Gesundheit: Die Fitness unseres Gehirn verbessern – Welche Rolle spielt der Sport?

Neuroplastizität war bis in die 1970er Jahre ein relativ unbekannter Begriff – bis Wissenschaftler begannen, die Vorstellung zu akzeptieren, dass unser Gehirn kein physiologisch statisches Organ ist, das bereits kurz nach der Geburt über 100 Milliarden Neuronen (Nervenzellen) verfügt [1,2]. Inzwischen hat sich die Gehirnforschung stark weiterentwickelt und es wurde zahlreiche Faktoren nachgewiesen, die die Gesundheit und Fitness unseres Gehirns aktiv verbessern können.

In den letzten 15 bis 20 Jahren hat sich das Forschungsgebiet der Neuroplastizität durch die Entdeckung verschiedener Substanzen, die in der Lage sind, sowohl die Struktur als auch die Funktion des Gehirns im Laufe des Lebens zu verändern, und durch die positive Beeinflussung dieser beiden Dinge durch Bewegung, körperliche Aktivität und sogar mentale Übungen dramatisch erweitert [3,4].

Eine beeindruckende Erfolgsgeschichte

Die vielleicht beeindruckendste Erfolgsgeschichte, die Bewegung mit einer verbesserten Gehirnfunktion verbindet, ist das Learning Readiness Physical Education Program, das in den 1990er Jahren als Zero Hour PE-Programm an der Naperville Central High School in Chicago gegründet wurde [5]. Ursprünglich sollte mit dem Programm untersucht werden, ob ein Training vor der Schule die Lernfähigkeit der Schüler im Klassenzimmer verbessern würde. Seit der Einführung des Programms und seiner Weiterentwicklung gehören die Schüler dieses Schulbezirks zu den fittesten und intelligentesten der Nation.

Tatsächlich haben die Achtklässler dieses Bezirks bei der Trends in International Math and Science Study (TIMMS) den nationalen Durchschnitt der USA übertroffen und sogar viele Schüler in China, Japan und Singapur geschlagen, die traditionell immer besser als die amerikanischen Schüler sind. Was also ist hier los?

Unser Gehirn hat sich weiterentwickelt

Daniel Lieberman, ein Paläoanthropologe an der Harvard University, hat die menschliche Evolution erforscht und gezeigt, wie sich unser Gehirn und unser Schädel im Laufe der Zeit entwickelt haben, um unser Überleben als Spezies zu sichern [6].

Unsere Bedürfnisse, zu denken, zu verarbeiten, Strategien zu entwickeln, in Teams zu jagen sowie in sozialen Gruppen zu funktionieren und zu kommunizieren, hat das Wachstum verschiedener Regionen unseres Gehirns gefördert und unsere allgemeine Gehirnfunktion verbessert. Dieses Wachstum unseres Gehirns, insbesondere bestimmter Regionen wie des Frontallappens, der mit bewusstem Denken, Entscheidungsfindung, Planung, Urteilsvermögen, Analyse und Hemmung verbunden ist, setzt sich auch in unserer modernen Zeit fort.

Wieso unsere Gehirnleistung abnimmt

Unser Gehirn kann aber auch Verluste erleiden und schrumpfen, und zwar in Form von nachlassender geistiger Leistungsfähigkeit und Gedächtnisschwund, wenn wir altern. Tatsächlich wird Gedächtnisverlust als eine der wichtigsten kognitiven Beschwerden bei älteren Erwachsenen genannt. Man schätzt, dass etwa 10 % der Erwachsenen über 65 Jahre in irgendeiner Form kognitiv beeinträchtigt sind – und diese Zahl erhöht sich auf etwa 50 % bei Menschen über 80 Jahren [7]. Obwohl dieser Rückgang im Allgemeinen auf allgemeine physiologische Verluste innerhalb unserer Gehirnzellen, die möglichen Auswirkungen von Krankheiten (z.B. Alzheimer), einen allgemeinen Mangel an Beanspruchung des Gehirns oder die Auswirkungen von Depressionen bzw. Medikamenten zurückgeführt wird, gehören zu den wichtigsten biologischen Risikofaktoren, die mit dem Rückgang unserer Gehirnleistung verbunden sind, folgende:

