WP2002 [Kognition]

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Modul-Titel WP2002 Wechselwirkung von Bewegung und Kognition
Veranstaltung PS Biomechanik
Autor M. Schlink, E. Sosnowski
Bearbeitungsdauer ca. 30min
Präsentationstermin 11.02.2021
Status finalisiert
Zuletzt geändert 24.02.2021

I. Einleitung

Leistung ist in unserer Gesellschaft ein wichtiges Thema. Von uns wird erwartet, dass wir aufmerksam sind, Situationen umsichtig analysieren, die richtigen Schlüsse ziehen und dann auch noch vernünftig oder angemessen handeln. Wir sollen, kurz gesagt, kognitive Höchstleistungen erbringen. Um dies zu erreichen, ist es hilfreich, unser kognitives System zu verstehen. Denn neben einem tiefgreifendem Verständnis über unseren Körper bietet die Wissenschaft auch viele praktische Ansätze, die es ermöglichen, mit wenig Mühe zu dem besten „Ich“ zu gelangen.

Aber was ist Kognition? Nach Zimbardo (1995, S. 357) bezeichnet Kognition im Allgemeinen einen Begriff für alle Formen des Erkennens und Wissens. Dazu gehören etwa: Aufmerksam sein, Erinnern, Urteilen, Vorstellen, Antizipieren, Planen, Entscheiden, Problemlösen und das Mitteilen von Ideen. Es umfasst auch die Prozesse der mentalen Repräsentation.

Im Gegensatz zum Wiki Motions and Emotions, das die Relationen von Bewegung und Emotionen bzw. Affekten aufgreift, beschäftigt sich dieses Wiki näher mit den Zusammenhängen zwischen Kognition und Bewegung. Dabei betrachten wir zunächst das System der Kognition und seinen Einfluss auf die Bewegung. Welche neurobiologischen Strukturen lassen sich als Zentren der Bewegung bestimmen und wie wirken sie zusammen, um Bewegung zu ermöglichen? Im zweiten Teil betrachten wir das System Kognition-Bewegung von der anderen Seite und beschreiben, inwiefern Bewegungen Einfluss auf unsere kognitiven Prozesse haben und ob sich diese Prozesse anhand von Bewegungen optimieren lassen. Gilt das lateinische Sprichwort des römischen Satirikers Juvenal „Mens sana in corpore sano“ (zitiert nach Oxford University Press), was frei als „ein gesunder Mensch in einem gesunden Körper“ übersetzt werden kann oder gilt die berühmte Aussage „No sports!“, die laut Hanselmann (2017) kein Zitat von Winston Churchill sondern vielmehr eine Erfindung von Sportmuffeln sei?

(Verfasst von Erik Sosnowski und Martin Schlink)

II. Kognition der Bewegung: Neurobiologische Einblicke

Kognition und Bewegung sind zwei Prozesse, die eng miteinander gekoppelt sind. Dies wird auch im Embodiment-Ansatz angenommen. (Nähere Informationen dazu gibt es bei Motion and Emotion, Kapitel 2.2) In diesem Ansatz wird die Wechselwirkung zwischen Körper und Psyche betont, aus evolutionärer Sicht sowie bei der Modellierung des Menschen als gesamtheitliches System. Aus dem Zusammenspiel von Geist und Körper konnte sich der Mensch erst als homo sapiens entwickeln und auch in vielen Forschungsansätzen der neueren Zeit ist dieses Modell eine wichtige Grundlage. Mit Embodiment beschäftigen sich Neurowissenschaften und Verhaltenswissenschaften, aber auch in computergestützten Simulationen wird dieser Ansatz benutzt. Aus den Erkenntnissen dieser Forschungsansätze lässt sich herleiten, dass sich das Wissen eines Menschen aus seiner Wahrnehmung, seinem Gedächtnis, seiner Aufmerksamkeit und seinem Handeln bildet. Diese bilden sein kognitives System, das so komplex und dynamisch wirkt, dass seine einzelnen Elemente nur schwer isoliert betrachtet werden können. Dass körperliche Zustände sowohl Einfluss auf die psychischen haben als auch vice versa, damit beschäftigen wir uns jetzt näher (Beer, 2000; Knudsen, 2002; Kan, 2003; Bahrick, 2000; Zwaan, 2002; Samuelson, 2000; Barsalou, 2003). Zuerst betrachten wir beim Zusammenspiel von Kognition und Bewegung die kognitiven und neurobiologischen Zusammenhänge.

Sowohl bei der eigenen Bewegung, bei der Bewegungsplanung als auch bei dem Beobachten von Bewegungen anderer, werden teilweise identische Gehirnareale und andere neuronale Gebiete aktiviert. Motorisch-kognitive Handlungen beinhalten Planung und Ausführung und sind notwendig um das Verhalten anderer zu antizipieren und zu interpretieren (Leisman, 2014; Schmahman, 1996; Schmahmann, 2006).

