BDNF ist das Molekül, auf das man sich stützt, wenn man erklärt, warum Bewegung dem Gehirn nützt. Das Protein hält Neuronen am Leben und unterstützt das Gedächtnis. Bewegung erhöht den im Blut messbaren BDNF-Wert, und BDNF gilt als führender Kandidat dafür, wie Bewegung dem Gehirn zugutekommt.
Die Schwachstelle liegt im letzten Schritt. Die Kette von einem Anstieg des BDNF im Blut zu schärferem Denken stützt sich auf Tierversuche und Korrelationen. Ein Blutwert ist nur ein grober Stellvertreter für das Gehirn.
Findings & Outcomes
Gehen, VO2max-Intervalle und Krafttraining gelten allesamt als gut fürs Gehirn, und das Molekül, das dafür meist als Erklärung genannt wird, ist BDNF. Mehrere Sportpraktiken führen darauf zurück. Der Mechanismus ist solide; der letzte Schritt – vom Anstieg eines Blutmarkers zu schärferem Denken – ist erschlossen und wurde beim Menschen nicht nachgewiesen.
Was BDNF ist
Das Nervensystem bildet BDNF, den vom Gehirn stammenden neurotrophen Faktor (brain-derived neurotrophic factor), um seine eigenen Zellen zu unterstützen. Es hält Neuronen am Leben und hilft ihnen, zu wachsen und die Verbindungen zwischen ihnen zu stärken. Das ist synaptische Plastizität, die Eigenschaft, die dem Lernen zugrunde liegt. Es unterstützt auch die Neurogenese, die Bildung neuer Neuronen im Hippocampus, der Gedächtnisregion des Gehirns. Diese zelluläre Rolle ist gut belegt. Die populäre Version fügt ein Versprechen hinzu, das die Biologie nicht hergibt: eine Sache tun, BDNF erhöhen, ein schärferer Verstand.
Die stärkste Evidenz dafür, dass BDNF ursächlich wirkt und nicht nur korreliert, stammt von Nagetieren. Wenn Ratten Sport treiben, lernen sie besser, und ihre Signale für hippocampale Plastizität steigen. Blockiert man während dieses Sports die Wirkung von BDNF im Hippocampus, verschwindet der Lerngewinn (Vaynman 2004). Das Entfernen des Moleküls entfernt den Nutzen – das ist stärker als eine Korrelation. Dieses Experiment lässt sich nur an einem Tier durchführen, weshalb derselbe Schritt beim Menschen erschlossen bleibt.
Sport erhöht es
Eine einzelne Trainingseinheit erhöht das BDNF im Blut – ein gut reproduzierter Effekt (Szuhany 2015). Fasst man die Studien zusammen, erzeugt eine einzelne Belastung einen moderaten Anstieg, Hedges' g von etwa 0.46. Training über Wochen hinweg vergrößert die Stärke dieser Reaktion nach der Einheit, g von etwa 0.58. Das zuverlässige, wiederholbare Phänomen ist der akute Ausschlag nach einer Einheit.
Die Wirkung eines Trainingsprogramms auf das BDNF in Ruhe, den alltäglichen Ausgangswert fernab eines Trainings, ist kleiner, g von etwa 0.28, und über Studien hinweg uneinheitlich. Der akute Ausschlag reproduziert sich; eine dauerhafte Verschiebung des Ruhe-BDNF nicht. Jede dieser Zahlen stammt aus dem Blut, einem unvollständigen Stellvertreterwert für das Gehirn.
Vom Blutmarker zum Denken
BDNF lässt sich im Blut messen. Das BDNF im Gehirn ist es, das die Plastizität antreibt, und die beiden sind nicht derselbe Pool. Blut- und Hirn-BDNF bewegen sich hinreichend gemeinsam, dass Blut als Stellvertreterwert dient: Bei Ratten, Schweinen und Mäusen korrelieren die beiden. Die Korrelation ist partiell, weit von eins zu eins entfernt. Ein großer Anteil des Blut-BDNF ist in Thrombozyten gespeichert und wird aus ihnen freigesetzt, und Serum- und Plasmawerte unterscheiden sich. Ein Anstieg des Blut-BDNF sagt etwas Reales über das Gehirn aus, aber das Signal ist indirekt und verrauscht.
Der Satz „Sport erhöht BDNF, also macht Sport klüger" ist also schwächer, als er klingt. Jedes Glied ist real, aber unvollständig: Sport erhöht das Blut-BDNF; Blut-BDNF bildet das Hirn-BDNF nur teilweise ab; Hirn-BDNF unterstützt Plastizität und Gedächtnis. Weil jedes Glied unvollständig ist, ist die gesamte Schlussfolgerung schwach. Der letzte Schritt – von einer gemessenen BDNF-Veränderung zu einer gemessenen Verbesserung des Denkens einer Person – wurde beim Menschen nicht direkt getestet.
