Sportwissenschaften
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Einleitung: Analysen kinematischer und elektromyographischer Daten verwenden häufig zeit-diskrete Werte. Bewegungen und EMGs sind jedoch zeitkontinuierliche Größen. Ziel der Arbeit ist eine verlaufsorien-tierte Analyse von Kinematik und EMG mit der Fragestellung, ob Unter-schiede innerhalb und zwischen den gesunden und operierten Proban-den bestehen. Methodik: Untersucht wurden 21 Patienten nach Hüft-TEP-Operation (43-71 Jahre) und 12 vergleichbare gesunde Probanden (KG). Dazu wurden beim Gehen auf dem Laufband bei frei wählbarer Geschwindigkeit die kinematischen Merkmale der Beckenbewegung und bilateral die EMGs des M. gluteus medius registriert. Mittels ortho-gonaler Referenzfunktionen wurden die Merkmalszeitverläufe einzelner Schritte auf Matrizen abgebildet und anschließend mit Hilfe eines Ähn-lichkeitsmaßes und einer Clusteranalyse untersucht. Ergebnisse: Indi-viduelle Gangmuster konnten in der vorliegenden Arbeit sowohl durch Analyse der kinematischen Daten als auch der EMGs erkannt werden. Es wurden jedoch keine einheitlichen Muster in der Patientengruppe festgestellt, obgleich verschiedene Gruppierungen zu finden waren, die jedoch anhand der erhobenen Patientendaten und Fragebogenscores nur eingeschränkt nachvollzogen werden konnten. Schlussfolgerung: Mit der verwendeten verlaufsorientierten multivariaten Analysemethode konnten intraindividuelle Ähnlichkeiten deutlich besser aufgefunden werden als interindividuelle Ähnlichkeiten, falls durch einen krankheits-spezifischen Anpassungsprozess vorhanden. Die Individualität ist somit dominierend.
Grundlegend ist festzuhalten, dass mit Walking und Nordic Walking in einem trainingswirksamen Bereich vorgegeben vom American College of Sports Medicine trainiert werden kann. Die Ergebnisse bestätigen jedoch, dass die beschriebene hohe Effektivität durch Walking und Nordic Walking darauf zurückzuführen ist, dass die Studien mit völlig untrainierten viel sitzenden Teilnehmern durchgeführt werden. Das Resultat daraus sind zwei hervorragende Bewegungsformen für den Einsteiger und Wiederbeginner, die mit zunehmendem Trainingsniveau durch andere Aktivitäten abgelöst oder ergänzt werden müssen. Wie die Betrachtung der Studie zeigt erfolgt eine Differenzierung von Freizeit- und Gesundheitssportlern. Dabei weisen die Teilnehmer der Studien ein sehr unterschiedliches Alter auf. Die Gesundheitssportler sind im Mittel 53,5 Jahre alt. Die Freizeitsportler dagegen sind durchschnittlich 24,5 Jahre alt. Das Interesse in der Studie bestand bezüglich den Freizeitsportlern darin, zu schauen, ob auch jüngere Menschen von dem Walking profitieren können. Die Frage stellt sich jedoch, warum nicht Freizeitsportler und Gesundheitssportler derselben Altersstufe miteinander verglichen werden. Sind Personen ab 50 Jahren automatisch Gesundheitssportler, weil die gesundheitlichen Beschwerden zunehmen? In diesem Alter vollführen die Menschen durchaus Breiten- und Freizeitsport. Ein älterer Freizeitsportler wird genauso wie ein jüngerer relativ schnell an die möglichen Belastungsgrenzen dieser Bewegungsform stoßen. Um weitere Anpassungen auf das Herz-Kreislauf-System zu erhalten und damit in einem trainingswirksamen Bereich zu sein, muss auch der ältere Freizeitsportler seine Geschwindigkeit erhöhen. Dies hat zur Folge, dass er in einem Bereich trainieren muss, der bei jüngeren Freizeitsportlern ein deutliches Auftreten von orthopädischen Beschwerden hervorruft. Es wäre wichtig durch ein angemessenes Studiendesign zur Bestätigung zu sehen, wie effektiv sich das Walken für diese Gruppe gestaltet.
