Übung verbessert Exekutivfunktion und Leistung und verändert die Gehirnaktivierung bei übergewichtigen Kindern: Eine randomisierte kontrollierte Studie (2011)

Gesundheit Psychol. Autorenmanuskript; verfügbar in PMC Jan 1, 2012.
Veröffentlicht in endgültig bearbeiteter Form als:
PMCID: PMC3057917
NIHMSID: NIHMS245691
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Abstrakt

Ziel

Dieses Experiment testete die Hypothese, dass Bewegung die exekutive Funktion verbessern würde.

Design

Sitzende, übergewichtige 7- bis 11-jährige Kinder (N = 171, 56% weiblich, 61% Schwarz, M ± SD Alter 9.3 ± 1.0 Jahre, Body Mass Index (BMI) 26 ± 4.6 kg / m2, BMI-Z-Score 2.1 ± 0.4) wurden randomisiert 13 ± 1.6-Wochen eines Trainingsprogramms (20 oder 40 Minuten / Tag) oder einer Kontrollbedingung zugewiesen.

Hauptzielparameter

Blinde, standardisierte psychologische Evaluationen (Cognitive Assessment System und Woodcock-Johnson Tests of Achievement III) bewerteten Kognition und akademische Leistung. Bei der funktionellen Magnetresonanztomographie wurde die Hirnaktivität bei exekutiven Funktionsaufgaben gemessen.

Die Ergebnisse

Die Absicht, die Analyse zu behandeln, offenbarte Dosis-Wirkungs-Vorteile der Übung auf Exekutivfunktion und Mathematikleistung. Vorläufige Hinweise auf eine erhöhte bilaterale präfrontale Kortexaktivität und eine verminderte Aktivität der bilateralen posterioren Parietalkortex aufgrund von körperlicher Aktivität wurden ebenfalls beobachtet.

Zusammenfassung

Übereinstimmend mit den Ergebnissen, die bei älteren Erwachsenen erhalten wurden, wurde eine spezifische Verbesserung der exekutiven Funktion und der Aktivierungsaktivierung des Gehirns beobachtet. Die kognitiven und Leistungsergebnisse fügen Beweise der Dosisantwort hinzu und erweitern experimentelle Beweise in Kindheit. Diese Studie liefert Informationen zu einem Bildungsergebnis. Neben ihrer Bedeutung für die Aufrechterhaltung des Körpergewichts und die Verringerung der Gesundheitsrisiken während einer Fettleibigkeitsepidemie bei Kindern kann sich körperliche Aktivität als eine einfache, wichtige Methode zur Verbesserung der mentalen Funktionen von Kindern erweisen, die für die kognitive Entwicklung von zentraler Bedeutung sind. Diese Information kann Pädagogen davon überzeugen, energische körperliche Aktivität zu implementieren.

Stichwort: Wahrnehmung, Aerobic, Fettleibigkeit, Anti-Sakkade, fMRI

Exekutivfunktion scheint empfindlicher als andere Aspekte der Kognition zu Aerobic-Training (Colcombe & Kramer, 2003). Die Exekutivfunktion konstituiert eine Überwachungssteuerung der kognitiven Funktionen, um ein Ziel zu erreichen, und wird über eine präfrontale Cortex-Schaltung vermittelt. Die Planung und Durchführung von Handlungsabläufen, die zielgerichtetes Verhalten ausmachen, erfordert die Zuweisung von Aufmerksamkeit und Gedächtnis, die Auswahl und Hemmung von Reaktionen, die Festlegung von Zielen, die Selbstkontrolle, die Selbstkontrolle und den geschickten und flexiblen Einsatz von Strategien (Eslinger, 1996; Lezak, Howieson & Loring, 2004). Die Exekutivfunktionshypothese wurde auf der Grundlage von Evidenz vorgeschlagen, dass aerobes Training die Leistung von älteren Erwachsenen bei exekutiven Funktionsaufgaben selektiv verbessert und zu entsprechenden Erhöhungen der präfrontalen Kortexaktivität führt (Colcombe et al., 2004; Kramer et al. 1999). Die kognitive und neurale Entwicklung von Kindern kann empfindlich auf körperliche Aktivität reagieren (Diamant, 2000; Hillman, Erickson & Kramer, 2008; Kolb & Whishaw, 1998). Theoretische Darstellungen der Zusammenhänge zwischen motorischem Verhalten und kognitiver Entwicklung im Kindesalter reichen von hypothetischen Hirnnetzwerken bis zur Konstruktion von Wahrnehmungs-Handlungsdarstellungen (Rakison & Woodward, 2008; Sommerville & Decety, 2006).

Eine Meta-Analyse von Belastungsstudien bei Kindern zeigte eine verbesserte Wahrnehmung mit Bewegung; randomisierte Studienergebnisse waren jedoch inkonsistent (Sibley & Etnier, 2003). Ein selektiver Effekt der Übung auf die Exekutivfunktion kann gemischte experimentelle Ergebnisse bei Kindern erklären (Tomporowski, Davis, Miller & Naglieri, 2008). Studien mit kognitiven Aufgaben, die exekutive Funktionen erfordern, zeigten Vorteile des Trainings (Davis et al., 2007; Tuckman & Hinkle, 1986), während diejenigen, die weniger empfindliche MaßnahmenLezak et al., 2004, pp. 36, 611-612; z.B, Ismail, 1967; Zervas, Apostolos & Klissouras, 1991). Ein vorläufiger Bericht aus dieser Studie, mit einer kleineren Stichprobe, zeigte einen Nutzen der Übung auf Exekutivfunktion (Davis et al., 2007). Die Endergebnisse werden hier vorgestellt.

