Fabian Herold

• Die in den letzten Jahren aus Querschnittstudien gewonnenen empirischen Erkenntnisse deuten auf einen Zusammenhang zwischen muskulärer Kraftleistungsfähigkeit und kognitiver Leistungsfähigkeit hin [10]. Diese Beobachtung wird von Längsschnittstudien gestützt, bei denen in Folge gezielter Krafttrainingsinterventionen, welche typischerweise zur Steigerung der muskulären Kraftleistungsfähigkeit führen, Verbesserungen der kognitiven Leistungsfähigkeit dokumentiert werden konnten [11]. Die zugrundeliegenden Mechanismen, die den Zusammenhang zwischen muskulärer Kraftleistungsfähigkeit und kognitiver Leistungsfähigkeit begründen, sind jedoch noch nicht vollständig bekannt und bedürfen weiterer Forschung [10,12]. Vor diesem Hintergrund hatten die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Forschungsarbeiten das übergeordnete Ziel, die Mechanismen zu untersuchen, welche den Zusammenhang zwischen der muskulären Kraftleistungsfähigkeit und der kognitiven Leistungsfähigkeit erklären können. In dieser Arbeit wurden dazu unterschiedlicheDie in den letzten Jahren aus Querschnittstudien gewonnenen empirischen Erkenntnisse deuten auf einen Zusammenhang zwischen muskulärer Kraftleistungsfähigkeit und kognitiver Leistungsfähigkeit hin [10]. Diese Beobachtung wird von Längsschnittstudien gestützt, bei denen in Folge gezielter Krafttrainingsinterventionen, welche typischerweise zur Steigerung der muskulären Kraftleistungsfähigkeit führen, Verbesserungen der kognitiven Leistungsfähigkeit dokumentiert werden konnten [11]. Die zugrundeliegenden Mechanismen, die den Zusammenhang zwischen muskulärer Kraftleistungsfähigkeit und kognitiver Leistungsfähigkeit begründen, sind jedoch noch nicht vollständig bekannt und bedürfen weiterer Forschung [10,12]. Vor diesem Hintergrund hatten die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Forschungsarbeiten das übergeordnete Ziel, die Mechanismen zu untersuchen, welche den Zusammenhang zwischen der muskulären Kraftleistungsfähigkeit und der kognitiven Leistungsfähigkeit erklären können. In dieser Arbeit wurden dazu unterschiedliche Populationen (junge Menschen und ältere Menschen ohne und mit leichten kognitiven Störungen) unter Anwendung verschiedener untersuchungsmethodischer Ansätze (systematische Literaturrecherche, Doppelaufgabenparadigma und funktionelle Nahinfrarotspektroskopie) untersucht. Aufgrund der im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Forschungsarbeiten, die konsekutiv aufeinander aufbauen, konnten folgende Haupterkenntnisse gewonnen werden: • Um einen umfassenden Überblick über die aktuelle Evidenzlage zum Thema Kraftleistungsfähigkeit und kognitiver Leistungsfähigkeit sowie den zugrundeliegenden neuronalen Korrelaten zu erlangen, wurde eine systematische Literaturrecherche zu diesem Forschungsthema durchgeführt. Die Ergebnisse dieser systematischen Literaturrecherche dokumentieren, dass ein gezieltes Krafttraining neben der Steigerung der kognitiven Leistungsfähigkeit zu funktionellen und strukturellen Veränderungen des Gehirns, insbesondere in frontalen Gehirnregionen, führen kann [13]. Ferner zeigen die Ergebnisse dieser systematischen Literaturrecherche, bei der eine begrenzte Anzahl verfügbarer Studien (n = 18) identifiziert wurde, den Bedarf weiterer Forschungsarbeiten zu diesem Themenfeld an [13]. • Zur Überprüfung der Hypothese, dass zur Ausführung von Krafttrainingsübungen höhere kognitive Prozesse benötigt werden, wurde in einer experimentellen Studie bei jüngeren gesunden Erwachsenen das Doppelaufgabenparadigma bei der Krafttrainingsübung Knie-beuge angewendet. Die in dieser Studie beobachteten Doppelaufgabenkosten bei der Ausführung der Krafttrainingsübung Kniebeuge (im Vergleich zur Kontrollbedingung Stehen) deuten auf die Beteiligung höherer kognitiver Prozesse zur Lösung dieser Bewegungsaufgabe hin und bestätigen die aufgestellte Hypothese [14]. • Um die Hypothese zu untersuchen, dass spezifische neuronale Korrelate (funktionelle Gehirnaktivität) den Zusammenhang zwischen muskulärer Kraftleistungsfähigkeit und kognitiver Leistungsfähigkeit vermitteln, wurde bei jungen gesunden Erwachsenen der Zusammenhang zwischen der Ausprägung der maximalen Handgriffkraft (normalisiert auf den Body-Mass-Index) und der kortikalen hämodynamischen Antwortreaktion untersucht, die bei der Durchführung eines standardisierten kognitiven Tests mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie in präfrontalen