Cognitive flexibility and cognitive stability : neural and behavioral correlates in men and mice
(2014)
The ability to flexibly adjust behavior according to a changing environment is crucial to ensure a species' survival. However, the successful pursuit of goals also requires the stable maintenance of behavior in the face of potential distractors. Thus, cognitive flexibility and cognitive stability are important processes for the cognitive control of behavior. There is a large body of behavioral and neuroimaging research concerning cognitive control in general, but also specifically on cognitive flexibility and cognitive stability, albeit most often assessed in separate task paradigms. Nevertheless, whether cognitive flexibility and cognitive stability depend upon separate or shared neuronal bases is still a matter of debate. Complementing empirical research, computational models have become an important strategy in neuroscientific research, as they have the potential of providing mechanistic explanations of empirical observations, for example by allowing for the direct manipulation of molecular parameters in simulated neural networks. The computational model underlying the so-called Dual-State Theory contains specific hypotheses with respect to cognitive flexibility and cognitive stability. The neural networks simulated by this model exhibit multiple stable firing states, i.e., the neural network can maintain a high firing state also without continuing external input due to a network architecture consisting of recurrently connected neurons. Transitions between such network states, also called attractor states, can be induced by external input, and represent working memory contents or active task rules. Simulations showed that the stability of these attractor states, and thus of task rule representations, depend on the dopamine state of the system and can consequently vary between persons. The Dual-State Theory predicts an antagonistic relationship between cognitive flexibility and cognitive stability, as robust attractor states would facilitate the inhibition of distractors, but impair efficient task switching, while rather unstable attractor states would promote efficient transitions between representations but would also come at the cost of increased distractibility.
Based on the Dual-State Theory, a task paradigm was designed allowing for the simultaneous assessment of cognitive flexibility, in the sense of rule-based task switching, and cognitive stability, in the sense of inhibiting irrelevant distractors. Furthermore, a behavioral measure was developed to assess the individual attractor state stability, named spontaneous switching rate (SSR). In the first study of this work, this paradigm was tested in a sample of healthy human subjects using functional magnetic resonance imaging (fMRI). An overlapping fronto-parietal network was activated for both cognitive flexibility and cognitive stability. Furthermore, behavioral as well as neuroimaging results are in favor of an antagonistic relationship between cognitive flexibility and cognitive stability. A specific prefrontal region, the inferior frontal junction (IFJ), was implied to potentially contain the relevant neural networks mediating the transitions between attractor states, i.e., task rule representations, as its activity was modulated by the SSR such that persons with rather unstable attractor states activated it less during task switching while showing better performance. Most importantly, functional connectivity of the IFJ was antagonistically modulated by the SSR: more flexible persons connected it less to another prefrontal area during task switching, while showing higher functional connectivity during distractor inhibition.
In a second study, a larger human sample was assessed and further hypotheses derived from the Dual-State Theory on variability of neural processing were tested: we hypothesized that persons with high brain signal variability should have less stable network states and thus benefit on tasks requiring cognitive flexibility but suffer from it when the task requires a higher degree of cognitive stability. Furthermore, recent fMRI-research on brain signal variability revealed beneficial effects of higher brain signal variability on cognitive performance in general. Using a novel customized analysis pipeline to measure trial-to-trial fMRI-signal variability, we indeed found differential effects of brain signal variability: higher levels of brain signal variability were found to be beneficial for effectiveness, i.e., performance in terms of error rates, for both cognitive flexibility and stability. However, brain signal variability impaired the efficiency in terms of response times of inhibiting distractors, i.e., cognitive stability.
