Fabian Arntz

• Background: Physical fitness is a key aspect of children’s ability to perform activities of daily living, engage in leisure activities, and is associated with important health characteristics. As such, it shows multi-directional associations with weight status as well as executive functions, and varies according to a variety of moderating factors, such as the child’s gender, age, geographical location, and socioeconomic conditions and context. The assessment and monitoring of children’s physical fitness has gained attention in recent decades, as has the question of how to promote physical fitness through the implementation of a variety of programs and interventions. However, these programs and interventions rarely focus on children with deficits in their physical fitness. Due to their deficits, these children are at the highest risk of suffering health impairments compared to their more average fit peers. In efforts to promote physical fitness, schools could offer promising and viable approaches to interventions, as they provideBackground: Physical fitness is a key aspect of children’s ability to perform activities of daily living, engage in leisure activities, and is associated with important health characteristics. As such, it shows multi-directional associations with weight status as well as executive functions, and varies according to a variety of moderating factors, such as the child’s gender, age, geographical location, and socioeconomic conditions and context. The assessment and monitoring of children’s physical fitness has gained attention in recent decades, as has the question of how to promote physical fitness through the implementation of a variety of programs and interventions. However, these programs and interventions rarely focus on children with deficits in their physical fitness. Due to their deficits, these children are at the highest risk of suffering health impairments compared to their more average fit peers. In efforts to promote physical fitness, schools could offer promising and viable approaches to interventions, as they provide access to large youth populations while providing useful infrastructure. Evidence suggests that school-based physical fitness interventions, particularly those that include supplementary physical education, are useful for promoting and improving physical fitness in children with normal fitness. However, there is little evidence on whether these interventions have similar or even greater effects on children with deficits in their physical fitness. Furthermore, the question arises whether these measures help to sustainably improve the development/trajectories of physical fitness in these children. The present thesis aims to elucidate the following four objectives: (1) to evaluate the effects of a 14 week intervention with 2 x 45 minutes per week additional remedial physical education on physical fitness and executive function in children with deficits in their physical fitness; (2) to assess moderating effects of body height and body mass on physical fitness components in children with physical fitness deficits; (3) to assess moderating effects of age and skeletal growth on physical fitness in children with physical fitness deficits; and (4) to analyse moderating effects of different physical fitness components on executive function in children with physical fitness deficits. Methods: Using physical fitness data from the EMOTIKON study, 76 third graders with physical fitness deficits were identified in 11 schools in Brandenburg state that met the requirements for implementing a remedial physical education intervention (i.e., employing specially trained physical education teachers). The fitness intervention was implemented in a cross-over design and schools were randomly assigned to either an intervention-control or control-intervention group. The remedial physical education intervention consisted of a 14 week, 2 x 45 minutes per week remedial physical education curriculum supplemented by a physical exercise homework program. Assessments were conducted at the beginning and end of each intervention and control period, and further assessments were conducted at the beginning and end of each school year until the end of sixth grade. Physical fitness as the primary outcome was assessed using fitness tests implemented in the EMOTIKON study (i.e., lower body muscular strength (standing long jump), speed (20 m sprint), cardiorespiratory fitness (6 min run), agility (star run), upper body muscular strength (ball push test), and balance (one leg