Bewegungen sind meist nicht bloße Ausführungen von Reflexen, zum Beispiel ausweichen, wenn etwas auf einen zufliegt, oder zurückweichen, wenn man Schmerz empfindet, sondern ein komplexer, geplanter Vorgang. Diese benötigen eine Vielzahl an mentalen Prozessen, die aber auch genutzt werden können, wenn die Bewegung nicht aktiv ausgeführt wird. Wir können uns so zum Beispiel vorstellen, dass wir einen Ball werfen oder gar mit mehreren Bällen jonglieren. Das Wort Bewegung beschreibt dabei die Verschiebungen unserer Körperteile und das Wort Handlung eine zielgerichtete Bewegung (Leisman, 2016).

II.1 Motorische Kognition

Die motorische Kognition sind die kognitiven Prozesse, die einer motorischen Bewegung zugrunde liegen. Sie umfasst die mentalen Prozesse, die an der Planung, Vorbereitung und Ausführung unserer eigenen Handlungen beteiligt sind. Sie umfasst aber auch die kognitiven Prozesse, die an der Antizipation, Vorhersage und Interpretation der Handlungen anderer beteiligt sind (Zimbardo, 1995). Eine solche Interaktion lässt sich durch einen dynamischen Zyklus von Wahrnehmung, Planung und ausgeführter Bewegung beschreiben. Dabei spielt auch eine Vorstellung der Situation in Form von einer mentalen Repräsentation eine Rolle. Kleinkinder, die diese Repräsentation noch nicht erstellen können, oder Menschen, die durch eine Krankheit eine Beeinträchtigung dieser Fähigkeit erlitten haben, steigen zB bei einer Treppe eine Stufe nach der anderen herab. Sie besitzen nicht das Wissen in Form von Vorstellung, dass die verbleibenden Stufen jeweils die gleiche Höhe haben werden wie die vorhergehenden Stufen. Die Menschen, die dazu in der Lage sind, berechnen unterbewusst und beiläufig die Höhe jeder Stufe und senken ihren Fuß in der Annahme, dass die nachfolgende Stufe in das Muster passt (Gibson, 1966).

Selbst die scheinbar einfache Bewegungsplanung, die für das Herabsteigen einer Treppe erforderlich ist, das unbewusste Bestimmen, wann und wie weit man den Fuß absenkt, beruht auf einer Reihe ausgeklügelter neuronaler Prozesse. Im Sinne der Evolution besteht die Funktion der Wahrnehmung nicht nur in der sensorischen Interpretation und Erkennung von Objekten und Ereignissen, sondern wir erhalten zusätzlich eine Anleitung und Rückmeldung für unsere eigenen Bewegungen, die es uns ermöglicht, diese Bewegungen effektiv und effizient zu gestalten.

Diese Prozesse entstehen erst durch die Wechselwirkung von Wahrnehmung und Handlung. Neurobiologisch wird dies durch funktionelle Verbindungen und eine gemeinsame Kodierung ermöglicht. Unsere Bewegungen erlauben uns Veränderungen zu bewirken und wahrzunehmen, was uns erlaubt, unsere nachfolgenden Handlungen zu planen. Handlungen erfordern also kognitive Pläne, die wiederum sowohl wahrnehmungsbezogene als auch motorische Komponenten haben. Erst dadurch kann der Prozess automatisiert werden, der beim Hinabsteigen einer Treppe nötig ist (Haggard, 2005; Leisman, 2014).

II.2 Motorische Kognition muss erlernt werden

Motorische und kognitive Funktionen arbeiten zusammen, um zielgerichtete Bewegung zu ermöglichen und effizient zu gestalten. Dabei ist die Funktion einzelner Hirnareale anatomisch weniger wichtig als die Intensität ihrer Kommunikation durch neuronale Verschaltung und Vernetzung. Die kognitiv-motorischen Funktionen entstehen durch die Interaktion unterschiedlicher Gehirnregionen, die ungleichmäßig verteilt im Gehirn liegen. Diese Regionen sind je nach Positionierung spezialisiert und erst ihr komplexes Zusammenwirken ist in der Lage unsere motorischen, kognitiven und perzeptiven Fähigkeiten zu einem Optimum zu bringen. Betrachten wir ein kindliches Gehirn, fehlen diese lokalisierten Gehirnfunktionen. Es arbeitet homogener und erst durch seine Entwicklung entstehen regionale, spezialisierte Zentren, die eine bessere und optimierte kognitive und motorische Leistung ermöglichen (Leisman, 2016).

Durch lokale spezialisierte Hirnregionen wird jedoch noch nicht erklärt wie diese Areale miteinander verbunden sind und zusammenarbeiten um kognitive und motorische Prozesse in ihrer Komplexität auszuführen. Funktionelle Spezialisierung benötigt also auch funktionelle Integration (Leisman, 2009; Koch, 2012).

Das Konzept der funktionellen Integration geht davon aus, dass sensorische, motorische oder kognitive Prozesse auf kontextabhängigen Interaktionen zwischen verschiedenen Hirnregionen beruhen. Diese basieren auf speziellen anatomischen und funktionellen Verknüpfungen (Friston, 2002).

