1.1. Exekutive Funktion

Exekutive Funktionen sind eine Reihe von Kontrollprozessen höherer Ordnung, die hauptsächlich im Frontallappen des Gehirns stattfinden [ 2 ], die sich mit den Entscheidungen zum Ausführen von Handlungen und der Planung der Ausführung von Aufgaben befassen [ 3 ]. Die Exekutivfunktion umfasst Konzeptbildung, Aufgabenwechsel, Hemmung, Willensbildung, Planung, zielgerichtetes Handeln und effektive Leistung [ 3 ]. Diese sind notwendig, damit eine Person selbstständig Aufgaben übernehmen kann. Menschen mit Defiziten in der exekutiven Funktion werden aufgrund dieses Mangels an Initiative oft als faul bezeichnet, aber eine exekutive Funktion ist notwendig, damit eine Person Selbstpflegeroutinen initiieren oder unabhängig arbeiten kann. Viele Untersuchungen haben dokumentiert, dass Menschen mit DS Defizite in der Exekutivfunktion aufweisen (z. B. [ 4 , 5 ]). Die Verbesserung der Exekutivfunktionen könnte wiederum viele andere Fähigkeiten für ein unabhängiges Leben verbessern. Nachfolgend haben wir einige exekutive Funktionen hervorgehoben, die wir als Reaktion auf eine Übungsintervention bei Personen mit DS gemessen haben.

1.2. Arbeitsgedächtnis

Arbeitsgedächtnis sind Informationen, die Menschen aktiv im Gedächtnis behalten und verarbeiten [ 3 , 6 ]. Wenn das menschliche Gedächtnis ein Computer wäre, wäre das Arbeitsgedächtnis ein aktives Fenster, in dem eine Person die Informationsinhalte manipuliert hätte. Das Arbeitsgedächtnis ist in seiner Größe begrenzt, aber es ist wichtig für viele andere Aufgaben, vom Erinnern an Wörter bis zum Erlernen neuer motorischer Fähigkeiten [ 6 , 7 ]. Mehrere Studien haben herausgefunden, dass Menschen mit DS erhebliche Defizite im Arbeitsgedächtnis haben [ 8 , 9 ].

1.3. Umschaltung einstellen

Set-Switching ist die Fähigkeit, einen Denk- oder Handlungsablauf basierend auf sich ändernden Anforderungen zu ändern [ 3 ]. In klinischen Umgebungen wird dies normalerweise mit einem Kartensortiertest durchgeführt, bei dem Kinder zuerst gebeten werden, die Karten nach Form und dann nach Farbe zu sortieren. Kinder mit typischer Entwicklung können mit drei Jahren nicht auf die zweite Sortierregel umstellen. Im Alter von vier Jahren kann ein Kind die Regeln mit einigem Kampf ändern, und im Alter von fünf Jahren kann ein Kind mit Leichtigkeit auf die neue Regel umsteigen [ 10 ]. Auf praktischer Ebene wird das Wechseln von Sets demonstriert, während Kinder an etwas arbeiten, wenn ein Elternteil ihnen sagt, dass sie sich fertig machen müssen, um das Haus zu verlassen. Die Leichtigkeit, mit der die Kinder zwischen den beiden Aufgaben hin- und herwechseln können, spiegelt ihre Fähigkeit zum Setwechsel wider. Der Satzwechsel erfordert auch ein Arbeitsgedächtnis, um den Aufgabenwechsel zu verarbeiten, und die Fähigkeit, das erste Verhaltensmuster zu hemmen [ 11 ]. Set Switching aktiviert ein Netzwerk von Zellen in der frontoparietalen Region des Gehirns, einschließlich des unteren Frontalgyrus, des vorderen cingulären Cortex und des supramarginalen Gyrus [ 12 ]. Wenn jemand Schwierigkeiten beim Wechseln von Sets hat, kann dies zu Inflexibilität und beharrlichem Verhalten führen. Menschen mit DS haben im Vergleich zu Menschen mit typischer Entwicklung deutliche Defizite beim Satzwechsel [ 2 , 8 ].

1.4. Sprachgewandtheit

Menschen mit DS zeigen im Allgemeinen Defizite in der Sprache, insbesondere im ausdrucksstarken Wortschatz [ 13 – 15 ]. Typischerweise wird dies getestet, indem Personen gebeten werden, sich an Wörter zu erinnern, die sich auf eine bestimmte Kategorie beziehen, oder Wörter, die mit einem bestimmten Buchstaben beginnen. Neuroimaging-Studien haben gezeigt, dass die buchstabenbasierte verbale Geläufigkeit durch den frontalen Kortex und die kategoriebasierte verbale Geläufigkeit durch den temporalen Kortex vermittelt wird; Parietallappen vermittelt beide Aufgaben [ 16 ]. Nash und Snowling [ 17 ] stellten fest, dass Menschen mit DS im Vergleich zu Gleichaltrigen mit typischer Entwicklung Defizite in der Wortflüssigkeit aufwiesen.

