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Kraft und Kognition
(2023)
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 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].
Im kognitiven Vulnerabilitäts-Stress-Modell der Depression von A.T. Beck (1967, 1976) spielen dysfunktionale Einstellungen bei der Entstehung von Depression in Folge von erlebtem Stress eine zentrale Rolle. Diese Theorie prägt seit Jahrzehnten die ätiologische Erforschung der Depression, jedoch ist die Bedeutung dysfunktionaler Einstellungen im Prozess der Entstehung einer Depression insbesondere im Kindes- und Jugendalter nach wie vor unklar. Die vorliegende Arbeit widmet sich einigen in der bisherigen Forschung wenig behandelten Fragen. Diese betreffen u. a. die Möglichkeit nichtlinearer Effekte dysfunktionaler Einstellungen, Auswirkungen einer Stichprobenselektion, Entwicklungseffekte sowie die Spezifität etwaiger Zusammenhänge für eine depressive Symptomatik.
Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Daten von zwei Messzeitpunkten der PIER-Studie, eines großangelegten Längsschnittprojekts über Entwicklungsrisiken im Kindes- und Jugendalter, genutzt. Kinder und Jugendliche im Alter von 9 bis 18 Jahren berichteten zweimal im Abstand von ca. 20 Monaten im Selbstberichtsverfahren über ihre dysfunktionalen Einstellungen, Symptome aus verschiedenen Störungsbereichen sowie über eingetretene Lebensereignisse.
Die Ergebnisse liefern Evidenz für ein Schwellenmodell, in dem dysfunktionale Einstellungen unabhängig von Alter und Geschlecht nur im höheren Ausprägungsbereich eine Wirkung als Vulnerabilitätsfaktor zeigen, während im niedrigen Ausprägungsbereich keine Zusammenhänge zur späteren Depressivität bestehen. Eine Wirkung als Vulnerabilitätsfaktor war zudem nur in der Subgruppe der anfänglich weitgehend symptomfreien Kinder und Jugendlichen zu beobachten. Das Schwellenmodell erwies sich als spezifisch für eine depressive Symptomatik, es zeigten sich jedoch auch (teilweise ebenfalls nichtlineare) Effekte dysfunktionaler Einstellungen auf die Entwicklung von Essstörungssymptomen und aggressivem Verhalten. Bei 9- bis 13-jährigen Jungen standen dysfunktionale Einstellungen zudem in Zusammenhang mit einer Tendenz, Stress in Leistungskontexten herbeizuführen.
Zusammen mit den von Sahyazici-Knaak (2015) berichteten Ergebnissen aus der PIER-Studie weisen die Befunde darauf hin, dass dysfunktionale Einstellungen im Kindes- und Jugendalter – je nach betrachteter Subgruppe – Ursache, Symptom und Konsequenz der Depression darstellen können. Die in der vorliegenden Arbeit gezeigten nichtlinearen Effekte dysfunktionaler Einstellungen und die Effekte der Stichprobenselektion bieten eine zumindest teilweise Erklärung für die Heterogenität früherer Forschungsergebnisse. Insgesamt lassen sie auf komplexe – und nicht ausschließlich negative – Auswirkungen dysfunktionaler Einstellungen schließen. Für eine adäquate Beurteilung der „Dysfunktionalität“ der von A.T. Beck so betitelten Einstellungen erscheint daher eine Berücksichtigung der betrachteten Personengruppe, der absoluten Ausprägungen und der fraglichen Symptomgruppen geboten.
Balance ist als die koordinative Fähigkeit anzusehen, die am meisten durch das Sinnes- und Nervensystem determiniert ist. Damit könnte sie als Indikator für Funktionseinschränkungen des Nervensystems - etwa bei Lernstörungen - von Wert sein. Aussagen über Zusammenhänge zwischen Balance und Kognition werden vielfach diskutiert, sind jedoch noch nicht hinreichend wissenschaftlich gesichert. Hieraus wird die zentrale Zielstellung der Arbeit abgeleitet, das Wissen über somatische und psychische Determinanten von Balance zu erweitern. Betrachtet werden daher bei Vorschulkindern mögliche Zusammenhänge mit dem Geschlecht, mit den anthropometrischen Parametern Körperhöhe und Fußgröße, mit Statikstörungen des Beckens und der Intelligenzleistung. An der Studie nahmen insgesamt 201 drei- bzw. vierjährige Kinder sowie 148 fünf- bzw. sechsjährige Kinder teil. Die Balancefähigkeit wurde mit Hilfe einer Kraftmomentenplattform sowie eines klinischen Tests erfasst und mit anthropometrischen Parametern, qualitativen statischen Befunden bzw. den Ergebnissen des BIVA-Intelligenztests nach SCHAARSCHMIDT verglichen. Für die Auswertung der Balanceparameter wurden sowohl lineare als auch nichtlineare Verfahren eingesetzt, die zum Teil gegenläufige Trends in Bezug auf Zusammenhänge lieferten. Im Ergebnis konnte ein starker Einfluss des Geschlechts nachgewiesen werden. Mädchen zeigten eine bessere Balanceleistung als Jungen sowohl bei 3-Jährigen als auch bei 6-Jährigen. Dies wird als Beleg für den geschlechtsspezifischen Vorsprung der sensomotorischen Entwicklung bei den Mädchen im Alter von 3 bis 6 Jahren angesehen. Außerdem gab es einige Hinweise auf einen Zusammenhang mit der Körperhöhe bzw. Fußlänge. Ein Zusammenhang mit den Umstellungen des ersten Gestaltwandels wird vermutet. Die Daten sprechen für einen statistisch schwachen Einfluss von Störungen der Beckenstatik (Beckenverwringung) auf die Balance bei den Kindern. Es wird vermutet, dass die Verrechnung Balance relevanter Inputs durch nozizeptive Impulse beeinträchtig werden kann. Dies könnte Anlass sein, diesen Aspekt bei Funktionsstörungen mit zu berücksichtigen. Signifikante Zusammenhänge mit Ergebnissen des BIVA-Intelligenztests konnten kaum gefunden werden. Allerdings fallen überzufällig viele Mittelwertvergleiche in Richtung der Hypothese aus, erreichen jedoch nicht Signifikanzniveau. Dies könnte ein Hinweis auf einen schwachen Zusammenhang darstellen, der jedoch mit einer größeren Gruppe noch bestätigt werden müsste. Weitere Forschung auf diesem Gebiet ist erforderlich. Sollte hinreichende Evidenz erreicht werden können, so könnte in der Förderung koordinativer Fähigkeiten und insbesondere der posturalen Balance eine wichtige pädagogische Reserve liegen.