Bei Kindern wurde starke körperliche Aktivität mit besseren Noten assoziiert (Coe, Pivarnik, Womack, Reeves & Malina, 2006; Taras, 2005), körperliche Fitness mit schulischen Leistungen (Castelli, Hillman, Buck & Erwin, 2007; Dwyer, Sallis, Blizzard, Lazarus & Dean, 2001; Wittberg, Northrup, Cottrell & Davis akzeptierten) und Übergewicht mit schlechteren Leistungen (Castelli et al., 2007; Datar, Sturm & Magnabosco, 2004; Dwyer et al., 2001; Shoreet al., 2008; Taras & Potts-Datema, 2005). Die stärkste Schlussfolgerung in Bezug auf die Wirkung von körperlicher Aktivität auf schulische Leistungen ist jedoch, dass sie die Leistung nicht beeinträchtigt, auch wenn sie die Unterrichtszeit wegnimmt (Dwyer, Coonan, Leitch, Hetzel & Baghurst, 1983; Sallis et al., 1999; Shephard et al., 1984). Weil Übergewicht ein Marker für chronische Inaktivität ist (Must & Tybor, 2005), können übergewichtige, sesshafte Kinder eher von Bewegung profitieren als schlanke Kinder.

Die primäre Hypothese dieser Studie war, dass sesshafte, übergewichtige Kinder, die einer Übung zugeteilt waren, sich mehr verbessern als Kinder in einer Kontrollbedingung auf Exekutivfunktion, aber nicht auf andere kognitive Prozesse wie Ablenkungswiderstand, räumliche und logische Prozesse und Sequenzierung. Eine sekundäre Hypothese war, dass eine Dosis-Wirkungs-Beziehung zwischen Training und Kognition beobachtet werden würde. Auswirkungen auf die schulischen Leistungen wurden untersucht. Basierend auf früheren Studien an Erwachsenen, die belastungsabhängige Veränderungen der Hirnfunktion zeigten, wurden Effekte auf die Aktivität in präfrontalen Kortex-Schaltkreisen mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) in einer Untergruppe von Teilnehmern untersucht.

Versandart

Hauptstudium

Teilnehmer

Schüler wurden während 2003-2006 aus Schulen für eine Studie über Aerobic-Übungen zur Gesundheit von Kindern rekrutiert. Kinder waren berechtigt, wenn sie übergewichtig waren (≥ 85. Perzentil BMI) (Ogden et al., 2002), inaktiv (kein reguläres Programm für körperliche Aktivität> 1 Std./Woche) und hatte keinen medizinischen Zustand, der die Studienergebnisse beeinflussen oder die körperliche Aktivität einschränken würde. Einhunderteinundsiebzig Kinder im Alter von 7 bis 11 Jahren wurden randomisiert (56% weiblich, 61% schwarz, 39% weiß, M ± SD 9.3 ± 1.0 Jahre, Body Mass Index (BMI) 26.0 ± 4.6 kg / m2, BMI-Z-Score 2.1 ± 0.4, Elternbildung (dh primäre Bezugsperson) Bildungsstufe 5.0 ± 1.1, wobei 1 = weniger als 7th Klasse, 2 = 8th oder 9th, 3 = 10th oder 11th, 4 = Abitur, 5 = einige College, 6 = Hochschulabsolvent, 7 = Postgraduate). Ein Kind wurde aufgrund einer psychiatrischen Hospitalisierung nach der Randomisierung von der Nachuntersuchung ausgeschlossen. Kinder wurden ermutigt, einen Posttest durchzuführen, unabhängig von der Einhaltung der Intervention. Elf Kinder, die Medikamente für Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom nahmen, wurden eingeschlossen (und nahm ihre Medikamente wie üblich; n = 4 in Kontrolle, n = 4 in niedriger Dosis, und n = 3 in hoher Dosisgruppe), um die Generalisierbarkeit zu maximieren. Kinder und Eltern haben schriftliche Einwilligung und Einverständniserklärung abgegeben. Die Studie wurde vom Institutional Review Board des Medical College of Georgia überprüft und genehmigt. Tests und Eingriffe erfolgten am Medical College of Georgia. Das Teilnehmerflussdiagramm wird in dargestellt Abb.. 1.

Abb.. 1 

Flussdiagramm des Teilnehmers

Studiendesign

Kinder wurden nach dem Zufallsprinzip vom Statistiker zu niedrigen Dosen (20 Minuten / Tag) oder hohen Dosen (40 Minuten / Tag) Aerobic-Übungen oder zu einer Kontrolle ohne Belastung zugewiesen. Randomisierung wurde nach Rasse und Geschlecht geschichtet. Aufgaben wurden verdeckt, bis die Basisuntersuchung abgeschlossen war, und dann dem Studienkoordinator mitgeteilt, der die Probanden informierte. Die Kontrollbedingung sah kein Programm nach der Schule oder Transport vor. Die Übungsbedingungen waren in ihrer Intensität gleich und unterschieden sich nur in der Dauer (Energieaufwand). Fünf Kohorten nahmen an der Studie über 3-Jahre teil.

