ArchivDeutsches Ärzteblatt31-32/1996Gehirn – hämodynamische, metabolische und psychische Aspekte bei körperlicher Arbeit

MEDIZIN: Zur Fortbildung

Gehirn – hämodynamische, metabolische und psychische Aspekte bei körperlicher Arbeit

Hollmann, Wildor; Strüder, Klaus; Herzog, Hans; Fischer, Hans-Günther; Platen, Petra; Meirleir, Kenny De; Donike, Manfred

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LNSLNS Die heutigen technischen und biochemischen Möglichkeiten gestatten vermehrt Einblicke in hämodynamische und metabolische Reaktionen des menschlichen Gehirns bei körperlicher Arbeit sowie hierdurch ausgelöste psychische Beeinflussungen. Aus präventiver, therapeutischer und rehabilitativer Sicht stellt sich jedoch die Frage, inwieweit – ähnlich dem kardiopulmonalen System – individuell angepaßtes aerobes Training auch zerebral und psychisch von Nutzen sein kann.


Die Sportmedizin besitzt heute ein großes Wissen über belastungs- und trainingsbedingte Reaktionen und Adaptationen innerer Organe wie Herz, Lunge, Leber und Niere sowie des Stoffwechsels mit seiner hormonellen Regulation und auch des Halte- und Bewegungsapparates. Vergleichsweise wenig ist jedoch über das Gehirn und insbesondere das Großhirn bei Arbeit und Training bekannt. Der Grund besteht in der Schwierigkeit, gehirnbezogene Parameter bei Arbeit und Training erfassen zu können. Möglichkeiten wie Gefäßkatheterungen und bioptische Untersuchungen, welche das sportmedizinische Wissen entscheidend förderten, entfallen bei Arbeits- und Trainingsuntersuchungen des menschlichen Gehirns. Dennoch konnte in den vergangenen zehn Jahren das Wissen über hämodynamische, metabolische und psychische Aspekte des Gehirns bei körperlicher Arbeit deutlich vergrößert werden.
In den 80er Jahren begann unsere Arbeitsgruppe mit Untersuchungen über den Einfluß von körperlicher Aktivität auf das menschliche Gehirn. Das betraf insbesondere hämodynamische, metabolische und psychische Reaktionen, die durch muskuläre Arbeit ausgelöst werden. Die Aufklärung von Zusammenhängen zwischen peripheren und zentralen Stoffwechselvorgängen hat potentiell weitreichende Konsequenzen auch unter präventivmedizinischen und rehabilitativen Aspekten. Nachfolgend werden ausgewählte Untersuchungsergebnisse im Kontext der einschlägigen internationalen Literatur dargestellt.


Regionale Durchblutung und Glukosestoffwechsel
Noch vor relativ kurzer Zeit galt die Durchblutung des menschlichen Gehirns bei muskulärer Arbeit als konstant. Hierfür sollte die autonome Regulation der Gehirndurchblutung verantwortlich zeichnen. Zweifel an dieser Auffassung ließen PET-Untersuchungen aufkommen, welche deutliche Durchblutungssteigerungen in regionalen Gehirnabschnitten schon bei gezieltem Hören, Sehen, Sprechen oder bei Fingerbewegungen erkennen ließen (23, 24, 34, 35, 36, 37, 38, 39).
In eigenen Untersuchungen (16) ermittelten wir an 12 gesunden männlichen Probanden der dritten und vierten Lebensdekade den Einfluß einer Fahrradergometerbelastung mit 25 Watt und 100 Watt auf die regionale Gehirndurchblutung (Grafik 1). Methodisch bedienten wir uns der 133Xe-Bolus-Injektionsmethode. Es ergab sich bereits bei 25 Watt eine signifikante mittlere Durchblutungssteigerung um 14 Prozent, bei 100 Watt um 25 Prozent. Dabei nahm der für eine Durchblutungssteigerung des Gehirns unter Ruhebedingungen wichtigste Faktor, der arterielle pCO2Wert, geringfügig ab. Der arterielle pO2-Wert blieb weitgehend unverändert. Der arterielle Blutdruck stieg in Abhängigkeit von der Belastungsintensität geringfügig an. Der arterielle Laktatwert vergrößerte sich von 1,2 mmol/l in Körperruhe auf 3,9 mmol/l in der letzten Arbeitsminute mit 100 Watt.