Das Hippocampus-Ergebnis
Die meistzitierte Evidenz beim Menschen ist eine einjährige Studie an älteren Erwachsenen (Erickson 2011). Ein moderates Gehprogramm vergrößerte das Volumen des vorderen Hippocampus um etwa 2 %, gegenüber einem Rückgang in der Kontrollgruppe – das kehrte ein bis zwei Jahre normaler altersbedingter Schrumpfung um. Das räumliche Gedächtnis verbesserte sich zugleich. Innerhalb der Sportgruppe gewannen jene, deren Serum-BDNF am stärksten anstieg, tendenziell auch das meiste Hippocampus-Volumen hinzu. Diese eine Studie machte die BDNF-Erzählung berühmt und verknüpfte den tierischen Mechanismus mit einem messbaren Ergebnis beim Menschen.
Spätere Studien versuchten, das Ergebnis zu wiederholen. Zusammengefasst über 737 Teilnehmende erhöhte aerobes Training das gesamte Hippocampus-Volumen nicht zuverlässig. Übrig blieb ein möglicher Nutzen für den linken Hippocampus und eine plausible Rolle beim Verlangsamen des altersbedingten Rückgangs der Struktur.
Die reproduzierte Aussage fällt also kleiner aus als die Schlagzeile: Sport kann die altersbedingte Schrumpfung des Hippocampus möglicherweise verlangsamen, während sich der Teil mit dem Wachstum neuen Gewebes nicht reproduzieren ließ.
Individuelle Variation
Menschen tragen unterschiedliche Versionen des BDNF-Gens. Eine häufige Variante, Val66Met, verringert die aktivitätsabhängige Freisetzung von BDNF, die bedarfsgesteuerte Ausschüttung, wenn Neuronen aktiv sind. Ihr Vorliegen ist mit leicht schlechterem episodischem Gedächtnis und veränderter Hippocampus-Aktivierung in der Bildgebung verknüpft. Die Variante ist klinisch nicht handlungsrelevant: Aus ihr folgt keine Behandlungs- oder Trainingsentscheidung. Sie ist aus einem Grund wichtig: Dasselbe Training erzeugt bei verschiedenen Menschen unterschiedliche BDNF-Reaktionen, sodass Gruppendurchschnitte eine breite Streuung verdecken.
Stimmung und das Signal von Muskel zu Gehirn
Niedriges BDNF ist ein wiederkehrender Befund bei Depression. Sport ist eine wirksame Behandlung bei Depression, sodass BDNF als naheliegende Erklärung dafür erscheint, wie Bewegung die Stimmung hebt. Studien haben das Ruhe-BDNF vor und nach Sportprogrammen bei Menschen mit schwerer Depression zusammengefasst, um das zu prüfen. Stimmung und BDNF können sich beide verbessern, während andere Faktoren (Schlaf, Aktivierung, Behandlungsansprechen) die Stimmungsverbesserung antreiben. Ob die BDNF-Veränderung tatsächlich die Stimmung hebt, ist eine noch offene, aktiv untersuchte Frage: plausibel, aber unbestätigt.
Ein zweiter Weg verläuft vom aktiven Muskel zum Gehirn. Bei Mäusen erhöht Laufen ein vom Muskel ausgeschüttetes Protein, Cathepsin B, das ins Gehirn übertritt. Es ist für die durch Sport ausgelöste hippocampale Neurogenese und das Gedächtnis erforderlich und erhöht das BDNF in Neuronen. In einer kleinen Stichprobe beim Menschen stiegen Fitness und Cathepsin B gemeinsam an. Cathepsin B ist eine bei Mäusen nachgewiesene Verbindung von Muskel zu Gehirn; die Daten beim Menschen sind korrelativ und klein.
Was gesichert ist
Sport schützt das alternde Gehirn, und das kostet nichts. Die Ergebnisse beim Menschen (verlangsamter Hippocampus-Rückgang, besseres Gedächtnis, Depression, die sich mit Training bessert) bestehen für sich allein. Offen bleibt die engere Frage, ob BDNF das dahinterliegende Molekül ist. Der Mechanismus ist real und wichtig. Die Evidenz beim Menschen stützt noch nicht die Anweisung „Tu X, um BDNF zu steigern und klüger zu werden."
