jetzt sollte geklärt werden, ob zwischen der Veränderung kognitiver Parameter in den psychologischen Tests und dem Dopaminstoffwechsel der Probanden ein Zusammenhang besteht. Dazu untersuchten und charakterisierten Ralf K. Reinhardt und Sanna Stroth ein bestimmtes Gen in den Erbanlagen ihrer Probanden. Dieses Gen codiert für die Catechol-O-Methyltransferase (COMT), ein Enzym, das den Neurotransmitter Dopamin nach seiner Ausschüttung im PFC wieder abbaut. Von diesem Enzym gibt es 2 sog. Isoformen, die unterschiedlich schnell arbeiten .
Da wir Menschen ja über einen doppelten Erbsatz verfügen, also prinzipiell jedes Gen in doppelter Ausführung haben, waren für jeden Probanden 3 Möglichkeiten gegeben: Entweder codieren beide Genorte für die langsam arbeitende Isoform der COMT, oder beide Genorte codieren für die schnell arbeitende Isoform, oder die beiden Genorte codieren für unterschiedliche Isoformen, so dass ein Gemisch der beiden COMT-Isoformen gebildet wird (Lachman, et al., 1996).
Probanden, die reinerbig nur über die schnell arbeitende Isoform der COMT verfügen, haben als Konsequenz des effektiveren Dopamin-Abbaus einen niedrigeren Dopaminspiegel im PFC als Probanden, bei denen reinerbig die langsamer arbeitende Isoform der COMT angelegt ist. Mischerbige Probanden liegen dazwischen (Chen, et al., 2004). Experimente anderer Forschergruppen hatten bereits gezeigt, dass die Dopaminkonzentration im präfrontalen Kortex entscheidend war für die Leistungsfähigkeit im Bereich der exekutiven Funktionen. Probanden mit der schnell arbeitenden Isoform der COMT (d.h. mit relativ weniger Dopamin im präfrontalen Kortex) schnitten regelmäßig schlechter ab bei Tests, die die exekutiven Funktionen abbilden (Goldman, Weinberger, Malhotra, & Goldberg, 2009).
Der molekularbiologische Nachweis des COMT-Genotyps wurde ausgehend von Vollblut mit Hilfe der Polymerase Chain Reaction (PCR) in den Labors von Prof. Dr. Wolfgang Weidemann (Biologie I, Universität Ulm) durchgeführt.
Hirnelektrische Aktivität und Elektroenzephalogramm (EEG)
Als Erweiterung und Ergänzung der molekularbiologischen Methoden wurde die Messung der hirnelektrischen Aktivität, das Elektroenzephalogramm (EEG), eingeführt.
Neben Verfahren wie der funktionellen Magnet-Resonanz-Tomographie sind elektrophysiologische Methoden wie die Messung ereigniskorrelierter Potentiale (EKP) eine Möglichkeit zur nichtinvasiven Untersuchung der Funktionen des Zentralnervensystems. EKPs sind von der menschlichen Kopfoberfläche abgeleitete Spannungsfluktuationen, die zeitlich mit mentalen oder physischen Prozessen zusammenhängen und aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung eine genaue Schätzung zulassen, an welcher Stelle im Informationsverarbeitungsprozess die körperliche Fitness Einfluss auf das geistige Geschehen nimmt.
An der EEG-Untersuchung nahmen aus der großen Teilnehmergruppe 30 (freiwillige und zufällig ausgewählte) Probanden teil. Während der Untersuchung saßen die Probanden in einem bequemen Stuhl und lösten eine vorgegebene Aufgabe bei der sie auf bestimmte Reizte mit einem Tastedruck reagieren mussten, während sie andere Reize als irrelevant einstufen und ignorieren mussten.
Jeder Durchgang wurde dabei durch einen Hinweisreiz angekündigt, der entweder im Sinne der folgenden Aufgabe war oder, im Gegenteil, die Probanden in die Irre führte. Währenddessen wurde von 64 Elektroden, die am Kopf angebracht waren, die hirnelektrische Aktivität abgeleitet.
Ergebnisse von Laufen macht schlau!
In sämtlichen psychologischen Tests konnten sich die Probanden der Läufergruppe über den 17-wöchigen Interventionszeitraum deutlicher verbessern, als die Probanden der Kontrollgruppe. Analytische Betrachtungen ergaben, dass in der Läufergruppe ganz besonders die anfangs weniger fitten Probanden vom Lauftraining profitierten, und dass diejenigen, die ihre Fitness am deutlichsten verbessern konnten, auch in den Tests die deutlichsten Verbesserungen vorwiesen.
