Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

In den letzten Jahren häufen sich Befunde zur positiven Wirkung von körperlicher Aktivität auf kognitive Leistungen und Lernprozesse. Bisher weitestgehend unverstanden sind jedoch die zugrunde liegenden Wirkmechanismen, die unzweifelhaft in der komplexen Struktur und Funktion des Gehirns verborgen liegen. Die Anpassungsfähigkeit der Gehirnstruktur und –funktion, auch als Neuroplastizität bezeichnet, bietet hierbei eine konzeptionelle Grundlage, um die kurz- und langfristigen Auswirkungen von Bewegung auf das Gehirn und deren Leistungen zu untersuchen. In der vorliegenden Habilitation wurde der Versuch unternommen, grundlegende Befunde zur trainingsinduzierten Neuroplastizität in einem translationalen Ansatz systematisch in die Sportpraxis zu überführen. Die Eckpfeiler dieses translationalen Ansatzes bilden die Lokalisation von trainingsinduzierter Neuroplastizität, die Modulation von Neuroplastizität und Lernen sowie deren Implikationen für die Praxis des Leistungssports. Unter Verwendung der Magnetresonanztomografie (MRT) wurden zunächst dynamische Anpassungen in der motorischen Hirnrinde durch das Erlernen einer komplexen Gleichgewichtsaufgabe (Stabilometer) lokalisiert. Weitere Analysen erbrachten, dass diese Anpassungen offensichtlich nicht durch die reine Nutzung der bewegungsausführenden Muskelgruppen zustande kamen, sondern vielmehr durch das Erlernen eines neuen Koordinationsmusters. Dies unterstreicht die außerordentlich dynamischen Eigenschaften des motorischen Systems und bietet Angriffspunkte für eine Steigerung des motorischen Lernens durch neuromodulatorisch wirksame Ausdauerprogramme. Eine empirische Untersuchung bestätigte diese Annahme und zeigt eine langfristige Verbesserung der Stabilometerleistung durch ein zweiwöchiges Ausdauertraining nach. Insbesondere erwiesen sich hochintensive im Vergleich zu moderaten Belastungen als vorteilhaft für die Leistungsentwicklung über eine 6-wöchige Lernphase. Diese Ergebnisse unterstützen damit indirekt die aktuell vielfach diskutierte Annahme von Laktat als Einflussfaktor auf die Neuroplastizität. Sollten sich diese intensitätsspezifischen Effekte in zukünftigen Studien bestätigen lassen, ergibt sich die Notwendigkeit einer optimierten Belastungssteuerung in den vielfältigen Anwendungsfeldern von Sport und Bewegung. Geringere Steigerungsraten fanden sich hingegen im Training der technisch-kompositorischen Sportarten (Wasserspringen und Turnen), was sich u.a. mit den methodischen Schwierigkeiten der Feldforschung begründen lässt. Es wurde zudem ein MRT-Analyseansatz entwickelt, der erstmals Besonderheiten in der Gehirnstruktur einzelner Athleten objektiviert. Diese Arbeiten sollen exemplarisch die integrative Funktion neurowissenschaftlicher Forschung im Spannungsfeld von Sportwissenschaft und –praxis andeuten.

Neurowissenschaftliche Befunde haben gezeigt, dass Erfahrungs- und Lernprozesse die Gehirnfunktion und -struktur verändern können. Das Gehirn lässt sich makroskopisch in die graue und weiße Substanz sowie die Cerebrospinalflüssigkeit unterteilen. Während die Bereiche der grauen Substanz u.a. Neurone, Glia Zellen und Blutgefäße beinhalten, befinden sich die Nervenfaserverbindungen vornehmlich in der angrenzenden weißen Substanz. Längsschnittstudien zur Magnetresonanztomografie (MRT) konnten zeigen, dass sich die Struktur der grauen und weißen Substanz im Gehirn erwachsener Versuchspersonen durch motorische Lernprozesse verändern lässt. Da vergleichbare strukturelle Veränderungen auch durch Alterungs- und Krankheitsprozesse ausgelöst werden können, stellt sich die Frage, inwieweit motorische Trainingsinterventionen krankheits- und alterungsbedingte Gehirnveränderungen beeinflussen können? Bevor die klinische und präventive Bedeutung verschiedener Trainingsinterventionen in Evaluationsstudien überprüft werden kann, ist es jedoch erforderlich, die Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen den Strukturveränderungen und der Trainingsintervention genauer zu charakterisieren. In der vorliegenden Doktorarbeit konnte beispielhaft gezeigt werden, dass (1) bereits geringe Trainingsumfänge beim Erlernen einer neuen motorischen Aufgabe zu makroskopischen Strukturveränderungen führen, dass (2) lokale Strukturveränderungen in der grauen und weißen Substanz sowie globale Veränderungen in der funktionellen Netzwerkkonnektivität miteinander in Verbindung stehen können und dass (3) der zeitliche Verlauf der trainingsbedingten Struktur- und Funktionsveränderungen mit der individuellen Lernleistung zusammenhängt. Diese Ergebnisse erweitern den derzeitigen Kenntnisstand zur lernbedingten Neuroplastizität im menschlichen Gehirn und liefern Bezugspunkte zu bereits bekannten Plastizitätsprozessen auf der mikrostrukturellen Ebene im nicht-menschlichen Gehirn.

