Die Verformbarkeit (Plastizität) und Leistungsfähigkeit unseres Gehirns nimmt im Alter ab, jedoch scheinen Lernen und Training diese Abnahme zu modifizieren. In meinem Blog gebe ich einen Überblick über die aktuellsten Erkenntnisse, welche Effekte verschiedene Lern- und Trainingsformen (mit besonderem Fokus auf körperliche Betätigung) auf Lernen und Gedächtnis sowie auf die Plastizität des Gehirns haben.
Graue Haare – graue Zellen? Wie Training und Lernen unsere Gehirnfunktionen und -strukturen beeinflussen und verändern können
Viele ältere Menschen können beobachten, dass ihr Erinnerungsvermögen mit steigendem Alter nachlässt und Dinge nicht mehr so gut „gemerkt“ werden können, wie in jungen Jahren. Normale Altersveränderungen treten im Gehirn besonders dort auf, wo neue Informationen in das Langzeitgedächtnis gespeichert werden (Abb. 1). Dabei nehmen insbesondere die Leistungsfähigkeit des episodischen Gedächtnisses und Arbeits-gedächtnisses mit fortschreitendem Alter ab. Daher können sich viele ältere Menschen u.a. neue Dinge und Informationen im Vergleich zu jungen Erwachsenen schlechter merken.
Empirische Studien zeigen jedoch auch, dass mit steigendem Alter die individuellen Leistungsunterschiede insbesondere im episodischem Gedächtnis und Arbeitsgedächtnis stark zunehmen. Hier lassen sich mehrere Gruppen erkennen: Eine Gruppe, die einen sehr starken Leistungsabfall in den o.g. kognitiven Domänen aufzeigt sowie eine andere, die einen „normalen“ altersabhängigen Leistungsabfall erkennen lässt.
Interessanterweise konnten empirische Studien eine weitere Gruppe älterer Erwachsener aufspüren, die genauso gute Gedächtnisleistungen zeigen, wie jüngere Erwachsenen (für eine Zusammenfassung, siehe: (Nyberg, Lovden, Riklund, Lindenberger, & Backman, 2012)). Diese „kognitiv erfolgreich gealterte“ Gruppe stellt insbesondere für die Alters- und Präventionsforschung eine sehr interessante Gruppe dar.
Abbildung 1: Hirnstrukturen, die einen frühen, altersbedingten Abbau zeigen
Auch wir konnten diese „erfolgreich-gealterte“ Gruppe in einer funktionell-bildgebenden Studie detektieren: Es gibt Personen, die auch im hohen Alter ähnliche Gedächtnisaktivierungen haben und dabei auch dieselbe Merkfähigkeit besitzen, wie junge Erwachsene (Abbildung 2). Follow-up Analysen zeigten, dass die gedächtnisrelevanten Strukturen (z.B. Hippokampus, präfrontaler Kortex) bei der erfolgreich gealterten (also den jungen Erwachsenen „ähnlichen“) Gruppe, besser erhalten sind (Duzel, Schutze, Yonelinas, & Heinze, 2011).
Abbildung 2: Die Hirnaktivität (rot) eines jungen Erwachsenen beim Merken von Bildern. Analysen deckten bei den älteren Erwachsenen drei unterschiedliche Aktivierungsmuster auf. Eine dieser Gruppe zeigte dabei ähnliche Aktivierungen, wie die Gruppe junger Erwachsener.
Wie gut oder schlecht man altert, hängt nicht nur von den Genen ab. Vieles können wir durch unser Verhalten und Training selbst beeinflussen!
Ein wichtiges Ziel vieler Wissenschaftsbereiche ist es, die Faktoren zu erforschen, die kognitive Altersverläufe modifizieren und zum einen die Entstehung einer Demenzerkrankung, zum anderen auch ein erfolgreiches Altern beeinflussen. Doch welche Signale können die Aktivität des Gehirns (inkl. seine Strukturen, Funktionen sowie Neurochemie) anregen und trainieren, um es widerstandsfähiger gegenüber Alterungsprozessen zu machen oder es sogar zu „verjüngen“?
Die Erforschung der Faktoren, die ein erfolgreiches Altern fördern, hat insbesondere bezüglich der Prävention altersbedingter Gedächtnisstörungen in den letzten Jahren großes Interesse geweckt und ist auch für die Arbeitswelt von großer Bedeutung. Empirische Studien zeigen vielversprechende Ergebnisse: Lebensstilfaktoren spielen eine wichtige Rolle. Insbesondere gesundheitsrelevante Lebensstilfaktoren, wie körperliche Aktivität (Erickson et al., 2011; Floel et al., 2010; Kramer et al., 2005; van Praag, 2008, 2009), Ernährung, Bildungsstand (Habib et al., 2007), kognitive Stimulation (van Praag, 2009; van Praag et al., 2000) und soziale Aktivität (Lovden et al., 2005) sind hierbei auch für die Leistungsfähigkeit unseres Gehirns von Bedeutung (für einen Überblick siehe: Floel et al., 2008; Helm N., 2010). Tierstudien und Studien am Menschen konnten zeigen, dass die kognitive Plastizität im Alter zwar reduziert jedoch nicht komplett „verloren“ ist. Es gibt eine breite Literatur die zeigt, das kognitive und körperliche Interventionen mit hirnstrukturellen Veränderungen und kognitiven Verbesserungen bei jüngeren wie auch älteren Erwachsenen einhergehen.
