Schattenblick →INFOPOOL →MEDIZIN → FACHMEDIZIN

SPORTMEDIZIN/207: Gehirn, Geist und körperliche Aktivität (f.i.t/Sporthochschule Köln)


f.i.t. - Forschung . Innovation . Technologie Das Wissenschaftsmagazin der Deutschen Sporthochschule Köln 2/2008

Gehirn, Geist und körperliche Aktivität

Beitrag von Wildor Hollmann, Heiko K. Strüder, Sandra Rojas Vega, Julia Diehl vom Institut für Kreislaufforschung und Sportmedizin


Die Einführung bildgebender Verfahren, wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der funktionellen Magnet-Resonanz-Tomographie (fMRT), haben das Wissen um unser Gehirn in den letzten zwei Jahrzehnten stärker bereichert als in der gesamten Zeit der Menschheitsgeschichte zuvor. Erstmals konnten Gedanken und Ideen auf Bildschirmen sichtbar gemacht werden. Das ermöglichte die Beurteilung von Hämodynamik und Metabolismus sowie der Strukturen des Gehirns - selbst in kleinsten Gehirnabschnitten. Hierdurch wurde unser Wissen um die Entstehung von Geist und Bewusstsein revolutioniert. Jahrhunderte alte philosophische Vorstellungen konnten durch präzise naturwissenschaftliche Messungen und deren Ergebnisse ersetzt werden.


*


In Erkenntnis dieser zukünftigen Möglichkeiten gründeten wir 1985 mit dem Kölner Max-Planck-Institut für Hirnforschung (Direktor: Prof. Dr. Heiss) und der Kernforschungsanlage in Jülich (Direktor der Medizinischen Abteilung: Prof. Dr. Feiendegen) eine Forschungsgruppe. Ihre primäre Zielsetzung lautete:

1. Wie wirkt sich körperliche Aktivität auf die regionale Gehirndurchblutung und den regionalen Gehirnstoffwechsel aus?

2. Was bewirkt bei körperlichem Training die euphorische Komponente, "Runner's High" genannt?

3. Welche Konsequenzen können aus diesen Fragen der Grundlagenforschung für präventive und therapeutische sowie rehabilitative Maßnahmen im Falle von Gehirnerkrankungen gezogen werden?

Stichwortartig zusammengefasst erhoben wir in experimentellen Untersuchungen folgende Befunde:

Aerobe dynamische Arbeit vergrößert hochsignifikant die regionale Gehirndurchblutung;

Statische Arbeit bewirkt keine gehirnbezogenen hämodynamischen Effekte; Beanspruchungen auf aerobe dynamische Langzeitausdauer verringern den regionalen Glukoseumsatz, speziell im Frontalhirn, während die Metabolisierung von Ketonkörpern des Fettstoffwechsels sowie der vermehrt vom Körper angebotenen Milchsäure kompensatorisch einspringt;

Bei körperlicher Arbeit vermehrt gebildete endogene Opioide im Gehirn sind verantwortlich für das Phänomen des "Runner's High";

Die Verstärkung des Neurotransmittereffektes von Dopamin bewirkt eine Vergrößerung der allgemeinen aeroben dynamischen Ausdauer; gleichzeitig ist der systolische Blutdruck reduziert, ebenso die Herzschlagzahl, der Noradrenalin-, Dopamin- und Laktatspiegel im Blut, wobei die maximal erreichbare Belastungsstufe vergrößert wird. Der üblicherweise bei Arbeit eintretende Prolaktinanstieg wird unterdrückt. Ein Dopaminagonist vermindert die arbeitsbedingte ACTH-Mehrproduktion hochsignifikant; im Gegensatz dazu erfährt das Wachstumshormon bei körperlicher Belastung einen Anstieg;

Der Serotonin-Wiederaufnahmeinhibitor Paroxetin bewirkt eine Verminderung der aeroben dynamischen Leistungsfähigkeit;

Hyperoxie veranlasst höhere Blut-Ammoniakspiegel, während der Noradrenalin- und Adrenalinwert abnimmt; auffallend ist schon in Körperruhe ein hochsignifikanter Anstieg des Prolaktin;

Hypoxie vergrößert signifikant Adrenalin, Noradrenalin, Wachstumshormon und ACTH, während Testosteron und Serotonin unverändert bleiben. Es ist jedoch ein hochsignifikanter extremer Prolaktinanstieg in Körperruhe unter Hyperoxie zu beobachten;

Akute aerobe dynamische Arbeit erhöht die Serotoninverfügbarkeit;