Wie zuvor beschrieben, gibt es eine große Menge an Forschung, die kognitive Defizite bei Personen mit DS dokumentiert. Wir glauben, dass es an der Zeit ist, sich auf Interventionen zu konzentrieren, die darauf abzielen, die kognitiven Funktionen bei Personen mit DS zu verbessern. Unsere innovative Übungsintervention und Ergebnisse werden als nächstes erklärt.

2. Intervention: Bewege dich schnell, denke schnell

Bewegung ist eine logische Intervention zur effektiven Behandlung kognitiver Beeinträchtigungen bei Personen mit DS, da der positive Einfluss freiwilliger Bewegung auf die Kognition in anderen typischen Bevölkerungsgruppen nachgewiesen wurde [ 18 , 19 ], einschließlich Kindern [ 20 , 21 ] und älteren Erwachsenen [ 22 , 23 ]. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass freiwilliges Training das Gedächtnis in Mausmodellen (Ts65Dn) von DS verbessert [ 24 ]. Eine kürzlich durchgeführte Überprüfung des therapeutischen Nutzens von Bewegung bei Personen mit DS ergab jedoch, dass Bewegung bei der Verbesserung der körperlichen und geistigen Gesundheit von Personen mit DS nicht signifikant war [ 25 ]. Da sich Personen mit DS langsam bewegen [ 26 ] aufgrund langsamerer Reaktionszeiten [ 27 ], Defizite in der Muskelkraft [ 28 ] und reduzierter kardiorespiratorischer Kapazität [ 29 ], „trainieren“ Jugendliche mit DS typischerweise nicht mit einer relativ hohen Geschwindigkeit, „ somit verpassen sie die Gelegenheit, durch Neuroplastizität im Gehirn kognitive Verbesserungen zu erzielen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass etwa 61 % der Personen mit DS eine geringe Belastungstoleranz haben [ 30 ], was ihre Trainingszeit und -intensität reduziert und die kognitiven Vorteile von Bewegung für Personen mit DS einzuschränken scheint [ 25 ]. Der freiwilliger Aspekt des Trainings führt zu erheblichen Einschränkungen in der Quantität und Qualität des Trainings bei speziellen Populationen wie denen mit DS.

Es gibt immer mehr Literatur zu gesunden älteren Erwachsenen und Personen mit Alzheimer-Krankheit, die darauf hindeuten, dass körperliche Betätigung zu strukturellen und funktionellen Veränderungen im Gehirn führt [ 31 ]. Diese Veränderungen in der Gehirnstruktur und -funktion legen nahe, dass die ZNS-Funktion durch freiwilliges Training bei Personen mit relativ normalen und abnormalen Aktivierungsmustern innerhalb des motorischen Kortex verändert werden kann. Da jedoch Personen mit DS aufgrund physiologischer und psychosozialer Faktoren eine begrenzte motorische Leistung haben, kann ihre Fähigkeit, Veränderungen in der ZNS-Funktion hervorzurufen, beeinträchtigt sein, wenn sie sich freiwillig körperlich betätigen, die mit ihren bevorzugten (dh niedrigen) Frequenzen durchgeführt werden. Sie benötigen möglicherweise Übungen, die durch mechanische Unterstützung ergänzt werden, wie in unserem unterstützten Übungsparadigma vorgeschlagen, das 2013 als Assisted Cycling Therapy (ACT) bezeichnet wurde [ 32 ]. Unterstütztes Training ist ein Ansatz, der ursprünglich bei Tieren verwendet wurde, die auf einem motorisierten Laufband mit einer Geschwindigkeit trainiert wurden, die größer als ihre freiwillige Trainingsgeschwindigkeit war. Unterstütztes Training hat Verbesserungen der kognitiven Funktion bei Tieren [ 33 ] und zuletzt bei Patienten mit der Parkinson-Krankheit gezeigt [ 34 , 35 ]. Es wurde vorgeschlagen, dass ACT die motorischen und kognitiven Funktionen durch seine neuroprotektiven Eigenschaften verbessert, wie in Abbildung 1 gezeigt, einem von Alberts und Kollegen vorgeschlagenen Modell [ 34 ].