Gehirnarealen gemessen wurde. Im Rahmen dieser Querschnittsstudie konnte die initiale Hypothese nicht vollständig bestätigt werden, da zwar Zusammenhänge zwischen maximaler Handgriffkraft und kognitiver Leistungsfähigkeit mit Parametern der hämodynamischen Antwortreaktion beobachtet wurden, aber die Ausprägung der maximalen Handgriffkraft nicht im Zusammenhang mit der Kurzeitgedächtnisleistung stand [16]. • Zur Untersuchung der Annahme, dass eine vorliegende neurologische Erkrankung (im Speziellen eine leichte kognitive Störung), die typischerweise mit Veränderungen von spezifischen neuronalen Korrelaten (z.B. des Hippokampus‘ [17-19] und des präfrontalen Kortex‘ [20,21]) einhergeht, einen Einfluss auf die Assoziation zwischen muskulärer Kraftleistungsfähigkeit und kognitiver Leistungsfähigkeit hat, wurde in einer Querschnittsstudie der Zusammenhang zwischen der Ausprägung der maximalen Handgriffkraft (normalisiert auf den Body-Mass-Index) und der Ausprägung der exekutiven Funktionen bei älteren Erwachsenen mit amnestischem und nicht-amnestischem Subtyp der leichten kognitiven Störung sowie gesunden älteren Erwachsenen untersucht. In dieser Querschnittsstudie wurde nur bei älteren Erwachsenen mit dem amnestischen Subtyp der leichten kognitiven Störung ein Zusammenhang zwischen maximaler Handgriffkraft und exekutiven Funktionen beobachtet. Solch eine Korrelation existiert jedoch nicht bei älteren Erwachsenen mit dem non-amnestischen Subtyp der leichten kognitiven Störung oder bei gesunden älteren Erwachsenen [24]. • In einem Perspektivenartikel wurde aufgezeigt, wie durch die theoriegeleitete Nutzung physiologischer Effekte, die bei einer speziellen Krafttrainingsmethode durch die Moderation des peripheren Blutflusses mittels Manschetten oder Bändern auftreten, insbesondere Populationen mit niedriger mechanischer Belastbarkeit von den positiven Effekten des Krafttrainings auf die Gehirngesundheit profitieren könnten [25]. Insgesamt deuten die Ergebnisse der in dieser Dissertation zusammengeführten und aufeinander aufbauenden Forschungsarbeiten auf das Vorhandensein von gemeinsamen neuronalen Korrelaten (z.B. frontaler Kortex) hin, die sowohl für die muskuläre Kraftleistungsfähigkeit als auch für höhere kognitive Prozesse eine wichtige Rolle spielen [26]. Betrachtet man die in der vorliegenden Dissertation gewonnenen Erkenntnisse im Verbund mit den bereits in der Literatur existieren-den empirischen Belegen, unterstützen sie die Sichtweise, dass eine relativ hohe muskuläre Kraftleistungsfähigkeit und deren Erhalt durch gezielte Krafttrainingsinterventionen über die Lebenspanne positive Effekte auf die (Gehirn-)Gesundheit haben können [27].…
• In recent years, the findings from cross-sectional studies have suggested a relationship between muscular strength and cognitive performance [10]. This observation is supported by longitudinal studies in which improvements in cognitive performance have been documented in response to resistance training interventions which typically lead to an increase in muscular strength [11]. However, the underlying mechanisms that drive the association between muscular strength and cognitive performance are yet not fully understood and require further research [10,12]. With this in mind, the research conducted in this dissertation aimed to investigate the mechanisms that can explain the associations between muscular strength and cognitive performance. In this work, different populations (i.e., younger adults, and older adults without and with mild cognitive impairment) were studied using several methodological approaches (i.e., systematic literature review, dual-task paradigm, and functional near-infrared spectroscopy). The following key findingsIn recent years, the findings from cross-sectional studies have suggested a relationship between muscular strength and cognitive performance [10]. This observation is supported by longitudinal studies in which improvements in cognitive performance have been documented in response to resistance training interventions which typically lead to an increase in muscular strength [11]. However, the underlying mechanisms that drive the association between muscular strength and cognitive performance are yet not fully understood and require further research [10,12]. With this in mind, the research conducted in this dissertation aimed to investigate the mechanisms that can explain the associations between muscular strength and