BEREICH

SPORTWISSENSCHAFT

In der jüngsten Vergangenheit wurden die Mechanismen, die die Aufrechterhaltung der kognitiven Leistung und des Lernens ermöglichen
obwohl altersbedingte Veränderungen des Gehirns zunehmend die Aufmerksamkeit der Neurowissenschaften auf sich gezogen haben
Forschung. Überraschenderweise ist jedoch vergleichsweise wenig über die Mechanismen bekannt, die altersbedingten Veränderungen der Mobilität und des Gleichgewichts zugrunde liegen, obwohl kognitive Prozesse von Gehirn-Körper-Interaktionen abhängen und ein funktionierendes motorisches System eine wichtige Komponente für erfolgreiches Altern ist. Immer mehr Arbeiten zeigen, dass sensomotorische Signale für die präzise räumliche Orientierung von großer Bedeutung sind - ein verkörperter kognitiver Mechanismus, der beispielsweise durch sensomotorisches (Gleichgewichts-)Training genutzt werden könnte, um die kognitive Leistungsfähigkeit im Alter zu erhalten. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, die Hirnprozesse zu identifizieren, die es manchen Menschen ermöglichen, mit dem fortschreitenden Abbau der supraspinalen und muskuloskelettalen Komponenten des sensomotorischen Systems im Alter besser zurechtzukommen als andere, was letztlich zu interindividuellen Unterschieden sowohl in der motorischen Leistung (z. B. Gleichgewichtsleistung und -lernen, Sturzanfälligkeit) als auch in der visuell-räumlichen Kognition beiträgt. Um diese Verhaltensheterogenität zu erklären, schlagen wir eine Erweiterung der Angebots-Nachfrage-Mismatch-Theorie der neuronalen Plastizität um eine "neurobiologische Kapital"-Komponente (Hirnreserve) vor - d. h. stabile (nicht veränderbare) strukturelle Merkmale, die nicht auf Umweltreize (wie z. B. Training) reagieren, aber dennoch sowohl die aktuelle Leistung als auch künftige Verbesserungen bei einer Aufgabe (Lernen) vorhersagen. Unser besonderes Interesse gilt der relativen Bedeutung der Hirnreserve im Vergleich zur erfahrungsbedingten Plastizität bei der Abschwächung der Auswirkungen von Gebrechlichkeit und Hirnalterung auf die Haltungskontrolle und die damit verbundene visuell-räumliche Kognition sowie möglichen Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Faktoren. Um diese Fragen zu beantworten, werden wir eine randomisierte, kontrollierte Interventionsstudie zum Gleichgewichtstraining bei älteren Menschen durchführen und die Daten in vier Arbeitspaketen aus verschiedenen Blickwinkeln analysieren. Auf der Grundlage früherer Befunde stellen wir die Hypothese auf, dass strukturelle Merkmale sekundärer motorischer Netzwerkknoten (PMC, SMA) und deren zugehörige Faserverbindungen eine wichtige Rolle bei der Umsetzung der Fähigkeit eines Individuums spielen, mit dem sensomotorischen Rückgang fertig zu werden. Konkret gehen wir davon aus, dass die kortikale Oberflächengeometrie als neurobiologisches Kapital (Hirnreserve) fungiert, während trainingsinduzierte Veränderungen z.B. in synaptischen und myelinbezogenen Prozessen eine vielversprechende, verhaltensrelevante Plastizität darstellen können. Um diese neurobiologisch inspirierten Hypothesen zu testen, werden wir eine Kombination aus leistungsstarker 3T- und ultrahochauflösender 7T-Struktur-MRT zusammen mit modernster biophysikalischer Modellierung, Traktographie und modernster multivariater Statistik einsetzen. Im Hinblick auf die Gleichgewichtsleistung werden wir videobasierte menschliche Bewegungsanalysen in Kombination mit Deep-Learning-Techniken einsetzen, um Verhaltensmuster bei der Anpassung und Verbesserung des Gleichgewichts zu identifizieren und diese Muster schließlich mit der visuell-räumlichen Leistung bei einer gleichzeitigen kognitiven Aufgabe in Verbindung zu bringen. Das Projekt verspricht, unser Verständnis der neuronalen Plastizität zu erweitern, indem Erkenntnisse aus longitudinalen Trainingsstudien, multivariaten (Reserve-)Analysen und fortgeschrittenen Neuroimaging-Techniken integriert werden. Es wird den Bereich der kognitiven Neurowissenschaften im Zusammenhang mit dem Altern erheblich beeinflussen und Informationen für Präzisionsmedizin und Präventionsstrategien liefern, um die kognitiven Fähigkeiten älterer Menschen zu optimieren.
