Kognitive Reserve gegen pathologische Hirnalterung

/in /von

Nachdem wir uns im ersten Blogeintrag die Neurogenese angeschaut haben, geht es jetzt um die Gehirn- und kognitive Reserve.

Die Reserve macht den Unterschied zwischen physiologischer und pathologischer Hirnalterung aus

Einer der entscheidenden Unterschiede zwischen physiologischer (normaler) und pathologischer (krankhafter) Hirnalterung betrifft die kognitiven Reserven und die Gehirnreserven. Solange der Abbau von Neuronen während einer normalen Hirnalterung noch durch andere Neuronen kompensiert werden kann, spricht man von „normaler“ Alterung. Aber sobald die Schwelle überschritten wird, wird es kritisch, das Gehirn baut dann pathologisch ab. Hier sind die Reserven also sehr wichtig!

Während die Gehirnreserve dabei eher ein passives Reservemodell ist (Wie viele Neuronen kann man verlieren bzw. kompensieren, bis die kritische Schwelle erreicht ist?) ist die kognitive Reserve ein aktives Modell. Sie hängt von genetischen und äußeren Faktoren wie körperliche Aktivität, kognitiver Aktivität, soziale Interaktion, Geschlecht, Körpergewicht, Schlafdauer, Ernährung sowie Angst bzw. Stress ab und bestimmt, wie effizient das System die Gehirnreserve anzapfen kann.

 

Wie entsteht die kognitive Reserve?

Während mit der körperlichen Aktivität die Neurogenese und damit die Gehirnreserve gefördert wird, ist für den Ausbau der kognitiven Reserve auch die kognitive Stimulation und die soziale Interaktion wichtig.

Kurz gesagt: Die neuen Neuronen, die man sich durch Bewegung angelegt hat, müssen jetzt auch noch „verschaltet“ werden.

Unter kognitiver Stimulation versteht man Aktivitäten, die das Gehirn herausfordern, wie Lesen, Schreiben, kognitive Spiele oder das Erlernen neuer Fähigkeiten. Eine Übersichtsarbeit von Yates et al. ergab, dass die Beteiligung an geistig anregenden Aktivitäten mit einem geringeren Risiko für kognitiven Abbau und Demenz verbunden ist. Ältere Erwachsene, die geistig anregende Aktivitäten ausüben, zeigen ein größeres Volumen an grauer Substanz in Gehirnregionen, die für das Gedächtnis und kognitive Funktionen wichtig sind, und ein aktiver kognitiver Lebensstil wird mit einem günstigeren kognitiven Verlauf bei älteren Menschen in Verbindung gebracht. Freizeitaktivitäten wie Lesen, Spielen von Brettspielen oder Musinstrumenten und Tanzen wurden mit einem geringeren Demenzrisiko bei Personen über 75 Jahren in Verbindung gebracht. Das Erlernen neuer Fähigkeiten wie Jonglieren wurde mit Veränderungen in der Gehirnstruktur und -funktion in Verbindung gebracht, einschließlich einer Zunahme des Volumens der grauen Substanz in den visuellen und motorischen Bereichen des Gehirns.

 

Soziale Interaktion und Teilhabe ist auch sehr wichtig für die kognitive Reserve

Auch soziale Interaktion mit anderen und die Teilnahme an sozialen Aktivitäten wirken sich auf die kognitive Reserve aus, indem sie die Kognition und emotionale Stimulation fördern. Ältere Erwachsene, die sich sozial engagieren, z. B. ehrenamtlich arbeiten oder an Gemeinschaftsveranstaltungen teilnehmen, haben ein geringeres Risiko für kognitiven Abbau als diejenigen, die sich nicht an solchen Aktivitäten beteiligen. Im Gegensatz dazu steht soziale Isolation für ein höheres Demenzrisiko bei älteren Erwachsenen. So haben Holwerda et al. in einer Studie über 2000 ältere Erwachsene über einen Zeitraum von bis zu 7 Jahren beobachtet, und es zeigte sich, dass sozial isolierte Personen ein um 60 % höheres Risiko hatten, an Demenz zu erkranken, als Personen mit sozialer Unterstützung.

 

Training für die kognitive Reserve

Interventionen mit einer Kombination aus körperlichem und kognitivem Training erscheinen besonders sinnvoll, um eine Verbesserung der Kognition zu erzielen und die allgemeine Gesundheit zu steigern. In einer Meta-Analyse haben Gavelin et al. bei älteren Erwachsenen (kognitiv gesund oder leichte kognitive Beeinträchtigung) untersucht, welche Vorgehensweise dabei am wirkungsvollsten ist:

simultan (gleichzeitig), sequenziell (nacheinander) oder Exergaming (Computerspiele, bei denen man sich bewegen muss).

