Biology: BDNF en het brein tijdens inspanning

Wandelen, VO2max-intervallen en krachttraining worden allemaal goed voor het brein genoemd, en het molecuul dat meestal wordt aangewezen om dat te verklaren is BDNF. Verschillende bewegingspraktijken verwijzen ernaar terug. Het mechanisme is solide; de laatste stap, van een stijging van een bloedmarker naar scherper denken, is afgeleid en is niet aangetoond bij mensen.

Wat BDNF is

Het zenuwstelsel maakt BDNF, brain-derived neurotrophic factor, aan om zijn eigen cellen te ondersteunen. Het houdt neuronen in leven en helpt ze groeien en de verbindingen tussen hen versterken. Dat is synaptische plasticiteit, de eigenschap die ten grondslag ligt aan leren. Het ondersteunt ook neurogenese, de geboorte van nieuwe neuronen in de hippocampus, het geheugengebied van het brein. Die cellulaire rol is goed vastgesteld. De populaire versie voegt een belofte toe die de biologie niet waarmaakt: doe één ding, verhoog BDNF, krijg een scherpere geest.

Het sterkste bewijs dat BDNF causaal is, en niet slechts gecorreleerd, komt van knaagdieren. Wanneer ratten inspanning leveren, leren ze beter en stijgen hun hippocampale plasticiteitssignalen. Blokkeer de werking van BDNF in de hippocampus tijdens die inspanning en de leerwinst verdwijnt (Vaynman 2004). Het wegnemen van het molecuul neemt het voordeel weg, sterker dan een correlatie. Dat experiment kan alleen worden uitgevoerd bij een dier, en dat is waarom dezelfde stap bij mensen een afleiding blijft.

Beweging verhoogt het

Eén enkele trainingssessie verhoogt het BDNF-gehalte in het bloed, een goed gereproduceerd effect (Szuhany 2015). Wanneer de studies worden samengevoegd, levert één sessie een matige stijging op, Hedges' g ongeveer 0.46. Training over weken vergroot de omvang van die reactie na de sessie, g ongeveer 0.58. Het betrouwbare, herhaalbare verschijnsel is de acute piek na een sessie.

Het effect van een trainingsprogramma op de rust-BDNF, de dagelijkse uitgangswaarde gemeten los van een training, is kleiner, g ongeveer 0.28, en inconsistent tussen studies. De acute piek is reproduceerbaar; een blijvende verschuiving in rust-BDNF niet. Elk van deze cijfers komt uit bloed, een gedeeltelijke proxy voor het brein.

Van bloedmarker naar denken

Je kunt BDNF meten in bloed. Het BDNF van het brein is wat de plasticiteit aandrijft, en de twee zijn niet dezelfde pool. Bloed- en breinBDNF bewegen voldoende samen dat bloed dient als proxy: bij ratten, varkens en muizen correleren de twee. De correlatie is gedeeltelijk, ver verwijderd van één-op-één. Een groot deel van het BDNF in bloed wordt opgeslagen in bloedplaatjes en daaruit vrijgegeven, en serum- en plasmawaarden verschillen. Een stijging van BDNF in bloed vertelt je iets reëels over het brein, maar het signaal is indirect en bevat veel ruis.

Dus "beweging verhoogt BDNF, dus beweging maakt je slimmer" is zwakker dan het klinkt. Elke schakel is reëel maar gedeeltelijk: beweging verhoogt BDNF in bloed; BDNF in bloed volgt gedeeltelijk het BDNF in het brein; BDNF in het brein ondersteunt plasticiteit en geheugen. Omdat elke schakel gedeeltelijk is, is de hele redenering zwak. De laatste stap, van een gemeten BDNF-verandering naar een gemeten verbetering in iemands denken, is niet rechtstreeks getest bij mensen.

Het hippocampusresultaat

Het meest geciteerde humane bewijs is een eenjarig onderzoek bij oudere volwassenen (Erickson 2011). Een gematigd wandelprogramma verhoogde het volume van de anterieure hippocampus met ongeveer 2%, tegenover een afname in de controlegroep: een omkering van één tot twee jaar normale leeftijdsgebonden krimp. Het ruimtelijk geheugen verbeterde mee. Binnen de trainingsgroep hadden de mensen bij wie het serum-BDNF het meest steeg, ook de neiging om de meeste toename in hippocampusvolume te vertonen. Dat ene onderzoek maakte het BDNF-verhaal beroemd en koppelde het diermechanisme aan een meetbare humane uitkomst.

Latere onderzoeken probeerden dit te herhalen. Samengevoegd over 737 deelnemers verhoogde aerobe inspanning niet betrouwbaar het totale hippocampusvolume. Het overgebleven signaal was een mogelijk voordeel voor de linker hippocampus en een aannemelijke rol bij het vertragen van de leeftijdsgebonden achteruitgang van de structuur.