Die Ursachen für die Durchblutungssteigerung blieben unklar. Eine vergrößerte elektrische Aktivität ist im EEG durchweg erst jenseits einer Belastungsintensität analog 8 mmol/l Laktat zu beobachten (48). Bei allen Probanden zeigte die graue Substanz auf beiden Belastungsstufen eine stärkere arbeitsbedingte Durchblutungszunahme als die weiße Substanz. Diese Resultate wurden durch Untersuchungen von Thomas et al. bestätigt (50).
Im Gegensatz zur dynamischen konnte bei statischer Muskelarbeit keine signifikante Durchblutungsveränderung beobachtet werden. Rogers et al. (33) bestimmten die regionale Gehirndurchblutung beim Menschen in Ruhe und während vier nachfolgender einseitiger statischer Kontraktionen der Unterschenkelstreckmuskulatur. Jede Kontraktion wurde etwa drei Minuten lang in einer halbliegenden Position durchgeführt. Die Belastungsintensität entsprach 8, 16, 24 und 32 Prozent der individuellen Maximalkraft. Es konnte kein Unterschied in der regionalen Gehirndurchblutung im Vergleich zu den Ruhewerten registriert werden. Die Autoren vermuten deshalb, daß die bei dynamischer Arbeit zu beobachtende Durchblutungszunahme auf den Einfluß von bewegungsabhängigen Mechanorezeptoren zurückzuführen ist. Andererseits löst bereits konzentriertes Denken oder zum Beispiel die alleinige Absicht, einen Arm in eine bestimmte Richtung zu bewegen, elektrische Aktivitäten in Neuronen der motorischen Hirnrinde mit gleichzeitiger Zunahme der regionalen Durchblutung aus (7, 39).
Mittels PET und 18Fluorodeoxiglukose untersuchten wir an gesunden männlichen Probanden im Alter zwischen 23 und 61 Jahren den regionalen Glukosestoffwechsel in Körperruhe und bei einer Belastungsintensität in einem Bereich von 60 Prozent der individuellen maximalen Sauerstoffaufnahme, analog 2 mmol/l Laktat (17). Die Ruhewerte des Glukosestoffwechsels bewegten sich um 34 ± 10 mol/min × 100 g. Während der Belastung ergab sich in einzelnen Abschnitten der Kortex eine durchschnittliche Abnahme des Glukoseumsatzes von 4 bis 19 Prozent, eine mittlere Abnahme von sechs Prozent im Cerebellum. Als einzige Ausnahme stieg der Glukoseumsatz im okzipitalen Kortex um neun Prozent an. Die interindividuelle Variation in den einzelnen Sektoren war im Vergleich zu den Ruhewerten während körperlicher Arbeit um das 1,5- bis 3,5fache vermindert.
Die Befunde könnten als eine Entkoppelung zwischen Durchblutung und Arbeitsglukoseumsatz in den genannten Gehirngebieten gedeutet werden. Ursache könnte entweder eine verminderte neuronale Aktivität bei körperlicher Arbeit oder eine verringerte Glukoseutilisation sein, ausgelöst zum Beispiel durch einen erhöhten Substratdruck von Ketonkörpern und deren Metabolisierung. Letzteres erscheint uns als das wahrscheinlichere.


Endogene opioide Peptide, Schmerzempfindlichkeit und Psyche
Hughes et al. (22) beschrieben 1975 erstmals ZNS-zugehörige Morphine. Die sogenannten Endorphine sind Neurotransmitter. Bisher sind 52 unterschiedliche opioide Peptide differenziert worden.