Evidenz
The Research & Studies
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How it works
Ein einzelnes Training erhöht das BDNF im Blut, und Training macht diesen Anstieg größer
Ein einzelnes Training erhöht zuverlässig das im Blut messbare BDNF, und Training über die Zeit macht diesen Anstieg größer. Der Anstieg nach einer einzelnen Einheit ist der klarste Teil; die Veränderung des Ruhewerts ist kleiner.
Diese Metaanalyse fasste Studien zusammen, die peripheren, von Nervenzellen stammenden neurotrophen Faktor (BDNF) rund um Bewegung beim Menschen maßen. Eine einzelne Trainingseinheit erzeugte einen moderaten Anstieg des zirkulierenden BDNF. Regelmäßiges Training erhöhte das Ausmaß der BDNF-Reaktion auf eine nachfolgende Einheit und hatte einen kleineren Effekt auf die Ruhewerte (Ausgangskonzentrationen). Die Analyse betrifft einen Blutmarker, kein Hirngewebe, und die Heterogenität zwischen den eingeschlossenen Studien war erheblich, sodass die gepoolte Schätzung eine Richtung und ungefähre Größe beschreibt, keine präzise Zahl, die sich auf ein einzelnes Protokoll übertragen ließe.
The study · 1
Szuhany, Bugatti and Otto, a meta-analytic review of the effects of exercise on brain-derived neurotrophic factor · J Psychiatr Res 2015
Bei Ratten löschte das Blockieren von hippocampalem BDNF die durch Bewegung erzielten Lerngewinne aus
Als Forscher Ratten laufen ließen und anschließend BDNF im gedächtnisbezogenen Teil des Gehirns chemisch blockierten, verbesserte die Bewegung das Lernen nicht mehr. Das ist das klarste Zeichen dafür, dass BDNF die eigentliche Arbeit leistet und nicht nur begleitend ansteigt.
Ratten, die sich bewegten, zeigten besseres räumliches Lernen und höhere Werte plastizitätsbezogener Proteine im Hippocampus. Wurde die Wirkung von BDNF im Hippocampus während der Bewegungsphase mit einem Molekül blockiert, das es abfängt, bevor es seinen Rezeptor erreicht, verschwanden diese bewegungsbedingten Verbesserungen im Lernen und in der nachgeschalteten Plastizitätssignalgebung. Dies ist ein Funktionsverlust-Design: Es zeigt, dass BDNF für den Effekt in diesem Tiermodell notwendig ist, was ein stärkerer kausaler Beleg ist als eine Korrelation, doch es ist eine Rattenstudie, und die Intervention ist eine, die ein Humanexperiment nicht nachbilden kann.
The study · 1
Vaynman, Ying and Gomez-Pinilla, hippocampal BDNF mediates the efficacy of exercise on synaptic plasticity and cognition · Eur J Neurosci 2004
BDNF im Blut spiegelt BDNF im Gehirn nur teilweise wider und ist daher ein grobes Ersatzmaß
BDNF im Blut wird als Ersatzmaß dafür verwendet, was im Gehirn geschieht, weil beide bei Tieren miteinander einhergehen. Es ist jedoch nur ein grobes Ersatzmaß: Ein Großteil des BDNF im Blut stammt aus Blutplättchen, sodass ein Blutwert kein sauberes Fenster ins Gehirn ist.
Diese Studie maß BDNF in Blut und Hirngewebe bei Ratten, Schweinen und Mäusen und fand, dass die BDNF-Konzentrationen im Blut mit BDNF im Hirngewebe korrelieren, was der Hauptgrund ist, warum peripheres BDNF als brauchbares Ersatzmaß behandelt wird. Die Korrelation ist unvollständig, nicht eins zu eins, und peripheres BDNF hat seine eigene Biologie: Ein großer Anteil zirkuliert gespeichert in Blutplättchen, gemessene Werte unterscheiden sich zwischen Serum und Plasma, und die Analysemethoden variieren. Ein Blut-BDNF-Wert trägt also reale Information über das Gehirn, ist aber ein verrauschtes indirektes Signal, was die messtechnische Schwachstelle der gesamten Bewegung-zu-Kognition-Geschichte ist.
The study · 1
Klein et al., blood BDNF concentrations reflect brain-tissue BDNF levels across species · Int J Neuropsychopharmacol 2011
Aerobes Training erhöhte das BDNF im Ruhezustand geringfügig; Krafttraining tat dies nicht
Ein einzelnes Training erhöht BDNF eindeutig für eine gewisse Zeit. Ob Wochen des Trainings das alltägliche Ruheniveau deutlich verändern, ist weit weniger klar, und die gepoolte Evidenz für eine dauerhafte Veränderung ist schwach.