Betrachten wir dazu zum Beispiel eine Aktivität im primären motorischen Kortex. Er besteht aus der M1, SMA und PMA Region. Diese werden unten in Abbildung 2 weiter beschrieben. Die M1 Region ist zuständig für Feinmotorik und beinhaltet eine verzerrte Karte des Menschen, bei der benachbarte Regionen des Körpers auch benachbart abgebildet sind. Dies wird Homunculus (künstlicher, kleiner Mensch) genannt (siehe Abbildung 1). Diese M1 Region kann durch aktivierende oder hemmende prämotorische Reize aktiviert werden. Also Reize, die vor der eigentlichen Bewegung entstehen, zB durch Planung. Diese Reize interagieren wiederum mit Reizen aus sensorischen, assoziativen oder zeitlich-strukturierenden Regionen (Rizzolatti, 1998; Pascual-Loene, 2000; Grefkes, 2010).

Motorischer Homunculus Abbildung 1: Der motorische Homunculus zeigt, mit welchem Teil im Gehirn die verschiedenen Körperteile verbunden sind. Dieser liegt auf dem gezeigten Band entlang über die Hirnrinde. (Quelle: https://www.yogaderquelle.de/lesesaal/tantra-und-yoga-nidra/ (Zugriff 21.01.2021))

Manche klassische Theorien gehen davon aus, dass das Gehirn bei der Geburt eine tabula rasa ist, ein unbeschriebenes Blatt (Leisman, 2016). Neurologische Befunde zeigen aber, dass das Gehirn vorverdrahtet ist und zwar auf eine spezifische Weise, die durch eine genetische Komponenten vorgeschrieben wird. Bei den Fähigkeiten zur Orientierung, dem Wissenserwerb und dem Annähern und Zurückweichen sind Neugeborene noch stark eingeschränkt, sie wenden sich jedoch schwachen Reizen zu und starken Reizen ab (Braddick, 2005).

Das Verhalten wird durch Reife erst vielfältig, indem Kinder Möglichkeiten erlernen Informationen und Handlungen geistig zu repräsentieren und diese gedanklichen Repräsentationen mental zu verändern und zu manipulieren. Dadurch entsteht auch die Fähigkeit sich während dem Einfluss der Umgebung unterschiedlich zu verhalten. Dies nennt man selektive Inhibition, also die Fähigkeit von wahrscheinlicheren, vorverdrahteten Reaktion abzuweichen, indem diese gehemmt werden. Weniger wahrscheinliche Reaktionen können so um die Kontrolle des Verhaltens konkurrieren. Würde ein Kleinkind beispielsweise etwas süßes schmecken, könnte es nicht aufhören daran zu nuckeln. Als Kind hingegen ist man schon in der Lage sich „zu entscheiden“, ob man das Süße schmecken möchte oder nicht. Dies ist genauso auch bei der differenzierten Bewegung wichtig. Es müssen die unnötigen Interaktionen mit anderen kognitiven Prozessen gehemmt werden. Dies beinhaltet zB Erinnerungen oder Reflexe. Eine einzelne Bewegung zu stoppen, anstatt sie weiterlaufen zu lassen, wird erst in Verbindung mit der Reifung des motorischen Systems möglich (Leisman, 2016).

II.3 Verschiedene Ebenen der Verarbeitung

Motorische Kognition ist in verschiedenen Hirnarealen zu lokalisieren, die für Bewegungskontrolle zuständig sind. Diese lassen sich hierarchisch darstellen. Dabei wird die unterste Ebene M1 genannt, die direkt die Muskelfasern ansprechen und für feinmotorische Prozesse verantwortlich ist. Das prämotorische Areal PM ist für eine komplexere Verarbeitung zuständig, für die Verknüpfung zu spezifischen motorischen Programmsequenzen. Über diesem liegt das SMA (supplementary motor area), das die Erstellung und das Ausführen von Aktionsplänen unterstützt (Leisman, 2016).

Motorisch wichtige Strukturen Abbildung 2: Motorisch wichtige Strukturen des Gehirns. (Selbst editiert nach https://pixabay.com/vectors/brain-mind-thinking-a-i-ai-2789698/ (Zugriff 28.01.2021))

In einer Studie von Mushiake (1991) wurde untersucht, wie diese Areale unter einer Aufgabe mit internen Reizen, zum Beispiel dem Stellen eines Weckers, und einer Aufgabe mit externen Reizen, zum Beispiel dem Ausschalten eines Weckers, arbeiten. In diesem Beispiel stellt man „von sich aus“ einen Wecker und „reagiert“ auf das Klingeln des Weckers. Der Unterschied dieser beiden Aufgaben ist also die Erstellung einer Strategie die nur bei dem internen Reiz auftritt.

Bei Affen wurden dazu Hirnarealen untersucht bei Aufgaben die einen internen Trigger (IT) haben und einen visuellen Trigger (VT) haben. In der VT-Bedingung mussten die Affen drei Knöpfe auf einer Tafel berühren, die in einer zufälligen Reihenfolge beleuchtet wurden. Bei den IT-Stimuli mussten die Affen die vorgegebene Reihenfolge abrufen und diese Sequenz auf einem Tastenfeld ohne visuelles Feedback drücken.

Das Areal M1 zeigte dabei keine signifikanten Veränderungen, da bei beiden Aufgaben die Bewegungsabläufe gleich sind. In der IT-Bedingung konnte man jedoch eine höhere neuronale Aktivität im SMA vor und während der Ausführung der Bewegung feststellen (Mushiake, 1991). Diese Ergebnisse wurden auch am Menschen bestätigt (Ohara, 2000; Cunnington, 2005; Matsuzaka, 2007).

