Eine neue Studie des Jackson Laboratory und der University of Pennsylvania zeigt, dass bestimmte Neuronen im Gehirn nach dem Training aktiviert werden müssen, damit sich die Ausdauer verbessert. Diese Entdeckung könnte eines Tages auch Menschen, die nicht intensiv trainieren können, helfen, von den positiven Effekten des Trainings zu profitieren.
Wenn die Beine am Ende eines Laufs brennen, denkt man leicht, dass die Muskeln die ganze Arbeit geleistet haben. Doch neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Gehirn der eigentliche Motor für langfristige Ausdauersteigerungen sein könnte.
Wissenschaftler des Jackson Laboratory und der University of Pennsylvania haben herausgefunden, dass nach dem Training bestimmte Gehirnzellen aktiviert werden müssen, damit der Körper langfristig Ausdauer aufbauen kann. Bei Mäusen, deren Ausdauer durch die Hemmung dieser Neuronen beeinträchtigt wurde, verbesserte sich die Ausdauer der Tiere nicht weiter, obwohl sie weiterhin intensiv trainierten.
Die Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Neuron, stellt die lange vorherrschende Vorstellung in Frage, dass es bei Ausdauer hauptsächlich um die Anpassung der Muskeln an wiederholte Trainingseinheiten geht.
„Die Erkenntnis, dass der Muskelumbau die Aktivität dieser Gehirnneuronen erfordert, ist eine ziemliche Überraschung“, sagte Erik Bloss, außerordentlicher Professor am Jackson Laboratory und einer der Hauptautoren der Studie, in einer Pressemitteilung. „Sie stellt unser herkömmliches Verständnis der Funktionsweise von Bewegung grundlegend in Frage.“
Gehirnaktivität nach einem Lauf
Wissenschaftler wissen seit Jahren, dass regelmäßige körperliche Aktivität dem Gehirn guttut, die kognitiven Fähigkeiten verbessert und die Verbindungen zwischen den Neuronen stärkt. Die meisten Studien konzentrierten sich jedoch auf langfristige Veränderungen. Bloss und sein Co-Autor J. Nicholas Betley, außerordentlicher Professor für Biologie an der Universität von Pennsylvania, wollten herausfinden, was im Gehirn in den Minuten und Stunden nach dem Training passiert.
Sie konzentrierten sich auf den Hypothalamus, eine tiefliegende Hirnregion, die Hunger, Körpertemperatur, Hormone und Stoffwechsel reguliert. Mithilfe von Mäusen, die auf Laufbändern liefen, zeichnete das Team die Aktivität der Hypothalamuszellen während und nach dem Training auf.
Sie konzentrierten sich auf eine Ansammlung von Neuronen, die ein Protein namens Steroidogenic Factor-1 oder SF1 produzieren. Diese SF1-Neuronen taten etwas Überraschendes: Sie leuchteten nicht während des Laufs auf, sondern etwa eine Stunde danach.
Dieser Zeitpunkt erregte die Aufmerksamkeit der Forscher.
„Die Tatsache, dass diese Neuronen nach dem Laufen am aktivsten sind, war ziemlich faszinierend“, fügte Bloss hinzu. „Es deutete darauf hin, dass sie eine Rolle bei der Signalisierung des Körpers spielen, den Erholungsprozess einzuleiten.“
Während die Mäuse über mehrere Wochen trainierten, wurden nach jeder Trainingseinheit immer mehr SF1-Neuronen aktiv. Experimente am JAX zeigten, dass die Verbindungen zwischen diesen Neuronen bei trainierten Tieren ebenfalls stärker und zahlreicher wurden. Mäuse, die trainierten, wiesen etwa doppelt so viele Verbindungen zwischen SF1-Neuronen auf wie Mäuse, die keinen Sport trieben – ein Zeichen dafür, dass dieser Schaltkreis im Gehirn durch wiederholtes Training umstrukturiert wurde.
Das Abschalten des Kreislaufs stoppt die Ausdauerzuwächse.
Um zu testen, ob diese Hirnaktivität nach dem Lauf tatsächlich einen Einfluss auf die Leistung hatte, griffen die Forscher auf die Optogenetik zurück, eine Technik, die Licht nutzt, um bestimmte Neuronen zu steuern.