Aerobes Training Intervention

Kinder, die sich dem Training verschrieben hatten, wurden an jedem Schultag zu einem Trainingsprogramm nach der Schule gebracht (Schüler: Ausbilderquote über 9: 1). Der Schwerpunkt lag auf Intensität, Genuss und Sicherheit, nicht auf Wettbewerb oder Verbesserung der Fähigkeiten. Die Aktivitäten wurden auf der Grundlage des Verständnisses, des Spaßes und der Auslösung intermittierender heftiger Bewegungen ausgewählt und beinhalteten Laufspiele, Springseil und modifizierten Basketball und Fußball (Gutin, Riggs, Ferguson & Owens, 1999). Das Programmhandbuch ist auf Anfrage erhältlich. Herzfrequenzmesser (S610i; Polar Electro, Oy, Finnland; 30 Sekunden Epoche) wurden verwendet, um die Dosis zu beobachten. Die durchschnittliche Herzfrequenz jedes Kindes während der Sitzungen wurde täglich aufgezeichnet und Punkte für die Aufrechterhaltung eines Durchschnitts von> 150 Schlägen pro Minute vergeben. Punkte wurden für wöchentliche Preise eingelöst. Kinder, die der Hochdosis-Erkrankung zugeordnet waren, absolvierten jeden Tag zwei 20-minütige Kämpfe. Kinder in der Niedrigdosis-Phase absolvierten einen 20-minütigen Kampf und anschließend eine 20-minütige sitzende Tätigkeit (z. B. Brettspiele, Kartenspiele, Zeichnen) in einem anderen Raum. Während dieser Zeit wurde keine Nachhilfe angeboten. Jede Sitzung begann mit einem fünfminütigen Aufwärmen (mäßige kardiovaskuläre Aktivität, statische und dynamische Dehnung). Die Kämpfe endeten mit einer Wasserpause, einer leichten Abkühlung der Herz-Kreislauf-Aktivität und statischer Dehnung.

Während der 13 ± 1.6-wöchigen Intervention (13 ± 1.5, 13 ± 1.7 bei niedriger bzw. hoher Dosis) betrug die Anwesenheit 85 ± 13% (85 ± 12, 85 ± 14). Die durchschnittliche Herzfrequenz betrug 166 ± 8 Schläge pro Minute (167 ± 7, 165 ± 8). Kinder erreichten an den meisten Tagen eine durchschnittliche Herzfrequenz von> 150 Schlägen pro Minute (87 ± 10% insgesamt; 89 ± 8, 85 ± 12 bei niedriger bzw. hoher Dosis). Die Dauer des Interventionszeitraums, die durchschnittliche Anwesenheit, die Herzfrequenz und der Anteil der Zeit, in der das Herzfrequenzziel erreicht wurde, waren unter den Trainingsbedingungen ähnlich, und die Zeit zwischen Baseline und Posttest war unter allen Versuchsbedingungen ähnlich (19 ± 3.3, 18 ±) 2.6, 18 ± 2.5 Wochen unter Kontrollbedingungen, Bedingungen mit niedriger bzw. hoher Dosis).

Maßnahmen

Eine standardisierte psychologische Batterie bewertete Kognition und Leistung bei Baseline und Posttest. Die meisten Kinder (98%) wurden von demselben Tester zur gleichen Tageszeit und im selben Raum zu Beginn und nach dem Test untersucht. Tester waren sich des experimentellen Zustandes des Kindes nicht bewusst. Standard-Scores wurden analysiert. Insgesamt haben 5-Kohorten Daten für Kognitions- und 4-Kohorten zur Verfügung gestellt. Die Mittelwerte fielen in den normalen Bereich (Tabelle 1).

Tabelle 1 

Kognitiva und Leistungb Scores (M ± SE) nach Gruppe bei Baseline und Posttest, und adjusted Mittel bei Post

Eine standardisierte, Theorie basierte (Das, Naglieri & Kirby, 1994; Naglieri, 1999) kognitive Beurteilung mit ausgezeichneten psychometrischen Eigenschaften, das Cognitive Assessment System,Naglieri & Das, 1997). Das Cognitive Assessment System wurde auf eine große repräsentative Stichprobe von Kindern im Alter von 5-17 Jahren standardisiert, die die US-Bevölkerung in Bezug auf eine Reihe von demografischen Variablen (z. B. Alter, Rasse, Region, Gemeindeeinstellung, Bildungseinstufung und Elternbildung) gut abgleichen. Es ist stark korreliert mit akademischen Leistungen (r = .71), obwohl es keine leistungsähnlichen Elemente enthält (Naglieri & Rojahn, 2004). Es ist bekannt, auf Bildungsmaßnahmen zu reagieren (Das, Mishra & Poole, 1995), und es führt zu kleineren Rassen- und ethnischen Unterschieden als traditionelle Intelligenztests, wodurch es sich besser für die Beurteilung benachteiligter Gruppen eignet (Naglieri, Rojahn, Aquilino & Matto, 2005).

Das Cognitive Assessment System misst die geistigen Fähigkeiten von Kindern, die auf der Basis von vier miteinander verbundenen kognitiven Prozessen definiert sind: Planung, Aufmerksamkeit, Simultan und Sukzessiv. Jede der vier Skalen besteht aus drei Untertests. Nur die Planungsskala misst exekutive Funktionen (dh Strategiegenerierung und -anwendung, Selbstregulierung, Intentionalität und Nutzung von Wissen; interne Zuverlässigkeit r = .88). Die Planungsskala ist zuverlässiger als neuropsychologische Tests der Exekutivfunktion (Rabbitt, 1997). Die verbleibenden Skalen messen andere Aspekte der kognitiven Leistungsfähigkeit und können somit bestimmen, ob die Auswirkungen von körperlicher Bewegung bei Kindern für die exekutive Funktion stärker sind als für andere kognitive Prozesse. Die Attention Tests erfordern fokussierte, selektive kognitive Aktivität und Ablenkungsresistenz (innere Verlässlichkeit) r = .88). Die Simultansubtests beinhalten räumliche und logische Fragen, die nonverbalen und verbalen Inhalt enthalten (interne Reliabilität) r = .93). Die sukzessiven Aufgaben erfordern eine Analyse oder einen Rückruf von Reizen, die nacheinander angeordnet sind, und die Bildung von Lauten in der richtigen Reihenfolge (innere Zuverlässigkeit) r = .93). Vorläufige Ergebnisse zu dieser Maßnahme wurden veröffentlicht (Davis et al., 2007). Ein Kind wurde fälschlicherweise die 8-yr-alte Version des Tests zu Studienbeginn verabreicht, als das Kind 7 Jahre alt war.