Muskuläre Arbeit bewirkt unter bestimmten Voraussetzungen eine Zunahme der opioiden Peptide im Blut. Dazu muß nach unseren Befunden die Belastungsintensität entweder so hoch sein, daß Laktatwerte von etwa 4 mmol/l im arteriellen Blut überschritten werden (1, 9), oder eine aerobe Belastung muß von längerer Dauer sein als etwa 60 Minuten (49).
Es besteht eine hochsignifikante positive Korrelation zwischen dem belastungsbedingten Anstieg der opioiden Peptide und dem adrenokortikotropen Hormon (ACTH) (1, 9). Nach einem mehrwöchigen Ausdauertraining ist auf gegebenen submaximalen Belastungsstufen eine Vergrößerung des belastungsbedingten ACTH- und Prolaktinanstiegs zu beobachten bei gleichzeitiger Reduktion der Zunahme von Wachstumshormon (Somatotropin). Demgemäß scheint Ausdauertraining einen Wechsel zwischen einer vorher vorhandenen Balance zwischen dopaminergen und adrenergen Einflüssen einerseits und serotonergen Auswirkungen andererseits auszulösen (11). Eine Blockade der opioiden Peptideffekte durch Naloxon beeinflußt indessen nicht die adenohypophysealen Hormone bei körperlicher Arbeit. Es verändert nach unseren Befunden weder die Herzfrequenz noch den systolischen Blutdruck, die Sauerstoffaufnahme oder das Atemminutenvolumen auf gegebenen Belastungsstufen sowie im Bereiche der maximalen Leistungsfähigkeit.
Im Hinblick auf die vermehrte regionale Gehirndurchblutung in Verbindung mit dynamischer Arbeit stellten wir die Hypothese auf, daß bei körperlicher Betätigung im Gehirn vermehrt neuronale Botenstoffe wie zum Beispiel Neuropeptide gebildet würden und der verstärkte Blutstrom die Aufgabe habe, sie so schnell und kompakt wie möglich an periphere Zielorte zu befördern (18, 20, 21). Diese Auffassung scheint sich heute zu bestätigen.
Mittels einer spezifisch hierfür gefertigten Zahnkrone mit einem elektrischen Kontakt zur Zahnpulpa untersuchten wir Schmerzsensitivität und Schmerztoleranz von Probanden bei dosierter Arbeit in Verbindung mit speziellen Testbögen (1). Dabei zeigte sich, daß die Schwelle sowohl für die Schmerzsensitivität als auch für die Schmerztoleranz nach erschöpfender Belastung auf dem Fahrradergometer stark erhöht war.
In einem nachfolgenden Doppelblindversuch erhielten die Probanden vor der Fahrradergometerarbeit entweder physiologische Kochsalzlösung oder Naloxon injiziert. Unter Einfluß des Opiat-Blockers waren die Probanden selbst nach erschöpfender körperlicher Belastung schmerzempfindlicher als unter Ruhebedingungen. Während die Probanden nach ausgiebiger muskulärer Arbeit normalerweise über eine signifikante Stimmungsverbesserung berichteten, war die dem psychologischen Testbogen entnommene Stimmung nach Opiat-Blockade äußerst schlecht und aggressiv (Grafik 2).
Offenbar hat die verstärkte Freisetzung von Endorphinen bei entweder intensiver oder langdauernder Arbeit die Aufgabe, dem Menschen schwere körperliche Belastung zu erleichtern und ihn durch die 70 bis 90 min anhaltende Stimmungsverbesserung gegebenenfalls sogar zur Wiederholung der physischen Betätigung zu ermuntern. Dieser Effekt dürfte auch für das bekannte Phänomen des "runner’s high" verantwortlich sein, jenem Wohlbefinden, dem einige Ausdauersportler gewissermaßen bewußt nachlaufen.