Das wurde mit einer inaktiven Kontrollgruppe verglichen und zeigte folgendes Ergebnis:

Für die Kognition war die wirksamste Vorgehensweise das gleichzeitige Training, gefolgt von sequenziellen Kombinationen und kognitivem Training allein, und signifikant besser als nur körperliche Übungen (Gavelin et al. 2021).

Bei den körperlichen Ergebnissen zeigten simultanes und sequenzielles Training eine vergleichbare Wirksamkeit wie körperliches Training allein und übertrafen signifikant alle anderen Kontrollbedingungen.

Exergaming schnitt bei beiden Outcomes schlecht ab.

 

Ähnliche Ergebnisse erzielten sowohl Xue et al. als auch Meng et al. in ihren Übersichtsarbeiten. Xue et al. kam zu dem Ergebnis, dass kombinierte Interventionen im Vergleich zu kognitiven Interventionen bei Menschen mit leichter kognitiver Beeinträchtigung und Demenz einen Vorteil gegenüber Einzelübungen haben. Meng et al. fand für ältere Erwachsene mit MCI in Hinsicht der Kognition eine begrenzte Überlegenheit einer kombinierten Intervention gegenüber alleinigen kognitiven Interventionen oder alleinigen körperlichen Übungen.

 
 
 

Quellen:

Draganski, Bogdan; Gaser, Christian; Busch, Volker; Schuierer, Gerhard; Bogdahn, Ulrich; May, Arne (2004): Neuroplasticity: changes in grey matter induced by training. In: Nature 427 (6972), S. 311–312. DOI: 10.1038/427311a.

Gavelin, Hanna Malmberg; Dong, Christopher; Minkov, Ruth; Bahar-Fuchs, Alex; Ellis, Kathryn A.; Lautenschlager, Nicola T. et al. (2021): Combined physical and cognitive training for older adults with and without cognitive impairment: A systematic review and network meta-analysis of randomized controlled trials. In: Ageing research reviews 66, S. 101232. DOI: 10.1016/j.arr.2020.101232.

Holwerda, Tjalling Jan; Deeg, Dorly J. H.; Beekman, Aartjan T. F.; van Tilburg, Theo G.; Stek, Max L.; Jonker, Cees; Schoevers, Robert A. (2014): Feelings of loneliness, but not social isolation, predict dementia onset: results from the Amsterdam Study of the Elderly (AMSTEL). In: Journal of neurology, neurosurgery, and psychiatry 85 (2), S. 135–142. DOI: 10.1136/jnnp-2012-302755.

Marioni, Riccardo E.; Valenzuela, Michael J.; van den Hout, Ardo; Brayne, Carol; Matthews, Fiona E. (2012): Active cognitive lifestyle is associated with positive cognitive health transitions and compression of morbidity from age sixty-five. In: PloS one 7 (12), e50940. DOI: 10.1371/journal.pone.0050940.

Marzola, Patrícia; Melzer, Thayza; Pavesi, Eloisa; Gil-Mohapel, Joana; Brocardo, Patricia S. (2023): Exploring the Role of Neuroplasticity in Development, Aging, and Neurodegeneration. In: Brain sciences 13 (12). DOI: 10.3390/brainsci13121610.

McQuail, Joseph A.; Dunn, Amy R.; Stern, Yaakov; Barnes, Carol A.; Kempermann, Gerd; Rapp, Peter R. et al. (2020): Cognitive Reserve in Model Systems for Mechanistic Discovery: The Importance of Longitudinal Studies. In: Frontiers in aging neuroscience 12, S. 607685. DOI: 10.3389/fnagi.2020.607685.

Meng, Qiuyan; Yin, Huiru; Wang, Shuo; Shang, Binghan; Meng, Xiangfei; Yan, Mingli et al. (2022): The effect of combined cognitive intervention and physical exercise on cognitive function in older adults with mild cognitive impairment: a meta-analysis of randomized controlled trials. In: Aging clinical and experimental research 34 (2), S. 261–276. DOI: 10.1007/s40520-021-01877-0.

Morrison, John H.; Baxter, Mark G. (2012): The ageing cortical synapse: hallmarks and implications for cognitive decline. In: Nature reviews. Neuroscience 13 (4), S. 240–250. DOI: 10.1038/nrn3200.

Stern, Yaakov (2012): Cognitive reserve in ageing and Alzheimer’s disease. In: Lancet neurology 11 (11), S. 1006–1012. DOI: 10.1016/S1474-4422(12)70191-6.

