Neurophysiological correlates of exercise using electroencephalography and electromagnetic tomography

Brümmer, Vera (2011) Neurophysiological correlates of exercise using electroencephalography and electromagnetic tomography. Dissertation thesis, German Sport University Cologne.

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Kurzfassung

Zusammenfassung In der Vergangenheit war der Fokus der Sportwissenschaft hauptsächlich auf die peripheren Effekte körperlicher Betätigung gerichtet. Eine große Anzahl von Untersuchungen und Publikationen konnten zu einem umfassenden Wissen über die physiologischen Effekte von Sport, zum Beispiel auf das Herz-Kreislauf- oder das muskuloskeletale System und deren zugrundeliegenden Mechanismen beitragen. Seit einiger Zeit widmet sich das Interesse der Sportwissenschaftler nun zunehmend den zentral-nervösen Effekte körperlicher Betätigung. Aus Verhaltensstudien ist bereits bekannt, dass Sport eine positive Auswirkung auf die kognitive Leistungsfähigkeit oder das Wohlbefinden, haben kann. Dieses Feld ist jedoch bisher aufgrund von fehlenden Messmethoden, welche eine Darstellung der begleitenden zentral-nervösen Prozesse während einer akuten sportlichen Betätigung ermöglichen, nur sehr spärlich untersucht worden und die hintergründigen Mechanismen sind daher noch unklar. Aufgrund der bekannten positiven Effekte von Sport auf die körperliche als auch geistige Gesundheit, aber auch weil Sport zudem weniger invasiv und ökonomischer als alternative medizinische Interventionen ist und bekanntermaßen mit Veränderungen der Gehirnaktivität einhergeht, erscheint es gleichwohl wichtig und lohnend das Verständnis über den Effekt von Sport auf zentral-nervöse Aspekte und hintergründige Veränderungen der Gehirnaktivität zu verbessern. Neuere Entwicklungen im Bereich der Neurowissenschaft scheinen zudem nunmehr die Darstellung lokaler neurophysiologischer Korrelate sportlicher Betätigung zu Gestatten. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist die Evaluation von belastungsinduzierten Veränderungen der elektrokortikalen Gehirnaktivität. Es wird angenommen, dass die Verwendung aktiver elektroenzephalographischer Elektroden (EEG) in der Kombination mit einem Quellenlokalisationsverfahren (low-resolution brain electromagnetic tomography, LORETA) es erlaubt im Rahmen sportlicher Untersuchungen, auch während Ganzkörperbelastungen und mit bis zu maximalen Intensitäten, elektrokortikale Veränderungen aufzuzeichnen und im Gehirn zu lokalisieren. Des Weiteren besteht die Intention diese Arbeit darin neue Erkenntnisse im Bezug auf aktuelle Diskussionen über den Effekt von unterschiedlichen Formen und Intensitäten körperlicher Betätigung als auch über den Einfluss von individuellen Präferenzen (Neigungen/Voraussetzungen) für bestimmte sportliche Betätigungen auf die kortikale Gehirnaktivität zu erlangen. Da die Diskussionen bisher vor allem auf deskriptiven Verhaltensuntersuchungen basieren und ein systematisches Vorgehen vermissen lassen, ist es an der Zeit mittels neurophysiologischen Korrelaten die bisherigen Annahmen zu evaluieren und Informationen über die hintergründigen Mechanismen dieser belastungs-indizierten Effekte zu erlangen. Im Rahmen dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass das bildgebende Verfahren mit der Verwendung von aktiven EEG-Elektroden und der Elektrotomographie ein verwendbares und wertvolles Instrument für Experimente in der Sportwissenschaft ist, um zentrale sport-induzierte Effekte und Prozesse im Gehirn darzustellen, die sich über Veränderungen elektrokortikaler Aktivität ausdrücken. In der ersten und zweiten Studie wurden lokale bewegungsform- und intensitätsabhängige Effekte von körperlicher Betätigung als auch Effekte abhängig von der individuellen Sportbiographie/Präferenz präsentiert. Somit unterstützen diese Ergebnisse die Theorien, dass der Effekt sportlicher Betätigung belastungsform- und –intensitätsabhängig ist. Dabei scheint das individuelle Verhältnis der Person zu der sportlichen Betätigung diesen Effekt zu modulieren, geht doch die bekannteste und am häufigsten betriebene Sportart in diesen Studien mit einem augenfällig anderen Aktivierungsmuster im Gehirn einher als weniger bekannte oder auch weniger bevorzugte Sportarten. Die präferierte Sportart scheint ab einer bestimmten, aber noch näher zu determinierenden Intensität (> 50%) eine Deaktivierung frontaler Gehirnareale zu veranlassen, welche mit emotionalen und kognitiven Prozessen in Verbindung gebracht werden. Dieses spezielle Aktivierungsmuster könnte für die positiven Veränderungen der kognitiven Leistungsfähigkeit und des Wohlbefindens verantwortlich sein. Zudem war es möglich in der dritten Studie zunehmende Aktivität im primär motorischen Kortex mit ansteigender Intensität bei einer Fahrradbelastung bis hin zu maximalen Intensitäten abzubilden. Es konnten erstmals Veränderungen der Gehirnaktivität während einer sportlichen Ganzkörperbelastung mit ansteigender Intensität in ersten Gehirnarealen identifiziert werden. Dies wird hoffentlich zum Anlass genommen in zukünftigen Studien weitere bewegungsbegleitende neurophysiologische Prozesse im Gehirn zu erforschen. Folglich erweitert die hier verwendete Methode der Elektroenzephalographie in Kombination mit der Elektrotomography die bisherigen Möglichkeiten für bildgebende Verfahren in Rahmen sportwissenschaftlicher Untersuchungen, da es die Lokalisierung sport-induzierter Veränderungen im Gehirn mit guter zeitlicher und räumlicher Auflösung auch während körperlichen Belastungen, während Ganzkörperbelastungen und bis hin zu maximalen Intensitäten gestattet. Es wird