Opioide Peptide konnten im vegetativen Nervensystem sowohl in Verbindung mit dem Sympathikus als auch mit dem Parasympathikus nachgewiesen werden (1, 52). Besonders eng ist die Verflechtung mit dem kardiovaskulären System (18, 19, 20, 21). Weihe et al. (51, 52) schließen aus ihren Untersuchungen, daß opioide Peptide die Freisetzung von Noradrenalin einschränken, indem sie auf präsynaptische Rezeptoren einwirken. Das ist vor allem in Verbindung mit dem Herzen nachgewiesen. Die genannten Befunde lassen auf eine intensive Verzahnung der Funktionen von Gehirn, Herz und Kreislaufsystem sowie Skelettmuskulatur auf biochemischer Basis schließen.
Für die periphere Kreislaufregulation dürfte in dieser Hinsicht von Bedeutung sein, daß sowohl im Endothelium als auch in den Perizyten von Kapillaren und Venolen sowie in Arteriolen opioide Peptide nachgewiesen wurden (52). Im Gegensatz zu den mikrovaskulären waren makrovaskuläre Segmente in ihrer Innervierung kaum von solchen Peptiden besetzt. Die Freisetzung solcher Substanzen von peripheren Endigungen des vagalen Nervensystems lassen auch auf eine Bedeutung in diesem Zweig des autonomen Nervensystems schließen. Einflüsse auf weitere primäre sensorische Funktionen wie Barorezeptoren und Chemorezeptoren sind wahrscheinlich (51, 52).
Im Gehirn sind die Opiatrezeptoren in einem typischen Muster verteilt. Ein Gebiet mit einer hohen Dichte ist der mittlere Teil des Thalamus. Er ist die Haupteingangsstation des Gehirns und filtert einlaufende sensorische Informationen mit anschließender Weitergabe an die Großhirnrinde. Eine besondere Dichte der Opiatrezeptoren ist im limbischen System zu beobachten. Von dort ziehen Nervenbahnen zum Beispiel in den Hypothalamus, der die Hypophyse steuert. So ist es verständlich, daß sich emotionale Situationen im Hormonspiegelverhalten im ganzen Körper niederschlagen. Das "Startfieber" und der "Vorstartzustand" des Sportlers werden dadurch erklärlich. Die Verbindungen zwischen bestimmten Denkprozessen und "autonomen" Reaktionen wie zum Beispiel die Herzfrequenz werden hier moduliert. Auch der Locus coeruleus entsendet neuronale Projektionen in das limbische System. Neurotransmitter wie Noradrenalin und Dopamin können so durch die opioiden Peptide in ihrer Wirkung beeinflußt werden. Eine extrem hohe Konzentration an Opiatrezeptoren weist der Locus coeruleus selbst auf (7).
So läßt sich eine Verbindungskette herstellen von den verschiedenen Strukturen des Gehirns über das Rückenmark bis hin zur Regulation der Weite von Kapillaren und Arteriolen in der Skelettmuskulatur. Hämodynamische und metabolische Veränderungen über das Peptidsystem sind vorstellbar, die sich speziell unter muskulärer Beanspruchung äußern. Auf diesem Wege könnten auch die später beschriebenen Veränderungen unter Serotoninblockade beziehungsweise bei Dopaminagonismus verständlich werden (8, 11).