Xue, Dandan; Li, Polly W. C.; Yu, Doris S. F.; Lin, Rose S. Y. (2023): Combined exercise and cognitive interventions for adults with mild cognitive impairment and dementia: A systematic review and network meta-analysis. In: International journal of nursing studies 147, S. 104592. DOI: 10.1016/j.ijnurstu.2023.104592.

Yates, Lauren A.; Ziser, Shier; Spector, Aimee; Orrell, Martin (2016): Cognitive leisure activities and future risk of cognitive impairment and dementia: systematic review and meta-analysis. In: International psychogeriatrics 28 (11), S. 1791–1806. DOI: 10.1017/S1041610216001137.

Yau, Suk-yu; Gil-Mohapel, Joana; Christie, Brian R.; So, Kwok-fai (2014): Physical exercise-induced adult neurogenesis: a good strategy to prevent cognitive decline in neurodegenerative diseases? In: BioMed research international 2014, S. 403120. DOI: 10.1155/2014/403120.

Bewegung lässt das Gehirn wachsen, auch im Alter!

/in /von

Unseren Blog möchte ich mit den Themen Bewegung und Kognition beginnen. Beides steht in enger Verbindung zueinander. Wenn ich von einem Verlust der kognitiven Fähigkeiten spreche (oder schreibe), meine ich nicht nur die Endphase, also einer Demenz wie Alzheimer oder andere neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson, sondern auch den Graubereich davor. Dies gilt für den Bereich der ersten Beeinträchtigungen bis zur Demenz. Der Fachbegriff dafür ist MCI (Mild Cognitive Impairment). MCI gilt als Vorläufer einer Demenz, bietet aber auch ein gutes Fenster für eine erfolgreiche Behandlung.

Neurogenese und das Altern

Schauen wir zunächst einmal auf das, was im Alterungsprozess passiert: Es besteht eine deutliche Verbindung zwischen dem Alterungsprozess, der neuroplastischen Anpassungsfähigkeit und einer Neurodegeneration. Im Laufe des Älterwerdens verringern sich sowohl die Neurogenese, also die Entstehung neuer Neuronen, als auch die synaptische Plastizität, also die Fähigkeit von Neuronen, neue Verbindungen zu bilden.

Für die Kognition im Alter sind die Neurogenese und die synaptische Plastizität wirklich wichtig. Aber ordnen wir zuerst mal die Begrifflichkeiten: Die Neurogenese ist Teil der Neuroplastizität, ein Begriff der erstmals 1890 von William James eingeführt wurde und von Jerzy Konorski 1948 als neuronale Plastizität weiter geprägt wurde. Mit der Neuroplastizität ist die Fähigkeit des Gehirns gemeint, sich physiologisch und morphologisch an intrinsische und extrinsische Reize anzupassen, sowohl strukturell als auch funktional.

Die strukturelle Neuroplastizität beschreibt Veränderungen in den physischen Strukturen von Neuronen und neuronalen Netzwerken wie Anzahl, Form, Stärke und Konnektivität von Synapsen sowie der Umbau der dendritischen Dornen. Sie ermöglichen es dem Gehirn, sich an veränderte Umgebungen und Erfahrungen anzupassen.

Die funktionelle Neuroplastizität beschreibt Veränderungen der Eigenschaften des neuronalen Netzes wie Effizienz, Stärke und Synchronität der Synapsen. Betrachtet man die Neuroplastizität auf Ebene der Synapsen, spricht man auch von synaptischer Plastizität. Auch hier gibt es die strukturelle synaptische Plastizität, wie die Synaptogenese (Entstehung neuer Synapsen an Neuronen) und die funktionelle synaptische Plastizität.

Kommen wir wieder zur Neurogenese: Die adulte Neurogenese ist der Entwicklungsprozess neuer Neuronen im Erwachsenenalter, von der Entstehung von Vorläuferzellen über die Reifung bis hin zu den fertigen Neuronen. Früher hatte man geglaubt, dass die Neurogenese quasi mit Geburt abgeschlossen ist, aber dem ist nicht so. Obwohl also die Neurogenese im Alter deutlich verringert ist, ist sie immer noch möglich. Und das ist die gute Nachricht! Vor allem die Neurogenese im Hippocampus (genauer im Gyrus dentatus) ist interessant, da der  Hippocampus wesentlich an emotionalen und kognitiven Funktionen beteiligt ist, wie bei der Konsolidierung des Wissensgedächtnis, räumliches Lernen, Mustertrennung und Stimmungsregulation. Deshalb wird der Neurogenese auch eine funktionelle Bedeutung beigemessen, obwohl sie eigentlich zur strukturellen Neuroplastizität gehört.

