Biology: BDNF & Otak yang Berolahraga

Jalan kaki, interval VO2 max, dan latihan beban semuanya disebut baik untuk otak, dan molekul yang biasa disebut untuk menjelaskan alasannya adalah BDNF. Beberapa praktik olahraga mengarah kembali padanya. Mekanismenya kokoh; langkah terakhir, dari kenaikan penanda darah menjadi pikiran yang lebih tajam, masih bersifat inferensi dan belum dibuktikan pada manusia.

Apa Itu BDNF

Sistem saraf membuat BDNF, brain-derived neurotrophic factor, untuk mendukung sel-selnya sendiri. BDNF menjaga neuron tetap hidup dan membantunya tumbuh serta memperkuat hubungan di antara neuron-neuron itu. Itulah plastisitas sinaptik, sifat yang mendasari proses belajar. BDNF juga mendukung neurogenesis, kelahiran neuron baru di hipokampus, wilayah memori otak. Peran seluler itu sudah mapan. Versi populernya menambahkan janji yang tidak didukung biologinya: lakukan satu hal, tingkatkan BDNF, dapatkan pikiran yang lebih tajam.

Bukti terkuat bahwa BDNF bersifat kausal, bukan sekadar berkorelasi, datang dari hewan pengerat. Ketika tikus berolahraga, mereka belajar lebih baik dan sinyal plastisitas hipokampusnya meningkat. Blokir kerja BDNF di hipokampus selama olahraga itu, dan peningkatan kemampuan belajar itu hilang (Vaynman 2004). Menghilangkan molekulnya menghilangkan manfaatnya, ini lebih kuat daripada sekadar korelasi. Eksperimen semacam itu hanya bisa dilakukan pada hewan, itulah sebabnya langkah yang sama masih bersifat inferensi pada manusia.

Olahraga Meningkatkannya

Satu sesi olahraga meningkatkan BDNF darah, efek yang telah berulang kali direplikasi (Szuhany 2015). Dengan menggabungkan berbagai studi, satu sesi tunggal menghasilkan kenaikan sedang, Hedges' g sekitar 0.46. Latihan selama beberapa minggu memperbesar respons pasca-sesi itu, g sekitar 0.58. Fenomena yang andal dan dapat diulang ini adalah lonjakan akut setelah satu sesi.

Efek program latihan terhadap BDNF istirahat, yaitu garis dasar sehari-hari yang diukur jauh dari sesi olahraga, lebih kecil, g sekitar 0.28, dan tidak konsisten antarstudi. Lonjakan akutnya dapat direplikasi; pergeseran BDNF-istirahat yang bertahan lama tidak. Setiap angka ini berasal dari darah, proksi parsial untuk otak.

Dari Penanda Darah ke Cara Berpikir

Anda bisa mengambil sampel BDNF dari darah. BDNF di otaklah yang mendorong plastisitas, dan keduanya bukan simpanan yang sama. BDNF darah dan otak bergerak cukup selaras sehingga darah berfungsi sebagai proksi: pada tikus, babi, dan mencit, keduanya berkorelasi. Korelasinya bersifat parsial, jauh dari sempurna satu-banding-satu. Sebagian besar BDNF darah tersimpan di trombosit dan dilepaskan darinya, dan pembacaan serum serta plasma berbeda. Kenaikan BDNF darah menunjukkan sesuatu yang nyata tentang otak, tetapi sinyalnya tidak langsung dan berisik.

Jadi, "olahraga meningkatkan BDNF, karena itu olahraga membuat Anda lebih pintar" terdengar lebih meyakinkan daripada kenyataannya. Setiap mata rantai memang nyata tetapi parsial: olahraga meningkatkan BDNF darah; BDNF darah sebagian mengikuti BDNF otak; BDNF otak mendukung plastisitas dan memori. Karena setiap mata rantai bersifat parsial, keseluruhan inferensinya lemah. Langkah terakhir, dari perubahan BDNF yang terukur menjadi peningkatan cara berpikir seseorang yang terukur, belum diuji secara langsung pada manusia.

