Neuronale Veränderungen bei körperlicher Betätigung: eine funktionelle MRT-Studie

Psychische Störungen sind eine der Hauptursachen für langfristige Behinderungen und eine direkte Todesursache. Weltweit sterben jedes Jahr etwa 800.000 Menschen durch Suizid – ein hoher Anteil von ihnen ist auf eine schwere depressive Störung (MDD) zurückzuführen. Das Wissen über MDD hat sich in den letzten Jahren erweitert, da festgestellt wurde, dass Neuroplastizität eine zentrale Rolle in der Pathophysiologie der Krankheit spielen könnte. Neuroplastizität bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Fähigkeit des Gehirns, sich zu verändern, und könnte daher die Voraussetzung für den Aufbau von Strategien gegen psychische Störungen sein.

Die am besten charakterisierten und am meisten untersuchten Beispiele für Neuroplastizität sind die molekularen und zellulären Anpassungen, die Lernen und Training zugrunde liegen. Bewegung verbessert die Kognition, wirkt antidepressiv und hat laut Magnetresonanztomographie (MRT) auch positive Auswirkungen auf die Gehirnstruktur. Darüber hinaus deuten Untersuchungen an älteren Erwachsenen darauf hin, dass eine erhöhte aerobe Fitness neuroprotektiv sein und die Struktur und Funktion des Gehirns verbessern kann. Eine Zunahme des Volumens der grauen Substanz in den parietalen und frontalen Hirnregionen und eine entsprechende Zunahme der Diffusionsfähigkeit in den Fasern der weißen Substanz wurden bereits nach zweiwöchigem Training einer Gleichgewichtsaufgabe beobachtet.

Andererseits ergaben experimentelle Studien, dass Stress und chronische Exposition gegenüber hohen Glukokortikoidspiegeln zu depressiven Zuständen führen. Diese Zustände gingen mit Atrophie und Verlust von Neuronen im erwachsenen Hippocampus einher, einer Gehirnregion im Temporallappen, die an Lernen, Gedächtnis und Stimmungsregulation beteiligt ist. Eine Schädigung des Hippocampus, die aus einer übermäßigen Exposition des Gehirns gegenüber Glukokortikoiden resultiert, führt zu einer beeinträchtigten Rückkopplungshemmung der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (HPA) durch Glukokortikoide, was zu einer ungehemmten Freisetzung der Achse führt – die „Glukokortikoid-Kaskaden-Hypothese“. Anhaltender Stress oder eine übermäßige allostatische Belastung ist daher schädlich und wahrscheinlich wichtig für die Prozesse, die Demenz auslösen. Effiziente Stressreaktionen sind notwendig, um Veränderungen in der Umwelt zu bewältigen, und die Fähigkeit, die Stressreaktion zu beenden, ist für die Rückkehr zur Homöostase von zentraler Bedeutung. Personen mit Depressionen haben einen relativ hohen Cortisol-Sekretionstonus mit abgeschwächten täglichen Sekretionsmustern der Cortisol-Sekretion, was auf ein schlechtes regulatorisches Feedback im Hippocampus zurückzuführen ist. Höhere Cortisol-Stressreaktionen beim Erwachen (CAR) hingegen finden sich bei Personen, die chronisch gestresst, depressiv oder von einer Depression oder einer bipolaren Störung befreit sind, sowie bei Jugendlichen, die später eine Depression entwickeln.

Interessanterweise fanden die Forscher heraus, dass strukturelle Veränderungen des Hippocampus, einer Gehirnregion, die an der Gedächtnis- und Emotionsregulation beteiligt ist, stärker ausgeprägt sind, wenn ein Patient mit Depression einen chronischen Krankheitsverlauf entwickelt. Kürzlich stellten sie fest, dass das Hippocampusvolumen von Patienten mit MDD, die auch ein genetisches Risiko-Allel (SLC6A4, 5-HTTLPR) tragen, geringer war, wenn sie in der Vergangenheit emotionale Vernachlässigung hatten, im Vergleich zu Patienten, die nur genetische oder emotionale Vernachlässigung hatten Risikofaktor separat. Im Zusammenhang mit der Neurobildgebung ist die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) von großem Interesse, die einen bedeutenden Fortschritt bei der Charakterisierung mikrostruktureller Veränderungen oder Unterschiede darstellt. Mithilfe der Diffusionsbildgebung mit hoher Winkelauflösung stellten die Forscher fest, dass nicht betroffene gesunde Verwandte ersten Grades von Patienten mit MDD mit stärkeren Faserverbindungen zwischen präfrontalen und temporoparietalen Hirnregionen mit dem Auftreten von Widrigkeiten im frühen Leben zurechtkamen, ohne später eine Depression zu entwickeln Verbindungen. Diese Forschungsrichtung legt nahe, dass strukturelle und funktionelle Gehirnveränderungen bereits vor der Manifestation der Krankheit vorhanden waren und dass diese Veränderungen offenbar mit der Anfälligkeit der Individuen zusammenhängen.

