Blir man smart av att träna?

Blir man smart av att träna? Maria Åberg Leg läk, Med dr CBR (Center for Brain Repair and Rehabilitation) vid institutionen för neurovetenskap och fysiologi, Göteborgs universitet Avdelningen för samhällsmedicin och folkhälsa vid institutionen för medicin, Göteborgs universitet Åby vårdcentral, Mölndal Breddidrottsforum 3/2 2011

Blir man smart av att träna? eller Är det de smarta som tränar?

Disposition 1. Basalt om hjärnan och kognition 2. Plasticitetsbegreppet 3. Vad påverkar vår kognitiva förmåga? 4. Fysisk aktivitet och effekter på hjärnan: Djurexperimentell bakgrund 5. Fysisk aktivitet och effekter på hjärnan: Studier på människa 6. Befolkningsstudien om fysisk kondition och kognition 7. Skalman 8. Framtida frågeställningar och forskningsfront

Vad gör hjärnan? Inflöde av impulser från sinnesorganen: syn, hörsel, smak, lukt och känsel Utflöde: Styr muskulaturen Kontrollerar och koordinerar kroppsfunktioner som hjärtat, blodtryck, vätskebalans och kroppstemperatur Hjärnan utövar sin kontroll över kroppen genom elektriska nervimpulser kemiska hormonsignaler t ex genom att kontrollera blodomloppet Kognition

Kognition Samlingsterm för våra olika tankeprocesser Från cognoscere (latin) som betyder att du blir delaktig av en kunskap eller vetskap

Kognition Basal orientering (person, tid, plats, situation) Allmänorientering (omvärlden) (mäts ibland vid IQ-prov) Inprägling (inlärning) Minne: långtidsminne och arbetsminne (det senare mäts vid IQ-prov) Uppmärksamhet/ snabbhet (mäts vid IQ-prov) Verbal förmåga: tex ordförråd, förståelse, synonymer, motsatser, abstraktion (mäts vid IQ-prov) Huvudräkning, spatial, teknisk och logisk förmåga (mäts vid IQ-prov) Beslutsfattande och problemlösning (mäts delvis vid IQ-prov)

Hur fungerar minnet? Korttidsminne = Arbetsminne Duration: några sekunder upp till ½ min Var? Dorsolaterala prefrontala cortex Långtidsminne Deklarativt : a) Semantiskt (fakta). b) Episodiskt. Var? Från Hippocampus till olika delar av hjärnbarken. Icke-deklarativt: Procedurminne. Var? Basala ganglier Hur går minnesinlagringen till? Inkodning: Dorsolat prefrontala cortex Beslut om lagring: Prefrontala cortex Lagring: Hippocampus Långtidslagring: Andra delar av hjärnan tex temporalcortex Hämtning: Höger prefrontala cortex

Hippocampus (på grekiska sjöhäst) Område i tinningloben i hjärnan som bland annat är kritiskt för att lagra nya minnen, vår förmåga att orientera i rummet, vårt lokalsinne och förmåga att hitta till platser. Ett av de två områden i hjärnan som visat sig ha nervcellsnybildning långt upp i vuxen ålder.

Hur mäter man kognition? Intelligenskvot (IQ): mått på intelligens (av latin intellego, att förstå, begripa, inse, avgöra). Mäter den generella kognitiva begåvningen. Wechsler Adult Intelligence Scale (WAIS). Instrumentet publicerades första gången 1955. I USA publicerades WAIS-IV under 2008. Skalan är satt så att 100 utgör medelvärdet i en population och övriga värden antas normalfördelade. IQ 90-109: normalt. IQ under 70: utvecklingsstörning (2.2%). IQ över 130: mycket hög (2.2%). Exekutiv förmåga: Hjärnans dirigent. Finns i frontalloben. Ligger bakom allt målinriktat beteende. Shifting = skifta fokus mellan olika uppgifter Inhibition = förmåga att inhibera oönskad information Grön Blå Gul Svart (Strooptest) Updating = arbetsminne

Hjärnans plasticitet Det gamla paradigmet: Hjärnans oföränderlighet i vuxen ålder. Hjärnans förmåga att anpassa sig och förändras efter erfarenheter och upplevelser eller efter en skada. Hur? 1. Omorganisering. 2. Bildandet av nya nervceller (hippocampus och SVZ), astrocyter, synapser, blodkärl, myelin. 3. Förändringar på receptor-, och neurotransmittornivå.

Plasticitet i den vuxna mänskliga hjärnan? Omorganisering och läkning efter skada tex efter en stroke Komplext lärande långt upp i vuxen ålder men kan den vuxna människohjärnan nybilda funktionella nervceller?? Svaret kom år 1998.