Effekte vonNeurotransmitterblockaden oder -intensivierungen
Serotonin, Dopamin und Noradrenalin sind die wichtigsten Neurotransmitter im sogenannten "Belohnungssystem" des Gehirns, dessen Entdeckung mit den Untersuchungen von Olds und Milner 1954 begann (31). De Meirleir et al. (10, 11, 12) untersuchten die spezifische Rolle von Serotonin und Dopamin in Verbindung mit Fahrradergometerarbeit. Für die Serotoninuntersuchungen wurde eine Serotoninblockade mittels Ketanserin benutzt. Die maximale Sauerstoffaufnahme wie auch die Herzschlagzahl in Ruhe und während Belastung wurden hiervon nicht beeinflußt, während der systolische Blutdruck bei Arbeit niedriger ausfiel. Die Laktatkurve zeigte eine Rechtsverschiebung im Sinne einer verbesserten aeroben Leistungsfähigkeit. Bei einer Belastungsstufe unterhalb von 60 Prozent der individuellen maximalen Sauerstoffaufnahme (entsprechend etwa 2 mmol/l Laktat im arteriellen Blut) beeinflußte Ketanserin in keiner Weise das Prolaktinverhalten. Bei einer Steigerung der Belastungsintensität über 60 Prozent der maximalen Sauerstoffaufnahme hinaus reduzierte es hingegen signifikant den belastungsbedingten Prolaktinanstieg (75prozentige Prolaktinabnahme). Andererseits konnten keine statistisch signifikanten Effekte hinsichtlich der Verhaltensweise von Wachstumshormon (GH), follikelstimulierendem Hormon (FSH) sowie von luteinisierendem Hormon (LH) beobachtet werden. Hingegen verursachte Ketanserin bei erschöpfender Belastung eine signifikante Abnahme auch von ACTH und TSH, im letzteren Fall schon bei Belastung im Bereich von 60 Prozent der maximalen Sauerstoffaufnahme (Grafik 3).
Da eine Blockade von Dopamin aufgrund von unterschiedlich gebauten Dopamin-Rezeptoren durch eine einzelne Substanz nicht möglich ist, benutzten De Meirleir et al. einen Dopamin-Agonisten, Pergolid (12). Dieser unterdrückte den normalen belastungsbedingten Prolaktinanstieg fast vollständig. Die Gonadotropine wurden in Körperruhe nicht beeinflußt. Bei Arbeit zeigte sich jedoch ein signifikanter LH-Anstieg im Vergleich zum Plazeboeffekt. Auch der üblicherweise beobachtete ACTH-Anstieg bei Arbeit wurde durch Pergolid völlig unterdrückt (Grafik 3). Die Herzschlagzahlen fielen in Ruhe und während der Arbeit signifikant reduziert aus, ähnlich einem Beta-Blockereffekt, doch im Gegensatz zu letzterem ohne Verringerung der maximal erreichbaren Herzschlagfrequenzen. Der systolische und der diastolische Blutdruck nahmen sowohl in Ruhe als auch auf gegebenen submaximalen Belastungsstufen ab. Die maximale Leistungsfähigkeit (VO2max) war signifikant vergrößert bei gleichzeitig signifikanter Verringerung des arteriellen Laktatspiegels bei gegebener submaximaler Arbeitsintensität. Somit gleichen die durch Dopaminverstärkung ausgelösten Effekte in hämodynamischer und metabolischer Hinsicht denen eines Ausdauertrainings.


Aminosäurenverhalten und -transport an der Blut-Hirn-Schranke