Hasil pada Hipokampus

Bukti manusia yang paling banyak dikutip adalah uji coba satu tahun pada orang dewasa yang lebih tua (Erickson 2011). Program jalan kaki dengan intensitas sedang meningkatkan volume hipokampus anterior sekitar 2%, dibandingkan dengan penurunan pada kelompok kontrol: membalikkan penyusutan terkait usia yang normal selama satu hingga dua tahun. Memori spasial ikut membaik. Dalam kelompok olahraga, orang-orang yang BDNF serumnya meningkat paling banyak juga cenderung memperoleh penambahan volume hipokampus paling besar. Uji coba tunggal itulah yang membuat kisah BDNF terkenal dan mengaitkan mekanisme pada hewan dengan hasil yang terukur pada manusia.

Uji coba berikutnya mencoba mengulanginya. Dari gabungan 737 peserta, olahraga aerobik tidak secara andal meningkatkan total volume hipokampus. Sinyal yang masih bertahan adalah kemungkinan manfaat bagi hipokampus kiri dan kemungkinan peran dalam memperlambat penurunan struktur ini akibat usia.

Jadi klaim yang berhasil direplikasi lebih kecil daripada judul beritanya: olahraga mungkin memperlambat penyusutan hipokampus akibat usia, sementara bagian yang menumbuhkan jaringan baru adalah bagian yang tidak berhasil direplikasi.

Variasi Individu

Setiap orang membawa versi gen BDNF yang berbeda-beda. Salah satu varian yang umum, Val66Met, mengurangi pelepasan BDNF yang bergantung pada aktivitas, yaitu sekresi sesuai kebutuhan saat neuron sedang sibuk. Membawa varian ini dikaitkan dengan memori episodik yang sedikit lebih buruk dan keterlibatan hipokampus yang berubah pada pencitraan otak. Varian ini tidak memiliki implikasi klinis: tidak ada pilihan pengobatan atau olahraga yang mengikutinya. Ini penting karena satu alasan: latihan yang sama menghasilkan respons BDNF yang berbeda-beda antarorang, sehingga rata-rata kelompok menyembunyikan sebaran yang lebar.

Suasana Hati, dan Sinyal Otot ke Otak

BDNF yang rendah adalah temuan yang berulang kali muncul pada depresi. Olahraga adalah pengobatan yang efektif untuk depresi, sehingga BDNF menjadi penjelasan yang tampak jelas untuk bagaimana bergerak dapat memperbaiki suasana hati. Sejumlah uji coba telah menggabungkan data BDNF istirahat sebelum dan sesudah program olahraga pada orang dengan depresi berat untuk mengujinya. Suasana hati dan BDNF bisa sama-sama membaik, padahal faktor lain (tidur, aktivasi, respons pengobatan) yang mendorong perbaikan suasana hati tersebut. Apakah perubahan BDNF-lah yang benar-benar memperbaiki suasana hati masih menjadi pertanyaan terbuka yang terus diteliti: masuk akal, tetapi belum terkonfirmasi.

Ada jalur kedua yang berjalan dari otot yang aktif menuju otak. Pada tikus, berlari meningkatkan protein yang disekresikan otot, cathepsin B, yang menembus masuk ke otak. Protein ini diperlukan untuk neurogenesis hipokampus dan memori yang dipicu oleh olahraga, dan ia meningkatkan BDNF pada neuron. Pada sampel manusia yang kecil, kebugaran dan cathepsin B meningkat bersamaan. Cathepsin B adalah penghubung otot-ke-otak yang telah dibuktikan pada tikus; data pada manusia bersifat korelasional dan masih kecil jumlahnya.

Apa yang Sudah Mapan

Olahraga melindungi otak yang menua, dan itu tidak memerlukan biaya apa pun. Hasil pada manusia (perlambatan penurunan hipokampus, memori yang lebih baik, depresi yang membaik dengan latihan) tetap berdiri sendiri sebagai bukti yang sahih. Yang masih menjadi pertanyaan terbuka lebih sempit: apakah BDNF adalah molekul di balik semua itu. Mekanismenya nyata dan penting. Bukti pada manusia belum cukup untuk mendukung instruksi "lakukan X untuk meningkatkan BDNF dan menjadi lebih pintar."

Bukti

The Research & Studies

Everything here is based on the research we have collected and checked, sorted into groups and ordered with the strongest evidence first. Click any claim to open the studies behind it.

How it works

Satu sesi latihan meningkatkan BDNF darah, dan latihan yang terlatih membuat peningkatan tersebut lebih besarModerate

In plain terms

Satu sesi latihan secara konsisten meningkatkan kadar BDNF yang dapat diukur dalam darah Anda, dan latihan yang dilakukan seiring waktu membuat peningkatan tersebut semakin besar. Kenaikan setelah satu sesi adalah bagian yang paling jelas; perubahan pada kadar istirahat lebih kecil.