Eriksson et al., Nat Med 1998

Gener Vad påverkar vår kognitiva förmåga? Uppväxtförhållande / berikad miljö Förekomst av sjukdom / medicinsk behandling Psykiskt tillstånd (ex dystymi, negativ stress) Kognitiv stimulans (tex taxichaufförerna i London) Sömn (berätta om den sovande råttan) Kost Musik Fysisk träning

1. Basalt om hjärnan och kognition 2. Plasticitetsbegreppet 3. Vad påverkar vår kognitiva förmåga? Disposition 4. Fysisk aktivitet och effekter på hjärnan: Djurexperimentell bakgrund 5. Fysisk aktivitet och effekter på hjärnan: Studier på människa 6. Befolkningsstudien om fysisk kondition och kognition 7. Skalman 8. Framtida frågeställningar och forskningsfront

Fysisk träning påverkar hjärnans plasticitet i djurmodeller I den friska hjärnan: Blodkärlsnybildning (Black et al., 1990; Isaacs et al., 1992; Lopez-Lopez et al., 2004, van Praag et al., 2007). Förbättrar minne och ökar nervcellsnybildning hos både unga och gamla råttor (van Praag et al., 1999a-b, 2005, 2007). Medieras bl a av IGF-I, VEGF och BDNF (Trejo et al., 2001, Lopez- Lopez et al., 2004, Vaynman et al., 2004). Hos den skadade hjärnan kan fysisk träning öka antalet överlevande nervceller vid: Stroke (Hayes et al., 2008) Traumatisk hjärnskada (Griesbach et al., 2007) Parkinsons sjukdom (Yoon et al., 2007) Alzheimers sjukdom (Adlard et al., 2005) Strålning (Naylor et al., 2008)

Synergi mellan fysisk och kognitiv aktivitet Fysisk träning ökar antalet stamceller (som kan bli nya nervceller) Kognitiv träning ger ökad överlevnad och integration av nyfödda nervceller I djurlivet sker de parallellt tex råttan på nattjakt. Kempermann et al., 2010

Fysisk aktivitet och effekter på hjärnan: Studier på människa A. Äldre och medelålders Positiv korrelation mellan fysisk kondition och kognitiv förmåga hos gamla (Etnier et al., 1997; 2006; Colcombe and Kramer 2003) Ökad blodflöde i hjärnan hos medelålders, förbättrat minne och verbal förmåga (Pereira et al., 2007) Magnetkamera (MRI) studier (Colcombe et al., 2004;2006) Skyddar mot demens (Heyn et al., 2004; Andel et al., 2008; Lautenschlager et al., 2008) B. Skolbarn Positiv korrelation mellan fysisk aktivitet och: Skolprestationer (Sibley and Etnier 2003) Kognition särskilt exekutiv förmåga (Best, 2011) Målstyrt beteende Arbetsminne Förmåga att fokusera, planera, att hejda sig, att anpassa sig

Fysisk aktivitet och kognitiva effekter hos skolbarn Träningens längd Kortvarig träning (10-40 min) ger övergående neurokemiska effekter: Förbättrad exekutiv förmåga Ökad uppmärksamhet Förbättrat arbetsminne Förbättrad läsförståelse Långvarig träning (8-13 veckor) ger bestående strukturella effekter: Förbättrad exekutiv förmåga (man har uppmätt ökad PFC aktivering) Ökad kreativitet Positiva effekter på matematik Typ av träning Enkel träning Komplex motorisk träning Gruppspel (obs kronisk traumatisk encefalopati) Ålder (utvecklingsfas)

49 barn i 9 till 10 års ålder. Samtliga barn undersöktes med magnetkamera och delades upp i grupper efter kondition. Barn som var i fysiskt bra form presterade bättre i minnestest och hade 12 procent större hippocampus: kritiskt för att lagra nya minnen vår förmåga att orientera i rummet vårt lokalsinne

Fysisk aktivitet och effekter på hjärnan: Studier på människa A. Äldre B. Skolbarn C. Unga vuxna Få studier Motstridiga data Tonåren mkt viktig period för hjärnans utveckling! Det är då exekutiva funktioner och social förmåga etableras.