Die schulischen Leistungen der Kinder wurden anhand zweier austauschbarer Formen der Woodcock-Johnson-Tests der Errungenschaften III (McGrew & Woodcock, 2001) die zufällig ausgeglichen wurden. Die Cluster für breites Lesen und Breite Mathematik waren die Ergebnisse von Interesse. Einhunderteinundvierzig Kinder in 4-Kohorten lieferten Leistungsdaten.

Statistische Analyse

Absicht, die Analyse von Kovarianz-getesteten Gruppenunterschieden auf Kognition und Leistung bei Posttest zu behandeln, Anpassung für Baseline-Score. Die Analysen wurden unter Verwendung der letzten Nachbeobachtungsvorlaufimputation für die 7-Kinder durchgeführt, die keine Nachtestdaten lieferten. Kovariaten (Kohorte, Rasse, Geschlecht, Elternbildung) wurden eingeschlossen, wenn sie mit der abhängigen Variablen in Beziehung standen. Die Planning-, Simultan-, Attention- und Successive-Skalen sowie Broad Reading- und Broad Math-Cluster wurden untersucht. A priori Kontraste, die einen linearen Trend testen und die Kontrollgruppe mit den beiden Übungsgruppen vergleichen, wurden zusammen mit orthogonalen quadratischen und niedrigen vs. hohen Dosiskontrasten durchgeführt. Die statistische Signifikanz wurde bei α = .05 bewertet. Signifikante Analysen wurden wiederholt, mit Ausnahme der 11-Kinder, die Medikamente gegen Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom einnahmen, und ausschließlich der 18-Siebenjährigen, die aufgrund ihres Alters eine etwas andere Version des Cognitive Assessment-Systems erhielten. Es wurde geschätzt, dass eine Stichprobengröße von 62-Probanden pro Gruppe 80% Leistung liefert, um einen Unterschied zwischen Gruppen von 6.6-Einheiten zu erkennen.

FMRI Subjekt

Teilnehmer

Zwanzig Kinder in der letzten Kohorte der Studie nahmen an einer fMRT-Pilotstudie teil, die aus Gehirn-Scans von Grundlinien (Kontrolle n = 9, Übung n = 11) und Posttest (Kontrolle n = 9, Übung n = 10) bestand. Linkshändige Kinder und Brillenträger wurden ausgeschlossen. Eine Nachtestsitzung in der Übungsgruppe wurde abgelehnt. Es gab keine signifikanten Unterschiede in den Eigenschaften zwischen dieser Untergruppe (9.6 ± 1.0 Jahre, 40% weiblich, 40% Schwarz, BMI 25.3 ± 6.0, BMI z-score 1.9 ± 0.46) und der Rest der Probe. Niedrig und hoch dosierte Übungsgruppen (14 ± 1.7 wks Übung) wurden für fMRI-Analysen zusammengebrochen.

Design und Ablauf

Bilder wurden auf einem GE Signa Excite HDx 3 Tesla MRI-System (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI) aufgenommen. Visuelle Reize wurden unter Verwendung von MRI-kompatiblen Schutzbrillen (Resonance Technologies, Inc., Northridge, CA) präsentiert, und Augenbewegungen wurden unter Verwendung eines Augenverfolgungssystems überwacht, was es den Untersuchern ermöglichte, zu sehen, dass die Probanden wach und an der Aufgabe beteiligt waren. Die Probanden trugen Ohrstöpsel und ihre Köpfe wurden mit einem Vakuumkissen zurückgehalten. Vor der Akquisition von MRI-Daten wurde die magnetische Homogenität optimiert, indem ein automatisiertes Shim-Verfahren verwendet wurde, das Shim-Werte niedriger Ordnung durch Durchführen von kleinsten Quadraten der Magnetfeldkarten bestimmt und automatisch die Shim-Werte niedriger Ordnung als Gleichstrom-Offset-Ströme in X anwendet. Y- und Z-Gradienten-Wellenformen. Funktionsbilder wurden unter Verwendung einer verfälschten Gradientenechoplanar-Bildgebungssequenz (Zeit der Wiederholung (TR) 2800 ms, Echozeit (TE) 35 ms, Kippwinkel 90 °, Sichtfeld (FOV) 280 × 280 mm) erhalten2, Matrix 96 × 96, 34-Scheiben, Schichtdicke 3.6 mm). Als nächstes wurden Strukturbilder unter Verwendung einer 3-dimensionalen schnell verdorbenen Gradientenechosequenz (TR 9.0 ms, TE 3.87 ms, Kippwinkel 20º, FOV 240 x 240 mm) erhalten2, Matrix 512 × 512, 120-Scheiben, Schichtdicke 1.3 mm). Die hochauflösenden Strukturbilder wurden verwendet, um funktionelle Bilder in einen stereotaktischen Standardraum für Analysen zu normalisieren (Talairach & Tournoux, 1988).