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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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Die Haltungskontrolle unterscheidet sich zwischen jungen und älteren Menschen, und ältere Menschen sind einem höheren Sturzrisiko ausgesetzt. Daher wird ein Gleichgewichtstraining als Gegenmaßnahme empfohlen. Neben den Defiziten bei der Haltungskontrolle gibt es jedoch auch Hinweise auf langsamere und/oder andere Lernprozesse im Alter. Bei jungen Probanden wurde eine neuronale Plastizität in kortikalen Strukturen (z. B. M1, SMA) beobachtet, nachdem sie 4 bis 6 Wochen lang Gleichgewichtsaufgaben gelernt hatten. Die Probanden zeigten auch eine verbesserte Leistung nicht nur bei den explizit trainierten Übungen, sondern auch bei Transfer-Gleichgewichtsaufgaben. Im Gegensatz dazu scheinen neuronale und verhaltensbezogene Anpassungen bei älteren Menschen langsamer abzulaufen und möglicherweise sogar unterschiedliche Hirnareale zu betreffen. Die vorliegende Studie vergleicht daher das langfristige Erlernen von Gleichgewichtsaufgaben im Hinblick auf verhaltensbezogene, strukturelle und funktionelle Hirnanpassungen zwischen jungen und alten Probanden. Mit elektrophysiologischen und bildgebenden Verfahren werden Anpassungen nach 2 und 6 Monaten a) in Ruhe (Mikrostruktur der weißen und grauen Substanz mit quantitativer MRT; qMRI), b) während der mentalen Simulation von Gleichgewichtsaufgaben (fMRI, TMS) und c) während der tatsächlichen Ausführung von Gleichgewichtsaufgaben (TMS, NIRS) bestimmt. Nach dem 6-monatigen Training werden positive Transfereffekte auf das Lernen und die Leistung bei neuen Haltungsaufgaben getestet.
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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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Variationen in der menschlichen Hirnanatomie zeigen sich typischerweise in morphometrischen Merkmalen des Kortex und subkortikaler Hirnstrukturen (kortikales Volumen/Oberfläche, Dicke und Form, Gyrifikation und Asymmetrie), die anhand von In-vivo-Magnetresonanzbildern (MRT) geschätzt werden. Diese morphometrischen Indizes korrelieren sowohl mit Verhaltensmerkmalen (z. B. Impulsivität, Händigkeit) als auch mit neuropathologischen/physiologischen Prozessen (z. B. Neurodegeneration). Aus klassischen T1-gewichteten MR-Bildern abgeleitete Maße der lokalen Morphometrie (kortikale Dicke und regionales Volumen der grauen Substanz) hängen stark vom Bildkontrast ab. Der Bildkontrast in T1-gewichteten MRT-Scans spiegelt nicht nur die makroskopische Morphologie kortikaler und subkortikaler Hirnstrukturen wider, sondern auch die lokale Konzentration kontrastbeherrschender Gewebeeigenschaften wie makromolekularer (Myelin) und Eisengehalt. Insbesondere können mehrere Gewebeeigenschaften den lokalen Bildkontrast beeinflussen, was die Abschätzung der Grenze zwischen grauer und weißer Substanz erschwert (Lorio et al., 2014). Dies gilt insbesondere für subkortikale Hirnregionen mit großen Eisenmengen (Langkammer et al., 2010), die durch weitere Eisenakkumulation während des Alterns verstärkt werden (Draganski et al., 2011). Folglich ist die Empfindlichkeit von morphometrischen Indizes des Gehirns, die aus klassischen T1-gewichteten Bildern abgeleitet werden, eine Funktion der unterschiedlichen mikrostrukturellen Gewebezusammensetzung der interessierenden Hirnregionen sowie der angenommenen Auswirkungen des interessierenden Phänomens (z. B. des Alterns) auf diese besonderen Gewebeeigenschaften. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Bildkontrasts und damit der morphometrischen Schätzungen besteht in der Verwendung von MR-Bildsequenzen mit einer schiefen Gewichtung bestimmter Gewebeeigenschaften, wodurch die Anzahl potenzieller biologischer Komposita, die den lokalen Bildkontrast beeinflussen, reduziert wird. Es wurde bereits gezeigt, dass die Magnetisierungstransfer-Bildgebung (MT) einen verbesserten Bildkontrast in subkortikalen Hirnregionen mit messbarem Einfluss auf die Schätzung morphometrischer Maße des Volumens der grauen Substanz (GMV) bietet (Lorio et al., 2014). In der Tat sind MT-basierte Schätzungen des lokalen GMV, insbesondere in den Basalganglien, empfindlicher gegenüber altersbedingten Veränderungen (Lorio et al., 2016).
Veränderungen lokaler Gewebeeigenschaften des Gehirns über die Lebensspanne wurden in der Literatur dokumentiert (Callaghan et al., 2014, Acosta-Carboneiro et al., 2015, Draganski et al., 2011, Lorio et al., 2016), aber die heterogenen Altersverteilungen zwischen und innerhalb dieser Studien (schiefe oder bimodale Altersverteilungen) zusammen mit den bekannten nicht-linearen Trajektorien struktureller und funktioneller Veränderungen über die Entwicklung/Alterung (Fjell et al., 2014) verhindern eine umfassende Sicht auf altersbedingte morphometrische und mikrostrukturelle Veränderungen. Unser Projekt untersucht daher lineare und nicht-lineare altersbedingte Assoziationen in MT-basierten GMV-Karten sowie in Multiparameter-Karten lokaler Gewebeeigenschaften bei gesunden älteren Menschen.
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