• Oxidativer Stress – unser Gehirn verbraucht etwa 20 % des körpereigenen Sauerstoffs, und im Laufe der Zeit kann die Anhäufung freier Radikale zu Schäden an der DNA und an essenziellen Lipiden im Gehirn führen, die den Tod der Neuronen auslösen.
• Entzündungsstoffe reichern sich im Gehirn an. Normalerweise werden sie von unserer Blut-Hirn-Schranke (BHS), einem feinen Kapillarnetz, das den Blutfluss im Gehirn vom Körperkreislauf trennt, herausgefiltert. Mit zunehmendem Alter werden viele Entzündungsstoffe (z.B. Zytokine wie Interleukin-1 beta), die Neuronen zerstören und die Neurogenese (das Wachstum neuer Neuronen) hemmen können, weniger gefiltert.
• Erhöhte Werte von Homocystein, einer natürlich vorkommenden Aminosäure im Plasma, fördern die Atherosklerose in den Gefäßen und verringern dadurch den zerebralen Blutfluss, das Gedächtnis und das Gesamtvolumen des Gehirns.
• Hormonelle Ungleichgewichte und Hormonverluste im Körper – wichtige Steroidhormone wie Östrogen, Testosteron und Dehydroepiandrosteron (DHEA) tragen gemeinsam zum Erhalt der kognitiven Fähigkeiten bei, nehmen jedoch mit zunehmendem Alter ab.
• Nachlassende zerebrovaskuläre Gesundheit – gesunde Blutgefäße und ein erhöhter HDL-Cholesterinspiegel erleichtern den Blutfluss in die Regionen des Gehirns wie die graue Substanz.
• Bluthochdruck – die kleinen Kapillaren im Gehirn sind anfällig für Schäden, die durch chronisch erhöhten Blutdruck verursacht werden.
• Diabetes und Insulinresistenz – Hyperglykämie und die Unfähigkeit, Glukose zu verwerten, wurden mit einem geringeren Gehalt an neuronalen Wachstumsfaktoren, einem verringerten Hirnvolumen und einem höheren Auftreten von Demenz in Verbindung gebracht.
• Stress und Ängste führen zu einer erhöhten und anhaltenden Cortisolausschüttung, die das Gehirngewebe schädigen kann (siehe weiter unten in diesem Artikel).

Viele dieser Auslöser für den kognitiven Abbau sind unvermeidlich, aber können wir diesen altersbedingten Rückgang verlangsamen, aufhalten oder sogar umkehren?

Wie man die Leistungsfähigkeit und Gesundheit des Gehirns verbessert

Die Antwort lautet: Ja, und es wird fast täglich eine ständig wachsende Liste von Substanzen entdeckt, die insgesamt zu einer verbesserten Gesundheit und Funktion des Gehirns führen. Interessanterweise scheinen diese Verbindungen in einigen Regionen des Gehirns wichtiger zu sein als in anderen. So verliert beispielsweise der Hippocampus, eine Hirnregion, die an der Umwandlung von kurzfristigen Informationen in langfristiges Wissen beteiligt ist, mit zunehmendem Alter an Masse und Kapazität, wird aber durch erhöhte Konzentrationen einiger der folgenden Substanzen erheblich beeinflusst [2, 8, 9, 10]:

• Der aus dem Gehirn stammende neurotrope Faktor (BDNF) ist vielleicht der wichtigste, da er die Neurogenese anregt und die Länge, Dicke und Dichte der Dendriten (Nervenenden) erhöht, was die Konnektivität der Nerven verbessert, insbesondere im Hippocampus. BDNF stärkt und säubert Synapsen (Verbindungen zwischen zwei Nerven), verbessert die synaptische Effizienz und erhöht die synaptische Kartierung (Verbindung zwischen Neuronen und neuen Schaltkreisen als Ausgleich für verlorene Schaltkreise).
• Der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) trägt zur Bildung neuer Kapillaren im Gehirn bei und verbessert die Versorgung der verschiedenen Gehirnregionen mit Sauerstoff und Glukose.
• Fibroblast Growth Factor-2 (FGF-2) stimuliert das Wachstum des Gehirngewebes, indem er die synaptische Effizienz und die Affinität der Neuronen zueinander verbessert und so das Lernen und Behalten erleichtert.
• Der insulinähnliche Wachstumsfaktor-1 (IGF-1), der in den Muskelzellen gebildet wird, wird in das Gehirn geschleust und trägt dazu bei, die Glukoseaufnahme in die Zellen zu erhöhen, wodurch er den von BDNF benötigten Treibstoff liefert.