Körperliches Training bewirkt eine Reduktion der Serotonin-(5HT2A)-Rezeptoren an Blutplättchen; möglicherweise ist dies ein Hinweis auf diesbezügliche gehirnbezogene Adaptationen;

Anaerobe dynamische Arbeit löst eine vorübergehende Vergrößerung der Serum-BDNF-Konzentration (BDNF = Brain Derived Neurotrophic Factor, neuronenbezogene Wachstumsfaktoren) aus;

Aerobe körperliche Arbeit wirkt neuroprotektiv und neuroplastisch;

Übertraining mag in seinen physischen und psychischen Erscheinungen auf strukturelle Veränderungen und solche der Neurotransmitter speziell im präfrontalen Kortex beruhen;

Es bestehen enge wechselseitige Beziehungen zwischen Herzerkrankungen und Gehirnerkrankungen;

Einfaches Gehrtraining kann bei alten Personen eine Ökonomisierung von Gedächtnisvorgängen auslösen, indem zur Lösung spezifischer Aufgaben geringere Gehirngebiete aktiviert werden;

Das Gehirn mag eine leistungsbegrenzende Rolle nicht nur bei maximalen Kraftbeanspruchungen (Motivation), sondern auch bei maximalen Ausdauerleistungen spielen.

Es tat sich uns eine völlig neue Betrachtungswelt von akuter körperlicher Arbeit sowie von chronischem Training auf. Sie wurde ergänzt durch eine Fülle von tierexperimentellen Untersuchungen speziell im skandinavischen und anglo-amerikanischen Raum. So konnten wir im Jahre 2003 zusammenfassend die Effekte von körperlicher Aktivität auf das Gehirn darstellen:

- Angiogenese (Neubildung von Blutgefäßen im Gehirn)
- Synapsenhypertrophie
- Neuriten- und Dendritenwachstum Spines-Vermehrung
- Neurogenese (Neubildung von Nervenzellen im Gehirn).

Von diesen Gesichtspunkten imponiert am meisten die Neurogenese, 1998 erstmals von Eriksson in Stockholm beobachtet. Heute gehen wir davon aus, dass ein nennenswerter Prozentsatz aller Hundert Milliarden Nervenzellen des menschlichen Gehirns beim z.B. 80-Jährigen in den letzten zwei bis drei Jahren entstanden ist. Bis zu dieser Entdeckung bestand die Meinung, die menschliche Nervenzelle erfahre von der Geburt bis zum Seniorenalter keine Erneuerung.

Ein zweiter imponierender Punkt war die Angiogenese. Damit wies das Gehirn eine Ähnlichkeit mit dem Skelettmuskel auf, von dem die Gefäßneubildung durch körperliches Ausdauertraining seit langem bekannt ist.

Altgriechische Philosophen wie Platon, Aristoteles und Sokrates prägten vor fast zweieinhalb Tausend Jahren den Satz: Der Geist formt den Körper. Diese Zusammenhänge leuchten heute auch naturwissenschaftlich in Verbindung mit dem oben Dargestellten ein. Andererseits konnte aber in den vergangenen Jahren festgestellt werden, dass die Voraussetzung für die ungeheure Plastizität des Gehirn mit seinen ständigen Strukturänderungen nur dann stattfindet, wenn eine größere Menge von Insulin ähnlichem Hormon (IGF-1), von Östrogen und von Glukokortikoiden im Gehirn vorhanden ist. Dieses Mehrangebot als gewissermaßen Plastizitätsvoraussetzung wird durch körperliche Arbeit dem Gehirn zur Verfügung gestellt. Damit lässt sich der erwähnte griechische Gedanke um den Satz erweitern: Und der Körper formt den Geist. Niemals zuvor konnte durch die experimentelle Forschung der Medizin eine solche Identität zwischen Körper und Geist gesichert werden.

Neben den Nervenzellen verfügt das Gehirn über Gliazellen, sogenannte Stützzellen, welche sowohl der mechanischen Stütze als auch der Stoffwechsel- und Signalversorgung der Neuronen dienen. Noch ist nicht eindeutig geklärt, welcher Übertragungsmethode sich die Gliazellen bedienen, die 9-mal so stark im Gehirn vertreten sind wie die Neurone. Neueste Befunde sprechen erstaunlicherweise dafür, dass es sich um ATP handelt, welches hier eine Signalfunktion übernimmt.