In dieser Dissertation untersuchten wir die neuronalen Korrelate des Training-Effektes einer auditorischen P300 Gehirn-Computer Schnittstelle mittels fMRI Analyse in einem prä-post Design mit zehn gesunden Testpersonen. Wir wiesen in drei Trainings-sitzungen einen Trainingseffekt in der EEG-Analyse der P300 Welle nach und fanden entsprechende Kontraste in einer prä-post Analyse von fMRI Daten, wobei in allen fünf Sitzungen das gleiche Paradigma verwendet wurde. In der fMRI Analyse fanden wir fol-gende Ergebnisse: in einem Target-/ Nichttarget Kontrast zeigte sich verstärkte Aktivie-rung in Generatorregionen der P300 Welle (temporale und inferiore frontale Regionen) und interessanterweise auch in motorassoziierten Arealen, was höhere kognitiver Pro-zesse wie Aufmerksamkeitslenkung und Arbeitsspeicher widerspiegeln könnte. Der Kon-trast des Trainingseffektes zeigte nach dem Training einen stärkeren Rebound Effekt im Sinne einer verstärkten Aktivierung in Generatorregionen der P300 Welle, was eine ver-besserte Erkennung und Prozessierung von Target-Stimuli reflektieren könnte. Eine Ab-nahme von Aktivierung in frontalen Arealen in diesem Kontrast könnte durch effizientere Abläufe kognitiver Prozesse und des Arbeitsgedächtnis erklärt werden. / In this dissertation we investigated the neuronal correlates of the training effect of an auditory P300-based brain-computer interface using fMRI analysis in a prae-post de-sign in a group of ten healthy probands. We showed a training effect during three training sessions with EEG analysis of the P300 wave and found corresponding contrasts in a prae-post analysis of fMRI data, while using the same paradigma in all sessions. In the fMRI analysis we found the following results: in a target / nontarget contrast we found enhancement of activation in generator regions of the P300 wave such as temporal and inferior frontal areas and interestingly also in motor associated areas which could reflect higher cognitive processes such as attention and working memory. In the contrast of the effects of training we found a stronger rebound effect as a correlate of stronger activation after training in generator regions of P300, possibly reflecting better discrimination and processing of stimuli. The decrease of activation in frontal areas in this contrast could be explained by increased efficiency of cognitive processing and working memory through training.