Daraus lässt sich folgern, dass die motorische Produktion und das Verhalten auf mehreren Verarbeitungsebenen stattfindet. Es finden also unterschiedliche neuronale Aktivitäten statt, wenn man auf Umweltreize mit einer Bewegung reagiert oder wenn man eine Aktion plant und diese ausführt. Einleuchtend wäre nun auch anzunehmen, dass diese Hirnareale zeitlich versetzt nacheinander agieren und mit den Informationen des anderen Areals weiterarbeiten. Dies ist aber nicht der Fall, stattdessen deuten andere Forschungsergebnisse darauf hin, dass sie auf komplexe Weise parallel arbeiten.

Auch andere Aufteilungen der Aufgaben lassen sich in Gehirnregionen messen. So ist zum Beispiel der präfrontale Kortex an der Initiierung und an der zeitlichen Organisation von Handlungen beteiligt, und das Kleinhirn ist an der zeitlichen Kontrolle von Handlungssequenzen beteiligt (Leisman, 2014; Leisman, 2013; Leisman, 2012). Die besprochenen Regionen M1, PM und SMA sind aber auch aktiv, wenn eine Antizipation einer Bewegung erforderlich ist. (Leisman 2016)

II.4 Sich eine Bewegung vorstellen

Eine weitere Verbindung und Zusammenarbeit zwischen Bewegen und Denken bildet das Vorstellen von Bewegungen, also die motorische Vorstellungskraft. Dadurch kann man neuronale Aktivitäten in den primären sensomotorischen Gehirnarealen genauso auslösen, wie mit realen Bewegungen (Leisman, 2016). Eine Studie mit Personen mit tetraplegischer Lähmung, einer Art der Querschnittslähmung, hat gezeigt, dass diese eine EEG-gesteuerte Handorthese mit nahezu 100%iger Genauigkeit steuern können. Dies geschah also ausschließlich durch eine mentale Repräsentation der Hand (Pfurtscheller, 1998). EEG ist die Elektroenzephalografie, eine Methode zur Messung der summierten elektrischen Aktivität des Gehirns durch Aufzeichnung der Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche.

Die motorische Kontrolle und die damit verbundenen motorisch-kognitiven Prozesse können durch den Einsatz von motorischer Vorstellungskraft leicht evaluiert werden. Die Mental-Imagery-Theory besagt, dass kognitiv-motorische Prozesse wie motorische Vorstellungskraft und die Beobachtung von Handlungen dieselben Repräsentationen teilen wie die motorische Ausführung (Jeannord, 2001).

So können mentale Trainingsverfahren ohne weiteres als therapeutisches Mittel in der motorischen Rehabilitation eingesetzt werden (Cho, 2012).

In anderen elektrophysiologischen Studien konnte gezeigt werden, dass die Hirnaktivität während der motorischen Vorstellungskraft vergleichbar ist mit der Aktivierung bei der Ausführung von tatsächlichen Bewegungen. Dies wurde für diverse Gehirnareale, die für den Ablauf von Bewegungen zuständig sind gezeigt. Dazu zählen zum Beispiel der primäre motorische Kortex (auch M1 genannt), der Sulcus intraparietalis (Zuständig für visuelle Aufmerksamkeit, visuelle Kontrolle für Handbewegungen, zB das Zeigen und nach etwas Greifen und der Tiefenwahrnehmung) und der Lobulus parietalis superior (Assoziationsszentrum, also eine Verbindungszentrale, zu anderen Sinnes- und Gefühlseindrücken für die haptischen Wahrnehmung) (Beisteiner, 1995; Sitaram, 2007; Filimon, 2007).

In Experimenten wurde die elektromyographische Aktivität (EMG) gemessen. Diese misst die elektrischen Ströme in den Muskeln und spiegelt so Aktivitäten in den Muskelfasern wider. Sie steigt signifikant während motorischer Stimulation, also während sich der Muskel bewegt. In diesen Experimenten wurde nun neben Mikrobewegungen auch eine erhöhte EMG in den Gliedmaßen, die an imaginierten Bewegungen beteiligt waren, gefunden. Dies war bei unbeteiligten Gliedmaßen nachweislich nicht der Fall (Jacobson, 1931). Eine andere Studie fand heraus, dass der Anstieg des EMG mit der Anstrengung der gedachten Bewegung koppelte (Shaw, 1940). Auch die synaptische Aktivität koppelt mit der Stärke der Muskelanspannung, die man sich vorstellt. Dies wurde in einem Versuch gezeigt, bei dem Probanden ein Pedal drücken oder es sich eben nur vorstellen (Bonnet, 1986).

Ähnliche Studien belegen die Ergebnisse auch für feinmotorische Aufgaben. Dabei sollten sich Probanden nur ausmalen, dass sie eine Zahl schreiben. Es wurde eine Aktivierung des präfrontalen Kortex, den ergänzenden motorischen Arealen (SMA) und dem Kleinhirn gemessen (Decety, 2006; Decety, 1990). Auch mit anderen Messmethoden, zum Beispiel dem PET (Positronen-Emissions-Tomographie: Bildgebung mit einer schwach radioaktiv markierten Substanz), bei dem der regionale zerebrale Blutfluss (rCBF) gemessen wird, oder dem fMRI (funktionelle Magnetresonanztomographie: Bildgebung mit starken Magneten) wurden diese Ergebnisse nachgewiesen (Fox, 1985; Gerardin, 2000; Stephan, 1995).