Mönstringsdata Fotograf vid mönstring: Öyvind Lund

Arbetsprovet Standardiserat» Träningscykel» Vilo-EKG» 5 min submaximalt arbete på 75 175 W beroende på kroppsvikt.» Ökas 25 W/min tills total utmattning.» Hastighet: at 60-70 rpm.» Monitorering av hjärtverksamhet Maximal arbetsförmåga» Uttrycks som Wmax, och delas med kroppsvikt Wmax/kg användes för att det korrelerade bättre med uppmätt maximal syreförbrukning (VO2max, r ~ 0.9) än predikterat VO2 max (r~0.6-0.7). Wmax/kg stanine scores (1-9), ex för en 70 kg man, 18 åriga män:» Stanine 1 130-154 W» Stanine 5 230-249 W» Stanine 9 Över 310 W

Begåvningsprovet 4 delprov:» Logiskt (Logical reasoning, instructions )» Verbalt (Concept discrimination)» Spatialt (Metal folding)» Teknisk-fysisk (Technical comprehension) Allmänbegåvning, sammanlagda resultatet på hela provet Resultaten överförs till en 9-stegs stanine skala» Jämförelse mellan olika år och olika prövande värnpliktskontor möjlig.

Målsättningar Att undersöka om det fanns ett samband mellan fysisk kondition och IQ vid 18 års ålder. Att undersöka om det fanns ett samband mellan muskelstyrka och IQ vid 18 års ålder. Att undersöka om en förändring av den fysiska konditionen mellan 15 och 18 års ålder kunde prediktera en förändring i IQ. Att undersöka om den fysiska konditionen vid 18 års ålder kunde prediktera utbildning och yrkesval senare i livet.

Studie design Kohortstudie av alla svenska män födda 1950 1976 (n=1 221 727) Age 15 Age 18 Age 28 Age 54 10 36 years follow-up Grades from compulsory school Swedish Military Service Conscription Register Swedish Twin Register Multigeneration Register LISA Register (education, occupation, income)

Resultat

9 Global intelligence Global intelligence (stanine score) 8 7 6 5 4 3 2 All Men 1968-1994, n = 1 214 472 p for association <0.0001 b = 0.222 (0.220 to 0.224) 9 Global intelligence / Muscular strength 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Cardiovascular fitness (stanine score) Data är korrigerade för mönstringsår, värnpliktskontor och båda föräldrarnas utbildning. Global intelligence (stanine score) 8 7 6 5 4 3 2 1 All men 1968-1994, n = 1 217 584 p for association <0.0001 b = 0.056 (0.054 to 0.057) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Muscular strength (stanine score)

Blir man smart av att träna? eller Är det de smarta som tränar? Tvillingstudier där betydelsen av arv och miljö kan analyseras tex om kondition och IQ styrs av samma gener. Longitudinella studier där man ser om en förändring av fysisk aktivitet förändrar IQ.

Tvillingstudier

Gener Ärftlighet Miljöfaktorer - gemensamma - icke gemensamma

Fysisk kondition vid 18 års ålder: Gener: 56% Gemensamma miljöfaktorer: 11% Icke gemensamma miljöfaktorer: 33% IQ vid 18 års ålder: Gener: 52% (teknisk) - 56% (spatial) Gemensamma miljöfaktorer: 5% (spatial) - 24% (logisk) Icke gemensamma miljöfaktorer: 24% (logisk) - 39% (spatial) Sambandet fysisk kondition och IQ vid 18 års ålder: Gener: 14% Gemensamma miljöfaktorer: 7% Icke gemensamma miljöfaktorer: 79%

Följs en förändring av den fysiska konditionen mellan 15 och 18 års ålder av en förändring i IQ?

Ser man något samband mellan fysisk kondition vid 18 års ålder och senare utbildning och yrkesval?

Adjusted HR Event Cardiovascular fitness No of event (95% confidence intervals) Education per stanine score 230 567 1.09 University outcome (1.09-1.10) scores 6-9 compared to 1-4 103 444 1.78 (1.75-1.81) Occupation per stanine score 56 697 1.13 SEI 3 outcome (1.12-1.13) scores 6-9 compared to 1-4 48 459 1.51 (1.47-1.55) SEI socioeconomic index

Cardiovascular Fitness is Associated with Cognition in Young Adulthood. Maria A.I. Åberg, Nancy L. Pedersen, Kjell Torén, Magnus Svartengren, Björn Bäckstrand, Tommy Johnsson, Christiana M. Cooper-Kuhn, N. David Åberg, Michael Nilsson and H. Georg Kuhn (2009) Proc Natl Acad Sci USA 106: 20906-20911.

Skalman Skalman är mycket smart men också mycket lat. Mat- och sovklockan innehåller ingen tid för motion.

