Úvod

aktuální demografické změny v Západní společnosti, zahrnující jak relativní a absolutní zvýšení počtu starších lidí, vyvolala rostoucí vědecký zájem u geriatrických problémů. V této souvislosti jsou pojmy úspěšného stárnutí stále důležitější. Několik studií ukázaly, že tělesné cvičení může hrát klíčovou roli ve zdravé stárnutí a při prevenci úbytku kognitivních funkcí a neurodegenerativních onemocnění (Colcombe et al., 2006; Erickson a kol., 2011). Nedávné recenze shrnující epidemiologické, průřezové a intervenční studie podporují fyzickou aktivitu jako příznivou metodu k indukci neuroplasticity v pozdní dospělosti (Gregory et al ., 2012; Voelcker-Rehage a Niemann, 2013; Bamadis a kol., 2014). Erickson a kol. (2012) dospěli k závěru, že vyšší kardiorespirační zdatnost a aerobní fyzická aktivita jsou spojeny s většími objemy šedé hmoty v prefrontálních oblastech a hipokampu. Nicméně, nejen kardiovaskulární fitness, ale také koordinační cvičení (Niemann et al ., 2014) a kognitivní trénink (Bamadis et al., 2014) bylo prokázáno, že indukují plasticitu šedé hmoty a zvyšují kognitivní funkce u starších dospělých.

výzkum na Zvířatech naznačují, že kombinace cvičení s smyslové obohacení má nejsilnější vliv na vznik nových neuronů—převážně v hipokampu—a že pouze tato kombinace zajišťuje trvalé přežití novorozence buněk (Kempermann et al., 1997; van Praag et al., 2005). Kattenstroth et al. (2013) navrhli, že „taneční aktivity by měly být považovány za ekvivalent obohacených podmínek prostředí pro člověka, protože poskytují jednotlivci zvýšené smyslové, motorické a kognitivní požadavky.“Navzdory tomuto povzbudivému prohlášení jsou studie zkoumající účinky tanečního tréninku na strukturu nebo funkci mozku vzácné. Po 6měsíčním tanečním zásahu, Kattenstroth et al. (2010) hlásili významné zlepšení kognitivního, hmatového a motorického výkonu u zúčastněných seniorů. Výsledky prospektivní studie 469 jedinců starších 75 let více než medián follow-up období 5.1 roky ukázaly, že tanec je spojena s výrazně nižší riziko demence (Verghese et al., 2003). Hüfner a spol. (2011) uvádějí, snížení objemu v několika oblastech mozku včetně přední hipokampální formaci a části parieto-ostrovní vestibulárního kortexu v profesionální tanečníci a slackliners ve srovnání s non-profesionálové. Toto zjištění může naznačovat, že intenzivní a opakující se trénink stejných motorických dovedností vede v souvislosti se specializací ke sníženým objemům některých oblastí mozku. V této studii proto navrhujeme speciální taneční tréninkový program, který neustále vyžadoval, aby se účastníci naučili nové pohybové vzorce (Müller et al ., 2016). Posoudit konkrétní přínos tohoto zásahu, porovnali jsme naše nově navržený tanec, program pro aktivní spíše než pasivní kontrolní skupiny, které se účastnily konvenční zdraví, sport, fitness program, ve kterém účastníci obvykle provádí opakující se fyzické cvičení, jako je jízda na kole na ergometru. Navíc, protože jsme se zajímali o časovou dynamiku intervencí, hodnotili jsme účinky na strukturu a funkci mozku po 6 a 18 měsících tréninku. Přitom jsme se snažili posoudit, zda je přínosné rozšířit zásahy, protože některé oblasti mozku mohou vyžadovat více tréninku než ostatní, nebo zda tam je limit, po kterém se další vzdělávání stává škodlivé. Konečně, při hledání potenciální mechanismus neuroplasticity, měřili jsme hladiny BDNF v periferní krvi. Některé studie naznačují, že BDNF podporuje diferenciaci nových neuronů a synapsí (Huang a Reichardt, 2001; Lessmann a Brigadski, 2009; Park a Bobek, 2013; Edelmann et al., 2014). BDNF proto bylo navrženo jako prostředník neuroplasticity dospělých (Flöel et al ., 2010).