In detail

Meta-analisis ini menggabungkan studi-studi yang mengukur faktor neurotropik turunan otak (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) perifer di sekitar waktu latihan fisik pada manusia. Satu sesi latihan tunggal menghasilkan peningkatan sedang pada BDNF yang bersirkulasi. Latihan teratur meningkatkan besarnya respons BDNF terhadap sesi berikutnya, dan memiliki efek yang lebih kecil terhadap konsentrasi saat istirahat (baseline). Analisis ini berbasis pada penanda darah, bukan jaringan otak, dan heterogenitas antar studi yang disertakan sangat besar, sehingga estimasi gabungan ini menggambarkan arah dan besaran kasar, bukan angka presisi yang dapat diterapkan pada protokol tertentu mana pun.

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

Pada tikus, memblokir BDNF hipokampus menghapuskan peningkatan pembelajaran yang diperoleh dari olahragaModerate

In plain terms

Ketika para peneliti membuat tikus berlari dan kemudian secara kimiawi menghambat BDNF di bagian otak yang berperan dalam memori, olahraga tersebut tidak lagi meningkatkan pembelajaran. Itu merupakan tanda paling jelas bahwa BDNF memang benar-benar berperan aktif dalam proses tersebut, bukan sekadar meningkat bersamaan dengannya.

In detail

Tikus yang berolahraga menunjukkan pembelajaran spasial yang lebih baik dan kadar protein terkait plastisitas yang lebih tinggi di hipokampus. Ketika kerja BDNF diblokir di hipokampus selama periode olahraga, menggunakan sebuah molekul yang mencegat BDNF sebelum mencapai reseptornya, perbaikan yang diinduksi oleh olahraga dalam pembelajaran dan dalam sinyal plastisitas hilir tersebut lenyap. Ini merupakan desain kehilangan fungsi (loss-of-function): hal ini menunjukkan bahwa BDNF diperlukan untuk efek tersebut pada model hewan ini, yang merupakan bukti kausal yang lebih kuat dibandingkan korelasi, tetapi ini adalah studi pada tikus dan intervensi tersebut merupakan sesuatu yang tidak dapat direplikasi oleh eksperimen pada manusia.

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 darah hanya sebagian mencerminkan BDNF otak, sehingga hal ini merupakan proksi yang kasarEmerging · mixed

In plain terms

BDNF darah digunakan sebagai pengganti untuk mengetahui apa yang terjadi di otak karena keduanya saling berkaitan pada hewan. Ini hanyalah pengganti kasar: sebagian besar BDNF dalam darah berasal dari trombosit, sehingga hasil pembacaan darah bukan merupakan jendela yang bersih untuk melihat ke dalam otak.

In detail

Penelitian ini mengukur BDNF dalam darah dan dalam jaringan otak pada tikus, babi, dan mencit, dan menemukan bahwa konsentrasi BDNF darah berkorelasi dengan BDNF jaringan otak, yang merupakan alasan utama mengapa BDNF perifer diperlakukan sebagai proksi (proxy) yang dapat digunakan. Korelasi ini bersifat parsial, bukan satu-lawan-satu, dan BDNF perifer memiliki biologinya sendiri: sebagian besar bersirkulasi dalam bentuk tersimpan di dalam trombosit, nilai yang terukur berbeda antara serum dan plasma, dan metode pengujian (assay) bervariasi. Jadi, suatu angka BDNF darah membawa informasi nyata tentang otak, tetapi merupakan sinyal tidak langsung yang berisik (noisy), yang menjadi titik lemah pengukuran dalam keseluruhan narasi olahraga terhadap kognisi.

The study · 1

Klein et al., blood BDNF concentrations reflect brain-tissue BDNF levels across species · Int J Neuropsychopharmacol 2011

Latihan aerobik meningkatkan BDNF saat istirahat dalam jumlah kecil; latihan resistensi tidakEmerging

In plain terms

Satu sesi latihan jelas meningkatkan BDNF untuk sementara waktu. Apakah latihan selama berminggu-minggu benar-benar mengubah tingkat istirahat harian Anda masih jauh dari jelas, dan bukti gabungan untuk adanya perubahan yang bertahan lama masih lemah.

