BEREICH

SPORTWISSENSCHAFT

In the recent past, the mechanisms that enable cognitive performance and learning to be maintained
despite age-related changes of the brain have increasingly attracted the attention of neuroscience
research. Surprisingly, however, comparatively little is known about the mechanisms underlying age-related changes in mobility and balance, despite the fact that cognitive processes depend on brain-body interactions and that a functioning motor system is an important component of successful ageing. A growing body of work demonstrated the significant impact of sensorimotor signals for precise spatial orientation - an embodied cognitive mechanism that could, for example, be exploited by sensorimotor (balance) training to maintain cognitive performance in old age. The aim of the present project is to identify the brain processes that enable some people to cope better than others with the progressive degradation of the supraspinal and musculoskeletal components of the sensorimotor system with ageing, ultimately contributing to interindividual differences in both motor performance (e.g., balance performance and learning, susceptibility to falls) and visuo-spatial cognition. To explain this behavioural heterogeneity, we propose an extension of the supply-demand mismatch theory of neural plasticity to include a “neurobiological capital” component (brain reserve) - i.e., stable (non-modifiable) structural traits that are not responsive to environmental stimuli (such as training) but still predict current performance as well as future improvements in a task (learning). We are particularly interested in the relative importance of brain reserve versus experience-induced plasticity in moderating the effects of frailty and brain ageing on postural control and associated visuospatial cognition, as well as possible interactions between these two factors. To address these questions, we will conduct a randomised, controlled balance training intervention study in older people and analyse the data in four work packages from different angles. Based on previous findings, we hypothesise that structural features of secondary motor network nodes (PMC, SMA) and their associated fibre connections play an important role in the implementation of an individual's ability to cope with sensorimotor decline. More specifically, we assume that cortical surface geometry acts as neurobiological capital (brain reserve), while training-induced changes e.g. in synaptic and myelin-related processes may represent promising, behaviourally relevant plasticity. To test these neurobiologically inspired hypotheses, we will use a combination of powerful 3T and ultra-high resolution 7T structural MRI together with state-of-the-art biophysical modelling, tractography and cutting-edge multivariate statistics. In terms of balance performance, we will use video-based human movement analysis in combination with deep learning techniques to identify behavioural patterns in balance adaptation and improvement and eventually relate these patterns to visuo-spatial performance in a concurrent cognitive task. The project promises to extend our understanding of neural plasticity by integrating insights from longitudinal training studies, multivariate (reserve) analyses, and advanced neuroimaging techniques. It stands to significantly impact the field of cognitive neuroscience related to ageing, informing precision medicine/prevention strategies to optimise the cognitive capacities of the elderly.

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Das Projekt überprüft die Optimierung neuraler Ressourcenmobilisierung durch ein individualisiertes und adaptives Training bei gesunden älteren Personen. Als wesentlichen Einflussfaktor auf die Ressourcenmobilisierung operationalisieren wir den Ability Prediction Error (APE) als Diskrepanz von individueller Fähigkeit und aufgabenabhängigen Anforderungen. Wir verwenden komputationale Modellierung und quantitative MRT, um den Einfluss des APE auf Trainingsleistungen, Transfer und den Zeitverlauf der Ressourcenmobilisierung im (Prä-)frontalkortex nachzuweisen.

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Zielstellung des Projekts ist die Entwicklung und testtheoretische Evaluierung einer videobasierten, kognitiv-motorischen Testbatterie zur Diagnostik der Wahrnehmungs- und Antizipationsfähigkeit im
Nachwuchshandball. Die Wahrnehmung und Antizipation von gegnerischen Handlungen unter komplexen Druckbedingungen (Informationsaufnahme und -verarbeitung), kommt in den Sportspielen - insbesondere im Handball - naturgemäß eine zentrale Bedeutung zu, weshalb diese kognitiven Prozesse einen lohnenden Untersuchungsgegenstand darstellen. Im Gegensatz zu vorangegangener Studien, steht hier die Leistungserfassung der Feldspieler unter spielnahen Testbedingungen (Angriff und Abwehr) im Zentrum des Forschungsinteresses. Zunächst wird im Rahmen eines Laborexperiments die Güte (Korrektheit) der Antizipation sowie der zeitlich-dynamische Verlauf der motorischen Antwort (azyklische Bewegungsschnelligkeit) in Bezug auf den visuellen Stimulus qualitativ und quantitativ erhoben und auf Zuverlässigkeit (Reliabilität) geprüft. Für den Praxistransfer (ökologische Validität) ist ein Experten-Novizen-Vergleich der kognitiven Testdaten in Verbindung mit Spielleistungskennziffern in realen Spielsituationen (small-sided-games) vorgesehen (Feldexperiment).