Mit zunehmendem Alter nimmt die Fähigkeit ab, sich an spezifische Details vergangener Ereignisse zu erinnern. Ein erfolgreicher Gedächtnisabruf hängt davon ab, dass Informationen während der gesamten mnemonischen Verarbeitung eindeutig im neuronalen Code repräsentiert werden, so dass die neuronalen Repräsentationen zwischen einzelnen Erfahrungen differenzieren. Im Vergleich zu jüngeren Erwachsenen ist die Genauigkeit, mit der Informationen im Gehirn repräsentiert werden, bei älteren Erwachsenen reduziert. Dieses Phänomen wird als altersbedingte neuronale Dedifferenzierung bezeichnet. In dieser Dissertation wird die Rolle der neuronalen Dedifferenzierung bei der Abnahme des episodischen Gedächtnisses im Alter in vier empirischen Studien untersucht. Studien I und II untersuchen, wie neuronale Repräsentationen visueller Reizkategorien in verschiedenen Gedächtnisphasen das Gedächtnisverhalten unterstützen und ob das Alter diese Beziehung unterschiedlich beeinflusst. Darüberhinaus war Altersbedingte Dedifferenzierung sowohl über Kategorien und Items (Studie III) als auch über Kategorien und Netzwerke (Studie IV) hinweg assoziiert. Somit wurden unterschiedliche Maße der neuronalen Unterscheidbarkeit in ähnlicher Weise durch das Altern beeinflusst, was möglicherweise auf einen gemeinsamen Mechanismus hinweist, der den weit verbreiteten Manifestationen der altersbedingten neuronalen Dedifferenzierung zugrunde liegt. Insgesamt bestand das Ziel dieser Dissertation darin, herauszufinden, wie sich die Informationsrepräsentation zwischen jüngeren und älteren Erwachsenen unterscheidet und wie die altersbedingte neuronale Dedifferenzierung zum Rückgang des episodischen Gedächtnisses im späten Erwachsenenalter beiträgt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass neuronale Dedifferenzierung ein grundlegendes Merkmal des alternden Gehirns ist, und sie unterstreichen die Bedeutung unterschiedbarer neuronaler Repräsentationen für das Gedächtnis im Erwachsenenalter. / Aging impairs our ability to remember specific details about past events. Successful memory retrieval depends on experience-related information to be clearly reflected in neural code throughout mnemonic processing, such that neural representations dissociate between individual experiences. The fidelity with which information is represented in the brain is compromised in older adults compared with younger adults, a phenomenon termed age-related neural dedifferentiation. In four empirical studies, this dissertation highlights the role of neural dedifferentiation in senescent episodic memory decline. In Studies I and II, we investigated how neural representations of visual stimulus categories throughout memory phases support memory behavior and whether age differentially impacts that relationship. Crucially, distinctive neural processing across memory phases was related to interindividual differences in memory performance, independent of age. In Studies III and IV, we explored age differences in neural distinctiveness across various levels of neural representation. Specifically, we found evidence for dedifferentiation of stimulus categories, individual items, as well as large-scale functional networks. Importantly, dedifferentiation was associated across categories and items as well as across categories and networks. Thus, differential measures of neural distinctiveness were similarly affected by aging, potentially pointing to a common mechanism underlying widespread manifestations of age-related neural dedifferentiation. Overall, the aims of this dissertation were to uncover how information representation differs between younger and older adults and how age-related neural dedifferentiation contributes to episodic memory decline in late adulthood. Taken together, the findings expose neural dedifferentiation as a fundamental characteristic of the aging brain and underline the importance of distinctive neural representations for memory throughout the adult lifespan.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2007.

Physical activity is positively related to cognitive functioning and brain volume in older adults. Interestingly, different types of physical activity vary in their effects on cognition and on the brain. For example, dancing has become an interesting topic in aging research, as it is a popular leisure activity among older adults, involving cardiovascular and motor fitness dimensions that can be positively related to cognition. However, studies on brain structure are missing. In this study, we tested the association of long-term senior dance experience with cognitive performance and gray matter brain volume in older women aged 65 to 82 years. We compared nonprofessional senior dancers (n=28) with nonsedentary control group participants without any dancing experience (n=29), who were similar in age, education, IQ score, lifestyle and health factors, and fitness level. Differences neither in the four tested cognitive domains (executive control, perceptual speed, episodic memory, and long-term memory) nor in brain volume (VBM whole-brain analysis, region-of-interest analysis of the hippocampus) were observed. Results indicate that moderate dancing activity (1-2 times per week, on average) has no additional effects on gray matter volume and cognitive functioning when a certain lifestyle or physical activity and fitness level are reached.