Bedingt durch die besondere Anlage der Studie (Einbeziehung von Molekularbiologie und Genetik) konnten darüber hinaus Zusammenhänge zwischen Lauftraining, Leistung im psychologischen Test und Genotyp untersucht werden. Hier zeigte sich, dass gerade diejenigen Probanden, die reinerbig über die schnell arbeitende COMT-Isoform verfügen (und in den Tests schlechter abgeschnitten hatten), deutlicher vom Lauftraining profitieren als alle anderen. Waren die Testergebnisse zwischen den unterschiedlichen Genotypen zu Beginn der Studie noch sehr unterschiedlich, so konnten sich die Probanden mit der schnell arbeitenden Isoform im Verlauf der Studie deutlicher verbessern, und hatten zum Ende der Studie nahezu aufgeschlossen zu den Probanden mit der langsameren COMT-Isoform.
Somit war bzw. ist ein direkter Zusammenhang zwischen Dopamin-Stoffwechsel und der Verbesserung kognitiver Parameter durch aerobes Ausdauertraining belegt.
Hinsichtlich der hirnelektrischen Aktivität sind die Ergebnisse nicht weniger bedeutsam: Es zeigte sich, dass die Fokussierung von Aufmerksamkeit während der Aufgabenbearbeitung effizienter funktionierte. Insgesamt zeigten die fitteren Probanden eine bessere Leistung in der Aufgabe: es gelangen ihnen mehr korrekte Antworten und sie benötigten weniger Zeit. Dabei wies ihr Gehirn während der Reaktionsvorbereitung mehr Aktivierung auf und kam anschließend, während der Reaktionsüberwachung mit entsprechend weniger hirnelektrischer Aktivität aus.
Die körperliche Fitness trägt also offensichtlich dazu bei, dass das Gehirn effizienter arbeiten kann.
Schlussfolgernd konnte in der vorliegenden Untersuchung gezeigt werden, dass junge und gesunde Probanden von einem körperlichen Ausdauertraining im Bereich kognitiven Flexibilität sowie der Reaktionsüberwachung als profitieren und dass insbesondere im Stadium der Reaktionsvorbereitung der Einfluss körperlicher Fitness zum Tragen kommt. Als einer der Wirkfaktoren dieses Einflusses wird eine Optimierung des zentral verfügbaren Dopamins angenommen.
Konsequenzen aus Laufen macht schlau! Häufig gestellte Fragen.
Was ist das Besondere der vorliegenden Studie? Was ist neu? Welche Konsequenzen können aus der Studie gezogen werden?
Laufen macht schlau! ist nicht die erste Studie, die die enorme Bedeutung körperlicher Aktivität hervor hebt. Zahlreiche Studien deuten in dieselbe Richtung und unterstreichen die insgesamt gesundheitsfördernde Bedeutung körperlicher Aktivität. Auch die Bedeutung körperlicher Aktivität für unser Gehirn ist seit einigen Jahren bekannt, allerdings bislang v.a. an Älteren und psychisch Kranken untersucht und belegt. Laufen macht schlau! beschäftigt sich mit der bislang wenig untersuchten Gruppe gesunder, junger Erwachsener. Die Studie zeigt, dass auch in einem Alter, in dem unser Gehirn seine maximale Leistungsfähigkeit erreicht, körperliche Aktivität geeignet ist, kognitive Kapazitäten weiter zu verbessern und zu beschleunigen.
Laufen macht schlau! liefert Argumente für ein „bewegtes Leben“. Die Studie sollte Jugendliche und junge Erwachsene ermutigen, Sport zu treiben, und sie sollte Kommunen und Institutionen motivieren, der angesprochenen Zielgruppe sportliche Aktivität zu ermöglichen. Schulsport und Hochschulsport müssen gestärkt und ausgebaut werden. Die durch Laufen macht schlau! gewonnenen Erkenntnisse müssen in der Öffentlichkeit bekannt gemacht werden. Je mehr Menschen Freude an der Bewegung gewinnen, um so größer wird der Vorteil sein, den unsere Gesellschaft insgesamt daraus ziehen kann. Hier, in der Hervorhebung körperlicher Aktivität insbesondere für die Zielgruppe junger Erwachsener liegt die größte Bedeutung der vorgestellten Studie.
Wie häufig muss trainiert werden, und welche Sportarten bringen den meisten Nutzen?
Was zunächst wichtig ist, ist eine gewisse Regelmäßigkeit des Trainings. Ziel sollte es sein, körperliches Training auf Dauer in unseren Lebensrhythmus einzubauen. Die Trainingshäufigkeit richtet sich selbstverständlich auch nach den zeitlichen Möglichkeiten des Einzelnen. Es ist sicher besser, wenig Sport zu treiben, als gar keinen Sport zu treiben. Anzustreben wäre allerdings eine Trainingshäufigkeit von 3 Mal pro Woche. Die Dauer der jeweiligen Einheiten richtet sich nach der persönlichen Fitness. Anfänger sollten langsam beginnen. Zunächst sollte ein Gesundheitscheck beim Arzt erfolgen, das ist ganz besonders wichtig, wenn die letzte sportliche Aktivität längere Zeit zurück liegt. Wenn vom Arzt grünes Licht gegeben wird, sollten am Anfang Einheiten von nicht mehr als 30 Minuten Dauer stehen, die Belastung sollte so ausgerichtet sein, dass man zwar in´s Schwitzen, aber keinesfalls stark außer Atem kommt. Erst nach und nach sollte die Intensität dann gesteigert werden. Wer am Ende 3 Mal pro Woche eine Stunde körperlichen Trainings absolviert, darf stolz auf sich sein, und wird auf Dauer ganz sicher vielfältig davon profitieren.