Diese Gehirnveränderungen zu verhindern, die Stressfunktionen zu normalisieren und die Widerstandsfähigkeit des Einzelnen zu erhöhen, ist daher eine große Herausforderung für die Zukunft, um schwerwiegende stressbedingte psychische Störungen zu verhindern. Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns legt nahe, dass es möglich sein könnte, die Widerstandsfähigkeit zu erhöhen, um eine Person vor einer Depression zu schützen. Zusätzlich zu Bewegung und Lernen haben kognitive Verhaltenstherapie (CBT) und Sanierungsprogramme nachweislich Auswirkungen auf die Gehirnstruktur und -funktion bei Patienten mit manifesten Störungen wie Depression oder Schizophrenie, und insbesondere die Kombination von CBT mit Bewegung und Lernen könnte zu den meisten Auswirkungen führen herausragende Ergebnisse. Bei kognitiver Verhaltenstherapie wurde über neuroplastische Gehirnveränderungen berichtet. Beispielsweise führte die Verhaltensaktivierungstherapie bei Depressionen, eine Psychotherapiemodalität, die darauf abzielt, die Auseinandersetzung mit positiven Reizen zu steigern und Vermeidungsverhalten zu reduzieren, zu verminderten Aktivierungen in präfrontalen Strukturen, einschließlich des Gyrus paracinguli, des rechten orbitofrontalen Kortex und des rechten Frontalpols, während Symptome auftreten der Depression besserte sich. Bei 16 Patienten mit MDD nahm die erhöhte Amygdala-Hippocampus-Aktivität ab und die reduzierte ACC-Aktivität nahm während der 16-wöchigen kognitiven Verhaltenstherapie zu. Eine aktuelle Übersicht hebt die Auswirkungen eines kurzen Arbeitsgedächtnistrainings in verschiedenen Studien auf die Gehirnaktivierung in mehreren Regionen hervor, einschließlich des dorsolateralen präfrontalen Kortex, des parietalen Kortex und des okzipitalen Kortex. Interessanterweise hat sich gezeigt, dass Radfahren sowohl bei Patienten mit Schizophrenie als auch bei gesunden Vergleichspersonen zu einer Vergrößerung des Hippocampusvolumens führt, ohne dass sich dies in der Gruppe der Patienten, die kein Training treiben, ändert. Dies deutet darauf hin, dass CBT und Bewegung einen Einfluss auf die Erholung des Gehirnsystems nach Erkrankungen wie Schizophrenie und MDD haben können.

Die Auswirkungen eines Resilienzprogramms wurden mit Neuroimaging noch nie untersucht, obwohl es möglich wäre, Informationen über die Struktur der Faserbündel der weißen Substanz zu gewinnen, die bestimmte Gehirnregionen verbinden. Zu den psychologischen Konstrukten, die Resilienz – die Fähigkeit, mit Stresssituationen umzugehen – fördern, gehören Engagement, Geduld, Optimismus und Selbstwertgefühl sowie die Fähigkeit, Emotionen zu modulieren und adaptives Sozialverhalten zu entwickeln. Diese Merkmale implizieren das kognitiv-emotionale Zusammenspiel des Gehirns, das ein entscheidender Faktor für die Entstehung pathologischer und nicht resilienter Phänotypen zu sein scheint. Das kognitiv-emotionale Zusammenspiel und seine funktionelle Gehirnkonnektivität können mithilfe der funktionellen MRT untersucht werden. Interessanterweise wurde mithilfe der funktionellen MRT gezeigt, dass bei Patienten mit MDD eine Verzerrung zwischen emotionaler und kognitiver Verarbeitung besteht.