De gereproduceerde bewering is dus kleiner dan de kop: beweging kan de leeftijdsgebonden krimp van de hippocampus vertragen, terwijl het laten groeien van nieuw weefsel het onderdeel is dat niet reproduceerbaar bleek.

Individuele variatie

Mensen dragen verschillende versies van het BDNF-gen. Een veelvoorkomende variant, Val66Met, vermindert de activiteitsafhankelijke afgifte van BDNF, de afgifte op aanvraag wanneer neuronen actief zijn. Het dragen ervan is gekoppeld aan een licht verminderd episodisch geheugen en een veranderde hippocampale activiteit op hersenscans. De variant is niet klinisch bruikbaar: er volgt geen behandel- of bewegingskeuze uit. Het is om één reden van belang: dezelfde training levert bij verschillende mensen verschillende BDNF-reacties op, zodat groepsgemiddelden een grote spreiding verhullen.

Stemming, en het signaal van spier naar brein

Een laag BDNF-gehalte is een terugkerende bevinding bij depressie. Beweging is een effectieve behandeling voor depressie, dus BDNF wordt een voor de hand liggende verklaring voor hoe beweging de stemming verbetert. Onderzoeken hebben de rust-BDNF vóór en na bewegingsprogramma's bij mensen met een depressieve stoornis samengevoegd om dit te testen. Stemming en BDNF kunnen beide verbeteren terwijl andere factoren (slaap, activering, behandelrespons) de stemmingsverbetering aandrijven. Of de verandering in BDNF daadwerkelijk de stemming verbetert, is nog een open, actief onderzochte vraag: aannemelijk, maar onbevestigd.

Een tweede route loopt van actieve spier naar brein. Bij muizen verhoogt hardlopen een door spieren afgescheiden eiwit, cathepsine B, dat het brein binnendringt. Het is nodig voor door inspanning veroorzaakte hippocampale neurogenese en geheugen, en het verhoogt BDNF in neuronen. In een kleine humane steekproef stegen fitheid en cathepsine B samen. Cathepsine B is een spier-naar-breinverband dat is aangetoond bij muizen; de humane gegevens zijn correlationeel en beperkt.

Wat vaststaat

Beweging beschermt het verouderende brein, en het kost niets. De humane uitkomsten (vertraagde hippocampale achteruitgang, beter geheugen, depressie die verbetert met training) houden op zichzelf stand. Wat openblijft is nauwer omschreven: of BDNF het molecuul erachter is. Het mechanisme is reëel en belangrijk. Het humane bewijs ondersteunt nog niet de instructie "doe X om BDNF te verhogen en slimmer te worden."

Bewijs

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

Eén enkele training verhoogt bloed-BDNF, en training maakt de stijging groterModerate

In plain terms

Eén enkele training verhoogt betrouwbaar het BDNF dat meetbaar is in je bloed, en training in de loop van de tijd maakt die stijging groter. De stijging na één sessie is het duidelijkste deel; de verandering in het rustniveau is kleiner.

In detail

Deze meta-analyse poolde onderzoeken die perifere brain-derived neurotrophic factor rond inspanning bij mensen maten. Één enkele inspanningsronde produceerde een matige stijging in circulerend BDNF. Regelmatige training verhoogde de omvang van de BDNF-respons op een volgende sessie, en had een kleiner effect op de rust- (basale) concentraties. De analyse betreft een bloedmarker, geen hersenweefsel, en de heterogeniteit tussen de opgenomen onderzoeken was aanzienlijk, dus de gepoolde schatting beschrijft een richting en ruwe omvang, geen precies getal dat overdraagbaar is naar één specifiek protocol.

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

Bij ratten wiste het blokkeren van hippocampaal BDNF de leerwinst van inspanning uitModerate

In plain terms

Toen onderzoekers ratten lieten rennen en vervolgens BDNF chemisch blokkeerden in het geheugendeel van de hersenen, verbeterde de inspanning het leren niet meer. Dat is het duidelijkste teken dat BDNF daadwerkelijk het werk doet, niet alleen meestijgt.

In detail

Ratten die trainden vertoonden beter ruimtelijk leren en hogere niveaus van aan plasticiteit gerelateerde eiwitten in de hippocampus. Toen de werking van BDNF tijdens de trainingsperiode in de hippocampus werd geblokkeerd, met behulp van een molecuul dat het onderschept voordat het zijn receptor bereikt, werden die door inspanning veroorzaakte verbeteringen in leren en in de downstream plasticiteitssignalering tenietgedaan. Dit is een loss-of-function-ontwerp: het toont aan dat BDNF noodzakelijk is voor het effect in dit dierlijke model, wat sterker causaal bewijs is dan een correlatie, maar het is een rattenstudie en de interventie is er een die een menselijk experiment niet kan repliceren.