Synapsen entwickeln sich strukturell besonders dann, wenn ein prä- und ein postsynaptisches Neuron gleichzeitig aktiviert werden. Feuert direkt nach dem präsynaptischen das postsynaptische Neuron, so wächst die betreffende Synapse. Feuert dagegen das postsynaptische Neuron zu früh, so wird die Wirksamkeit der Synapse vermindert. Beides bedingt ununterbrochene plastische Veränderungen. Sekündlich verändert so das Gehirn seine Struktur. Die Oberfläche der Spines - die wichtigsten Orte des Kurzzeitgedächtnisses im menschlichen Gehirn - vergrößert sich, und innerhalb einer Stunde verwandeln sich ausgedehnte Membranflächen in Synapsen mit mehrfachen Spines. Retrograde Kommunikation ruft entsprechende präsynaptische Veränderungen hervor und erhöht die Zahl der Synapsen. Der Vorgang ist notwendigerweise mit Angiogenese verbunden, wodurch die Durchblutung des betreffenden Ortes verbessert wird. Schließlich führen die mikroskopischen zu makroskopisch sichtbaren Veränderungen, die bis in den Zentimeterbereich führen. So konnte bei einer Berufs-Musikerin, einer Cellistin, im Bereiche der Fingerbewegungen eine ca. eineinhalb Zentimeter lange Spezialrepräsentation in der Hirnrinde nachgewiesen werden. Eine wochenlange Inaktivierung bewirkte eine Rückbildung der bewegungsinduzierten Struktur. Schon innerhalb weniger Trainingstage ergeben sich messbare kortikale Reorganisationen beim Menschen.

In der Zeit der Übung mit einer Hand erfährt auch die kortikale Repräsentation der passiven Hand Veränderungen. Es konnte nachgewiesen werden, dass die kortikale Reaktionsamplitude der über Tage hinweg nicht eingesetzten Hand bis zu 25 % vermindert ausfiel (ELBERT, 2000).

Für Fragen sportlichen Trainings oder gar Übertrainings ist die sogenannte fokale Dystonie von Interesse. Sie äußert sich in fehlender Koordination der Hand- und Fingermuskulatur im Sinne z.B. des sogenannten Schreibkrampfes. Meistens handelt es sich um die Folge Jahrzehnte lang durchgeführter Fingerbewegungen von identischer Art. Versucht der Betreffende, die koordinativen Schwierigkeiten durch intensiveres Üben zu überwinden, tritt eine Verschlimmerung des Zustandes ein. Man spricht von einer "Verschmierung" der homunkulären Organisation der Hand im Sinne einer Überlagerung der Repräsentationsareale einzelner Finger (CANDIA ET AL., 1999). Hier ist es zu einer gewissermaßen übertriebenen Plastizität gekommen, die sich leistungsnegativ auswirkt. Eine Therapiemöglichkeit besteht in Bewegungssequenzen andersartiger Art, wodurch das gewissermaßen übertrieben ausgeprägte Furchenmuster in Bezug auf die alte Bewegungsform reduziert wird. So kann Neuroplastizität positiv und negativ adaptativ wirken.

Bemerkenswert wirkt sich die Plastizität des Gehirns auf die Alterungsvorgänge aus. Die Gehirnalterung ist charakterisiert durch Gewichtsabnahme (Wasserverlust), örtliche Volumenverluste, Synapsenreduktion, Neurotransmitterveränderungen (positiv wie negativ), intraneuronale Veränderungen. Die oben erwähnten Adaptationen in Verbindung mit körperlicher Aktivität spielen sich interessanter Weise vornehmlich an den Orten ab, an denen die stärksten alterungsbedingten Veränderungen eintreten. Hierdurch ist körperliche Aktivität ein hervorragendes Mittel zur Begegnung von alternsverursachten Plastizitätsveränderungen. Seit langem ist eine positive Wirkung von aerober dynamischer Beanspruchung auf Demenzsymptome bekannt. Die Forschung der letzten Jahre hat die Zusammenhänge deutlicher gemacht. Offenbar wirkt sich körperliche Aktivität auf einen Transkriptionsfaktor mit der Bezeichnung FOXO aus, der sich an die DNA im Zellkern bindet und spezifische Gene ein- oder ausschaltet. Wird FOXO in den Zellkern transportiert, kann er Gene einschalten, die die Langlebigkeit fördern. FOXO reagiert also im hohen Maße auf die Umwelt. So induziert FOXO die Aktivität solcher Enzyme, welche sich gegen Sauerstoffradikale wenden. Sauerstoffradikale aber gelten als ein Hauptfaktor der Alterungsvorgänge.