Die Frage, welche Sportart den meisten Nutzen bringt, kann aus neurowissenschaftlicher Sicht nicht seriös beantwortet werden. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse beziehen sich v.a. auf Lauftraining und Radtraining. Grund dafür ist nicht etwa, dass die Wissenschaftler sich von diesen beiden Disziplinen ganz besonders deutliche Effekte erhoffen. Der Grund liegt darin, dass wissenschaftliche Untersuchungen so angelegt sein müssen, dass Ursache und Wirkung in einem möglichst klaren, eindeutigen Zusammenhang stehen.
Hoch komplexe Sportarten wie z.B. Tanzen oder Kampfsport stellen große Anforderungen an ganz verschiedene Systeme unseres Körpers und machen eine Ursache-Wirkungs-Betrachtung nahezu unmöglich. Laufen oder Radfahren sind relativ einfache körperliche Aktivitäten, die ggf. sogar in Isolation auf einem Laufband oder Fahrradergometer durchzuführen sind. So können im Experiment zahlreiche „Störreize“ ausgeschaltet werden.
Die Antwort eines Neurowissenschaftlers auf die Frage nach der richtigen Sportart kann also nur sein: Gut untersucht sind v.a. Laufen und Radfahren, teilweise auch Walking.
Es gibt allerdings keinerlei Grund zur Annahme, dass andere Sportarten wie Tanzen, Kampfsport, Fußball oder Handball nicht denselben Nutzen bringen.
Möglicherweise ist der Nutzen in komplexeren Sportarten und/oder Mannschaftssportarten sogar noch größer, nur gibt es bislang keine wissenschaftlichen Studien, die das zweifelsfrei belegen oder einen Vergleich ermöglichen.
Was allerdings gesagt werden kann: Sport muss Spaß machen!
Wer sich widerwillig zum Sport zwingt, darf nicht mit großen Erfolgen rechnen. Sportliche Aktivität muss den Bedürfnissen des Einzelnen angepasst sein. Die Möglichkeiten, und die Vielfalt der Angebote ist groß. Ob Walking, Lauftraining oder gar sportlicher Wettkampf, die Freude an der körperlichen Aktivität sollte im Vordergrund stehen. Dann werden auch die kognitiven Verbesserungen im Rahmen der individuellen Möglichkeiten folgen.
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Autoren: |
Dr. Sanna Stroth |
Dr. Dr. Ralf K. Reinhardt |
Eine ausführliche Darstellung aller Ergebnisse ist unter http://vts.uni-ulm.de/doc.asp?id=7022 in der Doktorarbeit von Sanna Stroth und unter http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/1000012032 in der Promotion von Ralf K. Reinhardt einzusehen.
Literatur
Colcombe, S. J., & Kramer, A. F. (2003). Fitness effects on the cognitive function of older adults: a meta-analytic study. Psychol Sci, 14(2), 125-130.
Etnier, J. L., Salazar, W., Landers, D. M., Petruzzello, S. J., Han, M., & Nowell, P. (1997). The influence of physical fitness and exercise upon cognitive functioning: A meta-analysis. Journal of Sport and Exercise Psychology, 19, 249-277.
Goldman, D., Weinberger, D. R., Malhotra, A. K., & Goldberg, T. E. (2009). The Role of COMT Val158Met in Cognition. Biol Psychiatry, 65(1), e1-2.
Hillman, C. H., Erickson, K. I., & Kramer, A. F. (2008). Be smart, exercise your heart: exercise effects on brain and cognition. Nat Rev Neurosci, 9(1), 58-65.
Lachman, H. M., Papolos, D. F., Saito, T., Yu, Y. M., Szumlanski, C. L., & Weinshilboum, R. M. (1996). Human catechol-O-methyltransferase pharmacogenetics: description of a functional polymorphism and its potential application to neuropsychiatric disorders. Pharmacogenetics, 6(3), 243-250.
Mensink, G. B. M. (2003). Bundes-Gesundheitssurvey: Körperliche Aktivität – Aktive Freizeitgestaltung in Deutschland. Berlin: Robert Koch-Institut.
Stroth, S. (2006). Bewegung und Lernen - Zur Neurobiologie körperlicher Aktivität. In H.-P. Färber, W. Lipps & T. Seyfarth (Eds.), Vom Abenteuer erwachsen zu werden - Soziale Kompetenzen erwerben, erweitern, stärken. Tuebingen: Attempto-Verlag.
Stroth, S., Hille, K., Spitzer, M., & Reinhardt, R. (2009). Aerobic endurance exercise benefits memory and affect in young adults. Neuropsychol Rehabil, 19(2), 223-243.