In detail

Meta-analisis studi pelatihan olahraga ini menilai BDNF perifer saat istirahat, yaitu kadar dasar yang diukur di luar sesi akut. Pelatihan aerobik meningkatkan BDNF saat istirahat (SMD sekitar 0.66) dan efek gabungan secara keseluruhan sekitar 0.39; pelatihan resistensi saja tidak mengubahnya secara signifikan. Efek ini lebih kecil dan lebih bervariasi dibandingkan peningkatan pasca-olahraga akut yang konsisten, namun tinjauan ini memang menemukan adanya peningkatan aerobik yang bertahan, bukan tidak ada sama sekali.

The study · 1

Dinoff et al., the effect of exercise training on resting concentrations of peripheral BDNF: a meta-analysis · PLoS One 2016

Pada tikus, cathepsin B yang diproduksi otot diperlukan agar olahraga dapat menumbuhkan sel memori baru dan meningkatkan BDNFPreliminary

In plain terms

Berlari membuat otot melepaskan suatu protein, cathepsin B, yang mencapai otak, dan pada tikus protein ini diperlukan agar olahraga dapat menumbuhkan sel-sel memori baru dan meningkatkan BDNF. Sebuah studi kecil pada manusia menunjukkan bahwa kebugaran dan protein ini meningkat bersamaan.

In detail

Olahraga meningkatkan sekresi protein cathepsin B dari otot. Pada tikus, cathepsin B diperlukan untuk neurogenesis hipokampus dewasa yang diinduksi oleh berlari dan untuk perbaikan memori spasial yang menyertainya, dan pemberian cathepsin B pada neuron meningkatkan ekspresi BDNF. Dalam kohort manusia berskala kecil, kebugaran treadmill dan cathepsin B plasma meningkat bersamaan dengan olahraga, dan perubahan cathepsin B berkorelasi dengan salah satu ukuran memori. Ini merupakan kandidat spesifik untuk jalur penghubung otot-ke-otak di balik BDNF, tetapi rantai kausal ini telah dipastikan pada tikus, sedangkan bukti pada manusia baru berupa korelasi kecil, bukan hasil dari studi terkontrol.

The study · 1

Moon et al., running-induced systemic cathepsin B secretion is associated with memory function · Cell Metab 2016

Cognition

Satu tahun berjalan kaki meningkatkan ukuran hipokampus sekitar 2% dan memperbaiki daya ingat pada lansiaModerate

In plain terms

Orang dewasa lanjut usia yang berjalan kaki secara teratur selama satu tahun mengalami pertumbuhan pada bagian otak yang terkait dengan memori sekitar 2%, membalikkan penyusutan normal selama satu hingga dua tahun, dan daya ingat mereka menjadi lebih baik. Orang-orang yang kadar BDNF-nya meningkat paling banyak cenderung menjadi orang-orang yang hipokampusnya membesar.

In detail

Uji coba terkontrol acak ini menempatkan lansia ke dalam program jalan kaki aerobik intensitas sedang atau kelompok kontrol peregangan dan penguatan otot selama satu tahun. Kelompok aerobik mengalami peningkatan volume hipokampus anterior sebesar kurang lebih 2%, berbanding terbalik dengan penurunan pada kelompok kontrol, yang secara efektif membalikkan kehilangan volume terkait usia yang diperkirakan terjadi dalam satu hingga dua tahun, serta menunjukkan perbaikan pada tugas memori spasial. Peningkatan volume hipokampus dikaitkan dengan peningkatan kadar BDNF serum di dalam kelompok olahraga, yang merupakan pengamatan pada manusia yang menghubungkan mekanisme pada hewan dengan hasil struktur otak dan memori yang dapat diukur. Ini merupakan uji coba tunggal, kaitan dengan BDNF adalah korelasi dalam kelompok (within-group correlation) dan bukan mediator yang telah dibuktikan, serta peningkatan memori yang terjadi bersifat spesifik, bukan menyeluruh (global).

The study · 1

Erickson et al., exercise training increases size of hippocampus and improves memory · PNAS 2011

Varian umum Val66Met menurunkan pelepasan BDNF dan berkaitan dengan daya ingat yang sedikit lebih lemahModerate · mixed

In plain terms

Setiap orang membawa versi gen BDNF yang berbeda. Salah satu versi umum, yang disebut Val66Met, melepaskan lebih sedikit BDNF saat neuron aktif dan dikaitkan dengan memori episodik yang sedikit lebih lemah. Ini adalah salah satu alasan mengapa jumlah olahraga tertentu tidak memberikan efek yang sama bagi setiap orang.