Due to further predictions of the Dual-State Theory concerning schizophrenia and the dopaminergic system, it was considered valuable to pursue a translational approach and thus allowing for the employment of animal models of psychiatric diseases. Consequently, in a first step the human paradigm was translated for a murine population using an innovative touchscreen approach. Results showed analogous behavioral effects in wildtype mice as before in healthy humans: the antagonistic relation between cognitive flexibility and cognitive stability was replicated and also for mice, a behavioral measure for the individual attractor stability was established and validated, named the individual spontaneous switching score.
To conclude, we established a novel paradigm assessing both cognitive flexibility and stability simultaneously showing an antagonistic relationship between these two cognitive functions on the behavioral level in two different species, which supports predictions from the Dual-State Theory. This was further underlined by evidence on the activation, functional connectivity and signal variability level in the human brain.
Jährlich erkranken etwa 425 000 Menschen in Deutschland an Krebs. Die Tendenz ist steigend: Experten gehen davon aus, dass die Zahl der Neuerkrankungen bis zum Jahr 2030 um 50 Prozent zunehmen wird. Doch zu dieser schlechten Nachricht gibt es auch eine gute: Körperliche Aktivität und Sport können das allgemeine Risiko, an bestimmten Krebsformen zu erkranken, vermindern. Dazu zählen vor allem Darmkrebs sowie der nach den Wechseljahren auftretende Brust- und Gebärmutterschleimhautkrebs. Aber auch wer schon erkrankt ist, kann sein Wohlbefinden und Selbstvertrauen durch spezielle Bewegungsprogramme, wie sie an der Goethe-Universität entwickelt werden, steigern. Selbst die Leiden von Patienten mit fortgeschrittenen Krebserkrankungen lassen sich auf diese Weise lindern. Denn Bewegung beeinflusst nicht nur die unmittelbar tumorbedingten Symptome, sondern auch therapiebedingte Nebenwirkungen, insbesondere die der Chemotherapie.
In Deutschland sind 15 Prozent der Kinder und Jugendlichen zwischen drei und 17 Jahren übergewichtig, über 6 Prozent leiden an Adipositas, krankhafter Fettleibigkeit mit schweren gesundheitlichen Folgen. Diese vom Robert-Koch-Institut im vergangenen Jahr ermittelten Zahlen decken sich mit unseren eigenen Untersuchungen an 11- bis 15-Jährigen in sechs hessischen Schulen. Zudem zeichnet sich ab, dass die Zahl der Übergewichtigen bei den Jugendlichen besonders ansteigt: Innerhalb der vergangenen 20 Jahre hat sich der Anteil adipöser 14- bis 17-Jähriger verdreifacht, Tendenz weiter steigend. Dies ist umso besorgniserregender, da mindestens 70 Prozent dieser Jugendlichen nicht wieder abspecken und als Erwachsene gesundheitlich schwer beeinträchtigt sind. Immerhin sind in Europa jährlich etwa eine Millionen Sterbefälle auf Folgen des Übergewichts zurückzuführen, was allein die deutsche Volkswirtschaft mit 15 Milliarden Euro im Jahr belastet. Übergewicht ist auch ein soziales Problem: Kinder aus sozial schwachen Familien und mit Migrationshintergrund tragen ein erheblich höheres Risiko. Wie unsere Erhebungen weiter vermuten lassen, sind vor allem solche Kinder betroffen, deren Eltern ebenfalls unter Übergewicht oder Adipositas leiden. Fettleibige Kinder fühlen sich oft ausgegrenzt und sozial stigmatisiert. Dies beeinträchtigt ihre psychosoziale Entwicklung erheblich. Mehr als die Hälfte der von uns befragten übergewichtigen Schulkinder fühlen sich unwohl und möchten ihr Gewicht unbedingt reduzieren. ...