Unterschiede wurden bei der Ausführung von feinmotorischen Fingerbewegungen untersucht und mit Hilfe von fMRT gemessen. Bei Imagination und Ausführung waren die SMA aktiviert, aber die M1 war nur während der Ausführung aktiviert worden (Sanes, 2000; Sanes, 1994). Außerdem wurde ein Unterschied im Ausmaß der Aktivierung im primären motorischen Kortex (seine Aufgabe ist die Ausführung des bereits generierten motorischen Programms) zwischen Imagination und Ausführung gemessen (Hallett, 1994).

Diese und weitere Studien weisen also alle daraufhin, dass die mentale Repräsentation von Bewegungen ähnliche, wenn nicht größtenteils sogar gleiche, kognitive, biologische Reaktionen auslöst (Hale, 1982; Harris, 1997).

(Verfasst von Erik Sosnowski)

III. Der Einfluss von Bewegung auf kognitive Fähigkeiten

III.1 Spezifikation von Bewegungsarten und Kategorisierung kognitiver Fähigkeiten

In diesem Abschnitt soll anhand der aktuellen Studienlage (Stand 2021) aufgezeigt werden, ob und wie sich Bewegungen auf kognitive Fähigkeiten im Detail auswirken. Aber zuvor sollte spezifiziert werden, von welcher Art der Bewegung eine Wirkung ausgeht und in welcher Form Kognition dadurch beeinflusst wird.

Bei Betrachtung aktueller Studien zu diesem Thema wird klar, dass die Wissenschaft hier noch am Anfang steht (Jansen, 2010). Häufig werden in Studien Übungen im aeroben Stoffwechselbereich (Jansen, 2013; Leisman et al., 2016; Mualem et al., 2018; Perini et al., 2016) angegeben, was beispielsweise durch leichte-mittelschwere Intensität in Form von Laufbewegungen widergespiegelt wird. Zudem werden neben dieser eher quantitativen Systematisierung, auch qualitative Ansätze, die beispielsweise in einer von Koch (2011) durchgeführten Versuchsreihe Begriffe wie Bewegungsrhythmus und Bewegungsfluss aufgreifen, verwendet. Dabei stehen qualitative Herangehensweisen stärker mit dem Embodiment-Ansatz in Verbindung. Bereits Koch (2011) stellte fest, dass die Art und Weise, wie man die Hand geschüttelt bekommt, unsere Wahrnehmung in Bezug auf diese Person entscheidend prägt. In diesem Unterthema soll es jedoch stärker um quantitativ messbare Einflussfaktoren gehen. (Bei Interesse zum Thema Körpergesten: WP1802)

Es lässt sich dabei nicht immer eindeutig herausarbeiten, welche Art der kognitiven Fähigkeit auf ihren Zusammenhang mit körperlicher Aktivität untersucht wird. Unter anderem sind Wahrnehmung und Aufmerksamkeit, Lern- bzw. Merkfähigkeit und das Lösen von Problemen Objekte der Forschung (Jansen et al., 2009; Koch, 2011; Mualem et al., 2018; Perini et al., 2016). Hinzuzufügen wäre jedoch, dass bei solch einer Einteilung beispielsweise Wahrnehmung und Lernen ein interdependentes Konstrukt bilden, was die Untersuchung der einzelnen Aspekte erschwert. In einigen dieser Versuche werden die o.g. Fähigkeiten sogar bewusst kombiniert getestet. Das Lernen, mathematische Probleme lösen zu können, ist zum Beispiel Teil der Untersuchungen von R. Mualem et al. (2018).

Die Zielgruppen der im Folgenden aufgeführten Studien sind häufig Kinder und Jugendliche, da die Ergebnisse auch Bereiche der Pädagogik tangieren. Die Ergebnisse solcher Studien könnten laut Jansen (2010) dann unter anderem einen Einfluss auf die Gestaltung des Schulalltages haben.

Darüber hinaus sind nach Sebri et al. (2019) auch erkrankte und ältere Menschen im Rahmen von Bewegungstherapien und Prävention betroffene Zielgruppen. Zu Letzteren gibt es allerdings noch nicht genug Studien.

Vor dem Hintergrund dieser komplexen Strukturen sind im Folgenden einige Studien aufgelistet, die einen möglichst aussagekräftigen Stand der Wissenschaft über die Thematik liefern sollen.

III.2 Übersicht zur Studienlage

Einfaches Gehen

In einigen Versuchen untersuchten R. Mualem et al. (2018), wie sehr sich einfaches Gehen auf das Lösen verschiedener Probleme bei Schüler:innen und Student:innen auswirkt.