Das Altern lässt das Gehirn schrumpfen, Bewegung lässt es wachsen

Bei älteren Erwachsenen ohne Demenz schrumpft das Volumen des vorderen Hippocampus jährlich um 1-2 %, erhöht damit das Risiko für die Entwicklung kognitiver Beeinträchtigungen und bereitet den Boden für neurodegenerative Erkrankungen.

So weit muss es aber gar nicht kommen: Um die Auswirkungen der Neurodegeneration bei älteren Menschen zu verlangsamen oder sogar umzukehren, gibt es vielversprechende nicht-invasive Strategien und Maßnahmen, die die Neuroplastizität verbessern können. Dies sind insbesondere körperliche Aktivität, kognitive Stimulation, soziale Interaktion und Ernährung.

Hier kommen wir also wieder an den Anfangspunkt: Bewegung und Kognition.

Körperliche Betätigung erhöht die Produktion von bestimmten Wachstumsfaktoren (wie BDNF), die das Überleben und das Wachstum von Neuronen und Synapsen fördern und eine Schlüsselrolle bei der Neuroplastizität spielen.

Mit körperlicher Betätigung ist hier allerdings etwas mehr als der tägliche Gang vom Wohnzimmer zur Toilette und über die Küche zurück gemeint. Man sollte schon 3 mal pro Woche ca. 45 Minuten gehen und dabei ruhig auch mal etwas ins Schwitzen kommen.

Aber es lohnt sich wirklich!

So hat eine Forschungsgruppe gemessen, wie sich die Bewegung auf das Schrumpfen des Gehirns auswirkt. Dazu wurde bei zwei Gruppen älterer Erwachsener das Volumen des Hippocampus gemessen. Danach hat eine Gruppe 3-mal pro Woche ein aerobes Training (40 min gehen) absolviert. Zuerst nur so lange, wie die Leute konnten, dann mit leichter Steigerung, bis sie nach ein paar Wochen 40 Minuten am Stück gehen konnten. Nach einem Jahr wurde bei beiden Gruppen wieder das Volumen des Hippocampus gemessen. Bei der aktiven Bewegungsgruppe hat sich das Volumen des vorderen Hippocampus um 2% erhöht, während es bei der Kontrollgruppe um 1,4 % abnahm. Bei beiden Gruppen veränderte sich das Volumen des hinteren Hippocampus nicht wesentlich, aber auch das Volumen des präfrontalen Cortex und die Graue Substanz erhöhten sich durch die Bewegung.

Die beiden Hirnregionen, die durch Alterung am stärksten von Minderung betroffen sind, sind gleichzeitig auch am besten für Wachstum geeignet sind. Man ist sogar in der Lage, die Schrumpfung nicht nur aufzuhalten, sondern durch ein Bewegungstraining umzukehren.

Bewegung wirkt. Auch präventiv!

Die Wirksamkeit von körperlicher Aktivität wird vielfach bestätigt. So hat eine Übersichtsarbeit über 17 randomisierten kontrollierten Studien ergeben, dass Bewegungsinterventionen die kognitiven Funktionen, einschließlich Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Verarbeitungsgeschwindigkeit und Exekutivfunktionen, bei älteren Erwachsenen verbesserten.

Forscher haben 2014 eine positiven Auswirkungen von körperlicher Betätigung auf die Aufrechterhaltung der kognitiven Funktion im Alter gezeigt und andere haben ebenfalls eine Förderung der kognitiven Funktion durch Bewegung bei Personen mit leichter kognitiver Beeinträchtigung und Demenz festgestellt.

Ein Bewegungstraining ist auch präventiv sinnvoll. So hat eine Forshcungsgruppe in einer Meta-Analyse die Wirkung von körperlicher Bewegung bei über 50-Jährigen untersucht und eine Verbesserung der kognitiven Funktion festgestellt, unabhängig vom kognitiven Status der Teilnehmer.

Auch wenig hilft

Bewegung ist also ein einfaches und zugleich sehr effektives Mittel gegen einen kognitiven Abbau. Das Gute ist, man kann auch langsam anfangen, auch wenig hilft schon.

Es gibt auch noch viele weitere Facetten zwischen Bewegung, Kognition und allgemeine Gesundheit. Dazu komme ich später in weiteren Blogeinträgen.

An dieser Stelle möchte ich den heutigen Blog beenden. Im nächsten Blog geht es weiter mit Bewegung und kognitiver Reserve.