Auch die Vorbeugung von Demenzerkrankungen lässt sich heute besser verstehen. Die in den Ribosomen entstehenden Proteine müssen sich als Proteinketten in einer genau definierten dreidimensionalen Struktur falten mit einer astronomisch großen Zahl von Faltungsmöglichkeiten. Helfermoleküle, sogenannte Chaperone, verhindern das Zusammenbacken von Proteinketten während des Faltungsprozesses oder unter Stresseinwirkung. Offenbar ist körperliches Training in der Lage, die Chaperonbildung anzuregen. Sie werden oft als Hitzeschockproteine mit dem Zusatz der Molekülgröße bezeichnet, z.B. Hsp 70. Eine unter gegebenen Bedingungen ungenügende Chaperonwirkung lässt ein Zusammenbacken (Aggregation) der Proteinfäden zu. Diese fibrillären Aggregate werden als Amyloid bezeichnet und gehen mit verschiedenen Demenzkrankheiten einher. Eine aktivitätsbedingte vermehrte Aktivierung der Chaperone mag deshalb die Ursache sein für den epidemiologisch erhobenen Befund, dass körperliches Training in der Lage ist, die Amyloidbildung hochsignifikant zu vermindern (LAZAROV ET AL., 2005).

Dabei ist es erstaunlich, wie relativ gering die hierfür benötigte körperliche Aktivität sein muss. Schon ein dreimal wöchentliches Training im Sinne von je einstündigem Spazierengehen reduziert die Wahrscheinlichkeit einer späteren Demenz signifikant (TERI ET AL., 2003).

Ein vielleicht für immer ungelöst bleibendes Geheimnis ist die Entstehung des menschlichen Geistes. Aufgrund des uns Bekannten definierten wir: Ein Gedanke ist ein energiegestützter Ionenaustauschvorgang durch neuronale Membranen unter Bevorzugung von Mikrotubuli.

Das stellt aber lediglich eine Beschreibung des Vorgangs dar, keine Erklärung, wie die Passage von Ionen durch Mikrokanäle Geist erzeugen kann, und das auch nur in dem Organ Gehirn, und selbst dort nur an bestimmten Stellen. Weder philosophische Überlegungen noch naturwissenschaftlich-mathematische Konstruktionen führten uns bisher weiter. Wenn man sich Jahrzehnte lang mit der Quantenphysik befasst hat, ist es naheliegend, eine Verbindung mit dem Geist zu versuchen. Das bedarf einer kurzen Erläuterung.

Auch Atome sterben. Atomkerne wie Proton und Neutron verfügen über eine Lebenserwartung von 1031 bzw. 1036 Jahren. Im Gegensatz dazu lebt das Elektron ewig.

Die Quantenphysik hat bewiesen, dass Teilchen wie Elektronen im gesamten Weltall netzartig miteinander verbunden sind. Teilchen, die einmal eine gemeinsame Funktion ausgeübt haben, verbinden sich in einer nur artifiziell trennbaren Weise (sogenannte Kohärenz).

Löst man durch Magnete die Verbindung auf - sogenannte Dekohärenz - können die Teilchen noch so weit im Universum voneinander getrennt sein - stets "weiß" das eine von der Information des anderen. Nach heutigen quantenphysikalischen Vorstellungen entspricht daher das Universum einer einzigen Quantenwelle, in der jedes Teilchen vom anderen weiß.

Grundsätzlich gilt das für jede Materie, damit auch für das Gehirn. Logischerweise drängt sich die Frage auf, inwieweit derartige Quantenvorgänge an der Entstehung unseres Geistes beteiligt sind. Wäre dem so, würden die Quanten eines Gehirns mit dem gesamten Universum verbunden sein. Ständige Neuinformationen erfolgen über die Photonen, die Lichtteilchen, welche mit unterschiedlichen Spineigenschaften Informationen an Elektronen weitergeben können. Das naturwissenschaftliche Element ist gesichert. Die biologische Anwendungsmöglichkeit bis heute nur Spekulation. Somit könnte man trotz allem Wissensfortschritt die Schlussworte von Emil Du Bois-Reymond anlässlich einer Festansprache 1872 in der Berliner Universität wiederholen: Ignoramus - ignorabimus (wir wissen es nicht, wie werden es niemals wissen).


Literatur bei den Autoren.