Aminosäuren spielen bei körperlicher Arbeit sowohl für Strukturprozesse als auch für den Energiestoffwechsel eine Rolle. Letzterer ist jedoch prozentual von geringerer Bedeutung. Bei Beanspruchungen auf allgemeine aerobe dynamische Ausdauer mit Belastungsintensitäten zwischen 50 Prozent und 70 Prozent der maximalen O2-Aufnahme kann die Proteinoxidation 3 bis 15 Prozent des gesamten Energiestoffwechsels abdecken. Das gilt vor allem bei Verringerung der intramuskulären Glykogendepots während langdauernder Arbeit. Mehrere Aminosäuren spielen bei Muskelarbeit eine wichtige physiologische und psychologische Rolle. Das betrifft besonders Leucin, Isoleucin, Valin, Tryptophan, Argenin, Ornithin und Glutamin. Freies Tryptophan ist die Vorstufe von Serotonin; Tyrosin von Dopamin, Adrenalin und Noradrenalin. Weder Tryptophan noch Tyrosin können im Gehirn synthetisiert werden. Ihren einzigen Gehirn-Zugangsweg stellt die Blut-Hirn-Schranke dar. Dort existieren mindestens drei verschiedene Transportsysteme. Der Transport der aromatischen und verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAA: Leucin, Isoleucin, Valin) erfolgt kompetitiv über den Aminosäurentransporter (Carrier) für große, neutrale Aminosäuren (LNAA) (Grafik 4). Die Transportrate wird dementsprechend von der Größenordnung der peripheren Plasmaspiegel bestimmt. Bei Ausdauerbelastung erfahren die BCAA eine stärkere Aufnahme von der Muskulatur. Dementsprechend sinkt der Plasmaspiegel dieser Aminosäuren (2, 46, 47, 48). Damit wächst an der Blut-Hirn-Schranke die Wahrscheinlichkeit, daß Tryptophan einen Carrier besetzen kann. Die Folge ist ein verstärkter Eintritt von Tryptophan in das Gehirn mit nachfolgender Umwandlung in Serotonin, da das zugehörige Enzym Tryptophanhydroxylase nicht mit Tryptophan gesättigt ist (13). In unseren Untersuchungen löste die artifizielle und belastungsinduzierte Erhöhung der freien Fettsäuren einen hochsignifikanten Anstieg des freien Tryptophans (Grafik 5) und des Quotienten aus freiem Tryptophan/BCAA aus. Die artifizielle Erhöhung der freien Fettsäuren in unphysiologisch hohe Bereiche führte zu keiner weiteren Zunahme des Quotienten freies Tryptophan/gebundenes Tryptophan (48).
Als weitere Einflußgröße auf die Serotoninsynthese im Gehirn während körperlicher Arbeit zogen wir Ammoniak in Betracht. Erhöhung der Ammoniakkonzentration im Gehirn kann dort Stoffwechselstörungen bewirken (5, 8, 15). Bei intensiver Belastung steigen die Ammoniakwerte beim Menschen hochsignifikant an. Dies beeinflußt die Serotoninsynthese beziehungsweise die Transporteigenschaften des L-Carriers hinsichtlich einer Zunahme des Transfers der LNAA (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 28, 29). Der Ammoniakanstieg bewirkt eine Zunahme von Glutamin (Gln) im Gehirn (28) und einen gesteigerten Transport von Gln über den L-Carrier aus dem Gehirn (29). Unter Mitwirkung von Gliazellen und Endothel wird bei Hyperammoniämie Gln vermehrt aus dem Gehirn transportiert und die Aufnahme der LNAA begünstigt. Es besteht hypothetisch die Möglichkeit, daß für die belastungsinduzierte Zunahme des Gehirn-Tryptophans und für den Prolaktinanstieg bei Ausdauerbelastungen nicht nur der periphere Anstieg der freien Tryptophanfraktion verantwortlich ist. Es könnte durch die gesteigerte Transportaktivität des Carriers für LNAA insgesamt die ins Gehirn transportierte Menge an Aminosäuren und damit auch an freiem Tryptophan erhöht werden. Dies würde auch den bereits unmittelbar nach Belastungsende absinkenden Prolaktinspiegel erklären, obwohl freies Tryptophan erst in den ersten zehn Erholungsminuten den höchsten Wert erreicht (Grafik 6).