2.1. Verfahren für die assistierte Fahrradtherapie

ACT ist ein aufstrebendes Trainingsparadigma, das sich besonders für klinische Populationen eignet, die eine begrenzte freiwillige Bewegungsleistung, Trainingskapazität oder Trainingsmotivation haben. Während ACT wird der Elektromotor des Fahrrads eingeschaltet, was dazu beiträgt, die Trittfrequenz auf eine vorbestimmte Rate zu erhöhen. Wir haben absolute Trittfrequenzen von ungefähr 80 U/min oder relative Trittfrequenzen von 35 % höher als die anfängliche freiwillige Tretfrequenz verwendet. Die anfängliche Tretfrequenz muss jedoch aus Gründen des Komforts und der Eingewöhnung möglicherweise allmählich erhöht werden. Der ACT-Zustand führt oft zu einer reduzierten Leistung im Vergleich zum freiwilligen Treten, wie in Tabelle 1 durch den geringeren durchschnittlichen Leistungsbeitrag unserer Teilnehmer im ACT-Zustand als beim freiwilligen Radfahren angegeben. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, wurden spezielle Verfahren verwendet, um sicherzustellen, dass die Füße nicht zu weit nach vorne positioniert wurden und dass sie nicht nach vorne, von einer Seite zur anderen oder nach hinten rutschten, um ein hohes Maß an Sicherheit beim hohen Treten zu gewährleisten Preise.

Die Länge unseres Interventionszeitraums betrug acht Wochen mit drei Radfahreinheiten pro Woche. Vor jeder Fahrradeinheit wurde die Ruheherzfrequenz (HF) gemessen, während der Teilnehmer auf dem Fahrrad saß. Vor der 30-minütigen Radfahreinheit wurde unabhängig von der Kondition (ACT oder Voluntary Cycling (VC)) ein fünfminütiges Aufwärmen mit freiwilligem Tempo absolviert. Am ersten Tag wurde die durchschnittliche Trittfrequenz aus der Aufwärmphase mit 1,35 multipliziert, um die anfängliche ACT-Trittfrequenz zu ermitteln. Dieser Schritt wurde in der Bedingung für freiwilliges Radfahren weggelassen. Somit wurde die Kadenz am ersten Tag der ACT-Intervention auf eine Rate eingestellt, die 35 % schneller war als die freiwillige Kadenz. Ein drei- bis fünfminütiges Cool-down am Ende der ACT oder der freiwilligen Radfahreinheit war optional. Während der Abkühlung wurde der Motor nicht eingekuppelt. Die durchschnittliche HF (bpm), Kadenz (U/min) und Leistung (Watt) wurde alle fünf Minuten während der Radfahrsitzung aufgezeichnet (siehe Tabelle 1 für Mittelwerte). Diese Mittelwerte beinhalten nicht die Aufwärmphase.

Um die Rate der wahrgenommenen Anstrengung (RPE) zu überwachen, verwendeten wir eine modifizierte -Punkt-RPE-Skala. Eine Bewertung von 2 oder 3 auf der -Punkte-RPE-Skala (1, leicht/nicht müde; 2, ein wenig hart/ein wenig müde; 3, hart/müde; 4, sehr hart/sehr müde) war erwünscht, um das zu behalten Trainingsintensität auf moderatem Niveau. Das Ziel war, dass die Teilnehmer zwischen 64 und 76 % ihrer altersvorhergesagten maximalen HF (HRmax = 210–0,56 × Alter–31, [ 36 ]) mit dem Fahrrad fahren, was einer moderaten Trainingsintensität entspricht, wie sie vom American College of Sports Medicine vorgeschrieben wird [ 37 ]. Daher erhöhten wir für die meisten Teilnehmer in der ACT-Bedingung die Kadenz von Sitzung zu Sitzung um 3–5 U/min, basierend auf der Toleranz, bis zur maximalen Kadenz des Motors (z. B. 95 U/min) oder bis zu 64 % der vom Alter vorhergesagten HFmax oder eine persönliche Toleranzgrenze erreicht wurde. Die Teilnehmer der ACT-Gruppe brauchten durchschnittlich 13,2 Radfahreinheiten, um diesen Punkt zu erreichen. Die Teilnehmer der freiwilligen Fahrradgruppe wurden nicht ermutigt, schneller zu treten, da das Ziel darin bestand, dass sie mit ihrer bevorzugten freiwilligen Geschwindigkeit trainierten (siehe Tabelle 1 für Kadenzwerte).