In einer Versuchsreihe wurden die SF1-Neuronen nach jeder Laufbandeinheit für nur 15 Minuten abgeschaltet. Die Mäuse liefen drei Wochen lang weiterhin täglich intensiv und absolvierten dasselbe anspruchsvolle Trainingsprogramm wie die Kontrolltiere. Im Gegensatz zu den Kontrolltieren verbesserten sie sich jedoch nicht mehr. Ihre Ausdauer stagnierte, obwohl ihr Training nicht intensiver wurde.
Als das Team andere Methoden zur Hemmung der SF1-Neuronen anwandte, reichten die Auswirkungen über das Gehirn hinaus. Die üblicherweise nach dem Training auftretenden Veränderungen der Genaktivität in der Muskulatur – Veränderungen, die für den Umbau der Muskelfasern und die Unterstützung der Ausdauer notwendig sind – blieben aus. Anders ausgedrückt: Ohne das Signal des Gehirns schalteten die Muskeln nicht vollständig in den Trainingsmodus.
Die Mäuse verhielten sich auch anders, wenn sie die Möglichkeit bekamen, alleine herumzulaufen.
„Wenn man einer normalen Maus Zugang zu einem Laufrad gibt, legt sie kilometerlange Strecken zurück“, fügte Bloss hinzu. „Wenn wir diese Neuronen jedoch blockieren, läuft sie praktisch gar nicht mehr. Sie hüpft zwar kurz los, kann das aber nicht durchhalten.“
Die Stimulierung der Neuronen verstärkt das Training enorm.
Das umgekehrte Experiment lieferte ein ebenso bemerkenswertes Ergebnis. Als die Forscher die SF1-Neuronen nach jeder Laufbandsitzung eine Stunde lang künstlich stimulierten, erreichten die Mäuse eine größere Ausdauer als üblich.
Im Vergleich zu den Kontrolltieren legten diese Mäuse am Ende der Trainingsphase längere Strecken zurück und erreichten höhere Höchstgeschwindigkeiten. Vereinfacht gesagt, schien eine Steigerung der Hirnaktivität nach dem Training die positiven Effekte desselben Trainings zu verstärken.
Zusammengenommen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das Gehirn beim Training nicht nur passiv mitwirkt. Es fungiert vielmehr als zentraler Koordinator, der die Belastung erfasst und anschließend Anweisungen sendet, die Stoffwechselveränderungen und den Muskelumbau im gesamten Körper steuern.
Warum es wichtig ist
Die Studie wurde an Mäusen durchgeführt, und es bedarf weiterer Forschung, um zu verstehen, ob ähnliche Schaltkreise auch beim Menschen funktionieren und wie man sie gezielt und sicher beeinflussen kann. Dennoch eröffnet die Arbeit faszinierende Möglichkeiten.
Wenn Wissenschaftler lernen, diese Hirnsignale zu erfassen oder nachzuahmen, könnten sie eines Tages Menschen, die nicht intensiv trainieren können – wie viele ältere Erwachsene oder Menschen mit eingeschränkter Mobilität –, helfen, mehr von moderater Bewegung zu profitieren. Dies könnte auch neue Strategien für die Rehabilitation nach Verletzungen oder Krankheiten oder zum Schutz von Gehirn und Körper vor altersbedingtem Abbau ermöglichen.
Bloss sieht Potenzial, das weit über das Labor hinausgeht.
„Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass wir diesen Schaltkreis nutzen können, um die positiven Effekte moderater Bewegung zu verstärken“, sagte er. „Wenn wir trainingsähnliche Muster im Gehirn nachahmen oder verstärken können, könnte das besonders wertvoll für ältere Menschen oder Menschen mit eingeschränkter Mobilität sein, die keine intensive körperliche Aktivität ausüben können, aber dennoch von den positiven Auswirkungen von Bewegung auf Gehirn und Körper profitieren könnten.“
Was kommt als nächstes
Zukünftige Studien werden voraussichtlich untersuchen, wie SF1-Neuronen mit Muskeln und anderen Organen kommunizieren, welche chemischen Signale sie verwenden und ob ähnliche Neuronen im menschlichen Gehirn auf körperliche Betätigung in gleicher Weise reagieren.
Die Forschungsergebnisse bieten vorerst eine neue Perspektive auf das Training: Die Übung ist nicht beendet, sobald man vom Laufband steigt. In der entscheidenden Stunde danach arbeitet das Gehirn möglicherweise bereits auf Hochtouren und bereitet die Weichen für die nächste persönliche Bestleistung.
Quelle: Das Jackson Laboratory