From space to school : neurophysiological relation of physical exercise and cognitive performance in field

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Bibliographic Details
Title translated into German:Vom Weltraum in die Schule : neurophysiologische Zusammenhänge von körperlicher Aktivität und kognitiver Leistung unter Feldbedingungen
Author:Wollseiffen, Petra
Gutachter:Strüder, Heiko K.; Albracht, Kirsten
Published:Köln: 2019, 80 S., Lit.
Research institution:Deutsche Sporthochschule Köln / Institut für Bewegungs- und Neurowissenschaft
Notes:Köln, Dt. Sporthochsch., Diss., 2019 (kumulativ)
Format: Publications (Database SPOLIT)
Publication Type: Book
Media type: Print resource Electronic resource (online)
Document Type: Doctoral thesis Grey literature
Language:English
Keywords:
Online Access:
Identification number:PU201908005830
Source:BISp

Author's abstract

Bedingt durch weit reichende Veränderungen in den Lebens- und Arbeitsbedingungen, dem damit verbundenen Gewinn an Freizeit, aber auch dem Verlust der Notwendigkeit körperlicher Erwerbstätigkeit, ist in den vergangenen Jahrzehnten eine große und vielfältige Gemeinde aktiv Sport Treibender gewachsen. Im Zentrum dieser Bewegung steht heute vor allem der Wunsch, präventiv im Sinne der Gesundheit zu handeln. Gesundheit wird jedoch nicht mehr allein auf die körperliche Gesundheit reduziert, sondern Sport und Bewegung, das zeigen Studien der vergangenen zwei Dekaden, wirken auch positiv auf die kognitive Leistungsfähigkeit und das emotionale Wohlbefinden. Zunehmend ist in den vergangenen Jahren auch ein Interesse an den durch Sport und Bewegung provozierten neurophysiologischen Veränderungen und deren Beziehung zu beobachteten behavioralen, kognitiven und emotionalen Parametern entstanden. Eine Limitierung bestehender Forschungsarbeiten lag dabei in der oft künstlichen Laborsituation. Bedingt durch die technologische Entwicklung und hier insbesondere der Entwicklung moderner Verfahren zur Erfassung und Analyse zentralnervöser Parameter ist es heute möglich, die durch Sport und Bewegung provozierten kortikalen Veränderungen auch „im Feld“, d.h. in der unmittelbaren Lebenssituation abzubilden und damit deutlich konkretere Empfehlung bzgl. des Einsatzes von Sport und Bewegung zum Erhalt der kognitiven Funktionen und dem emotionalen Wohlbefinden auszusprechen. Kapitel I gibt eine Einführung in die fünf dieser kumulativen Promotion zugrundeliegenden Studien und Themenfelder. Die erste Studie in Kapitel II beschäftigt sich mit der Frage, inwieweit eine aktive Pausengestaltung am Arbeitsplatz die kognitive Leistungsfähigkeit erhalten kann. Die Ergebnisse belegen, dass sowohl eine hochintensive Belastung (Boxen) als auch eine moderate Belastung (Radfahren) verbunden sind mit speziellen kortikalen Aktivierungsmustern (transiente Hypofrontalität), welche sich in einer Erhöhung der kognitiven Leistungsfähigkeit im Anschluss an die Pause widerspiegelt. Kapitel III beschäftigt sich mit der Frage nach der zentralnervösen Ermüdung während eines 6-stündigen Ultra-Marathonlaufs. Während es zu Beginn zu einer Abnahme fronto-temporaler Aktivität kommt, was interessanterweise mit dem persönlichen Empfinden eines Flow Zustandes korreliert, zeigen die Daten der folgenden fünf Stunden, dass es während einer solch langandauernden Ausdauerbelastung weder zu einer kortikalen Ermüdung, noch zu einer Abnahme der kognitiven Leistungsfähigkeit kommt. Die folgende Studie in der Grundschule in Kapitel IV belegt erstmals eine zentrale Abnahme der kortikalen Erregungsaktivität nach einer Schulsportstunde. Diese Veränderung wird diskutiert mit Blick auf eine Verbesserung der Aufmerksamkeits- und der Konzentrationsfähigkeit und unterstreicht die relaxierende Wirkung von Sport, aber auch anderen Nebenfächern wie Musik und Kunst, auf Lernprozesse im Setting Schule. Die Kapitel V-VII behandeln umfassend die Auswirkung von Schwerelosigkeit auf neuro-kognitive Prozesse. Die in mehreren DLR und ESA Parabelflügen erhobenen Daten belegen eindrücklich eine positiven Effekt von Schwerelosigkeit auf die kognitive Leistungsfähigkeit und deren zugrundeliegenden neuronalen Parameter (ERP Analyse). Diese Effekte sind nicht, wie oftmals angenommen, mit einer Verschiebung von Blutvolumina in den Kortex zu erklären. Erstmals wird mit diesen Studien belegt, dass es dringend nötig ist während zukünftiger Langzeitmissionen zu differenzieren zwischen primären Effekten von Schwerelosigkeit und sekundären Effekten von Stress und Isolation auf Kognition und Emotion. Insbesondere wird dies von Relevanz in der Planung und Terminierung von Sporteinheiten zum Erhalt der mentalen Leistungsfähigkeit während Langzeitmissionen haben. Kapitel VIII führt die in der Einleitung aufgeworfenen Fragen und Ansätze zu einem Gesamtbild zusammen und belegt die Relevanz einer modernen bewegungsneurowissenschaftlichen Forschung. Während lange Jahre die Effekte von Sport und Bewegung auf Kognition und Emotion nur mittelbar abbildbar waren, ermöglichen die Arbeiten dieser Promotion, in verschiedenen Real-Live-Settings, einen Einblick in die durch Sport und Bewegung bzw. extremen Umweltbedingungen provozierten neurophysiologischen Veränderungen und deren Relation zu kognitiven und emotionalen Parametern.