balance)). Executive functions as a secondary outcome were assessed using attention and psychomotor processing speed (digit symbol substitution test), mental flexibility and fine motor skills (trail making test), and inhibitory control (Simon task). Anthropometric measures such as body height, body mass, maturity offset, and body composition parameters, as well as socioeconomic information were recorded as potential moderators. Results: (1) The evaluation of possible effects of the remedial physical education intervention on physical fitness and executive functions of children with deficits in their physical fitness did not reveal any detectable intervention-related improvements in physical fitness or executive functions. The implemented analysis strategies also showed moderating effects of body mass index (BMI) on performance in 6 min run, star run, and standing long jump, with children with a lower BMI performing better, moderating effects of proximity to Berlin on performance in the 6 min run and standing long jump, better performances being found in children living closer to Berlin, and overall gendered differences in executive function test performance, with boys performing better compared to girls. (2) Analysing moderating effects of body height and body mass on physical fitness performance, better overall physical fitness performance was found for taller children. For body mass, a negative effect was found on performance in the 6 min run (linear), standing long jump (linear), and 20 m sprint (quadratic), with better performance associated with lighter children, and a positive effect of body mass on performance in the ball push test, with heavier children performing better. In addition, the analysis revealed significant interactions between body height and body mass on performance in 6 min run and 20 m sprint, with higher body mass being associated with performance improvements in larger children, while higher body mass was associated with performance declines in smaller children. In addition, the analysis revealed overall age-related improvements in physical fitness and was able to show that children with better overall physical fitness also elicit greater age-related improvements. (3) In the analysis of moderating effects of age and maturity offset on physical fitness performances, two unrotated principal components of z-transformed age and maturity offset values were calculated (i.e., relative growth = (age + maturity offset)/2; growth delay = (age - maturity offset)) to avoid colinearity. Analysing these constructs revealed positive effects of relative growth on performances in star run, 20 m sprint, and standing long jump, with children of higher relative growth performing better. For growth delay, positive effects were found on performances in 6 min run and 20 m sprint, with children having larger growth delays showing better performances. Further, the model revealed gendered differences in 6 min run and 20 m sprint performances with girls performing better than boys. (4) Analysing the effects of physical fitness tests on executive function revealed a positive effect of star run and one leg balance performance and a negative effect of 6 min run performance on reaction speed in the Simon task. However, these effects were not detectable when individual differences were accounted for. Then these effects showed overall positive effects, with better performances being associated with faster reaction speeds. In addition, the analysis revealed a positive correlation between overall reaction speed and effects of the 6 min run, suggesting that children with greater effects of 6 min run had faster overall reaction speeds. Negative correlations were found between star run effects and age effects on Simon task reaction speed, meaning that children with larger star run effects had smaller age effects, and between 6 min run effects and star run effects on Simon task reaction speed, meaning that children with larger 6 min run effects tended to have smaller star run effects on Simon task reaction speed and vice versa. Conclusions: (1) The lack of detectable intervention-related effects could have been caused by an insufficient intervention period, by the implementation of comprehensive and thus non- specific exercises, or by both. Accordingly, longer intervention periods and/or more specific exercises may have been more beneficial and could have led to detectable improvements in physical fitness and/or executive function. However, it remains unclear whether these interventions can benefit children with deficits in