cognitive performance. In this work, different populations (i.e., younger adults, and older adults without and with mild cognitive impairment) were studied using several methodological approaches (i.e., systematic literature review, dual-task paradigm, and functional near-infrared spectroscopy). The following key findings have emerged from the research that has been conducted in the context of this dissertation: • In order to obtain a comprehensive overview of the current state of evidence regarding the associations of muscular strength and cognitive performance, as well as the underlying neuronal correlates, a systematic literature review has been conducted. The results of this systematic literature review revealed that resistance training not only improves cognitive performance but also leads to functional and structural changes in the brain, particularly in frontal brain regions [13]. Furthermore, the limited number of available studies (n = 18) that have been identified in the course of this systematic review, suggests that further research on this topic is necessary to draw more robust conclusions [13]. • To test the hypothesis that higher-level cognitive processes are required to perform resistance exercises, we conducted in younger adults an experimental study in which we utilized the dual-task paradigm while participants performed squats. In this study, we observed cognitive dual-task costs during the squatting condition (as compared to the control condition standing). The latter finding points towards an involvement of higher cognitive processes in the motor control of squats and confirms our above-stated hypothesis [14]. • To investigate the hypothesis that specific neural correlates (functional brain activity) mediate the relationship between muscular strength and cognitive performance, we studied in healthy younger adults the relationship between maximal handgrip strength (normalized to body mass index) and the cortical hemodynamic response measured in prefrontal brain areas during the performance of a standardized cognitive test by applying functional near-infrared spectroscopy. In this cross-sectional study, the initial hypothesis was only partly confirmed as we observed correlations between maximal handgrip strength and cognitive performance with parameters of the cortical hemodynamic response. However, we did not find compelling evidence for a relationship between maximal handgrip strength and short-term memory performance nor for a mediation [16]. • To investigate the hypothesis that the presence of a neurological disorder (in particular mild cognitive impairment), which is typically linked to changes in specific neural correlates (e.g. of the hippocampus [17-19] and prefrontal cortex [20,21]), has an effect on the association between muscular strength and cognitive performance, we studied in older adults with amnestic and non-amnestic subtypes of mild cognitive impairment and healthy older adults possible group differences concerning the associations between maximal handgrip strength (normalized to body mass index) and executive functions. In this cross-sectional study, a correlation between maximal handgrip strength and executive functions was only observed in older adults with the amnestic subtype of mild cognitive impairment. However, such a correlation was not noticed in older adults with the non-amnestic subtype of mild cognitive impairment or healthy older adults [24]. • In a perspective article, we provide a theory-driven rationale on how the physiological processes induced by a novel resistance training method that is based on the modulation of the peripheral blood flow by applying cuffs or bands (also known as blood flow restriction training; BFR) can be a promising intervention strategy to foster brain health, especially in populations with low mechanical stress tolerance [25]. Taken together, the results of the research being described and summarized in this dissertation suggest that the association between muscular strength and higher cognitive processes relies upon shared neural correlates (e.g., frontal cortex) [26]. In conjunction with the empirical evidence that already exists in the scientific literature, the findings of the studies presented in this dissertation support the view that a relatively high level of muscular strength and its preservation over the lifespan by means of resistance training can have positive effects on (brain) health [27].…