Anti-Sakkaden-Aufgabe

Funktionelle Bildgebungsdaten wurden erworben, während die Probanden ein weiteres Maß an exekutiver Funktion, eine Anti-Sakkaden-Aufgabe (McDowell et al., 2002). Korrekte Anti-Sakkaden-Performance erfordert die Hemmung einer präpotenten Reaktion auf einen visuellen Hinweis und die Erzeugung einer Antwort auf die Spiegelbildposition dieses Hinweises (gegenüberliegende Seite, gleicher Abstand von der zentralen Fixierung). Nach einer anfänglichen Fixierungsperiode (25.2 sec) wechselte ein Block-Paradigma zwischenN = 7-Blöcke; 25.2 sec eines Kreuzes präsentiert bei zentraler Fixierung) und experimentell (N = 6-Blöcke; 25.2 sec bestehend aus 8-Anti-Sakkaden-Tests, 48-Tests insgesamt) (5.46-Minuten-Laufzeit; 117-Volumes; die ersten 2-Volumes wurden aus der Analyse weggelassen, um die Magnetisierungsstabilisierung zu berücksichtigen). Während der Grundlinie wurden die Versuchspersonen angewiesen, auf das Kreuz zu starren. Während der Anti-Sakkaden-Versuche wurden die Versuchspersonen angewiesen, auf ein zentrales Kreuz zu starren, bis es aufging, und dann signalisierte ein Hinweis in der Peripherie den Versuchspersonen, so schnell wie möglich auf die Spiegelbildstelle des Stichwortes zu schauen, ohne das Stichwort selbst zu betrachten. Die Probanden hatten vor jeder Scannersitzung zwei separate Übungssitzungen, um sicherzustellen, dass sie die Anweisungen verstanden haben. Personal, das während des Scans mit den Kindern interagierte, war sich der Aufgabe des Kindes nicht bewusst.

Bildanalyse

Die Analysen wurden wie in zuvor veröffentlichten Daten aus unserem Labor durchgeführt (Camchong, Dyckman, Austin, Clementz & McDowell, 2008; Camchong, Dyckman, Chapman, Yanasak & McDowell, 2006; Dyckman, Camchong, Clementz & McDowell, 2007; McDowell et al., 2002) mit AFNI-Software (Cox, 1996). Kurz gesagt wurden für jede Sitzung Volumina auf ein repräsentatives Volumen registriert, um kleinere Kopfbewegungen zu korrigieren (und 6-Regressoren wurden berechnet: 1 jeweils für a) rotierend und b) Translationskopfbewegung in jeder der 3-Ebenen. Ein 4 mm Vollbreite bei halbem Maximum Gauß'scher Filter wurde dann auf jeden Datensatz angewendet. Für jedes Voxel wurde die prozentuale Änderung des vom Blutsauerstoffsättigungsniveau abhängigen Signals von der Grundlinie für jeden Zeitpunkt berechnet. Die resultierende prozentuale Änderung über die Zeit hinweg wurde für die lineare Drift bereinigt und mit einer trapezförmigen Referenzfunktionsmodellierungsbasis (Fixierung) und experimentellen (antisakkaden) Bedingungen unter Verwendung der 6-Bewegungsparameter als Rauschregressoren korreliert. Die Daten wurden dann auf der Grundlage des Atlas von Talairach und Tournoux in einen standardisierten Raum umgewandelt (Talairach & Tournoux, 1988) und erneut auf 4 × 4 × 4 mm Voxel abgetastet.

Um die neuronalen Schaltkreise zu identifizieren, die die Anti-Sakkaden-Leistung unterstützen (Abb.. 2), wurden die Daten über Gruppen und Zeitpunkte für die Analyse der Varianz zusammengebrochen. Um sich vor falsch positiven Ergebnissen zu schützen, wurde eine Cluster - Schwellenwert - Methode, die aus Monte - Carlo - Simulationen (basierend auf der Geometrie des Datensatzes) abgeleitet wurde, auf die F Karte (Ward, 1997). Basierend auf diesen Simulationen, die Familie weise Alpha bei p = .05 wurde mit einem einzelnen Voxel erhalten, das bei p = .0005 und eine Clustergröße von 3-Voxeln (192 μL). Das resultierende gruppierte F Karte wurde verwendet, um regionale Blutoxygenierungsniveau abhängige Signaländerung zu identifizieren.

Abb.. 2 

Axiale Ansichten, die die prozentuale Signaländerung im Blutsauerstoffgehalt anzeigen, die mit der Anti-Sakkaden-Leistung in Verbindung mit der Analyse einer einzelnen Probe auf drei verschiedenen Ebenen im Gehirn assoziiert sind. Daten aus 39-Sitzungen (20-Kinder zu Beginn, 19 bei Posttest) sind ...
Region of Interest Analysen

Für jede kortikale Region, die eine signifikante Aktivität im Cluster zeigte F Karte (frontales Augenfeld, zusätzliches Augenfeld, präfrontaler Kortex, posteriorer parietaler Kortex), eine Kugel (Radius 8 mm, ähnlich wie Kiehl et al., 2005; Morris, DeGelder, Weiskrantz & Dolan, 2001) wurde im Zentrum der Masse positioniert, wobei die bilaterale Aktivität über die Hemisphären zusammenbrach. Mittlere prozentuale Signaländerungen bei Baseline und Posttest wurden für jede interessierende Region für jeden Teilnehmer berechnet und Differenzwerte analysiert. Wegen der nichtnormalen Verteilungen der interessierenden Region wurden die experimentellen Bedingungen mit dem Mann-Whitney verglichen U Test (genaue 2-tailed Wahrscheinlichkeiten).