angenommen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit Konsequenzen für die aktuellen Diskussionen beispielsweise im Zusammenhang zur Dosis-Wirkungs- Beziehung oder der Präferenz-Hypothese als auch für zukünftige Empfehlungen körperlicher Betätigungen haben werden. Die gewonnenen Erkenntnisse machen deutlich, dass ein holistischen Ansatz inklusive peripherer und zentraler Aspekte in der Sportwissenschaft möglich und wichtig ist, um die Dimensionen körperlicher Betätigung vollends begreifen und belastungs-induzierte Effekte auf die Gehirnaktivität und dessen resultierenden Prozessen auf das Training, den Gesundheits- und den Spitzensport transferieren zu können. Summary Peripheral effects of exercise, such as on the cardiovascular or the musculoskeletal system, have comprehensively been studied since the field of sport science emerged. A large number of investigations and publications have contributed to extensive knowledge about these effects and their underlying mechanism, since then. Centralnerval effects of exercise on cognitive performance or mood related to mental health have also been mentioned. However, due to missing measurement techniques this area is much less investigated and clarified. As exercise is known to be controlled within the brain, to trigger a lot of positive influences on our physical and mental health, and to be much less invasive and more economic than medical intervention, it seems to be worth enhancing the understanding of the effect of exercise onto centralnerval aspects. Further, with the most recent development within the field of neuroscience, it is possible to display neurophysiological correlates of exercise nowadays. The superior research objective of this thesis is to evaluate exercise-induced changes of electrocortical brain activity. The application of active electroencephalographic electrodes (EEG) combined with the source localization method low-resolution brain electromagnetic tomography (LORETA) is assumed to allow recording and localization of electrocortical activity. Next, by applying this combined technique, it is furthermore intended to shed light on the current discussions of how exercise mode, intensity, and individual preferences (bias/preconditions) influences brain cortical activity, and to record brain activity during whole-body exercise up to maximal intensities. As so far these discussions are mainly based on descriptive behavioral studies without a systematic approach, it is time to evaluate previous assumptions and to generate background information about these exercise-induced effects. Within the framework of this thesis it was shown that brain imaging using EEG combined with active electrodes and LORETA is an applicable and valuable tool for exercise settings. One can display central europhysiological correlates and processes induced by exercise within the brain. These are expressed by changes in electrocortical activity. SUMMARY 95 Local exercise mode and intensity dependent effects of exercise as well as individual biography/preference dependent changes were demonstrated in the first and second study. These findings support theories postulating an exercise mode or intensity dependent effect. Whereby, the individual relationship to the specific exercise seems to modulate this effect as the most familiar and executed exercise showed a specific brain cortical activation pattern compared to less familiar or less preferred ones. The preferred exercise performed at a certain, to be more determined intensity (> 50 %), is assumed to cause a deactivation of frontal brain areas, which were found to be correlated with emotional and cognitive processes. This activation pattern might is possibly responsible for positive changes of cognitive performance and well-being. Furthermore, it was possible to monitor enhanced primary motor cortex activity with increasing bicycle exercise intensity up to maximal intensities for the first time. The third study identifies changes of brain activity during exercise with increasing intensity within the first brain regions, and it is hoped that in the occasion of this study future studies will further explore exercise concomitant processes within the brain. Consequently, the combined technique of EEG and electromagnetic tomography extends existing brain imaging methods in exercise settings as it enables to localize exercise-induced changes within the brain with good temporal and spatial resolution. Furthermore, it allows recording of cortical activity during exercise, even for wholebody movements at maximal intensities. It is assumed that the findings of the first and second study will have implications for current discussions, for example within the context of the dose-response discussion or the exercise preference hypothesis, as well as for future exercise recommendations. Thus, this thesis might contribute to a lot of new neurophysiological investigations in sport science that have been restricted due to missing, suitable brain imaging methods up until now. It might even support a holistic approach including peripheral as well as central aspects of sport science. Through this, one could fully comprehend the dimensions of exercise. Moreover, it might extend the knowledge base regarding the transfer of exerciseinduced effects on brain cortical activity and consecutive processes in training, sport therapy as well as peak performance.

Typ des Eintrags:Hochschulschrift (Dissertation)
Themengebiete:A Allgemeines > AC Alle Werke
ID-Code:269
Hinterlegt von:Ute Gößnitzer
Hinterlegt am:22 Aug 2011 12:40
Letzte Änderung:22 Aug 2011 12:40

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