physical fitness, as it is possible that their deficits are not caused by a mere lack of exercise, but rather depend on the socioeconomic conditions of the children and their families and areas. Therefore, further research is needed to assess the moderation of physical fitness in children with physical fitness deficits and, in particular, the links between children’s environment and their physical fitness trajectories. (2) Findings from this work suggest that using BMI as a composite of body height and body mass may not be able to capture the variation associated with these parameters and their interactions. In particular, because of their multidirectional associations, further research would help elucidate how BMI and its subcomponents influence physical fitness and how they vary between children with and without physical fitness deficits. (3) The assessment of growth- related changes indicated negative effects associated with the growth spurt approaching age of peak height velocity, and furthermore showed significant differences in these effects between children. Thus, these effects and possible interindividual differences should be considered in the assessment of the development of physical fitness in children. (4) Furthermore, this work has shown that the associations between physical fitness and executive functions vary between children and may be moderated by children’s socioeconomic conditions and the structure of their daily activities. Further research is needed to explore these associations using approaches that account for individual variance.…
• Hintergrund: Die körperliche Fitness ist ein zentraler Aspekt der Fähigkeit von Kindern, Aktivitäten des täglichen Lebens auszuführen, sich in der Freizeit zu betätigen, und wird mit wichtigen Gesundheitsmerkmalen in Verbindung gebracht. Als solche zeigt sie multidirektionale Assoziationen mit dem Gewichtsstatus sowie den exekutiven Funktionen und variiert in Abhängigkeit von einer Vielzahl moderierender Faktoren wie dem Geschlecht, dem Alter, dem geografischen Standort und den sozioökonomischen Bedingungen und Kontexten des Kindes. Die Bewertung und Beobachtung der körperlichen Fitness von Kindern hat in den letzten Jahrzehnten an Aufmerksamkeit gewonnen, ebenso wie die Frage, wie die körperliche Fitness durch die Umsetzung einer Vielzahl von Programmen und Maßnahmen gefördert werden kann. Allerdings konzentrieren sich diese Programme und Maßnahmen nur selten auf Kinder mit Defiziten in ihrer körperlichen Fitness. Aufgrund ihrer Defizite haben diese Kinder im Vergleich zu ihren durchschnittlich fitten Mitschülern das höchste Risiko,Hintergrund: Die körperliche Fitness ist ein zentraler Aspekt der Fähigkeit von Kindern, Aktivitäten des täglichen Lebens auszuführen, sich in der Freizeit zu betätigen, und wird mit wichtigen Gesundheitsmerkmalen in Verbindung gebracht. Als solche zeigt sie multidirektionale Assoziationen mit dem Gewichtsstatus sowie den exekutiven Funktionen und variiert in Abhängigkeit von einer Vielzahl moderierender Faktoren wie dem Geschlecht, dem Alter, dem geografischen Standort und den sozioökonomischen Bedingungen und Kontexten des Kindes. Die Bewertung und Beobachtung der körperlichen Fitness von Kindern hat in den letzten Jahrzehnten an Aufmerksamkeit gewonnen, ebenso wie die Frage, wie die körperliche Fitness durch die Umsetzung einer Vielzahl von Programmen und Maßnahmen gefördert werden kann. Allerdings konzentrieren sich diese Programme und Maßnahmen nur selten auf Kinder mit Defiziten in ihrer körperlichen Fitness. Aufgrund ihrer Defizite haben diese Kinder im Vergleich zu ihren durchschnittlich fitten Mitschülern das höchste Risiko, gesundheitliche Beeinträchtigungen zu erleiden. Bei Bemühungen zur Förderung der körperlichen Fitness könnten Schulen vielversprechende und praktikable Ansätze für Interventionen bieten, da sie Zugang zu großen Teilen der jüngeren Bevölkerung bieten und gleichzeitig eine nützliche Infrastruktur bereitstellen. Es gibt Hinweise darauf, dass schulische Maßnahmen zur Förderung der körperlichen Fitness, insbesondere solche, die einen zusätzlichen Sportunterricht beinhalten, für die Förderung und Verbesserung der körperlichen Fitness von Kindern mit normaler Fitness nützlich sind. Es gibt jedoch nur wenige Belege dafür, ob diese Maßnahmen ähnliche oder sogar größere Auswirkungen auf Kinder mit Defiziten in ihrer körperlichen Fitness haben. Darüber hinaus stellt sich die Frage, ob diese Maßnahmen dazu beitragen, die Entwicklung/den Verlauf der körperlichen Fitness dieser Kinder nachhaltig zu verbessern. Mit