Die Ergebnisse

Psychometrische Daten

Geschlecht war verwandt mit Posttest-Planung (Jungen, 101.3 ± 12.1 vs. Mädchen, 105.2 ± 12.7, t = -2.0, p = .044) und Aufmerksamkeit (99.8 ± 12.2 vs. 107.5 ± 12.5, t = -4.1, p <001) Punkte. Das Rennen war mit dem Posttest Simultaneous verbunden (Weiß, 109.3 ± 13.6 vs. Schwarz, 104.0 ± 10.9, t = 2.9, p = .004) und Broad Math (109.0 ± 9.3 vs. 102.0 ± 10.1, t = 4.2, p <001) Punkte. Die Elternbildung korrelierte mit der Planung nach dem Test (r = .18, p = .02), breites Lesen (r = .27, p = .001) und Broad Math (r = .27, p = .001). Diese Kovariaten wurden in entsprechende Analysen einbezogen.

Ein statistisch signifikanter a priori Der lineare Kontrast zeigte einen Dosis-Wirkungs-Vorteil der Übung auf die Exekutivfunktion (dh Planung, Abb.. 3; L = 2.7, 95% Konfidenzintervall (CI) 0.6 bis 4.8, t(165) = 2.5, p = .013). Das a priori Der Vergleich der Kontrollgruppe mit den Übungsgruppen war ebenfalls signifikant, was zeigte, dass die Exposition gegenüber der niedrigen oder hohen Dosis des Übungsprogramms zu höheren Planning-Scores führte (L = -2.8, CI = -5.3 bis -0.2, t(165) = 2.1, p = .03). Wie erwartet, wurden keine Auswirkungen auf die Attention-, Simultan- oder Successive-Skala festgestellt. Für den Broad Math Cluster ein statistisch signifikanter a priori linearer Kontrast zeigte einen dosisabhängigen Vorteil der Übung auf die mathematische Leistung (Abb.. 3; L = 1.6, CI 0.04 bis 3.2, t(135) = 2.03, p = .045). Der Kontrast, der die Trainingsbedingungen mit der Kontrollbedingung vergleicht, war statistisch nicht signifikant (p = .10). Im Broad Reading-Cluster wurden keine Auswirkungen festgestellt.

Abb.. 3 

Executive-Funktion (Planung) bei posttests angepasst für Geschlecht, Elternbildung und Baseline-Score, und Math Leistung Mittel (SE) bei Posttest für Rasse, Elternbildung und Baseline-Score angepasst, zeigt Dosis-Wirkungs-Effekte der aeroben Übung ...

Die niedrigen und hohen Dosisbedingungen unterschieden sich nicht, und es wurden keine quadratischen Trends festgestellt. Abgesehen vom Ausgangswert waren die einzigen signifikanten Kovariaten in der Analyse von Kognition oder Leistung das Geschlecht in der Aufmerksamkeitsanalyse (p <.001) und Rennen um Broad Math (p = .03). Die Ergebnisse waren ähnlich, wenn Kinder mit Aufmerksamkeitsstörungen ausgeschlossen wurden (lineare Kontraste bei Planung, t(154) = 2.84, p = .005, Breite Mathematik, t(125) = 2.12, p = .04) und 7-Jährige (Planung, t(147) = 2.92, p = .004, Breite Mathematik, t(117) = 2.23, p = .03).

Neuroimaging Daten

Das antisaccade-bezogene Blutoxygenierungsniveau-abhängige Signal (kollabierend über Gruppe und Zeitpunkt) zeigte kortikale sakkadische Schaltkreise (einschließlich frontaler Augenfelder, ergänzende Augenfelder, posterior-parietaler Kortex und präfrontaler Kortex; Abb.. 2), die bei Erwachsenen gut definiert ist (Luna et al., 2001; Sweeney, Luna, Keedy, McDowell & Clementz, 2007). Region of Interest-Analysen zeigten Gruppenunterschiede in Signaländerungen von Baseline zu Posttest, die in zwei Regionen signifikant waren: bilateraler präfrontaler Kortex (Massenmittelpunkt in Talairach-Koordinaten (x, y, z)): rechts = 36, 32, 31; links = - 36, 32, 31) und bilateralen posterioren parietalen Kortex (rechts = 25, -74, 29; links = -23, -70, 22). Insbesondere zeigte die Übungsgruppe eine erhöhte bilaterale präfrontale Kortexaktivität (Abb.. 4, linke Tafel; U = 20, p = .04) und verringerte Aktivität im bilateralen posterioren Parietalkortex (Abb.. 4, rechtes Feld; U = 18, p = .03) im Vergleich zu Kontrollen. Region of Interest Analysen der motorischen Regionen (frontale und ergänzende Augenfelder) zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen.

Abb.. 4 

Boxplots nach experimenteller Bedingung, die die Veränderung der Aktivierung von Baseline zu Posttest zeigt. Linkes Feld: präfrontaler Kortex. Rechtes Bild: posteriorer parietaler Kortex.

Diskussion

Das Experiment testete den Effekt von ungefähr 3 Monaten regelmäßiger aerober Übung auf die exekutive Funktion bei sitzenden, übergewichtigen Kindern unter Verwendung kognitiver Bewertungen, Leistungsmessungen und fMRI. Dieser facettenreiche Ansatz zeigte konvergente Beweise, dass aerobes Training die kognitive Leistungsfähigkeit verbesserte. Genauer gesagt zeigten verblindete, standardisierte Auswertungen spezifische dosisabhängige Vorteile von körperlicher Betätigung auf die Exekutivfunktion und die mathematische Leistung. Es wurde eine erhöhte Aktivität des präfrontalen Kortex und eine verminderte posteriore parietale Kortexaktivität aufgrund des Übungsprogramms beobachtet.