Nikotin in den unterschiedlichsten Darreichungsformen verringert bei verschiedenen Spezies im räumlichen Hinweisreizparadigma die Kosten invalider Hinweisreize. Welcher Teilprozess genau durch Nikotin beeinflusst wird, ist bislang nicht untersucht worden. Die gängige Interpretation ist, daß Nikotin das Loslösen von Aufmerksamkeit von einem bisher beachteten Ort erleichtert. In fünf Studien, drei elektrophysiologischen und zwei behavioralen wurden drei mögliche Mechanismen der Nikotinwirkung an Nichtrauchern untersucht. Experiment 1 und 2 gingen der Frage nach, ob Nikotin eine Modulation sensorischer gain Kontrolle bewirkt. Dazu wurden ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) im Posner-Paradigma erhoben und die Wirkung von Nikotin auf die aufmerksamkeitsassoziierten Komponenten P1 und N1 betrachtet. Nikotin verringerte die Kosten invalider Hinweisreize bei Aufmerksamkeitslenkung durch endogene Hinweisreize, nicht aber bei exogenen Hinweisreizen. Die P1 und N1 Komponenten zeigten sich unbeeinflusst von Nikotin, damit findet also die Annahme einer Wirkung auf sensorische Suppression keine Unterstützung. In Experiment 3 und 4 wurde untersucht, ob Nikotin einen Effekt auf kostenträchtige unwillkürliche Aufmerksamkeitsverschiebungen, Distraktionen, hat. In Experiment 3 wurden in einem räumlichen Daueraufmerksamkeitsparadigma Distraktionen durch deviante Stimulusmerkmale ausgelöst und die Wirkung von Nikotin auf eine distraktionsassoziierte Komponente des EKP, die P3a, betrachtet. In Experiment 4 wurde in einem Hinweisreizparadigma durch zusätzliche Stimuli eine Distraktion ausgelöst und die Nikotinwirkung auf die Reaktionszeitkosten untersucht. Nikotin zeigte keinen Einfluss auf Distraktionskosten in beiden Studien und auch keine Wirkung auf die P3a Komponente in Experiment 3. In Experiment 4 wurde zusätzlich die Wirkung von Nikotin auf das Loslösen von Aufmerksamkeit untersucht, indem die Schwierigkeit des Loslösens variiert wurde. Auch hier zeigte sich keine Nikotinwirkung. Allerdings konnte in beiden Studien weder die häufig berichtete generelle Reaktionszeitverkürzung noch die Verringerung der Kosten invalider Hinweisreize repliziert werden, so dass zum Einen keine Aussage über die Wirkung von Nikotin auf Distraktionen oder den Aufmerksamkeitsloslöseprozess gemacht werden können, zum Anderen sich die Frage stellte, unter welchen Bedingungen Nikotin einen differentiellen Effekt überhaupt zeigt. Im letzten Experiment wurde hierzu die Häufigkeit der Reaktionsanforderung einerseits und die zeitlichen Aspekte der Aufmerksamkeitslenkung andererseits variiert und der Effekt des Nikotins auf den Validitätseffekt, die Reaktionszeitdifferenz zwischen valide und invalide vorhergesagten Zielreizen, betrachtet. Nikotin verringerte bei Individuen, bei denen Aufmerksamkeitslenkung in allen Bedingungen evident war, in der Tendenz den Validitätseffekt in der ereignisärmsten Bedingung, wenn nur selten willentliche Aufmerksamkeitsausrichtung notwendig war. Dies könnte als Hinweis gedeutet werden, dass Nikotin unter Bedingungen, die große Anforderungen an die Vigilanz stellen, die top-down Zuweisung von Aufmerksamkeitsressourcen unterstützt.