So konnten sie in einem 1. Versuch zeigen, dass Kinder und junge Erwachsene (Zielgruppe z.T. 5. Klässler, 7. Klässler, 9. Klässler und College Studenten) nach einer 10-minütigen Geheinheit auf ihrem Schulhof bzw. Campus in einem sequentiellen Gedächtnistest um ca. 13.77%, besser abschnitten als Getestete, die keine Geheinheit absolviert hatten. Als Messverfahren wurde hier das Spiel „Simon“ verwendet, was in folgendem Video erklärt wird:

Ähnlich wie bei dem sequentiellen Gedächtnistest, konnten R. Mualem et al. in einem 2. Versuch nachweisen, dass Kinder und junge Erwachsene unmittelbar nach 10 Minuten Gehen eine im Mittel 29.32% bessere Leistung ihrer visuell-räumlichen Fähigkeiten abriefen als Probanden, die dies zuvor nicht taten. Hier fungierten Gemälde als Materialien, die zunächst korrekt dargestellt wurden. Dann wurden die gleichen Gemälde ein weiteres Mal dargestellt, nur dass ein Detail fehlte. Nach dem Prinzip „finde den Fehler“ wurden die Teilnehmer der Studie nun gebeten, den Unterschied ausfindig zu machen. Das Ergebnis weist in diesem Fall auf eine deutliche Steigerung der räumlich-visuellen Verarbeitungsprozesse im Zusammenhang mit simplen Bewegungen hin.

Der 3. Teil dieser Testreihe, welcher mögliche Auswirkungen von 10-minütigem Gehen protokollierte, leistet neben den bisher betrachteten kognitiven Fähigkeiten einen Beitrag auf dem Gebiet des Lösens mathematischer Probleme. Diesmal absolvierten nur High-School Studenten im Alter von 17 Jahren einen an den sogenannten „PISA“ Studien orientierten mathematischen Test. Die Studenten wurden in 2 Gruppen aufgeteilt: Gruppe A erhielt in Woche 1 einen Test nach der Geheinheit und in Woche 2 einen ohne voriges Gehen, während Gruppe B in Woche 1 einem Test ohne vorige Geheinheit, aber dafür in Woche 2 mit 10-minütigem Laufen zuvor zugelost wurde. Starke Schüler zeigten dabei mit durchschnittlich 5.52% einen weniger hohen Leistungszuwachs als schwache Schüler, die ihr Resultat um 10.61% im Laufe der Testungen verbessern konnten. Laut R. Mualem et al. (2018) zeigt das Ergebnis, dass die Fähigkeit des Lösens mathematischer Probleme durch körperliche Betätigung signifikant gesteigert werden kann.

Einheiten auf dem Ergometer

Darüber hinaus gehen auch Perini et al. (2016) anhand ihrer Untersuchungen davon aus, dass strukturelle Veränderungen bei Lernprozessen mit Bewegung einhergingen. In zwei verschiedenen Experimenten wurden männliche Studenten getestet, die ähnliche Körpermerkmale (bezogen auf Alter, Gewicht, Körpergröße und BMI) vorweisen sollten, um möglichst die Vergleichbarkeit der Resultate zu gewährleisten. Dass nur männliche Teilnehmer getestet wurden, hängt in diesem Fall mit Untersuchungen von Colcombe und Kramer (Colcombe & Kramer, 2003) zusammen: Aufgrund derer ist man grundsätzlich davon ausgegangen, dass Gruppen als Ganzes einen größeren Nutzen von körperlicher Aktivität zeigen, wenn sie zum Großteil aus Frauen bestehen.

In Experiment 1 saßen die Teilnehmer nach der Durchführung eines ersten visuellen Tests auf einem Ergometer, ruhten wenige Minuten aus und traten dann 30 Minuten lang mit 60 Umdrehungen pro Minute in die Pedale. Während die Trainingsgruppe dazu aufgefordert wurde, mit 70 % der maximalen Herzschlagfrequenz zu fahren, was ca. 157 W entsprach, sollte die Kontrollgruppe mit 20 W in die Pedale treten, entsprechend einer deutlich geringeren Belastungsintensität. Die genannten Werte in Watt wurden dabei auf die körperlichen Maße der Teilnehmer abgestimmt. Unmittelbar nach dem Ende der Bewegungseinheit führten die Teilnehmer weitere sechs Blöcke a fünf Minuten des gleichen visuellen Tests innerhalb von ca. 30 min durch. Während der Experimente wurde sowohl die Herzfrequenz als auch die gefühlte Anstrengung gemessen. Die visuellen Tests bestanden darin, dass die Probanden bestimmen sollten, ob der präsentierte Stimulus im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn zum zuvor präsentierten Stimulus rotiert war.

Zum einen kann man laut Perini et al. (2016) die Interaktion zwischen körperlicher Aktivität und den Blöcken (1-6) im ersten Experiment nachweisen: In der Übungsgruppe zeigt die Orientierungssensitivität einen kontinuierlichen Anstieg in den aufeinanderfolgenden Blöcken. Im Gegensatz dazu trat in der Kontrollgruppe keine signifikante Veränderung von Block 1 zu Block 6 auf. Hinzu kommen Unterschiede in der Lernrate, also im durchschnittlichen Anstieg der gemessenen Beschleunigung bezüglich dieses Tests. Hier deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Lerneffekt bei der Trainingsgruppe im Vergleich zu dem Lerneffekt bei der Kontrollgruppe blockweise deutlich höher ist.