Univ.-Prof. mult. Dr. med. Dr. h. c. mult. Wildor Hollmann, geboren 1925 in Menden/Sauerland, begann seine Tätigkeit an der Deutschen Sporthochschule Köln 1949 mit der von der Medizinischen Universitätsklinik Köln ausgehenden Promotionsarbeit. Als Internist, Kardiologe und einer speziellen Ausbildung in Biochemie gründete er 1958 das Institut für Kreislaufforschung und Sportmedizin und übernahm 1965 den neugegründeten Lehrstuhl für Kardiologie und Sportmedizin. Von 1984-1998 war er Präsident des Deutschen Sportärztebundes, von 1968-1994 Präsident des Weltverbandes für Sportmedizin, heute Ehrenpräsident in beiden Institutionen.
E-Mail: hollmann@dshs-koeln.de

Julia Diehl, geboren 1979 in Offenbach, studierte von 1999 bis 2004 Sportwissenschaften an der Deutschen Sporthochschule Köln. Seit 2001 ist sie zunächst als studentische und wissenschaftliche Hilfskraft, inzwischen als wissenschaftliche Mitarbeiterin im Arbeitskreis "Bewegungs-Neurowissenschaften" unter der Leitung von Herrn Prof. Hollmann tätig. Im Rahmen ihrer Promotion, für die sie von der Deutschen Sporthochschule mit dem Graduiertenstipendium unterstützt wird, beschäftigt sie sich mit dem Einfluss energiereicher Phosphate auf kognitive Leistungen des älteren und alten Menschen.
E-Mail: diehl@dshs-koeln.de


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. 1a:
Arterielles Laktat (oben) und Beta-Endorphine sowie ACTH (untere Darstellung) in Körperruhe und während einer einstündigen Belastung mit 60% der maximalen Sauerstoffaufnahme bei direkt anschließender Maximalbelastung auf dem Fahrradergometer. Mittelwerte und Standardabweichungen von 10 gesunden männlichen Probanden des 3. Lebensjahrzehnts (DE MEIRLEIR ET AL., 1985).

Abb. 1b:
Prozentuale Änderung der Schmerzsensitivität in Bezug auf den Basalwert 10 und 70 Minuten nach maximaler körperlicher Belastung auf dem Fahrradergometer (ohne = ohne Medikament, mit Placebo oder mit Naloxon). Mittelwerte und Standardabweichungen von 10 gesunden männlichen Probanden des 3. Lebensjahrzehnts. Die Differenzen gegenüber dem Basalwert sind hochsignifikant (p < 0,001; ARENTZ ET AL., 1986).

Abb. 2:
Der Einfluss eines Dopaminagonisten (Pergolide) auf das ACTH-Verhalten bei einstündiger Belastung mit 60% der maximalen O2-Aufnahme und anschließender ansteigender Arbeitsintensität bis zum Belastungsabbruch. Dopamin wirkt auf den belastungsbedingten ACTH-Anstieg bremsend (DE MEIRLEIR ET AL., 1987).

Abb. 3:
Einfluss von Normoxie, Hyperoxie (100Vol% O2) und Hypoxie (14Vol% O2) auf den Prolaktinspiegel in Ruhe, während und nach körperlicher Arbeit (STRÜDER ET AL., 1996).

Abb. 4:
Mittelwerte und Standardabweichungen von Serumkortisol (COR) und BDNF in Ruhe (-50), nach einer Aufwärmperiode (0), nach erschöpfender maximaler Belastung (E) und in der Erholungsphase. Signifikante Differenzen (p < 0,05) sind dargestellt (ROJAS ET AL., 2006).

Abb. 5:
Heutiger Wissensstand über den Einfluss körperlicher Aktivität auf das Gehirn (rechte Seite) und den der Körperperipherie auf das Gehirn (linke Seite) (HOLLMANN ET AL., 2003).

Abb. 6:
Durchschnittliche Fälle von Altersdemenz (oben) und Zunahme der Krankenzahl (unten) (STATISTISCHES BUNDESAMT WIESBADEN, 2008).

Abb. 7:
Hypothetisches Modell zur Gedankenentstehung, Genaktivierung und Steuerung der menschlichen Verhaltensweise (HOLLMANN, 1997).

Abb. 8:
Sichtbar gemachter Photonen-Rückprall.

Abb. 9:
Verbindung von zwei Elektronen (Kohärenz).


*


Quelle:
F.I.T.-Wissenschaftsmagazin der Deutschen Sporthochschule Köln
Nr. 2/2008 (13. Jahrgang), Seite 14 - 19
Herausgeber: Univ.-Prof. mult. Dr. Walter Tokarski
Rektor der Deutschen Sporthochschule Köln
Deutsche Sporthochschule Köln
Presse-, Informations- und Transferstelle
Am Sportpark Müngersdorf 6, 50933 Köln
Tel.: 0221/49 82-38 50, Fax: 0221/49 82-84 00
E-Mail: pressestelle@dshs-koeln.de
Internet: www.dshs-koeln.de

F.I.T. Wissenschaftsmagazin erscheint zweimal pro Jahr.


veröffentlicht im Schattenblick zum 10. Februar 2009