Zusammenfassend sind diese Ergebnisse konsistent mit denen bei Erwachsenen in Bezug auf nachweisbare Verhaltens- und Gehirnaktivitätsänderungen aufgrund von körperlicher Betätigung (Colcombe et al., 2004; Pereira et al., 2007). Sie fügen auch Hinweise auf eine Dosisreaktion hinzu, die in Sportversuchen mit Kindern besonders selten ist (Strong et al., 2005) und liefern wichtige Informationen zu einem Bildungsergebnis. Die Hochdosisbedingung führte dazu, dass die mittleren Planning-Scores 3.8-Punkte oder eine Viertel der Standardabweichung (σ = 15) höher waren als die Kontrollbedingung. Demografische Merkmale trugen nicht zum Modell bei. Ähnliche Ergebnisse wurden erhalten, wenn Kinder mit Aufmerksamkeitsstörungen oder 7-Jährige ausgeschlossen wurden. Daher können die Ergebnisse auf übergewichtige schwarze oder weiße 7- bis 11-Jährige verallgemeinert werden.

Exekutivfunktion entwickelt sich in der Kindheit und ist entscheidend für adaptives Verhalten und Entwicklung (Best, Miller & Jones, 2009; Eslinger, 1996). Insbesondere die Fähigkeit, das eigene Verhalten zu regulieren (zB unangemessene Reaktionen zu hemmen, die Befriedigung zu verzögern), ist für ein Kind wichtig, um in der Grundschule erfolgreich zu sein (Blair, 2002; Eigsti et al., 2006). Dieser Effekt könnte wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung und die Bildungspolitik von Kindern haben. Die Feststellung verbesserter mathematischer Leistungen ist bemerkenswert, da keine akademische Ausbildung angeboten wurde, und legt nahe, dass eine längere Interventionsphase zu mehr Nutzen führen kann. Die Verbesserung der Leistung war spezifisch für die Mathematik, ohne dass das Lesen davon profitierte.

Wir stellen die Hypothese auf, dass regelmäßige intensive körperliche Aktivität die Entwicklung von Kindern über Effekte auf Gehirnsysteme, die der Wahrnehmung und dem Verhalten zugrunde liegen, fördert. Tierexperimentelle Studien zeigen, dass Aerobic-Training Wachstumsfaktoren wie den neurotrophen Faktor im Gehirn erhöht, was zu einer erhöhten kapillaren Blutversorgung des Kortex und dem Wachstum neuer Neuronen und Synapsen führt, was zu einem besseren Lernen und besserer Leistung führt (Dishman ua, 2006). Experimentelle und prospektive Kohortenstudien mit Erwachsenen zeigen, dass langfristige regelmäßige körperliche Aktivität die Funktion des menschlichen Gehirns verändert (Colcombe et al., 2004; Weuve et al., 2004). Ein randomisiertes, kontrolliertes Experiment zeigte, dass 6-Monate mit aeroben Übungen zu einer verbesserten kognitiven Leistungsfähigkeit bei älteren Erwachsenen führten (Kramer et al. 1999). Eine wichtige Arbeit berichtet in zwei Studien, die fMRT-Techniken verwenden, klare Beweise für den Einfluss von aerobem Training auf die Gehirnaktivität bei Erwachsenen: Ein Querschnittvergleich von hoch- zu niedrig sitzenden Individuen zeigte, dass die präfrontale Kortexaktivität mit körperlicher Fitness zusammenhängt Ein Experiment zeigte, dass 6-Monate mit aerobem Training (Gehen) bei sesshaften 55- bis 77-Jährigen die präfrontale Kortexaktivität erhöhten und zu Verbesserungen bei einem Test der exekutiven Funktion führten (Colcombe et al., 2004). Interessanterweise fand eine Meta-Analyse keine Unterstützung für aerobe Fitness als Vermittler der Wirkung von körperlicher Aktivität auf menschliche Kognition (Etnier, Nowell, Landers & Sibley, 2006). Anstatt durch kardiovaskuläre Vorteile vermittelt zu werden, können die kognitiven Veränderungen aufgrund von körperlicher Bewegung ein direktes Ergebnis der neuralen Stimulation durch Bewegung sein. Während der Fall gemacht wurde, dass körperliche Aktivität die kognitive Funktion von Kindern direkt über Veränderungen der neuralen Integrität beeinflussen könnte, gibt es andere plausible Erklärungen, wie zum Beispiel Engagement in zielgerichteter, anstrengender mentaler Beteiligung (Tomporowski et al., 2008).

