Miten Harjoittelu Muokkaa Aivoja?

Transkriptio

1 UNIVERSITY OF JYVÄSKYLÄ Miten Harjoittelu Muokkaa Aivoja? Janne Avela & Susanne Kumpulainen Hermolihasjärjestelmän tutkimuskeskus, Liikuntabiologian laitos Jyväskylän yliopisto

2 Sisältö: Aivojen plastisuus Pitkäaikaisen fyysisen harjoittelun vaikutukset aivojen plastisuuteen Eläintutkimukset Ihmistutkimukset TMS:n lyhyt historia TMS:n käyttö motorisen aivokuoren plastisuuden tutkimisessa Parillinen assosiatiivinen stimulaatio (PAS)

3 Aivojen Plastisuus Aivojen kyky muuttua ajassa ja iässä parempaan tai huonompaan Aivojen plastisuus on tärkeää oppimisen, muistin, motorisen adaptaation ja aivovammojen parantumisen kannalta Nopeat plastiset muutokset Aktiivisuuteen perustuva synapsinen plastisuus (Jacobs & Donaghue 1991) Pitkäaikainen potentoituminen (Long-term potentiation = LTP) Pitkäaikainen aleneminen (Long-term depression = LTD) Hiljaisten synapsien aktivoituminen (Liao et al. 1999) Morfologiset plastiset muutokset (Kleim et al. 1996) Synaptogeneesi Neurogeneesi

4 Pitkäaikaisen Fyysisen Harjoittelun Vaikutukset Aivojen Plastisuuteen Säännöllinen fyysinen harjoittelu Yleiset hyödyt aivoilla: Lisää aivojen plastisuutta (yhteenveto ks. Kramer and Erickson 2007) Parantaa neurokognitiivisia toimintoja Fyysisen harjoittelun lajit Kortikospinaalisen järjestelmän kokemusspesifinen adaptaatio (yhteenveto ks. Adkins et al. 2006)

5 Eläintutkimukset Tutkia rotilla HIT -harjoittelun, voimaharjoittelun ja aerobisen kestävyysharjoittelun vaikutuksia hippokampuksen neurogenesiin (adult hippocampal neurogenesis = AHN) Uniikki rottamalli: korkea-vaste rotta (high-response trainer = HRT) ja matala-vaste rotta (low-response trainer = LRT) Voitiin tutkia myös genetiikan vaikutusta

6 Doublecortin-positiiviset solut HIT harjoittelun vaikutukset vaatimattomia Voimaharjoittelulla ei vaikutuksia Yhtämittaisella aerobisella harjoittelulla merkittävimmät vaikutukset AHN:een Genetiikalla oli vaikutus

7 Toisaalta.. Motorisen vastaavuusalueen representaation muutoksia ei ole havaittu rotilla toistetun kurkotusliikkeen jälkeen (Kleim et al. 2004) 30 päivän juoksuharjoitus ei muuttanut motorisen vastaavuusalueen representaatiota, vaikkakin aerobinen harjoittelu lisää angiogeneesiä (Kleim et al. 2002), verenkiertoa ja BDNF:aa (Erickson et al. 2012) motorisella aivokuorella Vaikka kestävyys harjoittelu luo otolliset olosuhteet synaptogeneesille, motorisen aivokuoren tehtäväspesifisen alueen synaptogeneesiä ei ole dokumentoitu, johtuen todennäköisesti tehtävän yksipuolisuudesta (Adkins et al. 2006; Kleim et al. 2002) Kestävyysharjoitelleilla rotilla on havaittu parantunutta kognitiivista oppimista, mutta ei parantunutta motorista oppimista (Wigren et al. 2012)

8

9 Ihmistutkimukset Perustuvat pääasiassa kuvantamiseen ja kartoittamiseen fmri TMS Kestävyysharjoittelun vaikutuksia motorisen aivokuoren tavoitespesifisen alueen plastisuuteen ei ole tutkittu ihmisillä; joitakin muita aivojen alueita on

10 Tutkia aerobisen kunnon, basaaliganglion volyymin ja selektiivisen huomiokykytehtävän (flanker task performance) välistä suhdetta

11 Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan olettaa, että lasten hyvällä aerobisella kunnolla on positiivinen vaikutus basaaliganglian rakenteelliseen volyymiin yhteys parempaan huomiokykyyn Tällä tiedetään olevan merkitystä kognitiivisessa oppimisessa ja kontrollissa, jotka ovat kaksi tärkeää tekijää akateemisessa menestyksessä