In detail

Penelitian ini mengkarakterisasi polimorfisme BDNF Val66Met, sebuah varian tunggal yang umum pada gen BDNF. Dalam studi sel, bentuk Met menunjukkan gangguan sekresi yang bergantung pada aktivitas serta trafficking intraseluler BDNF yang abnormal. Pada manusia, membawa alel Met dikaitkan dengan kinerja yang lebih buruk pada tugas-tugas memori episodik dan dengan keterlibatan hipokampus yang berubah pada pencitraan fungsional. Hal ini merupakan sumber variasi individu, bukan manfaat atau kerugian dari suatu praktik tertentu: ini membantu menjelaskan mengapa respons BDNF, beserta efek-efek turunannya, berbeda antar individu, dan mengapa rata-rata kelompok dapat menyembunyikan sebaran individu yang sesungguhnya.

The study · 1

Egan et al., the BDNF val66met polymorphism affects activity-dependent secretion of BDNF and human memory and hippocampal function · Cell 2003

Uji coba gabungan pada 737 orang tidak menemukan peningkatan volume hipokampus total, hanya sisi kiri yang terjagaEmerging · no effect

In plain terms

Ketika uji coba yang dilakukan kemudian digabungkan, olahraga tidak secara jelas memperbesar hipokampus secara keseluruhan seperti yang disarankan oleh studi terkenal pertama. Yang tetap bertahan lebih kecil cakupannya: olahraga mungkin membantu mempertahankan sebagian darinya, bukan memperbesarnya.

In detail

Tinjauan sistematis dan meta-analisis ini menggabungkan uji terkontrol yang mengukur volume hipokampus setelah latihan aerobik. Berdasarkan data gabungan yang mencakup 737 partisipan, latihan aerobik tidak secara signifikan meningkatkan volume hipokampus total. Efek yang lebih spesifik pada volume hipokampus kiri dilaporkan, dan para penulis merumuskan kemungkinan manfaatnya sebagai memperlambat penurunan volume hipokampus terkait usia, bukan menghasilkan pertumbuhan bersih. Inilah koreksi terhadap hasil uji tunggal sebelumnya: arah manfaatnya masih masuk akal dan sebagian terjaga, tetapi klaim kuat bahwa olahraga membuat hipokampus membesar tidak terbukti bertahan pada replikasi seperti yang dinyatakan sebelumnya.

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

Apakah peningkatan BDNF merupakan mekanisme yang mendasari efek olahraga dalam mengangkat depresi masih bersifat diusulkan, belum dibuktikanEmerging · mixed

In plain terms

Olahraga membantu mengatasi depresi, dan rendahnya BDNF merupakan bagian dari narasi biologis utama mengenai mengapa depresi terjadi, sehingga peningkatan BDNF menjadi penjelasan yang menarik. Apakah perubahan BDNF tersebut benar-benar yang mengangkat suasana hati belum ditunjukkan, melainkan hanya disimpulkan.

In detail

BDNF yang rendah merupakan temuan berulang pada depresi mayor, dan olahraga adalah terapi yang efektif untuk depresi, yang menjadikan BDNF sebagai kandidat mediator yang menarik. Meta-analisis ini meneliti BDNF perifer saat istirahat sebelum dan sesudah intervensi olahraga pada orang dengan gangguan depresi mayor. Bahkan ketika BDNF dan suasana hati (mood) bergerak ke arah yang sama-sama positif, pergerakan bersama tersebut tidak membuktikan bahwa perubahan BDNF menyebabkan perubahan suasana hati: respons antidepresan, tidur, dan aktivasi umum semuanya berubah bersamaan, dan BDNF darah merupakan sinyal yang tidak langsung. Hipotesis mediasi ini masuk akal dan sedang diteliti secara aktif; namun belum dapat dipastikan kebenarannya.

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

Selami Lebih Dalam

Praktik-praktik yang bekerja pada biologi ini:

• Jalan kaki, stimulus aerobik yang paling mudah diakses, dan yang mendasari uji coba hipokampus pada orang dewasa yang lebih tua.
• Interval VO2 max, latihan aerobik dengan intensitas lebih tinggi yang menghasilkan respons BDNF akut yang lebih besar.
• Latihan beban, yang juga melibatkan sinyal otot-ke-otak seputar olahraga.
• Otot sebagai organ, jalur cathepsin B dari otot yang aktif menuju otak.
• Mitokondria dan poros stres.