Für diese randomisierte Kontrollstudie wurden die Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip acht Wochen ACT, acht Wochen VC oder acht Wochen ohne Radfahren (NC) zugeteilt. Die ACT- und VC-Bedingungen wurden im vorherigen Abschnitt beschrieben. Die Teilnehmer der NC-Gruppe absolvierten nur die Vor- und Nachtestsitzungen im Abstand von acht Wochen, und sie wurden angewiesen, ihre üblichen körperlichen Aktivitätsgewohnheiten und Therapieregime für die acht Wochen nicht zu ändern. Einschlusskriterien waren Trisomie-21 und ein chronologisches Alter von 9–26 Jahren. Ausschlusskriterien bestanden aus anderen genetischen Erkrankungen und neurologischen Störungen (z. B. ADHS und Autismus), medizinischen Kontraindikationen für körperliche Betätigung und sensorischen oder körperlichen Beeinträchtigungen, die den Abschluss der Fahrradintervention ausschließen. Während der Pretesting-Sitzungen (erster Besuch im Labor) wurden Größe, Gewicht, Sehvermögen, Hörvermögen und geistiges Alter der Teilnehmer aufgezeichnet oder bewertet. Das geistige Alter wurde mit dem Peabody Picture Vocabulary Test ( ^4. Aufl.; [ 38 ]) bestimmt (chronologische und geistige Alterswerte siehe Tabelle 1 ). Darüber hinaus verfügten alle Teilnehmer für die Zwecke der Testverfahren über ein funktionelles Hör- und Sehvermögen. Dann wurden drei Exekutivfunktionstests in zufälliger Reihenfolge durchgeführt.

3. Maßnahmen

Der Wortflüssigkeitstest bestand aus vier Kategorien: Tiere, Speisen und Getränke, Wörter, die mit einem S beginnen, und Wörter, die mit einem F beginnen. Die Teilnehmer hatten pro Kategorie eine Minute Zeit und mussten so viele Wörter wie möglich in der Kategorie nennen . Der Sprachflüssigkeitstest war ein Test des verbalen Langzeit- und Arbeitsgedächtnisses, der Aufmerksamkeit und der Hemmung [ 39 , 40 ]. Wie bereits erwähnt, sind Redefluss und andere Sprech- und Sprachdefizite bei Personen mit DS gut dokumentiert [ 41 – 43 ]. Sprachflüssigkeitstests wurden als Verhaltensmaße für die Funktion des Hippocampus und des präfrontalen Kortex verwendet [ 40 , 43 ].

Als Verhaltensmessung des Arbeitsgedächtnisses, das die gleichzeitige Speicherung und Verarbeitung von Informationen erfordert, wurde ein Backward-Digit-Span-Test durchgeführt [ 6 , 44 ]. Sie gilt als präfrontale Funktion [ 6 ]. Beim Backward-Digit-Span-Test mussten die Teilnehmer eine vom Untersucher vorgegebene Zahlenfolge umkehren. Der Ermittler lieferte zunehmend längere Zahlenfolgen, bis der Teilnehmer die gegebene Folge in umgekehrter Reihenfolge nicht mehr genau artikulieren konnte.

Der Wisconsin Card Sorting Test (modifiziert für DS) misst die Set-Switching-Fähigkeit und das Arbeitsgedächtnis, die Funktionen des frontalen Cortex und Teilen des Parietallappens sind [ 45 , 46 ]. Bei dieser Aufgabe werden die Teilnehmer gebeten, entweder Formen oder Farben mit Regeländerungen abzugleichen, die während des Tests stattfinden. Es wurde festgestellt, dass Jugendliche mit DS im Vergleich zu sich normal entwickelnden Jugendlichen eine verringerte Fähigkeit zum Satzwechsel haben [ 2 ]. Diese drei Exekutivfunktionstests wurden während des Nachtests wiederholt.

4. Ergebnisse

Cohens D Effektstärken gelten als klein bis mittel, wenn sie zwischen 0,2 und 0,5 liegen, als mittel bis groß, wenn sie zwischen 0,5 und 0,8 liegen, und als groß, wenn sie größer als 0,8 sind [ 47 ]. Die Effektgrößen für den zusammengesetzten Score für verbale Sprachflüssigkeit waren D = 0,15 für ACT, D = 0,21 für VC und D = 0,06 für NC. Die verbale Geläufigkeit der ACT- und VC-Gruppen verbesserte sich stärker als die verbale Geläufigkeit der NC-Gruppe. Die Effektgrößen für den Backward-Digit-Span-Test waren D = 0,31 für die ACT-Gruppe, D = 0,17 für die VC-Gruppe und D = 0,00 für die NC-Gruppe. Sowohl die ACT- als auch die VC-Gruppe zeigten ein verbessertes Arbeitsgedächtnis, während die Verbesserung in der ACT-Gruppe am größten war. Die Effektgrößen für den Wisconsin Card Sorting Test waren D = -0,21 für die ACT-Gruppe, D = 0,87 für die VC-Gruppe und D = 0,00 für die NC-Gruppe. Nur die VC-Gruppe verbesserte sich in ihrer Set-Switching-Fähigkeit.