materiály a metody

účastníci a experimentální Design

studie byla navržena jako 18měsíční kontrolovaná intervence. Studie byla schválena etickou komisí univerzity Otto-von-Guericke v Magdeburgu a všechny subjekty podepsaly písemnou informovanost a nedostaly platbu za svou účast. Šedesát dva zdravých starších jedinců (63-80 let) přijímáni prostřednictvím oznámení v místních novinách byly promítány pro studium. Kritéria pro vyloučení byly klaustrofobie, hučení v uších, kovové implantáty, tetování, diabetes mellitus, deprese (Beck Deprese Zásob, BDI-II > 13), kognitivní deficity (Mini-Mental State examination, MENTÁLNÍ < 27), neurologická onemocnění a pravidelné cvičení (≥1 h/týden). Na základě těchto kritérií bylo vyloučeno 10 subjektů. Zbývající 52 účastníci byli poté náhodně přiřazeni k taneční nebo sportovní skupině pomocí webu www.randomization.com a kontrola věku, stavu MMSE a fyzické zdatnosti. Hodnocení byla provedena na začátku,po 6 a po 18 měsících tréninku (Obrázek 1). Dvacet dva účastníků dokončilo celý zásah a všechna měření. Tabulka 1 poskytuje podrobné demografické údaje pro tyto účastníky. Nebyly zjištěny žádné skupinové rozdíly týkající se demografických údajů.

intervence

intervence byly rozděleny do dvou období. V prvním období subjekty trénovaly dvakrát týdně v 90minutových sezeních po dobu 6 měsíců. Z praktických důvodů (dostupnost účastníků a školitelů) zahrnovalo druhé 12měsíční intervenční období sníženou frekvenci výcviku jednou týdně. Oba intervenční programy byly prováděny ve skupinovém kontextu s hudbou pro kontrolu psychosociálních interakcí. Podmíněné zatížení bylo zkoumáno zaznamenáním hodnot pulzu během tréninku a výpočtem individuální tréninkové srdeční frekvence podle Karvonen et al. (1957) s faktorem 0,6 pro rozsáhlý vytrvalostní trénink. Proto byly tyto dva vzdělávací programy srovnatelné z hlediska intenzity, trvání a frekvence. Oba byli pod dohledem zkušených instruktorů.

Taneční Skupina

Účastníci taneční skupina zúčastnila nově navržený tréninkový program, ve kterém byly neustále žádal, aby učit se nové pohybové sekvence. Tyto choreografie vyžadovaly koordinaci různých částí těla (tj. nohou, paží, trupu) v prostoru za různých deformačních podmínek (fyzická námaha ,přesnost, situace a časový tlak). Subjekty se musely naučit choreografie nazpaměť, a tak kladly vysoké nároky i na paměť. Program zahrnoval pět různých žánrů (line dance, jazz dance, rock „n“ roll a square dance), které byly vyměněny po každém čtvrtém zasedání. V průběhu intervence byly koordinační požadavky a časový tlak zvýšeny zavedením složitějších tanečních pohybů a choreografií a zvýšením rytmu za minutu v hudbě.

sportovní skupina

účastníci sportovní skupiny absolvovali konvenční silově-vytrvalostní tréninkový program s převážně opakovanými cviky a nízkými nároky z hlediska koordinace a paměti celého těla. Každé sezení zahrnovalo 20minutové jednotky vytrvalosti, silového vytrvalostního a flexibilního tréninku. Vytrvalostní trénink byl prováděn na cyklových ergometrech. Bicepsové kadeře, dřepy, sit-upy), ale bylo zabráněno složitým pohybům celého těla, aby se udržely nízké koordinační požadavky. Jednotka flexibility sestávala hlavně z protahovacích cvičení.

výsledná měření

kardiovaskulární zdatnost

kardiovaskulární zdatnost byla hodnocena testem fyzické pracovní kapacity 130 (PWC 130). PWC 130 je výkon (měřený ve wattech), kterého je subjekt schopen dosáhnout na cyklovém ergometru při srdeční frekvenci 130 bpm. Pro výpočty jsme použili klidovou srdeční frekvenci a relativní fyzickou kapacitu .