Den fysiska konditionen vid 18 års ålder var kopplad till kognitiv förmåga / IQ. Den fysiska konditionen vid 18 års ålder predikterade utbildning och yrkesval senare i livet. Förklaringsmodeller 1. Konditionens effekter på hjärnan är akuta/subakuta. God kondition i tonåren predikterar för fortsatt god kondition upp i vuxen ålder. (Telama et al., 2005) 2. Konditionens effekter på hjärnan i tonåren kvarstår på lång sikt oavsett om den fysiska konditionen avtar. (Reynolds and Nicolson 2007; Da Silva et al., 2010) 3. En kombination av 1) och 2).

Skalman som 18-åring: Lee, I. M. and D. M. Buchner (2008). "The importance of walking to public health."

Disposition 1. Basalt om hjärnan och kognition 2. Plasticitetsbegreppet 3. Vad påverkar barn och ungdomars kognitiva förmåga? 4. Fysisk aktivitet och effekter på hjärnan: Djurexperimentell bakgrund 5. Fysisk aktivitet och effekter på hjärnan: Studier på människa 6. Befolkningsstudien om fysisk kondition och kognition 7. Skalman 8. Framtida frågeställningar och forskningsfront

Interventions studier Framtida frågeställningar och forskningsfront Dos-respons? Enkel konditionsträning jämfört med komplex fysisk träning m a p effekter på hjärnan? Relationer mellan social interaktion och fysisk träning? Synergieffekter av kost och fysisk träning? Del i behandling vid neurodegenerativ sjukdom? Samarbete med pedagoger Hur och när träna fysiskt i relation till en specifik inlärningssituation? Hur få folk att träna? Pedagogiskt problem! Vissa särskilda grupper särskilt svårt. Exergaming Fysisk kondition vid 18 års ålder och senare Risk för långtids sjukskrivning Risk att insjukna i olika sjukdomar i hjärnan

Take home message Vi vet av erfarenhet att miljöfaktorer och sociala faktorer påverkar hjärnans utveckling och om du får usla gener från dina föräldrar kan du inte fixa det och det är heller inte lätt att göra någonting åt sin ekonomiska status. Däremot kan du genom att motionera mer öka dina egna förutsättningar, säger professor Art Kramer som ledde studien som nyligen publicerats i den medicinska tidskriften Brain Research (Aftonbladet 21/9 2010)

Extra material

Myter om hjärnan Att vi bara skulle använda 5-20% av vår hjärna. Elektrisk aktivitet och förbrukning av glukos och syre pågår hela tiden och i hela hjärnan. Det finns inga obrukade eller vilande delar i friska hjärnor. Hjärnan vilar vissa delar i taget. Hela hjärnan får när vi sover förändrade EEG-vågor pga att nervcellerna arbetar i takt. Ny energi (ATP) bildas och lagras. Under sömnen lagras nya minnen. Vänster hjärnhalva är rationell och höger kreativ. Vä är viktigare för språk o matematik och hö för rumsuppfattning o musik men hjärnhalvorna kommunicerar och samverkar hela tiden.

Gener Vad påverkar vår kognitiva förmåga? Uppväxtförhållande / berikad miljö Förekomst av sjukdom/medicinsk behandling Psykiskt välbefinnande (ex dystymi, negativ stress) Specifik kognitiv stimulans (tex taxichaufförerna i London) Sömn (berätta om den sovande råttan) Kost Musik Fysisk träning

Hur mäter man fysisk kondition? Med kondition brukar man mena kroppens förmåga att utföra ett långvarigt, submaximalt arbete. Kondition är en viktig indikator på hur väl hjärta, kärl och lungor fungerar. Aerob förmåga: ett mått på hur väl man kan tillgodogöra sig det syre man andas in. -Registrering av hjärtfrekvens -Bestämning av maximal syreupptagningsförmåga (VO2max) mäts vanligtvis i enheten ml/min/kg, det vill säga den maximala volymen syre i milliliter som kan tillföras varje kilogram kroppsvävnad per minut. -Fysisk arbetskapacitet mätt som den maximala prestationen på en träningscykel i Watt/kg

Synergi mellan kost och fysisk aktivitet Gomez-Pinilla, Nature Reviews 2008

NR = non-runner (9d) SR = short runner (9d) NR = non-runner (24d) LR = long-runner (24d) Naylor et al., J Neurophys 2005

Fysisk träning påverkar hjärnans plasticitet genom att.. Förbättra kognitiva prestationer - flertal strukturella och biokemiska korrelat Förbättra neuroprotektion (skydd mot skada) och återhämtning (läkning eller regeneration) i den skadade hjärnan