Diese Studie hat Einschränkungen. Die Ergebnisse beschränken sich auf eine Stichprobe von übergewichtigen schwarz-weißen 7- bis 11-jährigen Kindern. Schlanke Kinder und solche anderer Ethnien oder Altersgruppen reagieren möglicherweise anders. Es ist nicht bekannt, ob kognitive Vorteile nach einer gewissen Zeit des Trainings bestehen bleiben. Wenn sich die Vorteile jedoch im Laufe der Zeit ansammeln, wäre dies für die Entwicklung des Kindes wichtig. Es kann Zeiträume geben, in denen die motorische Aktivität eine besonders starke Wirkung auf das Gehirn hat (Knudsen, 2004). Es bleibt zu klären, ob auch andere Bewegungsarten wie Krafttraining oder Schwimmen wirksam sind. Teilnehmer und Interventionspersonal konnten dem experimentellen Zustand oder der Studienhypothese nicht verblindet werden; Die Rekrutierungsmaterialien betonten jedoch eher die Vorteile für die körperliche Gesundheit als die kognitiven. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die Verwendung einer Kontrollbedingung ohne Intervention es dem Versuch nicht erlaubt, einige alternative Erklärungen auszuschließen (z. B. Aufmerksamkeit von Erwachsenen, Genuss). Psychische Veränderungen können bei Kindern auftreten, die aufgrund von sozialen Interaktionen, die während der Sitzungen stattfinden, und nicht aufgrund von körperlicher Betätigung an Sport teilnehmen an sich. Das Dosis-Wirkungs-Muster der Ergebnisse widerlegt diese Erklärung jedoch, da beide Übungsgruppen mit Lehrern und Gleichaltrigen gleich viel Zeit in der Forschungseinrichtung verbrachten.

Die Studie fand keinen Unterschied zwischen den Übungsdosisgruppen. Dies steht nicht in Konflikt mit der Dosis-Antwort-Befund, die zeigt, dass die Übung Intervention eine Verbesserung der Wahrnehmung verursacht hat (Hügel, 1965). Da der lineare Kontrast einen abgestuften Behandlungseffekt zeigt, stellt sich bei einem paarweisen Dosisvergleich die Frage, ob eine bestimmte Dosis einer anderen überlegen ist (Ruberg, 1995). Der Test des Dosis-Wirkungs-Nutzens für das Erreichen war signifikant, aber der Vergleich der Kontrollgruppe mit den zwei Übungsgruppen war dies nicht, was teilweise die Hypothese unterstützt, dass Übung die Mathematikleistung verbessert.

Die fMRT-Ergebnisse sind durch eine kleine Stichprobengröße begrenzt und bieten keinen Test der Dosisantwort, wodurch sie alternativen Erklärungen unterworfen werden. Nichtsdestoweniger wurden spezifische Veränderungen beobachtet, und die Richtung der Veränderungen unterschied sich in präfrontalen und parietalen Regionen, was gegen einen globalen Trend in der Gehirnaktivität spricht. Obwohl die Anti-Sakkadenleistung und die unterstützende Hirnaktivität sich mit dem Alter verändern (Luna et al., 2001), dies ist ein unwahrscheinlicher Confounder, da die Gruppen ähnlich alt waren.

Diese experimentellen Daten bieten den Beweis, dass ein energisches Trainingsprogramm nach der Schule die exekutive Funktion in der Dosisreaktionsform bei übergewichtigen Kindern verbesserte; soziale Faktoren könnten zu diesem Effekt beigetragen haben. Veränderungen in den entsprechenden Gehirnaktivierungsmustern wurden beobachtet. Diese Ergebnisse bieten auch teilweise einen Nutzen für die Mathematikleistung. Die Zuordnung der Bedingungen wurde randomisiert und Ergebnisauswertungen verblindet, wodurch Verzerrungen oder Verzerrungen minimiert wurden. Übergewichtige Kinder machen heute über ein Drittel der Kinder in den USA aus und sind in benachteiligten Bevölkerungsgruppen überrepräsentiert. Neben seiner Bedeutung für die Verringerung der Gesundheitsrisiken während einer Adipositas-EpidemieOgden et al., 2006), aerobe Aktivität kann sich als eine wichtige Methode zur Verbesserung der Aspekte der psychischen Funktionen von Kindern, die zentral für die kognitive Entwicklung sind (Welsh, Friedman & Spieker, 2006).

Danksagung

CA Boyle, C. Creech, JP Tkacz und JL Waller assistierten bei der Datensammlung und -analyse. Unterstützt von NIH DK60692, DK70922, dem Medical College of Georgia Forschungsinstitut, einem Stipendium des Staates Georgia Biomedical Initiative an das Georgia Center für Prävention von Adipositas und verwandten Störungen und Brückenfinanzierung vom Medical College of Georgia und der University of Georgia.

Fußnoten

Haftungsausschluss des Herausgebers: Das folgende Manuskript ist das endgültige akzeptierte Manuskript. Es wurde nicht der endgültigen Korrektur, Überprüfung und Korrektur für die formale Veröffentlichung unterzogen. Es ist nicht die endgültige, vom Publisher authentifizierte Version. Die American Psychological Association und ihr Redaktionsrat lehnen jegliche Verantwortung oder Haftung für Fehler oder Auslassungen dieser Manuskriptversion, einer aus diesem Manuskript von NIH abgeleiteten Version oder anderer Dritter ab. Die veröffentlichte Version ist verfügbar unter www.apa.org/pubs/journals/hea

Teilnehmerinformationen

Catherine L. Davis, Georgia Prävention Institut, Pediatrics, Medical College of Georgia.

Phillip D. Tomporowski, Abteilung für Kinesiologie, Universität von Georgia.

Jennifer E. McDowell, Abteilung für Psychologie, Universität von Georgia.

Benjamin P. Austin, Abteilung für Psychologie, Universität von Georgia.

Patricia H. Miller, Abteilung für Psychologie, Universität von Georgia.

Nathan E. Yanasak, Abteilung für Radiologie, Medical College of Georgia.

Jerry D. Allison, Abteilung für Radiologie, Medical College of Georgia.

Jack A. Naglieri, Abteilung für Psychologie, George Mason University.

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