Application of blood flow restriction to optimize exercise countermeasures for human space flight
(2019)
In recent years there has been a strong increase in publications on blood flow restriction (BFR) training. In particular, the fact that this type of training requires only low resistance to induce muscle strength and mass gains, makes BFR training interesting for athletes and scientists alike. For the same reason this type of training is particularly interesting for astronauts working out in space. Lower resistance during training would have the advantage of reducing the risk of strain-induced injuries. Furthermore, strength training with lower resistances would have implications for the equipment required for training under microgravity conditions, as significantly lower resistances have to be provided by the training machines. Even though we are only about to understand the effects of blood flow restriction on exercise types other than low-intensity strength training, the available data indicate that BFR of leg muscles is also able to improve the training effects of walking or running at slow speeds. The underlying mechanisms of BFR-induced functional and structural adaptations are still unclear. An essential aspect seems to be the premature fatigue of Type-I muscle fibers, which requires premature recruitment of Type-II muscle fibers to maintain a given force output. Other theories assume that cell swelling, anabolic hormones, myokines and reactive oxygen species are involved in the mediation of BFR training-related effects. This review article is intended to summarize the main advantages and disadvantages, but also the potential risks of such training for astronauts.
Historisch betrachtet wurde Krebspatienten durch das behandelnde Personal von physischer Belastungen oftmals abgeraten (Steins Bisschop et al., 2012). Mit der zunehmenden Zahl an Publikationen im Bereich onkologischer Rehabilitation wird deutlich, dass Krebspatienten oftmals eine stark reduzierte kardiorespiratorische Leistungsfähigkeit aufweisen, was wiederum Implikationen für akute wie auch längerfristige krebs-assoziierte Effekte und Outcomes haben kann (Jones et al., 2008). Somit steht dem bisherigen Verhaltens-Dogma der Ruhe und Schonung bei Krebspatienten eine Vielzahl an Evidenz der Effektivität und Notwendigkeit von regelmäßiger körperlicher Bewegung gegenüber (Jones et al., 2008; Klika et al., 2009; Steins Bisschop et al., 2012). Diese Arbeiten bieten fundierte Informationen bezüglich der zu Grunde liegenden Limitationen der Belastungstoleranz. Darauf aufbauend wird dieses Wissen genutzt, um effektive Trainings- und Rehabilitationsprogramme zu entwerfen sowie klinische Resultate zu verbessern (Jones et al., 2009).
Strukturierte und individualisierte Sport- und Bewegungstherapie gilt dabei als ein vielversprechender Ansatz, die nachlassende Fähigkeit der selbständigen Alltagsbewältigung, die krebsassoziierte Müdigkeitssymptomatik (fatigue), aber auch die allgemeine kardiorespiratorische Fitness (KRF) zu verbessern (Schmitz et al., 2010). Für onkologische Patienten von ebenso großer Bedeutung ist die Tatsache, dass durch regelmäßige körperliche Aktivität Begleiterscheinungen der eingesetzten Behandlungsmethoden (Hayes et al., 2009), das psychische Wohlbefinden als auch die Gesamtmortalität positiv beeinflusst werden können (Mishra et al., 2012b; Mishra et al., 2012a). Zusätzlich verspricht regelmäßige körperliche Bewegung, den Funktionsverlust in den drei wichtigsten physiologischen Bereichen (Muskulatur, Herz-Kreislauf-System und kardiopulmonales System) zu verringern oder sogar aufzuhalten (Hayes et al., 2009). Demzufolge nimmt die sporttherapeutische Sekundär- und Tertiärprävention bei Krebserkrankungen eine wichtige Rolle ein, und die Frage nach einer effektiven und zielgerichteten Belastungs- und Trainingssteuerung auf Basis valider und reliabler Messgrößen der körperlichen Leistungsfähigkeit gewinnt zunehmend an Bedeutung (Ulrich et al., 2013; Kirkham et al., 2013).