neuropsychologické testování

u subjektů byla provedena rozsáhlá řada neuropsychologických testů. Pro účely této studie, pouze výsledky z verbální krátkodobé a dlouhodobé paměti test, „VLMT“ (upravená německá verze „Rey Sluchové Verbální Test Učení“; Helmstaedter a Durwen, 1990) a pozornost testu baterie (Test Pozornostní Výkon (TAP); Zimmermann a Fimm, 2002) jsou hlášeny.

BDNF

vzorky krve nalačno byly odebrány ráno neuropsychologického hodnocení. Ze vzorků krve, plazmatické hladiny BDNF byly stanoveny pomocí sandwich Elisa (BDNF DuoSets; R&D Systémy, Wiesbaden, Německo) jak již bylo dříve popsáno (Schega et al., 2016).

MRI

MR obrazy byly získány na 3 Tesla Siemens MAGNETOM Verio (Syngo MR B17) pomocí 32kanálové hlavové cívky. High-rozlišení T1-vážené sekvence MPRAGE byly získány pomocí 3D magnetizace připravené rapid gradient echo imaging protocol (224 sagitální řezy, voxel velikost: 0.8 × 0.8 × 0.8 mm3, TR: 2500 ms, TE: 3.47 ms, TI: 1100 ms, flip úhel: 7°). MR obrazy byly analyzovány pomocí morfometrie založené na voxelu (VBM) implementované v SPM 12 (Welcome Department of Cognitive Neurology, Londýn, Velká Británie). VBM je celá mozková nezaujatá technika pro analýzu regionálních objemů šedé hmoty a změn tkání (Ashburner a Friston, 2000).

předběžné zpracování zapojen šedé hmoty, segmentace, vytváření šablon, přes DARTEL, prostorová normalizace do standardizované Montrealského Neurologického Institutu (MNI) prostor a vyhlazování s Gaussovské jádro 8 mm plná šířka v polovině maxima (FWHM).

pro analýzu rozdílu v objemových změnách šedé hmoty mezi skupinami byl použit plně faktoriální design se skupinou faktorů (tanec, sport) a časem (0, 6 a 18 měsíců). V případě významných skupinových × časových interakcí post hoc t-testy mezi po sobě jdoucími páry časových bodů (0 vs. 6; 0 vs. 18; 6 vs. 18 měsíců) byly vypočteny zvlášť pro každou skupinu. Prahová hodnota p < 0,001 (nekorigovaná) byla použita pro všechny analýzy.

výsledky

prezentace výsledků je strukturována následovně. Nejprve jsme hledali obecný intervenční efekt (faktor čas), poté jsme hledali diferenciální účinky obou intervencí (interakční skupina × čas); nakonec byla provedena podrobnější analýza Časové dynamiky pomocí post hoc párových srovnání.

kardiovaskulární zdatnost

kardiovaskulární zdatnost měřená pomocí PwC 130 (Tabulka 2, relativní fyzická kapacita) se na začátku mezi skupinami nelišila. Skóre PwC 130 se navíc po celou dobu intervence významně nezvýšilo.

Neuropsychologické Testy

významný hlavní efekt času byl pozorován u verbální krátkodobé paměti (VLMT počátku odvolání; F(2,19) = 6.438, p = 0.004, η2 = 0.253), verbální dlouhodobé zdarma recall (VLMT pozdě odvolání; F(2,19) = 3.387, p = 0.049, η2 = 0.244), verbální dlouhodobé uznání (VLMT uznání; F(2,19) = 5.352, p = 0.009, η2 = 0.220) a pozornost, reakční čas (subtest flexibilita; F(2,19) = 19.156, p < 0.001, η2 = 0.489). Neobjevily se žádné významné časové interakce.

Post hoc párová srovnání ukázala významné zlepšení od výchozích hodnot do 18 měsíců a od 6 do 18 měsíců ve všech třech podkategoriích VLMT v obou skupinách. Pokud jde o reakční doby TAP, bylo pozorováno významné zlepšení ve srovnání výchozí hodnoty s 18měsíčními údaji v obou skupinách.