The study · 1

Vaynman, Ying and Gomez-Pinilla, hippocampal BDNF mediates the efficacy of exercise on synaptic plasticity and cognition · Eur J Neurosci 2004

Bloed-BDNF weerspiegelt slechts gedeeltelijk het BDNF in de hersenen, dus het is een ruwe proxyEmerging · mixed

In plain terms

Bloed-BDNF wordt gebruikt als vervanging voor wat er in de hersenen gebeurt, omdat de twee bij dieren met elkaar meebewegen. Het is slechts een ruwe vervanging: veel van het BDNF in bloed is afkomstig van bloedplaatjes, dus een bloedmeting is geen schoon venster op de hersenen.

In detail

Dit onderzoek mat BDNF in bloed en in hersenweefsel bij ratten, varkens en muizen en vond dat bloed-BDNF-concentraties correleren met BDNF in hersenweefsel, wat de belangrijkste reden is waarom perifeer BDNF als bruikbare proxy wordt behandeld. De correlatie is gedeeltelijk, niet één-op-één, en perifeer BDNF heeft zijn eigen biologie: een groot deel circuleert opgeslagen in bloedplaatjes, gemeten waarden verschillen tussen serum en plasma, en de testmethoden variëren. Dus een bloed-BDNF-cijfer draagt echte informatie over de hersenen, maar is een ruizig indirect signaal, wat het meetkundige zwakke punt is onder het hele verhaal van inspanning naar cognitie.

The study · 1

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

Aerobe training verhoogde het rustende BDNF een klein beetje; krachttraining deed dat nietEmerging

In plain terms

Een enkele training verhoogt duidelijk het BDNF voor een tijdje. Of weken training je dagelijkse rustniveau veel verandert, is veel minder duidelijk, en het samengevoegde bewijs voor een blijvende verandering is zwak.

In detail

Deze meta-analyse van trainingsstudies beoordeelde het rustende perifere BDNF, het basisniveau los van een acute sessie. Aerobe training verhoogde het rustende BDNF (SMD ongeveer 0.66) en het totale samengevoegde effect was ongeveer 0.39; krachttraining alleen veranderde het niet significant. Het effect is kleiner en variabeler dan de betrouwbare acute stijging na inspanning, maar deze review vond wel een blijvende aerobe toename, niet niets.

The study · 1

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

Bij muizen is in de spier gemaakt cathepsine B nodig opdat lichaamsbeweging nieuwe geheugencellen laat groeien en BDNF verhoogtPreliminary

In plain terms

Hardlopen zorgt ervoor dat spieren een eiwit vrijgeven, cathepsine B, dat het brein bereikt, en bij muizen is dit eiwit nodig opdat lichaamsbeweging nieuwe geheugencellen laat groeien en BDNF verhoogt. Een kleine humane studie zag fitheid en dit eiwit samen stijgen.

In detail

Lichaamsbeweging verhoogde de afgifte van het eiwit cathepsine B door de spier. Bij muizen was cathepsine B noodzakelijk voor door hardlopen geïnduceerde volwassen hippocampusneurogenese en voor de bijbehorende verbetering van het ruimtelijk geheugen, en het toedienen van cathepsine B aan neuronen verhoogde de BDNF-expressie. In een klein humaan cohort stegen loopbandfitheid en plasma-cathepsine B samen met lichaamsbeweging, en veranderingen in cathepsine B correleerden met een geheugenmaat. Dit is een specifieke kandidaat voor de spier-naar-hersen-verbinding achter BDNF, maar de causale keten is vastgesteld bij muizen, en het humane bewijs is een kleine correlatie, geen gecontroleerde uitkomst.

The study · 1

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

Cognition

Een jaar wandelen liet de hippocampus met ongeveer 2% groeien en verbeterde het geheugen bij oudere volwassenenModerate

In plain terms

Oudere volwassenen die een jaar lang regelmatig wandelden, lieten het geheugengerelateerde deel van de hersenen met ongeveer 2% groeien, wat een of twee jaar normale krimp omkeerde, en onthielden beter. De mensen bij wie het BDNF het meest steeg, waren doorgaans degenen bij wie de hippocampus groeide.

In detail

Dit gerandomiseerde gecontroleerde onderzoek wees oudere volwassenen toe aan een matig aeroob wandelprogramma of een rek-en-strekcontrole gedurende een jaar. De aerobe groep verhoogde het volume van de voorste hippocampus met ongeveer 2%, tegenover een daling in de controlegroep, wat het leeftijdsgerelateerde verlies dat over één tot twee jaar werd verwacht effectief omkeerde, en verbeterde op een ruimtelijke geheugentaak. Een toegenomen hippocampusvolume hing samen met verhoogd serum-BDNF binnen de trainingsgroep, wat de menselijke waarneming is die het diermechanisme verbindt met een meetbare hersenstructuur- en geheugenuitkomst. Het is een enkel onderzoek, het BDNF-verband is een correlatie binnen de groep in plaats van een aangetoonde mediator, en de geheugenwinsten waren specifiek, niet algemeen.