Aktuelle Empfehlungen zu körperlicher Aktivität bei onkologischen Patienten orientieren sich hinsichtlich der Ausgestaltung in punkto Häufigkeit, Umfang und Intensität im Allgemeinen an Bewegungs-Leitlinien für gesunde Gleichaltrige ohne chronische Erkrankungen. Eine Besonderheit bei onkologischen Patienten stellt jedoch oftmals die Berücksichtigung therapieassoziierter bzw. krankheitsbedingter Nebenwirkungen in der praktischen Umsetzung der Empfehlungen dar. Aktuelle Leitlinien sehen dafür ein aerobes Ausdauertraining an mindestens 3-5 Tagen/Woche bei einem Intensitätsspektrum moderater (150min) oder intensiver (75min) Beanspruchung (MVPA) bei 46-90% der maximalen Sauerstoffaufnahmefähigkeit vor.
Die in der Literatur beschriebenen Probleme einer Vielzahl an Verfahren zur Bestimmung der KRF und der darauf basierenden Ableitung von individualisierten Trainingsempfehlungen haben in den letzten Jahren vermehrt zu Ansätzen basierend auf der individuell physiologischen Belastungsreaktion in der Ausdauertrainingssteuerung und –bewertung geführt (Meyer et al., 2005c; Bentley et al., 2007b; Binder et al., 2008; Hofmann & Tschakert, 2011). Dabei kommen vor allem die in der sportmedizinischen Ausdauerleistungsdiagnostik etablierten Verfahren der Laktat-Leistungsdiagnostik und der spiroergometrischen Ermittlung ventilatorischer Schwellen zum Einsatz.
Kernziel der vorliegenden Arbeit war daher die Untersuchung von Leistungskennwerten an submaximalen Variablen aus Spiroergometrie und der Laktatdiagnostik im Kollektiv der onkologischen Patienten mit unterschiedlichen Krebsentitäten.
Das folgende Kapitel 2 fasst den aktuellen Forschungsstand zu Epidemiologie, Prävalenz sowie die Auswirkungen onkologischer Erkrankungen auf Aspekte der körperlichen Ausdauerleistungsfähigkeit und deren Diagnostik in der Sportmedizin zusammen. Resultierend aus dem Forschungsstand werden daraufhin Zielstellung und –fragen der vorliegenden Arbeit formuliert. Kapitel 4 umfasst die methodische Ablaufbeschreibung des Studiendesigns, die Probandenrekrutierung und -stichprobe, die eingesetzten diagnostischen Messverfahren, sowie die Darstellung der statistischen Auswertung. Nachfolgend auf die Darstellung der Ergebnisse in Kapitel 5 werden diese in Kapitel 6 vor dem Hintergrund des dargestellten Forschungstandes und aktueller relevanter Literatur diskutiert. Abschließend erfolgt eine Praxis-orientierte kritische Beleuchtung der Arbeit sowie ein eine perspektivische Einordnung der Ergebnisse mit Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.
The contribution of upper body movements to dynamic balance regulation during challenged locomotion
(2018)
Recent studies suggest that in addition to movements between ankle and hip joints, movements of the upper body, in particular of the arms, also significantly contribute to postural control. In line with these suggestions, we analyzed regulatory movements of upper and lower body joints supporting dynamic balance regulation during challenged locomotion. The participants walked over three beams of varying width and under three different verbally conveyed restrictions of arm posture, to control the potential influence of arm movements on the performance: The participants walked with their arms stretched out perpendicularly in the frontal plane, spontaneously, i.e., without restrictions to the arm movements, and with their hands on their thighs. After applying an inverse-dynamics analysis to the measured joint kinematics, we investigated the contribution of upper and lower body joints to balance regulation in terms of torque amplitude and variation. On the condition with the hands on the thighs, the contribution of the upper body remains significantly lower than the contribution of the lower body irrespective of beam widths. For spontaneous arm movements and for outstretched arms we find that the upper body (including the arms) contributes to the balancing to a similar extent as the lower body. Moreover, when the task becomes more difficult, i.e., for narrower beam widths, the contribution of the upper body increases, while the contribution of the lower body remains nearly constant. These findings lend further support to the hypothetical existence of an "upper body strategy" complementing the ankle and hip strategies especially during challenging dynamic balance tasks.