1. Lern- und Trainingseffekte auf Hirnstruktur und -funktion
Durch die rasante Entwicklung der bildgebenden Methoden (z.B. Magnetresonanztomografie (MRT), Diffusions-Tensor-Imaging (DTI), oder Perfusionsmessungen – siehe Blog März 2012), ist es möglich, auch kleine Veränderungen in Hirnstruktur und –funktion zu detektieren. Viele Studien untersuchen seither, wie spezifische Fertigkeiten, Wissen und Expertise spezifische Unterschiede in Hirnstruktur und –funktionen reflektieren. Beispielsweise wurden die Gedächtnisareale, die kritisch für Navigation und räumliches Gedächtnis sind, bei Londoner Taxifahrern untersucht (Maguire et al., 2000). Es zeigte sich, dass die Zahl der Berufsjahre mit der Größe des Hippokampus in dieser Gruppe in Zusammenhang gebracht werden konnte.
Darauffolgende Studien zeigten weitere Zusammenhänge zwischen spezialisierten Gruppen und Hirnanatomie, wie z.B. bei Musikern (Schneider et al., 2002) (Bengtsson et al., 2005).
Längsschnittstudien zeigten, dass neu gelernte komplexe motorische Fertigkeiten, wie Jonglierern (Draganski et al., 2004), Balance-Training (Taubert et al., 2010), aber auch rein kognitive Trainings, wie Gedächtnis- (Lovden et al., 2010), Navigationstraining (Lovden et al., 2012; Lovden et al., 2011) sowie Arbeitsgedächtnistraining (Takeuchi et al., 2010) mit strukturellen hirnplastischen Veränderungen in den Arealen zusammenhängen, die die jeweiligen Fertigkeiten koordinieren. Diese erfahrungsabhängigen-strukturellen Veränderungen sind nicht nur beschränkt auf die graue Substanz des Gehirns, sondern können auch in der weißen Substanz detektiert werden (Lovden et al., 2010).
2. Effekte körperlicher Aktivität auf Hirnstruktur und -funktion
Viele Studien konnten zeigen, dass körperliche Aktivität die kognitive Leistungsfähigkeit verbessert und auch den altersbedingten kognitiven Abbau verzögern kann (Cotman, Berchtold, & Christie, 2007; Hillman, Erickson, & Kramer, 2008).
Längsschnittstudien zu Trainingseffekten bei älteren Personen zeigen hier zum Teil inkonsistente Ergebnisse. Einige Studien konnten kognitive Verbesserungen durch körperliches Training nachweisen (Dustman et al., 1984; Hawkins, Kramer, & Capaldi, 1992; Kramer et al., 1999; Rikli & Edwards, 1991), andere wiederum konnten keine Beziehungen finden (Blumenthal et al., 1991; Hill, Storandt, & Malley, 1993; Madden, Blumenthal, Allen, & Emery, 1989). Die Interpretation der Ergebnisse ist schwierig, da sich die Studien in Länge, Intensität und Trainingsart sowie im Alter und Gesundheitsstatus der Teilnehmer unterscheiden.
Bewegungsreichtum in der Kindheit scheint die kognitive Reservekapazität im höheren Erwachsenenalter zu beeinflussen. Es wurde gezeigt, dass regelmäßige körperliche Aktivität in der beginnenden Adoleszenz mit einer erhöhten Verarbeitungsgeschwindigkeit bei Männern im höheren Erwachsenenalter assoziiert ist (Dik, Deeg, Visser, & Jonker, 2003). Einige Studien zeigen, dass eine hohe körperliche Aktivität im mittleren Erwachsenenalter mit einem reduzierten Demenzrisiko verbunden ist (Andel et al., 2008; Rovio et al., 2005). Die Resultate anderer Studien mit kürzeren follow-up Intervallen zeigen inkonsistente Ergebnisse, wobei einige berichten, dass regelmäßige Aktivität mit einem reduzierten Risiko für kognitive Störungen (Laurin, Verreault, Lindsay, MacPherson, & Rockwood, 2001; Lytle, Vander Bilt, Pandav, Dodge, & Ganguli, 2004), Demenz und Alzheimer (Karp et al., 2006; Larson et al., 2006; Podewils et al., 2005) verbunden ist und andere keine Beziehungen finden konnten (Broe et al., 1998; Wang et al., 2006; Wilson et al., 2002).