Ziele:

Ziel des vorliegenden Vorschlags ist die Durchführung eines 20-wöchigen umfassenden Resilienzprogramms, um die Resilienz einer gesunden, nicht betroffenen Bevölkerung zu stimulieren, die dem normalen Arbeitsstress im Krankenhaus ausgesetzt ist. Die Forscher werden die Wirksamkeit dieses Programms messen, indem sie Verhaltens-, Tagesrhythmen der Cortisolsekretion und Stressreaktionen sowie mikrostrukturelle und funktionelle neuronale Veränderungen untersuchen.

Hypothesen:

Das Programm „Resilienz“ fördert die Resilienz

1. verbesserte Stimmungsstabilität, bessere Schlafqualität und höhere Lebensqualität
2. Zunahme des Volumens des Hippocampus und des anterioren cingulären Kortex
3. Steigerung der funktionellen Konnektivität zwischen frontalen und limbischen Hirnregionen.
4. Anstieg der fraktionierten Anisotropie (FA), die ein Maß für die Funktion der Fasern der weißen Substanz zwischen limbischen und frontalen Hirnregionen ist.
5. erhöhter Gradient der Tagessekretion von Cortisol; und eine Abnahme der Stressreaktionen, gemessen anhand der Cortisol-Erwachensreaktion

Methoden und Materialien Teilnehmer Vierzig gesunde Freiwillige, z.B. Es werden Mitarbeiter des Adelaide and Meath Hospital, Dublin (AMiNCH) rekrutiert. Sie haben keine Vorgeschichte von neurologischen, psychischen (Achse I und Achse II) oder chronischen inneren Erkrankungen. Weiteres Ausschlusskriterium für alle Teilnehmer ist eine frühere Kopfverletzung mit Bewusstlosigkeit. Darüber hinaus sind sie weder Mitglied in Fitnessclubs noch nehmen sie an intensiven Alltagsaktivitäten teil. Die 40 gesunden Freiwilligen werden nach dem Zufallsprinzip einem 20-wöchigen „Resilienz“-Programm zugeteilt, das zwei Mal pro Woche 45 Minuten Training unter der Aufsicht eines Physiotherapeuten sowie zwei Sitzungen zu Hause umfasst. oder an eine Kontrollgruppe ohne dieses Programm, und jede Woche werden weitere zwei Sitzungen mit 45-minütigem Training/Joggen absolviert. Klinische Bewertungen werden wöchentlich durchgeführt. Neuroimaging- und Speichel-Cortisol-Wachtests werden zu Studienbeginn und nach 20 Wochen sowohl für die Resilienzprogrammgruppe (N=20) als auch für die Kontrollgruppe (N=20) durchgeführt.

Klinische Bewertungen Der NEO-FFI-Persönlichkeitsfragebogen und das strukturierte klinische Interview für DSM-Störungen (SCID)-I und II werden zunächst durchgeführt, um eine psychiatrische Störung in der Vorgeschichte oder eine aktuelle auszuschließen. Die Stimmung wird anhand der Hamilton Depression Rating Scale (HDRS), der Hamilton Anxiety Rating Scale (HAM-A) und dem Beck Depression Inventory (BDI) zu Studienbeginn und dann alle zwei Wochen beurteilt. Darüber hinaus werden aktuelle Lebensstressoren in einem Interview nach Keller et al. evaluiert. auf einer wöchentlichen Basis; Die Lebensqualität (Study-Short Form 36-Item Health Survey (SF-36, QoL-Bref) und der Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI) werden ebenfalls alle zwei Wochen durchgeführt. Frühzeitiger Stress wird anhand des Fragebogens zu Kindheitstraumata (CTQ) erfasst. Der NEO-FFI-Persönlichkeitsfragebogen sowie SCID-I und II werden ebenfalls einmalig bei der Aufnahme durchgeführt. Die Händigkeit wird anhand des Edinburgh-Inventars bestimmt.

Neuroimaging-Techniken MRT-Bilder werden mit einem 3,0-Tesla-MRT (Phillips Achieva) am Trinity College Institute of Neuroscience (TCIN) erstellt. Die MRT wird mit einem 60-minütigen Bildgebungsprotokoll durchgeführt.