12 Tutkia yhden käden ja viiden sormen pianonsoittotehtävän vaikutuksia motorisen aivokuoren tehtäväspesifisten sormilihasten vastaavuusalueisiin 2 tuntia x 5 päivää

13 Muutokset kortikospinaalisessa herkkyydessä ja käden alueen lihasten vastaavuusalueen representaatiossa huippu-urheilijoilla Harrastepelaajilla vastaavia muutoksia ei havaittu Pitkäkestoinen ja systemaattisesti rakennettu taitoharjoittelu voi johtaa toiminnallisen plastisuuden lisääntymiseen kortikospinaalisessa ohjauksessa

14 Motorisen Aivokuoren Kokemusspesifinen Adaptaatio Taitoharjoittelu: Synaptogeneesi Vastaavuusalueen representaation muutokset BDNF proteiinin lisäys Kestävyysharjoittelu: Angiogeneesi BDNF proteiinin lisäys EI synaptogeneesiä

15 Transkraniaalisen Magneettistimulaation (TMS) Lyhyt Historia Faradayn laki elektromagneettisesta induktiosta 1831 Magneettikentän ja sähkön jännitteen välinen suhde Nopeasti muuttuva magneettikenttä indusoi sähköisen jännitteen Sähkövirta luo kulkiessaan magneettikentän (Ampèren laki 1826) Michael Faraday

16 A Brief History of TMS Varhaiset kokeet eivät olleet kovinkaan onnistuneita...vaikkakin sen oletettiin parantavan lähes kaikki vaivat!!

17 A Brief History of TMS Nykysukupolven TMS 1985 (Anthony Barker) Läpimurtona tyristorin kehittyminen Voitiin kontrolloida suuria suoravirtajännitteitä

18 Magneettistimulus aiheuttaa motorisen herätepotentiaalin (motor evoked potential = MEP) kohdelihaksessa EMG

19 Aivojen Plastisuus Aivojen kyky muuttua ajassa ja iässä parempaan tai huonompaan Aivojen plastisuus on tärkeää oppimisen, muistin, motorisen adaptaation ja aivovammojen parantumisen kannalta Nopeat plastiset muutokset: Aktiivisuuteen perustuva synapsinen plastisuus (Jacobs & Donaghue 1991) Pitkäaikainen potentoituminen (Long-term potentiation = LTP) Pitkäaikainen aleneminen (Long-term depression = LTD) Hiljaisten synapsien aktivoituminen (Liao et al. 1999) Morfologiset plastiset muutokset (Kleim et al. 1996): Synaptogeneesi Neurogeneesi

20 Aktiivisuuteen perustuva synapsinen plastisuus Sensorisen ja motorisen aivokuoren kyky dynaamisesti uudelleen organisoitua Samanaikainen aktiivisuus kahdessa toisiinsa yhteydessä olevassa neuronissa johtaa niiden yhteyden vahvistumiseen Hebb 1949 Potentoituminen tapahtuu jos postsynaptinen neuroni syttyy samanaikaisesti kuin presynaptisen neuronin aiheuttama eksitatorinen postsynaptinen potentiaali postsynaptisessa neuronissa pitkäaikainen potentoituminen (LTP)

21 LTP N-methyl-D-aspartate (NMDA) reseptori sitoutuu glutamaattiin Kalsium ionien sisään virtaus Cooke S. F. and Bliss T. V. P. (2006): Plasticity in the human central nervous system. Brain, 129,

22 Parillinen Assosiatiivinen Stimulaatio PAS on noninvasiivinen menetelmä, joka tuottaa kaksisuuntaisen herkkyyden muutoksen kortikaalisessa projektiossa kohdelihakseen Perustuu Hebb:n lakiin Perifeerisen somatosensorisen afferenttihermon sähköinen stimulaatio paritetaan kontralateraalisen motorisen aivokuoren magneettistimulaation (TMS) kanssa (PAS) (Stefan K, Kunesch E, Cohen LG, Benecke R, Classen J. (2000) Brain Mar;123 Pt 3:572-84)

23 PAS Aivokuntoutuksessa Noninvasiivinen stimulaatio + - +

24

25 Yksittäinen motorinen harjoitus fasilitoi LTP -mekanismeja

26

27 Yksittäinen motorinen harjoitus (day 0) fasilitoi LTP - mekanismeja Viiden päivän harjoittelun jälkeinen PAS:n aiheuttama MEP:n kasvu johtuu synaptogeneesista, joka puolestaan johtaa parantuneeseen intrakortikaaliseen ja kortikospinaaliseen rekrytointiin

28 PAS on sensitiivinen osoittamaan sekä LTP:n että synaptogeneesin!!!

29

30 Kiitos!