Personen, die sich selbst als körperlich sehr aktiv einschätzen, zeigen bessere kognitive Leistungen in den Bereichen logisches Denken, Arbeitsgedächtnis, Vokabelleistungen und Reaktionszeiten, verglichen mit inaktiven Personen (Yaffe, Barnes, Nevitt, Lui, & Covinsky, 2001). Nichtsdestotrotz konnten verschiedene Interventionsstudien zeigen, dass sich auch bei eher inaktiven älteren Erwachsenen (60 bis 85 Jahre) durch Trainingsprogramme unterschiedlicher Dauer, Intensität und Trainingsart, kognitive Leistungen verbessern (Hillman et al., 2008; Kramer et al., 1999).
Aerobes Training scheint dabei einen spezifischen Einfluss auf kognitive Leistungen zu haben. In einer 6 monatigen Trainingsstudie zeigte die Gruppe der älteren Erwachsenen (65-70 Jahre), die ein aerobes Training (Gehen) absolvierten eine selektive Verbesserung der exekutiven Kontrollprozesse (z.B. Planen, Handlungskontrolle, Arbeitsgedächtnisleistungen), verglichen mit der Gruppe, die an einem anaeroben Training (Dehnung) teilnahm (Kramer et al., 1999).
Diese positiven kognitiven Leistungsveränderungen durch körperliche Aktivität spiegeln sich auch auf hirnstruktureller Ebene wieder. Magnetresonanzstudien (MRI) konnten zeigen, dass die präfrontale und temporale graue Substanz bei aktiven Menschen eine höhere Dichte aufweist, verglichen zu der inaktiven Gruppe (Hillman et al., 2008).
Tierexperimentelle Studien und Studien beim Menschen (Pereira et al., 2007) deuten darauf hin, dass die positiven Effekte von körperlicher Aktivität und Fitness u.a. mit der Entstehung neuer Neurone (Neurogenese) im Hippokampus zusammenhängen. Es konnte gezeigt werden, dass Ausdauertraining die Neurogenese im Gyrus dentatus anregt: Im Tierversuch (van Praag, Christie, Sejnowski, & Gage, 1999) zeigte sich bei jungen Mäusen, die ein Laufrad nutzten, eine deutliche Zunahme neuer Neurone im Vergleich zu einer inaktiven Kontrollgruppe. Gleichzeitig nahm auch die Leistung in einer visuell-räumlichen Gedächtnisaufgabe zu. Auch bei Creer und Kollegen (2010) führte Ausdauertraining bei drei Monate alten Mäusen zu erhöhter Neurogenese und signifikant besseren Ergebnissen bei der Bearbeitung einer „Pattern Separation Task“ im Vergleich zu einer inaktiven Kontrollgruppe.
Im Humanversuch konnten nach dreimonatigem Ausdauertraining bei jungen Erwachsenen verstärkt Neurogenese und Angiogenese beobachtet werden (Pereira et al., 2007). Obwohl das Potential zur Neurogenese im fortgeschrittenen Alter noch wenig erforscht ist, zeigen prospektive Studien beim Menschen, dass moderates körperliches Fitnesstraining über einen langen Zeitraum auch bei älteren Menschen die altersbedingte Atrophie des Hippokampus aufhalten kann (Erickson et al., 2011). Diese Erkenntnisse über die positiven Effekte von körperlicher Aktivität und Fitness haben weltweit ein großes Interesse an Interventionen zur Prävention von kognitiven Problemen im Alter und zur Verzögerung von demenziellen Erkrankungen ins Leben gerufen.
Abbildung 3: auch im höheren Alter scheint körperliches Training Plastizitätsveränderungen im Gehirn hervorzurufen
Wir denken, dass ein besonders wichtiger Aspekt von körperlicher Aktivität und Fitnesssteigerung jedoch nicht nur der akute Effekt auf die Hirnplastizität ist, sondern ein lang anhaltender positiver motivationaler Effekt auf den Lebensstil darstellt. Bislang ist jedoch relativ wenig über die motivationalen Auswirkungen durch die Verbesserung der körperlichen Fitness im hohen Alter bekannt. Unsere Hypothese ist, dass körperliche Fitnesssteigerung zu einer langfristigen positiven Beeinflussung des Lebensstils in Richtung eines explorativen, aktiven Lebensstils führen kann und das dies vor allem von der subjektiven Gesundheitsperspektive und der Integrität der o.g. motivationsrelevanten Netzwerke abhängt.
Es liegen bisher wenig Erkenntnisse vor, inwieweit sich die strukturelle Integrität neuromodulatorischer Netzwerke durch körperliches Training verbessern lässt und ob sich diese strukturellen Veränderungen möglicherweise auch auf die Neurotransmitterkonzentration auswirkt und dadurch Lernen und Gedächtnisleistungen sowie auf die persönliche Leistungsmotivation beeinflussen könnte. Erste Erkenntnisse aus Tierstudien werde ich in meinem nächsten Blog vorstellen.
Sandra Düzel
Ältere Blogbeiträge zum Förderpreis 2011 finden Sie hier:
Vorbericht
Januar 2012
Februar 2012
März 2012
Literatur
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