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Zielstellung des Projekts ist die Entwicklung und testtheoretische Evaluierung einer videobasierten, kognitiv-motorischen Testbatterie zur Diagnostik der Wahrnehmungs- und Antizipationsfähigkeit im Nachwuchshandball. Die Wahrnehmung und Antizipation von gegnerischen Handlungen unter komplexen Druckbedingungen (Informationsaufnahme und -verarbeitung), kommt in den Sportspielen - insbesondere im Handball - naturgemäß eine zentrale Bedeutung zu, weshalb diese kognitiven Prozesse einen lohnenden Untersuchungsgegenstand darstellen. Im Gegensatz zu vorangegangener Studien, steht hier die Leistungserfassung der Feldspieler unter spielnahen Testbedingungen (Angriff und Abwehr) im Zentrum des Forschungsinteresses. Zunächst wird im Rahmen eines Laborexperiments die Güte (Korrektheit) der Antizipation sowie der zeitlich-dynamische Verlauf der motorischen Antwort (azyklische Bewegungsschnelligkeit) in Bezug auf den visuellen Stimulus qualitativ und quantitativ erhoben und auf Zuverlässigkeit (Reliabilität) geprüft. Für den Praxistransfer (ökologische Validität) ist ein Experten-Novizen-Vergleich der kognitiven Testdaten in Verbindung mit Spielleistungskennziffern in realen Spielsituationen (small-sided-games) vorgesehen (Feldexperiment).
Der Nutzen des Projekts, wird vordergründig im Bereich der trainings- und kognitionswissenschaftlichen Leistungsdiagnostik im Leistungssport gesehen. Bereits bestehende Diagnostikinstrumente - in der Hauptsache sportmotorische Konditions- sowie Technik- und Taktiktests - können künftig mit den entwickelten Testverfahren verknüpft und damit um eine weitere zentrale Dimension der sportlichen Leistungsstruktur erweitert werden. Somit wird eine noch differenzierte Leistungseinschätzung, bspw. talentierter Nachwuchssportler bei Sichtungsmaßnahmen oder der prozessbezogenen Leistungsdiagnostik in den Vereinen, möglich. Aus trainingspraktischer Sicht wird letztlich ein Beitrag zur gezielten Trainings- und Leistungssteuerung der Feldspieler angestrebt. Perspektivisch sollen die Projekterfahrungen und Ergebnisse genutzt werden, um auf weitere Spielsportarten ausgedehnt zu werden.

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Postural control differs between young and elderly and elderly face a higher risk of falls. Thus, balance training is recommended as a countermeasure. However, in addition to deficits in postural control, evidence suggests slower and/or different learning processes in old age. In young subjects, neural plasticity in cortical structures (e.g. M1, SMA) was observed after learning balance tasks for 4 to 6 weeks. Subjects displayed also improved performance not only in the explicitly trained exercises but also in transfer balance tasks. In contrast, neural and behavioral adaptations seem to occur slower and may even involve different brain areas in the elderly. The current study therefore compares long-term learning of balance tasks with respect to behavioural, structural and functional brain adaptations between young and old subjects. Electrophysiological and imaging methods are used to determine adaptations after 2 and 6 months a) at rest (white and grey matter microstructure with quantitative MRI; qMRI), b) during mental simulation of balance tasks (fMRI, TMS) and c) during actual execution of balance tasks (TMS, NIRS). Positive transfer effects on learning and performance of novel postural tasks are tested after the 6 months training.

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Individuelle kognitive Schnelligkeitsleistungen nehmen eine immer wichtigere Rolle im modernen Spitzensport der Mannschaftsspiele (u.a. Fußball, Handball, Volleyball) ein, da sie handlungsschnellen Spielern den entscheidenden Vorteil bei der Lösung komplexer Spielsituationen unter teils erheblichen physischen und psychischen Druckbedingungen (Zeit-, Komplexitäts-, Präzisions-, Situationsdruck) verschaffen. Der ballführende Spieler muss sich selbst im Raum orientieren und dabei das Spielgerät kontrollieren, permanent sind Situationsanalysen – die Mit- und Gegenspieler betreffend – auf Basis differenzierter Wahrnehmungsprozesse durchzuführen, um die eigene motorische Handlung zeit- und zweckadäquat daran anzupassen. Das eigene Verhalten sowie das des Gegners muss dabei fortwährend, in immer kleineren Zeitintervallen, antizipiert werden.
Diesen hohen psychischen und physischen Anforderungen müssen die Spieler über die gesamte Spieldauer hinweg und in möglichst gleichbleibend hoher Qualität gerecht werden.
Leistungsreserven in den Mannschaftssportarten werden daher insbesondere in einer Verbesserung der individuellen Handlungsschnelligkeit gesehen. Die trainingsmethodischen Maßnahmen beschränken sich momentan jedoch auf spielnahe Trainingsübungen, die zwar ihren Wert für die gezielte Förderung von Komplexleistungen besitzen, für eine Ausschöpfung individueller Leistungsreserven, durch spezifische Diagnostik und daraus abgeleitete Trainingsmaßnahmen, jedoch ungeeignet sind. Apparative Anwendungen (z.B. SpeedCourt®) könnten diese Lücke schließen und eine tragende Rolle in der Leistungsentwicklung und –optimierung einnehmen. Dies erfordert jedoch eine wissenschaftliche Fundierung und Erweiterung bestehender apparativer Systeme durch interdisziplinäre Forschungskooperationen im Schnittfeld von Sport- und kognitiver Neurowissenschaften. Geeignet erscheint hierbei eine Verknüpfung von (a)zyklischen Schnelligkeitsleistungen mit kognitionspsychologischen Erkenntnissen aus der Entscheidungsforschung. Grundlage der zu erwartenden kognitiven Leistungsverbesserung ist die Plastizität des Gehirns aufgrund von Trainingsreizen (Taubert, Villringer, & Ragert, 2012).