5. Interpretation der Ergebnisse

Es ist klar, dass Radfahren, egal ob unterstützt oder freiwillig, für die Exekutivfunktion vorteilhafter ist als gar kein Training. ACT scheint jedoch effektiver bei der Verbesserung des Arbeitsgedächtnisses zu sein, während VC effektiver bei der Verbesserung des verbalen Langzeitgedächtnisses und des Satzwechsels zu sein scheint als ACT.

Basierend auf unseren Ergebnissen ist eine moderate Trainingsintensität zwischen 64 und 76 % HFmax möglicherweise nicht erforderlich, um Vorteile zu erzielen, da die durchschnittliche HF während ACT- oder VC-Fahrradsitzungen knapp unter 64 % der durchschnittlichen altersvorhergesagten HFmax lag. Das durchschnittliche chronologische Alter unserer Teilnehmer in der ACT- und VC-Gruppe betrug 19,4 Jahre bzw. 18,4 Jahre. Dies entspricht einer minimalen durchschnittlichen Ziel-HF (64 %) von 107,6 bpm bzw. 108,0 bpm in der ACT- bzw. VC-Gruppe. Darüber hinaus lag ihre durchschnittliche Trainingsziel-HF von 98,7 Schlägen pro Minute und 100,7 Schlägen pro Minute unter dem Ziel-HF-Bereich. Tatsächlich erreichten am ersten Tag des Radfahrens nur 11 % der ACT- und 31 % der VC-Teilnehmer 64 % ihrer altersbedingten maximalen HF. Der einzige Unterschied zwischen der ACT- und der VC-Gruppe war die Kadenz, mit der sie Rad fuhren. Daraus lässt sich schließen, dass die spezifischen Anpassungen in Bezug auf die Exekutivfunktion auf die unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten zurückzuführen sind.

Die höhere Bewegungsfrequenz während der ACT würde vermutlich zu einer häufigeren Stimulation der Golgi-Sehnenorgane und Muskelspindelfasern in der Muskulatur der unteren Extremität und der damit verbundenen Sehnen führen, was wiederum zu einem größeren afferenten Input in den frontalen motorischen Kortex führt [ 34 ]. Diese höhere Stimulusfrequenz wiederum scheint notwendig zu sein, um den Nutzen für das Arbeitsgedächtnis zu maximieren, scheint aber nicht notwendig zu sein, um das Abrufen des Langzeitgedächtnisses, die Aufmerksamkeit oder die Fähigkeit zum Wechseln von Sätzen zu verbessern. Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, waren die Herzfrequenzen und damit die kardiovaskuläre Arbeitsbelastung zwischen ACT und VC ähnlich, die einzige plausible Erklärung, die für diese Gruppenunterschiede bleibt, ist die freiwillige Bewegungsleistung während VC. Die freiwillige Aktivierung bestimmter Bereiche des motorischen Kortex kann somit einzigartig für freiwillige Übungen sein oder größer als die afferente Stimulation, die sich aus ACT ergibt, und somit dem frontalen Kortex auf spezifische Weise zugute kommen.

Leistungsunterschiede bei exekutiven Aufgaben, wie sie in dieser Studie beobachtet wurden, wurden dokumentiert [ 48 ]. Unsere Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass verschiedene exekutive Funktionen (z. B. Arbeitsgedächtnis, Aufmerksamkeit, Hemmung und Set-Switching), obwohl alle durch den frontalen Kortex vermittelt werden, unterschiedlich von verschiedenen Übungsmodi profitieren können.

Eingereicht: 2. Oktober 2014 Geprüft: 15. April 2015 Veröffentlicht: 2. September 2015

DOI: 10.5772/60636

"ZITIEREN"

Ringenbach, SDR , Holzapfel, S., Pandya, GMM u. , 2015, „Assisted Cycling Therapy for Persons with Down Syndrome – Implications for Improvements in Cognitive Functioning“, in S. Dey (Hrsg.), Health Problems in Down Syndrome, IntechOpen, London. 10.5772/60636.

https://www.intechopen.com/chapters/48560