 

 

Quellen:

Duzel, Emrah; van Praag, Henriette; Sendtner, Michael (2016): Can physical exercise in old age improve memory and hippocampal function? In: Brain : a journal of neurology 139 (Pt 3), S. 662–673. DOI: 10.1093/brain/awv407.

Erickson, K. I.; Kramer, A. F. (2009): Aerobic exercise effects on cognitive and neural plasticity in older adults. In: British journal of sports medicine 43 (1), S. 22–24. DOI: 10.1136/bjsm.2008.052498.

Erickson, Kirk I.; Voss, Michelle W.; Prakash, Ruchika Shaurya; Basak, Chandramallika; Szabo, Amanda; Chaddock, Laura et al. (2011): Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108 (7), S. 3017–3022. DOI: 10.1073/pnas.1015950108.

Frizzell, Tory O.; Phull, Elisha; Khan, Mishaa; Song, Xiaowei; Grajauskas, Lukas A.; Gawryluk, Jodie; D’Arcy, Ryan C. N. (2022): Imaging functional neuroplasticity in human white matter tracts. In: Brain structure & function 227 (1), S. 381–392. DOI: 10.1007/s00429-021-02407-4.

Heyn, Patricia; Abreu, Beatriz C.; Ottenbacher, Kenneth J. (2004): The effects of exercise training on elderly persons with cognitive impairment and dementia: a meta-analysis. In: Archives of physical medicine and rehabilitation 85 (10), S. 1694–1704. DOI: 10.1016/j.apmr.2004.03.019.

Hötting, Kirsten; Röder, Brigitte (2013): Beneficial effects of physical exercise on neuroplasticity and cognition. In: Neuroscience and biobehavioral reviews 37 (9 Pt B), S. 2243–2257. DOI: 10.1016/j.neubiorev.2013.04.005.

Jack, Clifford R.; Wiste, Heather J.; Vemuri, Prashanthi; Weigand, Stephen D.; Senjem, Matthew L.; Zeng, Guang et al. (2010): Brain beta-amyloid measures and magnetic resonance imaging atrophy both predict time-to-progression from mild cognitive impairment to Alzheimer’s disease. In: Brain : a journal of neurology 133 (11), S. 3336–3348. DOI: 10.1093/brain/awq277.

Marzola, Patrícia; Melzer, Thayza; Pavesi, Eloisa; Gil-Mohapel, Joana; Brocardo, Patricia S. (2023): Exploring the Role of Neuroplasticity in Development, Aging, and Neurodegeneration. In: Brain sciences 13 (12). DOI: 10.3390/brainsci13121610.

Morrison, John H.; Baxter, Mark G. (2012): The ageing cortical synapse: hallmarks and implications for cognitive decline. In: Nature reviews. Neuroscience 13 (4), S. 240–250. DOI: 10.1038/nrn3200.

Northey, Joseph Michael; Cherbuin, Nicolas; Pumpa, Kate Louise; Smee, Disa Jane; Rattray, Ben (2018): Exercise interventions for cognitive function in adults older than 50: a systematic review with meta-analysis. In: British journal of sports medicine 52 (3), S. 154–160. DOI: 10.1136/bjsports-2016-096587.

Raz, Naftali; Lindenberger, Ulman; Rodrigue, Karen M.; Kennedy, Kristen M.; Head, Denise; Williamson, Adrienne et al. (2005): Regional brain changes in aging healthy adults: general trends, individual differences and modifiers. In: Cerebral cortex (New York, N.Y. : 1991) 15 (11), S. 1676–1689. DOI: 10.1093/cercor/bhi044.

Smith, Patrick J.; Blumenthal, James A.; Hoffman, Benson M.; Cooper, Harris; Strauman, Timothy A.; Welsh-Bohmer, Kathleen et al. (2010): Aerobic exercise and neurocognitive performance: a meta-analytic review of randomized controlled trials. In: Psychosomatic medicine 72 (3), S. 239–252. DOI: 10.1097/PSY.0b013e3181d14633.

Vaynman, Shoshanna; Ying, Zhe; Gomez-Pinilla, Fernando (2004): Hippocampal BDNF mediates the efficacy of exercise on synaptic plasticity and cognition. In: The European journal of neuroscience 20 (10), S. 2580–2590. DOI: 10.1111/j.1460-9568.2004.03720.x.

Yau, Suk-yu; Gil-Mohapel, Joana; Christie, Brian R.; So, Kwok-fai (2014): Physical exercise-induced adult neurogenesis: a good strategy to prevent cognitive decline in neurodegenerative diseases? In: BioMed research international 2014, S. 403120. DOI: 10.1155/2014/403120.