BDNF

plazmatické hladiny BDNF byly analyzovány ve vzorcích krve před nástupem tréninku, stejně jako 6 měsíců a 18 měsíců po nástupu tréninku. Absolutní plazmatické hladiny BDNF jsou shrnuty v tabulce 2. Intraindividuální změny úrovně BDNF odhalily významné zvýšení taneční skupiny, zatímco intraindividuální úroveň BDNF zůstala po 6 měsících tréninku ve sportovní skupině konstantní. Žádné další změny BDNF nenastaly po 18 měsících v žádné skupině (Obrázek 2).

MRI

významná skupina x čas interakce byla pozorována v levém konvoluce čelního laloku a pravé parahipokampální. Post hoc, t-testy mezi základní a 6-měsíční údaje ukázaly výrazný nárůst šedé hmoty v levém konvoluce čelního laloku pouze tanečníci. V porovnání základního a 18-měsíční údaje kromě konvoluce čelního laloku, tanečníci vykazovali významnou šedé hmoty zvýšení hlasitosti v pravém hipokampu, což byla také jediná významná změna v intervalu od 6 do 18 měsíců. To znamená, že objem zvýšení konvoluce čelního laloku se objevily po 6 měsíců a zůstal stabilní po zbývající taneční trénink interval, vzhledem k tomu, že změny v hipokampu došlo během pozdější trénink interval (Obrázek 3).

Diskuse

V této studii jsme porovnávali účinky účast v taneční program nebo konvenční fyzické zdatnosti sportovní program, na funkci mozku a objem u zdravých seniorů. Taneční program byl nově navrženou intervencí, která vyžadovala neustálé učení nových tanečních choreografií. Konvenční sportovní program se zaměřil především na opakující se motorická cvičení. Jako hlavní zjištění, jsme pozorovali, že po 6 měsících tréninku, svazky, v levé konvoluce čelního laloku tanečníků se zvýšil více než v sport group. Po dalších 12 měsících tréninku, další nárůst objemu byl zaznamenán v pravém hipokampu tanečníků. Hladiny BDNF se během prvních 6 měsíců tanečního tréninku zvýšily a po 18 měsících se vrátily k hodnotám před léčbou. V konvenční sportovní skupině nebyl podobný nárůst BDNF patrný. Protože se kardiovaskulární fitness úroveň v průběhu intervence zůstala konstantní v obou skupinách pozorovány účinky nelze připisovat ke zlepšení fyzické zdatnosti, ale místo toho se zdálo být v souvislosti s konkrétní funkcí taneční program. Tyto funkce zahrnuty požadavek na neustále se učit nové choreografie (tj. paměť), integrovat multisenzorický informace, koordinovat celé tělo a orientovat se v prostoru.

změny mozku

precentrální gyrus je nezbytný pro kontrolu dobrovolných motorických funkcí. Nárůst šedé hmoty v konvoluce čelního laloku v taneční skupině může, proto byly na základě komplexní a stále se měnící pohybové vzory, které tanečníci měli provést. Tyto pohyby vyžadovaly současnou koordinaci několika částí těla v různých směrech a přizpůsobení různým rytmům hudby (polycentrické a polyrytmické). S ohledem na tyto složité koordinační požadavky, Brown et al. (2006) hlásili aktivaci vyvolanou tancem v putamenu, primární motorické kůře a doplňkové motorické oblasti (SMA), jak ukazuje PET. Vyvažování, žonglování)a neuroplasticita v precentrální oblasti (Boyke et al., 2008; Taubert a kol., 2010). Proto, zvýšení objemu související s tancem v této oblasti bylo v souladu s očekáváními založenými na literatuře.