Der zweite Versuch folgte einem sehr ähnlichen Schema. Wieder wurde zunächst eine Aufgabe absolviert, darauf folgte eine 30-minütige Einheit auf dem Ergometer und abschließend wurde die gleiche Aufgabe wie schon in dem anderen Versuch weitere sechs Mal wiederholt.

Der Unterschied bestand in der Lernaufgabe: Diese sollte repräsentativ für die kognitiv-motorische Schnelligkeit sein. Hierbei handelte es sich um eine schnelle Daumenabduktionsbewegung der linken Hand, die mit einem Lernprozess einherging. Die Bewegungsbeschleunigung wurde dabei fortlaufend gemessen.

Nachgestellte Daumenabduktion in Dauerschleife

Die Resultate des zweiten Versuchs signalisieren nach Perini et al. (2016), dass die Beschleunigung der Daumenbewegungen in jedem Block zunimmt, wobei die Intensität der körperlichen Belastung der Übungsgruppe zu Gute kommt, was sich durch die insgesamt höhere Beschleunigung zeigte. Die Lernrate ist bei beiden Gruppen von Block zu Block sehr ähnlich, was demonstriert, dass der Lerneffekt in diesem Fall nicht mit der körperlichen Intensität der Belastung zusammenhängt.

Insgesamt wurde also im 1. Versuch die Leistung in einer Wahrnehmungslernaufgabe - eine Form des impliziten Gedächtnisses - untersucht, die sich nach Perini et al. (2016) durch verbesserte sensorische Unterscheidung von Reizen kennzeichnen lässt. In Experiment 2 wurden die Leistungen der Probanden in einer einfachen motorischen Aufgabe bewertet. Perini et al. (2016) stellten insgesamt klar, dass aerobes Training die Fähigkeit junger männlicher Erwachsener zum Lernen in visuellen und motorischen Bereichen verbessern kann und dass diese positiven Effekte bis zu 30 Minuten nach dem Training anhalten.

Jonglieren

In einem weiteren Experiment überprüften Jansen et al. (2009) in einer Studie, wie sich ein drei Monate langes Jongliertraining auf das räumlich visuelle Vorstellungsvermögen auswirkt. Hierbei absolvierten 46 Erwachsene zunächst einen Test, der die kognitive Rotationsleistung der Probanden misst: Es wurden dabei gleichzeitig zwei dreidimensionale Würfelfiguren dargestellt. Die Aufgabe war es nun, zu entscheiden, ob die zwei Figuren spiegelverkehrt oder identisch und rotiert sind. Die Hälfte nahm nun an dem Jongliertraining teil, während die Kontrollgruppe dies nicht tat. Nach drei Monaten wurden beide Gruppen erneut mittels einer kognitiven Rotationsaufgabe getestet. Im Vergleich zu der „untrainierten“ Kontrollgruppe, konnten Teilnehmer der Versuchsgruppe ihre Leistung maßgeblich steigern.

III.3 Neurobiologische Hintergründe

Mehrere Studien zeigen, dass ein maßgeblicher Einfluss von Bewegung auf kognitive Prozesse erkennbar ist. Gestützt wird dies von neurologischen Untersuchungen: Smith et al. (2010) baten eine kleine Gruppe von Erwachsenen im Alter von 20 bis 30 Jahren, 30 Minuten lang auf einem Heimtrainer zu fahren. Die Veränderungen im Gehirn wurden zunächst unmittelbar nach der Trainingseinheit, dann noch einmal 15 min später beobachtet. Die Ergebnisse zeigten, dass im Gehirn durch eine einzige 30-minütige körperliche Aktivität bei niedriger bis mittlerer bzw. moderater bis hoher Intensität Neuroplastizität* ausgelöst werden konnte; bereits nach 15 Minuten traten erkennbare Veränderungen auf. Laut Leisman et al. (Leisman et al., 2016) ist Plastizität ein Hauptmechanismus, der für die Förderung von Lernen, verbalem und prozeduralem Gedächtnis sowie motorischem Verhalten verantwortlich ist. Anhand dieser Prozesse lässt sich erklären, warum körperliche Aktivität die kognitiv-motorischen Funktionen positiv beeinflusst.

Außerdem ist gemäß den Aussagen der Harvard Medical School (2018) bekannt, dass Bewegung das Gedächtnis fördert, weil sie direkt auf den Körper wirkt, indem diverse physiologische Veränderungen ausgelöst werden: Dazu zählt neben einer Verringerung von Insulinresistenz und Entzündungen, auch die angeregte Produktion von Wachstumsfaktoren. Zu den Wachstumsfaktoren zählen beispielsweise solche Chemikalien, die wiederum das Wachstum neuer Blutgefäße im Gehirn stimulieren und die Ausprägung, Lebenserwartung und die allgemeine Gesundheit neuer Gehirnzellen verbessern.