Wie können wir also einen Anstieg dieser Substanzen bewirken? Ein Großteil der bisherigen Forschung hat sich auf die Auswirkungen von Sport auf die Erhöhung dieser Verbindungen konzentriert [10]. Niedrige bis mäßige Intensitäten von Ausdauersport stimulieren einen Anstieg des BDNF, aber nur einen geringen Anstieg des IGF-1. Im Vergleich dazu erhöht eine mäßige bis starke Intensität von Ausdauertraining (> 65 % der maximalen Herzfrequenz) die Werte von BDNF, VEGF, FGF-2, IGF-1 und sogar des menschlichen Wachstumshormons (HGH), das zum Aufbau von Gehirnmasse beiträgt. Zweimal pro Woche durchgeführtes Krafttraining erhöht ebenfalls die Werte von BDNF, VEGF, FGF-2, IGF-1 und HGH. Tägliches Training im Vergleich zu Training an abwechselnden Tagen führt zu einem stärkeren Anstieg des BDNF (150 % gegenüber 124 %), aber die Werte gleichen sich nach etwa vier Wochen Training an [10]. Bewegung verbessert zudem auch die Effizienz unserer Blutgefäße und fördert ein besseres Gleichgewicht zwischen vielen Neurotransmittern unseres Gehirns wie Serotonin, Dopamin, Noradrenalin, Glutamat und GABA, was sich positiv auf Stimmung und Wahrnehmung auswirkt.

Obwohl viele Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass 30 Minuten Bewegung zwei- bis dreimal pro Woche optimal für die Gesundheit des Gehirn sind, gibt es auch Forscher, die angeben, dass bereits acht bis zwölf Minuten Bewegung pro Tag, die zu Schweißausbrüchen und mühsamer Atmung führt (d.h. etwa 60 % der maximalen Herzfrequenz oder höher), ausreichen, um eine Zunahme vieler dieser Verbindungen (z.B. BDNF) zu bewirken (3, 11). Darüber hinaus trägt die Einbeziehung von Cross-Lateral-Patterns (XLP) (d.h. Bewegungen, die den Körper überqueren oder die kontralateralen Gliedmaßen mit einbeziehen) zur Stärkung des Corpus Callosum bei, das im Wesentlichen der Klebstoff ist, der die linke und die rechte Gehirnhälfte miteinander verbindet und die interhemisphärische Kommunikation erleichtert.

Mentale Übungen für das Gehirn

Um die Vielseitigkeit eurer Bemühungen zur Förderung eures Gehirns zu erweitern, solltet Ihr auch in Erwägung ziehen, mentale Übungen in eure Trainingsroutine einzubeziehen (außerdem können sie eine willkommene Abwechslung zur körperlichen Anstrengung bieten). Die Idee ist, (a) euer Gehirn herauszufordern, Aufgaben auf unkonventionelle Weise zu erledigen oder (b) Aufgaben zu erledigen, indem mehrere Gehirnregionen gleichzeitig einbezogen werden:

• Backward Digit Span – Zählen von Zahlen rückwärts in bestimmten Intervallen (z. B. 7er-Intervalle von 100) so schnell wie möglich.
• Rückwärtsbuchstabieren – Wörter rückwärts und laut buchstabieren (nicht schreiben), wobei die Länge und die Schwierigkeit der Wörter schrittweise gesteigert werden (z. B. Welt, Krankenhaus, Verantwortung).
• Sequenzielle Informationsspiele – bei denen eine Reihe von Namen (z.B. Thomas, Dennis, Richard, Michelle, Johanna, Edward) aufgeschrieben wird, woraufhin die Person aufgefordert wird, verschiedene Aufgaben in Bezug darauf aus dem Gedächtnis zu lösen:
  • Rückwärts aufsagen
  • Alphabetisch ordnen
  • Nach Wortlänge ordnen
• Tasking Challenges – Erledigung einer Reihe von Aufgaben und Fortsetzung jeder Aufgabe, bis sie durch eine andere ersetzt werden muss (beachtet dabei, dass mehrere verbale oder physische Aufgaben gleichzeitig ausgeführt werden können). Nach Abschluss aller Aufgaben wird die Personen gebeten, sich an eine bestimmte Aufgabe zu erinnern (z.B.: Was war die dritte Aufgabe?). Diese Frage kann sofort oder zu einem späteren Zeitpunkt in der Sitzung gestellt werden.
  • Zählt von 10 rückwärts
  • Winkt mit den Händen über eurem Kopf
  • Marschiert auf der Stelle
  • Schnippt mit den Fingern
  • Sagt das Alphabet rückwärts auf
  • Stampft mit den Füßen auf

Das wichtigste Mittel ist die Stressbewältigung

Leider leben viele von uns ein Leben, in dem chronischer psychischer Stress und anhaltend hohe Cortisolwerte zur Norm geworden sind. Diese anhaltenden Cortisolwerte beeinträchtigen die Zellen im Hippocampus, die für das Kurzzeitlernen und das Langzeitgedächtnis zuständig sind. Letztlich kann dies den Hippocampus aufgrund von Angriffen freier Radikale, die Dendriten zerstören und verkürzen, den BDNF-Spiegel senken, die Neurogenese verringern und die neuronale Atrophie verstärken, schädigen und schrumpfen. In diesem Fall kann die Amygdala, eine Region, die einen Großteil unserer Emotionen steuert, beginnen, mehr Kontrolle über das Lernen und den Hippocampus auszuüben, was unser emotionales Stressniveau erhöht, was wiederum zu einem Anstieg des Cortisolspiegels führt … und so beginnt ein schrecklicherTeufelskreis.

Darüber hinaus kann ein erhöhter Cortisolspiegel auch den nächtlichen Übergang in das Schlafstadium 4 (Delta- oder Tiefschlaf) behindern, eine wichtige Schlafphase, in der das Gehirn normalerweise Kurzzeitlernen in Langzeitgedächtnis umwandelt und in der der HGH-Spiegel den Aufbau und die Reparatur von Gewebe (z.B. Gehirnmasse) unterstützt. Cortisol kann auch direkt die HGH-Freisetzung aus der Hypophyse hemmen, indem es die Freisetzung von Somatostatin, einem wachstumshormonhemmenden Hormon, aus dem Hypothalamus stimuliert. Es scheint daher, dass alle Versuche, das Gehirn durch geistige und körperliche Übungen oder sogar durch beides zu stärken, ohne wirksame Stressbewältigungsmaßnahmen nahezu nutzlos sind.

Gehirnnahrung

Gibt es Lebensmittel, die unsere Gehirnleistung steigern können? Obwohl Forscher diese Behauptung nicht eindeutig aufstellen können, scheinen bestimmte Lebensmittel einige potenzielle Vorteile zu bieten:

• Antioxidantien, wie die in grünem Tee enthaltenen Polyphenole und Anthocyane (rote, violette oder blaue Pigmente, die in Blüten, Früchten, Blättern, Stängeln und Wurzeln wie dunklen Beeren, Rotkohl und Auberginen vorkommen), könnten sich als wirksam bei der Bekämpfung freier Radikale erweisen.
• Fischöle (1.200 mg Eicosapentaensäure, 200 mg Docosahexaensäure) scheinen die Rate des kognitiven Verfalls und das Risiko, an Demenz zu erkranken, zu verringern. Eine Nahrungsergänzung in Form von Fischölkapseln kann daher für viele Menschen sinnvoll sein, vor allem wenn man bedenkt, dass es hochdosierte Fischölkapseln bereits ab 4,95 € zu kaufen gibt.
• Folsäure (800 mg) sowie Vitamin B6 und B12 (in geringerem Maße) können den Homocysteinspiegel in unserem Blut senken.
• Eine mäßige Zufuhr von Koffein kann dazu beitragen, die BHS zu erhalten und möglicherweise auch die Amyloid-beta-Konzentration im Plasma zu senken, eine Proteinstruktur, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht wird.
• Gesunde Quellen und Dosierungen von Glukose, die das Gehirn über die Insulinreaktion mit Energie versorgt, müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Da Insulin für die Aufnahme von Nährstoffen (einschließlich Aminosäuren) in die Zellen verantwortlich ist und die Muskelzellen nicht viel von Tryptophan halten, können Insulinschübe dazu führen, dass mehr Tryptophan ins Gehirn gelangt. Dies wiederum kann die Serotoninproduktion erhöhen. Es wird jedoch angenommen, dass die Aufnahme von verzweigtkettigen Aminosäuren über den Tag hinweg mit Tryptophan konkurriert und die Menge, die die BHS passiert, reduziert – was im Wesentlichen die müdigkeitsfördernde Wirkung von Tryptophan verringert und dazu beiträgt, das Gehirn konzentriert und wach zu halten [12].

Abschließend lässt sich sagen, dass die Verbindung zwischen Körper und Geist bei sportlicher Betätigung zwar bekannt ist, die Forschungsergebnisse, die die positiven Auswirkungen von Sport auf das Gehirn belegen, jedoch weiter zunehmen, da immer neue Substanzen entdeckt werden, die die allgemeine Gehirnstruktur und -funktion verbessern. Warum solltet Ihr nicht in Erwägung ziehen, euer Trainingsprogramm ein wenig zu erweitern, um eure Gehirngesundheit nachhaltig und wirksam zu verbessern?! Denkt dabei nur daran, dass ein effektives Körper-Geist-Programm nur so gut sein kann wie die darin enthaltenen Stressbewältigungsmechanismen – also trainiert nicht nur hart, sondern auch smart!

Referenzen

1. Pascual-Leone A, Amedi A, Fregni F, and Merabet LB, (2005). The plastic human brain cortex. Annual Review of Neuroscience, 28:377 – 401.
2. Shaw C, and McEachern J (editors), (2001). Toward a Theory of Neuroplasticity. London, England: Psychology Press.
3. Ratey JJ, and Hagerman E, (2008). The Revolutionary New Science of Exercise and Brain. New York, NY. Little, Brown and Company.
4. Bramble1 DM, and Lieberman DE, (2004). Endurance running and the evolution of Homo. Nature, 432: 345 – 352.
5. Sparking Life. Power Your Brain Through Exercise. www.sparkinglife.org. Abgerufen Mai, 2022.
6. Lieberman DE, (2011). The Evolution of the Human Head. Cambridge, MA: Harvard University Press.
7. Centers for Disease Control and Prevention (2011). Cognitive Impairment. http://www.cdc.gov/aging/pdf/cognitive_impairment/cogImp_poilicy_final.pdf. Abgerufen Mai, 2022.
8. Huang EJ, and Reichardt LF, (2001). Neurotrophins: roles in neuronal development and function. Annual Review of Neuroscience, 24:677 – 736.
9. Cotman CW, and Berchtold NC, (2002). Exercise: a behavioral intervention to enhance brain health and plasticity. Trends in Neuroscience, 25(6):295 – 301.
10. Erickson KI, Voss MW, Prakash RS, Basak C, Szabo A, Chaddock L, Kim JS, Heo S, Alves H, White SM, Wojcicki TR, Mailey E, Vieira VJ, Martin SA, Pence BD, Woods JA, McAuley E, and Kramer AF, (2011). Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, 108(7): 3017 – 3022.
11. Ratey, JJ (2001). A User’s Guide to the Brain. New York, NY, Random House, Inc.
12. Davis JM, (1995). Carbohydrates, branched-chain amino acids, and endurance: the central fatigue hypothesis. International Journal of Sports Nutrition, 5:S29 – 38.