Die angenehm gelöste, positive Stimmung nach sportlichen Belastungen kann aber auch noch andere biochemische Ursachen haben. So steigt in der Erholungsphase der während der körperlichen Belastung abgefallene Insulinspiegel wieder an. In Verbindung hiermit werden die verzweigtkettigen Aminosäuren, die im Blut zirkulieren, bei langdauernder Arbeit verstärkt von Muskelzellen aufgenommen. Das geschieht in Kompensation der nunmehr aufgrund der Belastungsdauer verringerten intramuskulären Glykogendepots. Da dies aber nicht für Tryptophan gilt, steigen dessen Chancen, an der Blut-Hirn-Schranke Aminosäuretransporter zu finden, ohne die Aminosäuren nicht in das Gehirn eintreten können. Der aus dem Tryptophan im Gehirn vermehrt gebildete Neurotransmitter hebt dann vermutlich über das limbische System die Stimmung (7, 8, 25). Ohnehin steigt bei körperlichen Belastungen, die länger als etwa 30 min andauern, der Tryptophanspiegel im Blut an, weil diese Aminosäure durch den Anstieg von freien Fettsäuren aus einer gebundenen in eine freie Form übergeht. Zudem nimmt die Konzentration an Noradrenalin und Dopamin zu, die als wichtige Neurotransmitter im Gehirn ebenfalls die Stimmung positiv beeinflussen können. Von diesen und weiteren, hier nicht aufzuführenden Befunden schließen wir auf eine enge
biochemische Verbindung zwischen Gehirnfunktion, Skelettmuskulatur und dem System von Herz, Kreislauf und Atmung (6, 18, 19, 20). Der inhibitorische Effekt von Serotonin auf die Nahrungsaufnahme veranlaßte uns,
die Konzentrationen von Serumtryptophan als Serotoninvorläufer und LNAA bei anorektischen trainierten Frauen zu untersuchen. Zweistündige Laufbandbelastungen mit 60 Prozent der maximalen Sauerstoffaufnahme ergaben einen nichtsignifikanten Anstieg von Tryptophan bei anorektischen im Vergleich zur signifikanten Abnahme des Tryptophanspiegels bei nichtanorektischen Sportlerinnen. Aus den Befunden kann geschlossen werden, daß bei anorektischen Sportlerinnen Veränderungen der serotoninergischen Gehirnfunktion in Zusammenhang stehen könnten zu Ernährungsgepflogenheiten und zur Größenordnung der Kalorienaufnahme (32).


Hypoxie, Hyperoxie und Neurotransmitter
Unter differenzierten O2-Partialdrücken in der Inspirationsluft werden in Verbindung mit körperlicher Arbeit unterschiedliche zentrale Steuerungsmechanismen deutlich. Es ist bekannt, daß unter Hypoxie die Arbeitsweise der Blut-Hirn-Schranke verändert ist (27). Eine Zunahme der Gehirndurchblutung, eine Vasodilatation des Kapillarbettes und ein Anstieg des Kapillardruckes konnten nachgewiesen werden. Wir untersuchten daher, welche der bekannten Reaktionen von Hormonen und Neurotransmittern bei verändertem O2-Partialdruck signifikante Beeinflussungen erkennen lassen. Aus den Ergebnissen sollten Rückschlüsse auf regulatorische Funktionen gezogen werden. Acht männliche, ausdauertrainierte Probanden absolvierten drei 60minütige Belastungen auf dem Fahrradergometer. Die einer Laktatkonzentration von 1,5 mmol/l entsprechende Belastungsintensität (186 ± 32 Watt) wurde mittels stufenförmig ansteigender Fahrradergometrie vor Untersuchungsbeginn bestimmt. In drei randomisiert durchgeführten Untersuchungsreihen wurde den Probanden normoxische, hyperoxische (100 Prozent O2) oder hypoxische (14 Prozent O2, 86 Prozent N2) Luft 30 min vor, während sowie 30 min nach der Belastung aus Druckflaschen über einen Lungenautomaten zugeführt.
Herzfrequenz, Laktat und subjektives Belastungsempfinden stiegen während der Belastung unter Hypoxie signifikant stärker an als unter Hyperoxie und Normoxie. Demgegenüber führte Hyperoxie zu höheren Ammoniakspiegeln. Unter Hypoxie und Normoxie wurden in Ruhe vor der Belastung keine signifikanten Veränderungen von Adrenalin, Noradrenalin, Testosteron, GH und ACTH festgestellt. Unter Hyperoxie nahmen in diesem Zeitraum Noradrenalin und Adrenalin ab. Während Belastung stiegen Adrenalin, Noradrenalin, Testosteron, GH und ACTH in allen Untersuchungsreihen signifikant an. Im Vergleich zu Normoxie und Hyperoxie fiel der Anstieg von Adrenalin, Noradrenalin, Wachstumshormon und ACTH unter Hypoxie signifikant größer aus. Testosterone und Serotonin unterschieden sich nicht signifikant in den Untersuchungsreihen. Hyperoxie induzierte einen extremen Prolaktinanstieg (400 Prozent) in der Ruhephase vor der Belastung (Grafik 7). Prolaktin nahm unter Hyperoxie während der Belastung ab, blieb jedoch im Vergleich zu Normoxie und Hypoxie signifikant erhöht.