Diese Metaanalyse von Trainingsstudien untersuchte peripheres BDNF im Ruhezustand, also das Ausgangsniveau abseits einer akuten Trainingseinheit. Aerobes Training erhöhte das BDNF im Ruhezustand (SMD etwa 0.66), und der gesamte gepoolte Effekt lag bei etwa 0.39; reines Krafttraining veränderte es nicht signifikant. Der Effekt ist kleiner und variabler als der zuverlässige akute Anstieg nach dem Training, doch dieser Review fand tatsächlich einen dauerhaften aeroben Anstieg, nicht nichts.
The study · 1
Dinoff et al., the effect of exercise training on resting concentrations of peripheral BDNF: a meta-analysis · PLoS One 2016
Bei Mäusen ist vom Muskel gebildetes Cathepsin B notwendig, damit Bewegung neue Gedächtniszellen bildet und BDNF erhöht
Laufen bringt den Muskel dazu, ein Protein namens Cathepsin B freizusetzen, das das Gehirn erreicht, und bei Mäusen ist dieses Protein notwendig, damit Bewegung neue Gedächtniszellen bildet und BDNF erhöht. Eine kleine Studie am Menschen beobachtete, dass Fitness und dieses Protein gemeinsam anstiegen.
Bewegung erhöhte die Ausschüttung des Proteins Cathepsin B aus dem Muskel. Bei Mäusen war Cathepsin B notwendig für die laufbedingte Neurogenese im erwachsenen Hippocampus und für die damit verbundene Verbesserung des räumlichen Gedächtnisses, und die Zugabe von Cathepsin B zu Neuronen erhöhte die BDNF-Expression. In einer kleinen Kohorte beim Menschen stiegen Laufband-Fitness und Cathepsin B im Plasma gemeinsam mit dem Training, und Veränderungen von Cathepsin B korrelierten mit einem Gedächtnismaß. Dies ist ein konkreter Kandidat für die Verbindung von Muskel zu Gehirn hinter BDNF, doch die kausale Kette ist bei Mäusen belegt, und die Evidenz beim Menschen ist eine kleine Korrelation, kein kontrolliertes Ergebnis.
The study · 1
Moon et al., running-induced systemic cathepsin B secretion is associated with memory function · Cell Metab 2016
Cognition
Ein Jahr Gehen ließ den Hippocampus bei älteren Erwachsenen um etwa 2 % wachsen und verbesserte das Gedächtnis
Ältere Erwachsene, die ein Jahr lang regelmäßig gingen, ließen den gedächtnisbezogenen Teil ihres Gehirns um etwa 2 % wachsen, wodurch ein bis zwei Jahre normaler Schrumpfung rückgängig gemacht wurden, und erinnerten sich besser. Diejenigen, deren BDNF am stärksten anstieg, waren tendenziell dieselben, deren Hippocampus wuchs.
Diese randomisierte kontrollierte Studie teilte ältere Erwachsene für ein Jahr entweder einem moderaten Ausdauer-Gehprogramm oder einer Dehn- und Kräftigungs-Kontrollgruppe zu. Die Ausdauergruppe erhöhte das Volumen des vorderen Hippocampus um rund 2 % gegenüber einem Rückgang in der Kontrollgruppe, was den über ein bis zwei Jahre erwarteten altersbedingten Verlust praktisch umkehrte, und verbesserte sich bei einer räumlichen Gedächtnisaufgabe. Ein erhöhtes Hippocampusvolumen war innerhalb der Trainingsgruppe mit erhöhtem Serum-BDNF assoziiert, was die menschliche Beobachtung ist, die den Tiermechanismus mit einem messbaren Hirnstruktur- und Gedächtnisergebnis verknüpft. Es handelt sich um eine einzelne Studie, der BDNF-Zusammenhang ist eine Korrelation innerhalb der Gruppe und kein nachgewiesener Vermittler, und die Gedächtnisgewinne waren spezifisch, nicht global.
The study · 1
Erickson et al., exercise training increases size of hippocampus and improves memory · PNAS 2011
Die häufige Val66Met-Variante senkt die BDNF-Ausschüttung und geht mit einem etwas schwächeren Gedächtnis einher
Menschen tragen unterschiedliche Versionen des BDNF-Gens. Eine häufige Version, Val66Met genannt, setzt bei aktiven Neuronen weniger BDNF frei und ist mit einem etwas schwächeren episodischen Gedächtnis verbunden. Das ist ein Grund, warum dieselbe Menge Bewegung nicht bei jedem dieselbe Wirkung zeigt.