der vorliegenden Arbeit sollen die folgenden vier Ziele untersucht werden: (1) Evaluierung der Auswirkungen einer 14-wöchigen Intervention mit 2 x 45 Minuten pro Woche zusätzlichem Sportförderunterricht auf die körperliche Fitness und die exekutive Funktion bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness; (2) Bewertung der moderierenden Effekte von Körperhöhe und Körpermasse auf die Komponenten der körperlichen Fitness bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness; (3) Bewertung der moderierenden Effekte von Alter und Skelettwachstum auf die körperliche Fitness bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness; und (4) Analyse der moderierenden Effekte der verschiedenen Komponenten der körperlichen Fitness auf die exekutive Funktion bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness. Methoden: Anhand von Daten zur körperlichen Fitness aus der EMOTIKON-Studie wurden 76 Drittklässler mit Defiziten in der körperlichen Fitness in 11 Schulen im Land Brandenburg identifiziert, die die Voraussetzungen für die Durchführung einer Fördermaßnahme im Sportunterricht erfüllten (d. h. speziell ausgebildete Sportlehrer beschäftigten). Die Fitnessintervention wurde in einem Cross-over-Design durchgeführt, und die Schulen wurden nach dem Zufallsprinzip entweder einer Interventions-Kontroll- oder einer Kontroll-Interventionsgruppe zugewiesen. Der Sportunterricht bestand aus einem 14-wöchigen, 2 x 45 Minuten pro Woche dauernden Sportunterricht, der durch ein Hausaufgabenprogramm für körperliche Übungen ergänzt wurde. Messungen wurden zu Beginn und am Ende jedes Interventions- und Kontrollzeitraums sowie zu Beginn und am Ende eines jeden Schuljahres bis zum Ende der sechsten Klasse durchgeführt. Die körperliche Fitness als primäres Ergebnis wurde anhand von Fitnesstests ermittelt, die im Rahmen der EMOTIKON-Studie durchgeführt wurden (d. h. Muskelkraft der unteren Körperhälfte (Standweitsprung), Schnelligkeit (20-m-Sprint), kardiorespiratorische Fitness (6-Minuten-Lauf), Beweglichkeit (Sternlauf), Muskelkraft der oberen Körperhälfte (Kugelstoßtest) und Gleichgewicht (Einbeinstand)). Exekutive Funktionen als sekundäres Ergebnis wurden anhand der Aufmerksamkeit und der psychomotorischen Verarbeitungsgeschwindigkeit (Digit Symbol Substitution Test), der geistigen Flexibilität und der Feinmotorik (Trail Making Test) sowie der hemmenden Kontrolle (Simon Task) untersucht. Anthropometrische Maße wie Körperhöhe, Körpermasse, Maturity Offset und Parameter der Körperzusammensetzung sowie sozioökonomische Informationen wurden als potenzielle Moderatoren erfasst. Ergebnisse: (1) Die Evaluation möglicher Effekte der Sportförderunterrichts-Intervention auf die körperliche Fitness und die exekutiven Funktionen von Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness ergab keine nachweisbaren interventionsbedingten Verbesserungen der körperlichen Fitness oder der exekutiven Funktionen. Die implementierten Analysestrategien zeigten auch moderierende Effekte des Body-Mass-Index (BMI) auf die Leistungen im 6-Minuten-Lauf, im Sternlauf und im Standweitsprung, wobei Kinder mit einem niedrigeren BMI bessere Leistungen erbrachten, moderierende Effekte der Nähe zu Berlin auf die Leistungen im 6-Minuten-Lauf und im Standweitsprung, wobei Kinder, die näher an Berlin wohnten, bessere Leistungen erbrachten, sowie allgemeine geschlechtsspezifische Unterschiede bei den Leistungen im Exekutivfunktionstest, wobei Jungen besser abschnitten als Mädchen. (2) Die Analyse der moderierenden Effekte von Körperhöhe und Körpermasse auf die körperliche Fitnessleistung ergab, dass größere Kinder insgesamt eine bessere körperliche Fitnessleistung erbrachten. Darüber hinaus ergab die Analyse signifikante Wechselwirkungen zwischen Körperhöhe und Körpermasse auf die Leistung im 6-Minuten-Lauf und im 20-Meter-Sprint, wobei eine höhere Körpermasse mit Leistungsverbesserungen bei größeren Kindern verbunden war, während eine höhere Körpermasse mit Leistungseinbußen bei kleineren Kindern einherging. Darüber hinaus ergab die Analyse altersbedingte Gesamtverbesserungen der körperlichen Fitness und konnte zeigen, dass Kinder mit einer besseren allgemeinen körperlichen Fitness auch größere altersbedingte Verbesserungen erzielen. (3) Bei der Analyse der moderierenden Effekte von Alter und Reifeverschiebung auf die körperlichen Fitnessleistungen wurden zwei nicht rotierte Hauptkomponenten der z-transformierten Werte von Alter und Reifeverschiebung berechnet (d. h. relatives Wachstum = (Alter + Reifeverschiebung)/2; Wachstumsverzögerung = (Alter - Reifeverschiebung)), um Kolinearität zu vermeiden. Die Analyse dieser Konstrukte ergab positive Auswirkungen des relativen Wachstums auf die Leistungen im Sternlauf, im 20-m-Sprint und im Standweitsprung, wobei Kinder mit einem höheren relativen Wachstum bessere Leistungen erzielten. Für die Wachstumsverzögerung wurden positive Effekte auf die Leistungen im 6-Minuten-Lauf und im 20-Meter-Sprint festgestellt, wobei Kinder mit einer größeren Wachstumsverzögerung bessere Leistungen zeigten. Darüber hinaus zeigte das Modell geschlechtsspezifische Unterschiede bei den Leistungen im 6-Minuten-Lauf und im 20-Meter-Sprint, wobei Mädchen besser abschnitten als Jungen. (4) Die Analyse der Effekte der körperlichen Fitnesstests auf die exekutive Funktion ergab einen positiven Effekt des Sternlaufs und der einbeinigen Gleichgewichtsleistung und einen negativen Effekt der 6-minütigen Laufleistung auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Simon-Aufgabe. Diese Effekte waren jedoch nicht nachweisbar, wenn die individuellen Unterschiede im Modell berücksichtigt wurden. Dann zeigten diese Effekte insgesamt positive Auswirkungen, wobei bessere Leistungen mit schnelleren Reaktionsgeschwindigkeiten verbunden waren. Darüber hinaus ergab die Analyse eine positive Korrelation zwischen der Gesamtreaktionsgeschwindigkeit und den Effekten des 6-Minuten-Laufs, was darauf hindeutet, dass Kinder mit größeren Effekten des 6-Minuten-Laufs eine schnellere Gesamtreaktionsgeschwindigkeit aufwiesen. Negative Korrelationen wurden zwischen Sternlaufeffekten und Alterseffekten auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Simon-Aufgabe gefunden, was bedeutet, dass Kinder mit größeren Sternlaufeffekten kleinere Alterseffekte hatten, und zwischen 6-Minuten-Laufeffekten und Sternlaufeffekten auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Simon-Aufgabe, was bedeutet, dass Kinder mit größeren 6-Minuten-Laufeffekten tendenziell kleinere Sternlaufeffekte auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Simon-Aufgabe hatten und umgekehrt. Fazit: (1) Das Fehlen nachweisbarer interventionsbezogener Effekte könnte durch eine unzureichende Interventionsdauer, durch die Durchführung umfassender und damit unspezifischer Übungen oder durch eine Kombination beider Faktoren verursacht worden sein. Dementsprechend könnten längere Interventionszeiträume und/oder spezifischere Übungen vorteilhafter gewesen sein und zu nachweisbaren Verbesserungen der körperlichen Fitness und/oder der exekutiven Funktionen geführt haben. Es bleibt jedoch unklar, ob diese Interventionen Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness zugute kommen können, da es möglich ist, dass ihre Defizite nicht durch einen bloßen Bewegungsmangel verursacht werden, sondern vielmehr von den sozioökonomischen Bedingungen der Kinder und ihrer Familien und Gegenden abhängen. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Moderation der körperlichen Fitness bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness und insbesondere die Zusammenhänge zwischen dem Umfeld der Kinder und ihrer Entwicklung der körperlichen Fitness zu analysieren. (2) Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die Verwendung des BMI als Kompositum von Körperhöhe und Körpermasse möglicherweise nicht in der Lage ist, die mit diesen Parametern und ihren Wechselwirkungen verbundene Variation zu erfassen. Insbesondere aufgrund ihrer multidirektionalen Zusammenhänge würde weitere Forschung dazu beitragen, zu klären, wie der BMI und seine Unterkomponenten die körperliche Fitness beeinflussen und wie sie zwischen Kindern mit und ohne körperliche Fitnessdefizite variieren. (3) Die Bewertung der wachstumsbedingten Veränderungen deutete auf negative Auswirkungen im Zusammenhang mit dem Wachstumsschub hin, der sich dem Alter der Spitzen-Höhengeschwindigkeit nähert, und zeigte darüber hinaus signifikante Unterschiede bei diesen Auswirkungen zwischen Kindern. Daher sollten diese Effekte und mögliche interindividuelle Unterschiede bei der Bewertung der Entwicklung der körperlichen Fitness von Kindern berücksichtigt werden. (4) Darüber hinaus hat diese Arbeit gezeigt, dass die Zusammenhänge zwischen körperlicher Fitness und exekutiven Funktionen von Kind zu Kind unterschiedlich sind und möglicherweise durch die sozioökonomischen Bedingungen der Kinder und die Struktur ihrer täglichen Aktivitäten moderiert werden könnten. Weitere Forschung ist erforderlich, um diese Zusammenhänge mit Hilfe von Ansätzen zu untersuchen, die die individuelle Varianz berücksichtigen.…