The study · 1

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

De veelvoorkomende Val66Met-variant verlaagt de BDNF-afgifte en hangt samen met een iets zwakker geheugenModerate · mixed

In plain terms

Mensen dragen verschillende versies van het BDNF-gen. Eén veelvoorkomende versie, genaamd Val66Met, geeft minder BDNF vrij wanneer neuronen actief zijn en hangt samen met een iets zwakker episodisch geheugen. Het is een van de redenen waarom een bepaalde hoeveelheid lichaamsbeweging niet voor iedereen hetzelfde doet.

In detail

Dit werk karakteriseerde het BDNF Val66Met-polymorfisme, een enkele veelvoorkomende variant in het BDNF-gen. In celstudies vertoonde de Met-vorm een verminderde activiteitsafhankelijke afgifte en abnormaal intracellulair transport van BDNF. Bij mensen hing het dragen van het Met-allel samen met slechtere prestaties op episodische geheugentaken en met veranderde hippocampusbetrokkenheid op functionele beeldvorming. Het is een bron van individuele variatie, geen voordeel of nadeel van enige praktijk: het helpt verklaren waarom de BDNF-respons, en de stroomafwaartse effecten ervan, verschillen tussen mensen, en waarom groepsgemiddelden echte individuele spreiding verbergen.

The study · 1

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

Samengevoegde onderzoeken bij 737 mensen vonden geen toename van het totale hippocampusvolume, alleen de linkerzijde bleef behoudenEmerging · no effect

In plain terms

Toen latere onderzoeken werden gecombineerd, liet lichaamsbeweging de hippocampus niet duidelijk in zijn geheel groeien op de manier die de eerste beroemde studie suggereerde. Wat overeind bleef was kleiner: lichaamsbeweging kan helpen een deel ervan te behouden, niet te vergroten.

In detail

Deze systematische review en meta-analyse voegde gecontroleerde onderzoeken samen die het hippocampusvolume na aerobe training maten. Over de samengevoegde gegevens, die 737 deelnemers omvatten, verhoogde aerobe training het totale hippocampusvolume niet significant. Er werd een specifieker effect op het linker hippocampusvolume gerapporteerd, en de auteurs formuleerden het waarschijnlijke voordeel als het afremmen van de leeftijdsgerelateerde achteruitgang van het hippocampusvolume, niet het produceren van netto groei. Dit is de correctie op het resultaat van het enkele onderzoek: de richting van het voordeel is aannemelijk en gedeeltelijk behouden, maar de sterke bewering dat lichaamsbeweging de hippocampus laat groeien overleeft de replicatie niet zoals gesteld.

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

Of het verhogen van BDNF de manier is waarop lichaamsbeweging depressie verlicht, wordt voorgesteld, niet aangetoondEmerging · mixed

In plain terms

Lichaamsbeweging helpt bij depressie, en laag BDNF is onderdeel van het toonaangevende biologische verhaal over waarom depressie optreedt, dus het verhogen van BDNF is een aantrekkelijke verklaring. Of de BDNF-verandering daadwerkelijk is wat de stemming verbetert, is niet aangetoond, alleen afgeleid.

In detail

Laag BDNF is een terugkerende bevinding bij een depressieve stoornis, en lichaamsbeweging is een effectieve behandeling voor depressie, wat BDNF een aantrekkelijke kandidaat-mediator maakt. Deze meta-analyse onderzocht het rustende perifere BDNF vóór en na traininginterventies bij mensen met een depressieve stoornis. Zelfs wanneer BDNF en stemming beide de goede richting op bewegen, toont die gelijktijdige beweging niet aan dat de BDNF-verandering de stemmingsverandering veroorzaakte: antidepressieve respons, slaap en algemene activatie verschuiven allemaal samen, en bloed-BDNF is een indirect signaal. De mediatiehypothese is redelijk en wordt actief onderzocht; ze is niet vastgesteld.

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

Verder verdiepen

De praktijken die op deze biologie inwerken:

• Wandelen, de meest toegankelijke aerobe prikkel, en degene achter het hippocampusonderzoek bij oudere volwassenen.
• VO2max-intervallen, aeroob werk met hogere intensiteit dat een grotere acute BDNF-respons oplevert.
• Krachttraining, wat ook de spier-naar-breinsignalering rond inspanning activeert.
• Spier als orgaan, de cathepsine B-route van actieve spier naar het brein.
• Mitochondriën en de stressas.