Diese Arbeit charakterisierte den BDNF-Val66Met-Polymorphismus, eine einzelne häufige Variante des BDNF-Gens. In Zellstudien zeigte die Met-Form eine beeinträchtigte aktivitätsabhängige Ausschüttung und einen gestörten intrazellulären Transport von BDNF. Beim Menschen war das Tragen des Met-Allels mit schwächeren Leistungen bei episodischen Gedächtnisaufgaben und veränderter Hippocampus-Aktivität in funktioneller Bildgebung verbunden. Es handelt sich um eine Quelle individueller Variation, nicht um einen Nutzen oder Schaden irgendeiner Praxis: Es hilft zu erklären, warum die BDNF-Reaktion und ihre nachgeschalteten Effekte zwischen Menschen variieren und warum Gruppendurchschnitte reale individuelle Streuung verdecken.
The study · 1
Gepoolte Studien mit 737 Personen fanden keinen Zuwachs beim gesamten Hippocampusvolumen, nur die linke Seite blieb erhalten
Als spätere Studien zusammengefasst wurden, ließ Bewegung den Hippocampus insgesamt nicht eindeutig wachsen, wie es die erste berühmte Studie nahegelegt hatte. Was sich bestätigte, war kleiner: Bewegung kann helfen, einen Teil davon zu erhalten, nicht ihn zu vergrößern.
Dieser systematische Review mit Metaanalyse fasste kontrollierte Studien zusammen, die das Hippocampusvolumen nach aerobem Training maßen. Über die gepoolten Daten von 737 Teilnehmenden hinweg erhöhte aerobes Training das gesamte Hippocampusvolumen nicht signifikant. Ein spezifischerer Effekt auf das linke Hippocampusvolumen wurde berichtet, und die Autoren fassten den wahrscheinlichen Nutzen als Abschwächung des altersbedingten Rückgangs des Hippocampusvolumens auf, nicht als Nettowachstum. Dies ist die Korrektur zum Einzelstudienergebnis: Die Richtung des Nutzens ist plausibel und teilweise erhalten geblieben, doch die starke Behauptung, Training lasse den Hippocampus wachsen, hält der Replikation in dieser Form nicht stand.
The study · 1
Firth et al., effect of aerobic exercise on hippocampal volume in humans: a systematic review and meta-analysis · NeuroImage 2018
Mood & stress
Ob eine Erhöhung von BDNF der Weg ist, über den Bewegung Depression lindert, wird vermutet, ist aber nicht gezeigt
Bewegung hilft gegen Depression, und niedriges BDNF ist Teil der führenden biologischen Erklärung dafür, warum Depression entsteht, weshalb eine Erhöhung von BDNF eine ansprechende Erklärung ist. Ob die BDNF-Veränderung tatsächlich die Stimmung hebt, wurde nicht gezeigt, sondern nur gefolgert.
Niedriges BDNF ist ein wiederkehrender Befund bei schwerer Depression, und Bewegung ist eine wirksame Behandlung gegen Depression, was BDNF zu einem attraktiven Kandidaten als Vermittler macht. Diese Metaanalyse untersuchte peripheres BDNF im Ruhezustand vor und nach Bewegungsinterventionen bei Menschen mit schwerer depressiver Störung. Selbst wenn sich BDNF und Stimmung beide in die richtige Richtung bewegen, belegt diese gemeinsame Bewegung nicht, dass die BDNF-Veränderung die Stimmungsveränderung verursacht hat: Antidepressiva-Ansprechen, Schlaf und allgemeine Aktivierung verändern sich alle gemeinsam, und BDNF im Blut ist ein indirektes Signal. Die Vermittlungshypothese ist plausibel und wird aktiv erforscht; sie ist nicht geklärt.
The study · 1
Dinoff, Herrmann and Lanctot, the effect of exercise on resting concentrations of peripheral BDNF in major depressive disorder: a meta-analysis · J Psychiatr Res 2018
Tiefer einsteigen
Die Praktiken, die auf diese Biologie wirken:
- Gehen, der am leichtesten zugängliche aerobe Reiz und derjenige hinter der Hippocampus-Studie an älteren Erwachsenen.
- VO2max-Intervalle, höherintensive aerobe Belastung, die eine größere akute BDNF-Reaktion hervorruft.
- Krafttraining, das ebenfalls die Muskel-zu-Gehirn-Signalübertragung rund um den Sport anspricht.
- Muskel als Organ, der Cathepsin-B-Weg vom aktiven Muskel ins Gehirn.
- Mitochondrien und die Stressachse.
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Thomas Dehli, Founder & Editor, Sacred Lotus
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