* „Unter der Neuroplastizität subsumiert man funktionelle und strukturelle, adaptive Veränderungen im Bereich des zentralen Nervensystems, die aus veränderten physiologischen Anforderungen […] resultieren. Neuroplastizität ermöglicht Lernvorgänge.“ (Högemann, 2015)

III.4 Aussagekraft der Experimente

Einerseits scheinen die Experimente grundsätzlich einen Beitrag zu der Fragestellung, ob Kognition mittels Bewegung verbessert und optimiert werden kann, zu leisten. Viele von ihnen prüfen grundlegende Fertigkeiten, die wir beim Lernen für Schule, Studium oder Ausbildung anwenden können müssen. Dies gilt auch in ganz banalen Situationen, z.B. wenn man sich eine Telefonnummer merken möchte.

Auf der anderen Seite sollte man beachten, dass im Zusammenhang von Bewegung und Kognition weitere Variablen mit einfließen, die in Untersuchungen häufig nicht berücksichtigt werden. Dazu könnte zum Beispiel der Einfluss körperlicher Aktivität auf die Qualität des Schlafes oder die Rolle der Atmung zählen, die auch Variablen im Rahmen dieser Beurteilung sein könnten. Es muss dabei grundlegend zwischen Korrelation und Kausalität unterschieden werden: Viele dieser Studien zeigen zwar, dass ein Zusammenhang besteht, aber ob dieser kausal ist, bleibt häufig unklar. Gerade wenn es um langfristige Einflussfaktoren geht, können viel Bewegung und ein intaktes kognitives System auch Nebeneffekte einer gesunden und erfolgsorientierten Lebensweise sein, die Perini et al. (2016) zufolge auf höhere Bildungsniveaus zurückgeführt werden kann.

Das Ausmaß des Zusammenhangs zwischen Bewegung und kognitiver Leistung des Menschen ist in seiner Komplexität noch nicht vollständig ersichtlich. Die Forschung hat hier noch einige Arbeit vor sich, da auch indirekte Faktoren wie Schlaf beispielsweise in die Gleichung eingerechnet werden müssen. Weitergehende Fragen wie „Sind Laufdiktate in der Schule eine sinnvolle Wahl“ sind sehr praxisnah und sollten individuell differenziert betrachtet werden. Bisherige Forschungsergebnisse deuten allerdings an, dass kognitive Prozesse über das Medium Gehirn offensichtlich so stark mit dem Körper vernetzt sind, dass der Einfluss von Bewegung auf Kognition nicht von der Hand zu weisen ist.

(Verfasst von Martin Schlink)

IV. Fazit

Für viel Menschen ist es von großer Bedeutung einen gesunden Lebensstil zu haben und dabei sowohl Körper als auch Geist fit zu halten. Dass Bewegung und Sport leistungssteigernde Anpassungsprozesse auslösen können, die mit genau dieser Erwartung einhergehen, ist bereits belegt (Neufer et al., 2015; Anderson et al., 2010; Smith et al., 2010).

Erst seit kurzer Zeit legen die Forschungsrichtungen dabei das Augenmerk zunehmend auf kognitive Prozesse. Dabei zeigt sich immer wieder, dass der Einfluss der Kognition auf die motorischen Abläufe starke Zusammenhänge liefert, aber auch Bewegungsabläufe einen Einfluss auf unsere Kognition haben können.

Hinzuzufügen ist jedoch, dass Experimente und Untersuchungen sehr spezifisches Wissen liefern, das die Wissenschaft von Kognition und Bewegung der Gefahr aussetzt, verallgemeinerte Aussagen über sie zu formulieren. Der Grund dafür liegt nicht nur bei der Vielzahl an kognitiven Prozessen, die zu untersuchen sind, sondern ebenfalls an der Schwierigkeit, Bewegungsabläufe zu vereinheitlichen. Dass es aus biomechanischer Sicht gewaltige Unterschiede zwischen den langsam-fließenden Bewegungen beim Yoga im Vergleich zu einem sehr kraftvoll-explosiven Ablauf beim Diskuswerfen gibt, dürfte hierbei klar sein.

Der Forschungsstand unseres Themas bleibt bis heute lückenhaft, aber es gibt schon jetzt ein solides Fundament und einen starken Zuwachs an experimentellen Ergebnissen. Es ist wichtig, dass die bestehenden Grundlagen um tiefergehende Detailarbeit erweitert werden, sodass unser Bild geschärft wird.

Um die Anfangsfrage aufzugreifen: Wir würden Euch raten, dass ihr Euch ausgiebig bewegt, Sport macht und so neben den bekannten gesundheitsfördernden Folgen unter Umständen auch bestimmte kognitive Prozesse verbessert.

Die von uns herausgegebene Empfehlung basiert auf unserer wissenschaftlichen Recherche. Wir sind keine Ärzte, sondern Studenten. Bei Risiken und Nebenwirkungen fragen Sie Ihren Arzt oder Apotheker.

(Verfasst von Erik Sosnowski und Martin Schlink)

V. Themenvorschläge für weitere Wikis

- Die Rolle der Sprache in der Biomehanik

- Messmethoden und -verfahren

VI. Literaturverzeichnis

Anderson, B. J., Greenwood, S. J., & McCloskey, D. P. (2010). Exercise as an Intervention for the Age-Related Decline in Neural Metabolic Support. Frontiers in Aging Neuroscience, 2. https://doi.org/10.3389/fnagi.2010.00030

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