parahipokampální gyrus je součástí vnější oblouk limbického systému a hraje důležitou roli v pracovní paměti a epizodické paměti (Pantel et al., 2003). Podle Bliss a Lomo (1973), parahipokampální gyrus představuje rozhraní mezi pamětí a zkušenostní vědomí přítomnosti, protože to je propojené do perforant cest jak do oblasti čelního laloku, které jsou spojeny s pracovní pamětí, a hippocampus, centrální struktury v epizodické paměti, kódování a prostorové navigace. Mnoho studií VBM hlásilo ztrátu objemu související s věkem v parahippocampálních oblastech (Tisserand et al ., 2002). Dále Echávarri et al. (2011) navrhli, že parahippocampální atrofie je časným biomarkerem AD. Zjištění, že účast v taneční program na delší dobu může vyvolat neuroplastický procesy v tuto zásadní oblast paměti, proto, obzvláště povzbudivé, pokud jde o rozvoj strategie prevence.

časová dynamika Plasticity mozku šedé hmoty

pozorovaný objem se zvyšuje ve dvou oblastech mozku vyvinutých v různých časech. Tanec vedl ke zvýšení objemu v motorických oblastech po 6 měsících(viz také Rehfeld et al ., 2016), který zůstal stabilní během následujících 12 měsíců. Zvýšení objemu v parahippocampálním gyru spojené s tancem se objevilo později a bylo pozorováno pouze v 18měsíčních datech. Různá časová dynamika ve vývoji obou oblastí mozku může souviset s rozdíly v základních buněčných mechanismech. Výzkum na zvířatech naznačil, že angiogeneze a tvorba nových dendritů (Thomas et al., 2012) se vyskytují rychle, zatímco změny v neuropilu se vyskytují mnohem pomaleji (Black et al., 1990). U lidí bylo pozorováno rychlé zvýšení objemu šedé hmoty v prefrontálních oblastech po pouhých 2 týdnech motorického učení u mladších dospělých (Taubert et al ., 2010). K vyvolání neuroplasticity v hipokampu byla doporučena delší tréninková období (Erickson et al., 2012; Niemann et al., 2014).

je zajímavé, že výše uvedené zvýšení objemu z naší studie je v rozporu s výsledky Hänggi et al. (2010), který ukázal, že profesionální baletní tanečníci mají snížil objemu šedé hmoty v levé premotorické kůry, SMA, Putamen a vynikající frontální gyrus a výsledky Hüfner et al. (2011), které uvádějí snížené objemy v několika oblastech mozku, včetně přední hippocampální formace u profesionálních tanečníků a slacklinerů ve srovnání s neprofesionály. Tyto studie však byly průřezovými pozorovacími studiemi, které porovnávaly mozky profesionálních tanečníků s mozky neprofesionálů. Naše taneční skupina se navíc skládala ze starých nováčků. Ukázalo se, že učení nové dovednosti nejprve vede k náboru dalších neuronových zdrojů. Později, když se dovednost stane automatičtější, je zapotřebí méně neuronálních zdrojů, což může vést ke snížení objemu u osob s dlouhodobými zkušenostmi. Na základě těchto vstupních podmínek (začátečníky, starší osoby) a naše speciální navržen tak, taneční vzdělávací program, který vyžadoval stále nové učení pohybových vzorců, je možné, že účinky specializace vyvolané objem klesá, jak je uvádí Hänggi et al. (2010) nejsou dodržovány.

obecně se předpokládá, že motorický trénink zpočátku indukuje zvýšení objemu mozku. Nicméně, delší trénink vede k automatizaci, které mohou mít opačné účinky na kortikální objem, protože méně kortikální kontrolu, je potřeba po motorické schopnosti byly plně stanovena (Taube, 2008). Náš taneční tréninkový program byl proto speciálně navržen tak, aby se zabránilo takové automatizaci, což může vysvětlit, proč alespoň do 18 měsíců nebylo v naší studii pozorováno žádné snížení kortikálního objemu.

kognitivní funkce také vykazovaly nelineární vývoj, přičemž verbální paměť se zvýšila pouze během druhého tréninkového období. O pozornost výkon, výrazné zlepšení bylo pozorovatelné jen po 6 měsíců v obou skupinách (Rehfeld et al., 2016). Tato zjištění podporují předchozí zprávy týkající se příznivých účinků fyzických intervencí na neuropsychologické testy (Bamadis et al ., 2014). V údajích o kognitivních schopnostech se však na rozdíl od údajů o mozku neobjevily žádné skupinové rozdíly. Jiní hlásili vynikající účinky kombinovaného kognitivního a tělesného tréninku na rozdíl od jednotlivých intervencí (Oswald et al ., 2006). Naše intervence dále rozšíříme, abychom otestovali, zda se skupinové rozdíly v poznávání mohou objevit i v pozdějších časových bodech.