Diffusion Tensor Imaging (DTI): In vivo DTI wird mithilfe einer Single-Shot-Echo-Planar-Imaging-Sequenz (EPI) mit parallelem SENSE-Bildgebungsschema (SENSivitiy Encoding) erfasst. Die Diffusionsgewichtung wird in 61 unabhängigen Richtungen kodiert. Nach Vorverarbeitung im Programm ExploreDTI, Traktographie mit ExploreDTI und traktbasierter Raumstatistik mit TBSS (www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/tbss/index.html, FSL) durchgeführt. Wir haben Erfahrung in der Anwendung dieser Techniken und der Durchführung der Analysen (25).

Funktionelle MRT: Um funktionelle Veränderungen im Emotionsregulationssystem zu identifizieren, werden wir ein fMRT-Paradigma anwenden. Wir werden eine Echo Planar Imaging (EPI), T2*-gewichtete Gradientenecho-Bildgebung, verwenden, um den BOLD-Kontrast zu visualisieren (TR 2000 ms, TE 30 ms, Flipwinkel 90°, Matrix 80 x 80, FOV 224 x 224 x 150 mm). , Auflösung: 3,5 x 3,5 mm, Schichtdicke: 3,5 mm). Dabei kommt eine kognitiv-emotionale Hemmungsaufgabe zum Einsatz, die in unserem Labor gut etabliert ist. Die Teilnehmer werden gebeten, visuelle emotionale Reize entweder auf emotionale oder kognitive Weise zu verarbeiten. Diese Aufgabe wurde speziell ausgewählt, weil bekannt ist, dass sie Aktivität im präfrontalen Kortex, in der Amygdala, im Gyrus cinguli und im orbitofrontalen Kortex hervorruft – Regionen, die an der Pathophysiologie von MDD beteiligt sind. Es werden eine SPM8-basierte Standardanalyse, eine Analyse der funktionalen Konnektivität (33) und eine Analyse der psychophysiologischen Interaktion (PPI) durchgeführt.

Strukturelle Techniken: Ziel ist es darüber hinaus, etwaige strukturelle Veränderungen zu verfolgen und aktuelle Erkenntnisse in diesem Bereich zu bestätigen und zu erweitern. Daher werden alle Probanden mit einer T1-gewichteten 3D-MPRAGE-Sequenz gescannt (Wiederholungszeit 8,5 ms; Echozeit 3,5 ms; Gesamtaufnahmezeit 7 Min. 30 Sek.; Anzahl der Aufnahmen 1; Sichtfeld 250 x). 256 x 160 mm; Auflösung: 0,86 x 0,86 x 0,86 mm). Für die Datenanalyse werden, wie zuvor in unserem Labor durchgeführt, eine ROI-Analyse (Region of Interest) des Hippocampus und der Amygdala sowie eine optimierte voxelbasierte Morphometrie (VBM) verwendet.

Speichel-Cortisol-Proben Diese werden von den teilnehmenden Probanden an zwei aufeinanderfolgenden Wochentagen oder Arbeitstagen gesammelt. Die Probanden spuckten beim Aufwachen und 30, 45, 60 und 90 Minuten später in ein kleines Plastikröhrchen; und abends (12 Stunden nach dem Aufwachen) und kurz vor dem Zubettgehen. Die Proben können von den Teilnehmern in einem Haushaltskühlschrank aufbewahrt und stapelweise in einem vorbereiteten Umschlag an das Forschungszentrum geschickt werden.

Berechnung der Stichprobengröße Die Forscher haben zuvor eine Reihe von longitudinalen Bildgebungsstudien durchgeführt. Basierend auf diesen Erfahrungen sollten 20 Probanden in jeder Gruppe mehr als ausreichend sein, um signifikante Effekte zu erzielen, wobei Signaländerungen in der Größenordnung von 0,2 % bis 0,3 % typischerweise bei kognitiv-emotionalen Aufgaben auftreten oder mindestens 5 % mikrostrukturelle Veränderungen festgestellt werden sollten im strukturellen MRT oder DTI. Somit sollten die Auswirkungen bei 20 Probanden erkennbar sein.