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In zahlreichen Kontexten wie Leistungs-, Gesundheits-, Freizeit-, Schul- und Rehabilitationssport werden ständig Fertigkeiten neu gelernt, stabilisiert und vervollkommnet. Zudem bestehen in den meisten der genannten Anwendungsfelder Anforderungen an eine hohe zeitliche Ökonomie und Effizienz des Lernprozesses. Folgerichtig werden der Untersuchung von motorischen Lernprozessen und den Möglichkeiten ihrer Beeinflussung beträchtliche Forschungsanstrengungen gewidmet. Obwohl Ausdauerinterventionen als eine vielversprechende Interventionsstrategie betrachtet werden, um im Gehirn günstige Voraussetzungen für zukünftige motorische Lernprozesse zu schaffen, gibt es zu dieser Thematik momentan kaum Studien.
Das Projekt setzt an diesem Erkenntnisdefizit an und will einen Beitrag zu den Fragen leisten, ob und über welche Mechanismen Ausdauerinterventionen motorische Lernprozesse beeinflussen. Zur Erreichung des Ziels werden eine Querschnitts- und eine Längsschnittsstudie komplementär eingesetzt. In beiden Studien werden einheitlich eine etablierte Aufgabe zur Erfassung motorischer Lernprozesse (Stabilometer) sowie nicht-invasive Verfahren der strukturellen Magnetresonanztomografie des Gehirns (T1-gewichtete und diffusionsgewichtete MRT) als Hauptmethoden genutzt.

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Variations in human brain anatomy are typically seen in morphometric features of the cortex and sub-cortical brain structures (cortical volume/surface, thickness and shape, gyrification and asymmetry) estimated from in-vivo magnetic resonance images (MRI). These morphometric indices correlate with behavioral traits (e.g. impulsivity, handedness) as well as neuropathological/-physiological processes (e.g. neurodegeneration). Measures of local morphometry derived from classical T1-weighted MR images (cortical thickness and regional grey matter volume) strongly depend on image contrast. The image contrast in T1-weighted MRI scans reflects macroscopic morphology of cortical and subcortical brain structures but also the local concentration of contrast-dominating tissue properties such as macromolecular (myelin) and iron content. More specifically, multiple tissue properties may interact on local image contrast complicating grey-white matter boundary estimation (Lorio et al., 2014). This is in particular the case for subcortical brain regions with large amounts of iron (Langkammer et al., 2010), potentiated by further iron accumulation during aging (Draganski et al., 2011). Consequently, the sensitivity of brain morphometric indices derived from classical T1-weighted images is a function of the differential microstructural tissue composition of brain regions of interest as well as the hypothesized effects of the phenomenon of interest (e.g. aging) on these particular tissue properties. One possibility to improve the sensitivity of image contrast and hence morphometric estimations is to use MR image sequences with a skewd weighting towards particular tissue properties, thereby reducing the number of potential biological composites interacting on local image contrast. Magnetization transfer (MT) imaging has been shown previously to provide improved image contrast in subcortical brain regions with measurable impact on the estimation of morphometric measures of grey matter volume (GMV) (Lorio et al., 2014). Indeed, MT-based estimations of local GMV, especially in basal ganglia, are more sensitive to age-related changes (Lorio et al., 2016).
Changes in local brain tissue properties across the lifespan were documented in the literature (Callaghan et al., 2014, Acosta-Carboneiro et al., 2015, Draganski et al., 2011, Lorio et al., 2016) but the heterogeneous age distributions across and within these studies (skewed or bimodal age distributions) along with the well-known non-linear trajectories of structural and functional changes across development/aging (Fjell et al., 2014) prohibit a comprehensive view on age-related morphometric and microstructural changes. Our project thereby investigates linear and non-linear age-related associations in MT-based GMV maps as well as in multi-parameter maps of local tissue properties in healthy elderly subjects.

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