Základní Buněčné a Molekulární Mechanismy Šedé Hmoty Plasticity

i když VBM je zobrazovací metoda, která odhaluje objemové změny v mozku, tato technika neumožňuje kauzální závěry o základních neurofyziologických procesů. Neurogeneze, synaptogeneze a angiogeneze jsou jen některé z mechanismů, které byly navrženy jako základ změn objemu mozku (Zatorre et al ., 2012). Jako mediátory účinky kardiovaskulární fitness na mozek, růstové faktory jako BDNF, insulin-like růstový faktor (IGF) a nervový růstový faktor (NGF) jsou studovány (Kirk-Sanchez a McGough, 2014). V naší studii však na rozdíl od předchozích (Erickson et al., 2011; Maass et al., 2015), mezi skupinami nebyly přítomny žádné rozdíly v kardiovaskulární kondici a úroveň kondice se během intervencí nezměnila. Druhé pozorování pravděpodobně souviselo s naší kontrolou individuální srdeční frekvence, kterou jsme chtěli udržovat v aerobní zóně. Nicméně, BDNF změny byly rovněž spojeny s fyzické aktivity, sociální interakce a pozitivní stres (Mattson, 2008), a ne všechny studie pozorovali zvýšení BDNF po kardiovaskulární trénink (Zásadní et al., 2014). Konečně, výzkum na zvířatech navrhl, že koordinace, ale ne vytrvalostní trénink indukuje synaptogenezi a gliové změny (Black et al., 1990). Společně ujednaném další faktory, které řídí sekreci BDNF může být více důležité v tanci, než během fitness aktivit, což vysvětluje, proč pouze tanečníci ukázal BDNF zvýšení v prvních 6 měsících. Pozorování, že BDNF hladiny vrátily k původním hodnotám během následujících 12 měsíců, zatímco objem se zvyšuje současně byly pozorovány v hipokampu, nicméně, znamená, že tam musí být další faktory podílející se v dospělém mozku plasticity než ty, zastoupené hladiny BDNF v periferní krvi.

Pokud jde o neurobiologické mechanismy plasticity vyvolané cvičením, také koncept mozkové rezervy (Satz et al ., 2011) by mělo být zváženo. Koncept mozkové rezervy popsat individuální rozdíly ve zvýšené základní adaptivní neuroplasticity, které poskytují větší dynamický kapacity pro remodelace kortikální okruhy na různé stresory (Barulli a Stern, 2013; Freret et al., 2015).

perspektivy

výsledky naší studie naznačují, že dlouhodobá taneční intervence by mohla být lepší než opakované fyzické cvičení při indukci neuroplasticity ve stárnoucím lidském mozku. Předpokládáme, že tato výhoda souvisí s multimodální povahou tance, která kombinuje fyzické, kognitivní a koordinační výzvy. Pokud je nám známo, toto je první podélné, randomizované studie doporučit taneční programy jako prostředek pro prevenci šedé hmoty a úbytku kognitivních funkcí u starších osob. Je zapotřebí další výzkum k objasnění podrobněji časová dynamika a základní neurobiologické mechanismy taneční navozené neuroplasticity a zda tento zásah skutečně má potenciál snížit riziko vzniku neurodegenerativních onemocnění, jako je Alzheimerova choroba.

autorské příspěvky

PM navrhl a provedl výzkum, analyzoval data, napsal článek. KR navrhl a provedl výzkum. MS analyzovala data. AH a VL navrhli výzkum. MD: sběr dat, revize článku. TB a JK navrhly výzkum, analyzovaly data. NGM navrhl výzkum, napsal článek.

Prohlášení o střetu zájmů

autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být vykládány jako potenciální střet zájmů.