Author's abstract

Following developmental changes in the last century, requirements concerning living and working conditions have substantially changed, with a gain of free leisure time but also the absence of physical labor. Subsequently, a large and manifold community of persons, actively engaged in sports, has grown. Today, at the heart of this movement lies the interest to develop and maintain health, primary under a preventive aspect. However, health is no longer reduced to physical health alone, but as proofed by studies from the past two decades, sports and exercise also have a positive effect on cognitive performance and emotional well-being. In recent years, an interest to investigate further in the neurophysiological changes provoked by sports and exercise and their relationship to observed behavioral, cognitive and emotional parameters has evolved. Previous research was often limited to the artificial laboratory situation. Due to the technological development, and in particular the development of modern methods for the detection and analysis of central nervous parameters, it is now possible to illustrate cortical changes provoked by sports and exercise also "in the field" i.e. in the immediate real-life situation and thus specify recommendations regarding the application of sports and exercise to preserve cognitive functions and emotional well-being. Chapter I introduces the five studies and topics underlying this cumulative doctoral thesis. The first study in Chapter II deals with the question how an active break in the office can maintain cognitive performance. The results show that both high-intensity exercise (boxing) and moderate exercise (cycling) are associated with special cortical activation patterns (transient hypofrontality), which is reflected in an increase in cognitive performance after the work break. Chapter III addresses the issue of central nervous fatigue during a 6-hour Ultramarathon. While there is an initial decrease in fronto-temporal activity, which, interestingly, correlates with the personal feeling of a flow condition, the data for the next five hours show no cortical fatigue nor decrease in cognitive performance during such prolonged endurance exercise. The following study in an elementary school in Chapter IV proves for the first time a central decrease in cortical activity after a school sports lesson. These changes are being discussed with respect to improving attentiveness and concentration and underline the relaxing effect of sport, but also other minor subjects such as music and art, on learning processes in the school setting. Chapters V-VII comprehensively address the impact of weightlessness on neuro-cognitive processes. The data collected in several DLR and ESA parabolic flights impressively demonstrate a positive effect of weightlessness on cognitive performance and its underlying neural parameters (ERP analysis). These effects cannot be explained by a shift in blood volume into the cortex, as is often assumed. For the first time, these studies show that there is an urgent need to differentiate between primary effects of weightlessness and secondary effects of stress and isolation on cognition and emotion during future long-term missions. In particular, this will have relevance in planning and scheduling exercise units to maintain mental performance during long-term missions. Chapter VIII summarizes the questions and approaches raised in the introduction to an overall picture and demonstrates the relevance of modern neuroscience research. While for many years the effects of sport and exercise on cognition and emotion were only indirectly reproducible, the work of this cumulative doctoral thesis in various real-live settings, provides an insight into the neurophysiological changes and their relation provoked by sport and exercise or extreme environmental conditions to cognitive and emotional parameters.