Die vorliegende Arbeit diente vor allem der Untersuchung, ob es im Gehirn vergleichbare Lymphabflusswege wie im übrigen Körper gibt und falls dies zutrifft, wo diese Abflusswege des Gehirns verlaufen. Denn für größere Proteine und Moleküle müsste es eine geeignete Route geben, um das ZNS verlassen zu können, da diese zum Passieren der Bluthirnschranke (BHS) zu groß sind. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass es auch eine Art lymphatischen Drainageweg aus der Hypophyse (HVL = Adenohypophyse) zu den tiefen und superfizialen, zervikalen Lymphknoten gibt. Daneben konnten auch die Abflussrouten des CSF und über die Nase bestätigt werden. Darüber hinaus wurde versucht zu ermitteln, wie schnell über die jeweiligen Drainagemöglichkeiten extrazelluläre Substanzen und Flüssigkeiten (Liquor) aus dem Gehirn gelangen und weiter in die peripheren Lymphknoten des Halses abtransportiert werden können. Hierbei sollte auch dargestellt werden, ob diese Mechanismen nur passiven Vorgängen zuzuordnen sind, oder ob es auch Hinweise auf aktive, zellulär gesteuerte Prozesse gibt. Wahrscheinlich spielen hier Makrophagen, die hirneigene Proteine und Antigene aufnehmen und in Lymphknoten transportieren und präsentieren, eine wesentliche Rolle. Obwohl es die BHS gibt, die als eine physiologische Barriere- und Filterfunktion zwischen dem Blutkreislauf und dem ZNS fungiert, existieren dennoch autoimmun bedingte Krankheitsbilder des ZNS wie die Autoimmun-Hypophysitis oder die MS. Es ist daher wahrscheinlich, dass es möglicherweise auch mehrere Mechanismen (passiv und aktiv) geben könnte, über die hirneigene Proteine und Substanzen aus dem Gehirn zu den Lymphknotenstationen gelangen können. Über das Lymphsystem wäre wiederum eine Aktivierung des Immunsystems naheliegend, sodass die aus dem ZNS entstammenden Proteine eine Immunantwort initiieren und so autoimmune Krankheitsprozesse einleiten könnten. Für das Verständnis von Erkrankungen wie der MS, der Autoimmunhypophysitis oder aber auch des Morbus Alzheimer wären genauere Kenntnisse über die funktionellen Hintergründe eines „hirneigenen lymphatischen Systems“ von großer klinischer und therapeutischer Relevanz. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit könnte das Entstehen von Autoimmunerkrankungen des ZNS und eben auch der Hypophyse eine Erklärung finden, da auch Antigene dem Immunsystem über die beschriebenen Abflusswege zu den peripheren Lymphknotenstatioen des Halses gelangen und präsentiert werden können. Weiterhin besteht die Vermutung, dass zusätzlich auch Makrophagen aktiv durch ihre antigenpräsentierenden Eigenschaften an solchen Immunreaktionen beteiligt sind, jedoch sehr wahrscheinlich in verzögerter Weise im Vergleich zu den schnelleren passiven Drainagerouten des ZNS.

Obesity is associated with structural and functional alterations in brain areas that are often functionally distinct and anatomically distant. This suggests that obesity is associated with differences in functional connectivity of regions distributed across the brain. However, studies addressing whole brain functional connectivity in obesity remain scarce. Here, we compared voxel-wise degree centrality and eigenvector centrality between participants with obesity (n=20) and normal-weight controls (n=21). We analyzed resting state and task-related fMRI data acquired from the same individuals. Relative to normal-weight controls, participants with obesity exhibited reduced degree centrality in the right middle frontal gyrus in the resting-state condition. During the task fMRI condition, obese participants exhibited less degree centrality in the left middle frontal gyrus and the lateral occipital cortex along with reduced eigenvector centrality in the lateral occipital cortex and occipital pole. Our results highlight the central role of the middle frontal gyrus in the pathophysiology of obesity, a structure involved in several brain circuits signaling attention, executive functions and motor functions. Additionally, our analysis suggests the existence of task-dependent reduced centrality in occipital areas; regions with a role in perceptual processes and that are profoundly modulated by attention.

Similarities and differences between obesity and addiction are a prominent topic of ongoing research. We conducted an activation likelihood estimation meta-analysis on 87 studies in order to map the functional magnetic resonance imaging (fMRI) response to reward in participants with obesity, substance addiction and non-substance (or behavioural) addiction, and to identify commonalities and differences between them. Our study confirms the existence of alterations during reward processing in obesity, non-substance addiction and substance addiction. Specifically, participants with obesity or with addictions differed from controls in several brain regions including prefrontal areas, subcortical structures and sensory areas. Additionally, participants with obesity and substance addictions exhibited similar blood-oxygen-level-dependent fMRI hyperactivity in the amygdala and striatum when processing either general rewarding stimuli or the problematic stimuli (food and drug-related stimuli, respectively). We propose that these similarities may be associated with an enhanced focus on reward – especially with regard to food or drug-related stimuli – in obesity and substance addiction. Ultimately, this enhancement of reward processes may facilitate the presence of compulsive-like behaviour in some individuals or under some specific circumstances. We hope that increasing knowledge about the neurobehavioural correlates of obesity and addictions will lead to practical strategies that target the high prevalence of these central public health challenges.