Die unter Hypoxie erwartet höheren Werte von Herzfrequenz, Laktat, Adrenalin, Noradrenalin, GH und ACTH resultieren aus der erhöhten relativen Belastungsintensität. Unsere Befunde belegen, daß Prolaktin als einziger der von uns bestimmten Parameter bereits unter Ruhebedingungen auf hyperoxische Reize mit einem extremen Anstieg reagiert. Verminderung der inhibitorischen Wirkung des dopaminergen Systems und durch Sauerstoff induzierte Veränderungen in der Serotoninsynthese kommen als Ursache in Betracht. Die exakten zugrundeliegenden Mechanismen sind jedoch nicht bekannt.
Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 1996; 93: A-2033–2038
[Heft 31-32]
Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis im Sonderdruck, anzufordern über die Verfasser.


Anschrift für die Verfasser:
Prof. Dr. med. Dr. h. c. Wildor Hollmann
Institut für Kreislaufforschung und Sportmedizin
Deutsche Sporthochschule Köln
Carl-Diem-Weg 50933 Köln

1.Arentz T, De Meirleir K, Hollmann W: Die Rolle der endogenen opioiden Peptide während Fahrradergometerarbeit. Dt Z Sportmed 1986; 37: 210
2.Blomstrand E, Hassmén P, Ekblom B, Newsholme EA: Administration of branched-chain amino acids during sustained exercise - effects on performance and on plasma concentration of some amino acids. Eur J Appl Physiol 1991; 63: 83
3.Blundell JE: Serotonin and appetite. Neuropharmacology 1984; 23: 1537
4.Brown BS, Payne P, Kim C, Moore G, Krebs P, Martin W: Chronic response of rat brain norepinephrine and serotonin levels to endurance training. J Appl Physiol 1979; 46: 19
5.Cardelli-Cangiano P, Cangiano C, James HJ, Ceci F, Fischer JE, Strom R: Effect of ammonia on amino acid uptake by brain microvessels. J Biol Chem 1984; 529: 5295
6.Cavero I, Lefevre-Borg F, Lhoste F, Sabatier C, Richer C, Guidicelli JF: Pharmacological, hemodynamic and automatic nervous system mechanisms responsible for the blood pressure and heart rate lowering effects of pergolide in rats. J Pharmacol Exper Ther 1984; 228: 779
7.Changeux JP: Der neutrale Mensch. Hamburg: Reinbeck 1984
8.Chaouloff F: Physical exercise and brain monoamines: a review. Acta Physiol Scand 1989; 137: 1
9.De Meirleir, Arentz T, Hollmann W, Van Haelst L: The role of endogenous opiates in thermal regulation of the body during exercise. Brit Med J 1985; 290: 739
10.De Meirleir K, L'Hermite-Balériaux M, L'Hermite M, Rost R, Hollmann W: Evidence for serotoninergic control of exercise-induced prolactin secretion. Hormone and Metabol Res 1985; 17: 380
11.De Meirleir K, Schmitz J, Van Steirteghem A, L'Hermite M, Hollmann W: Dopaminergic and serotoninergic neurotransmitter systems are involved in exercise-induced release of adenophypophyseal hormones. Copenhagen: 6th Internat Symposium Biochem of Exercise 1985
12.De Meirleir K, Gerlo F. Hollmann W, Van Haelst L: Cardovascular effects of pergolide mesylate during dynamic exercise. Brit J Clin Pharmacol 1987; 23: 633
13.Fernström D: Role of precursor availability in control of monoamine biosynthesis in brain. Physiol Rev 1983; 63: 484 14.Fischer HG, Hollmann W, De Meirleir K: Exercise changes in plasma tryptophan fractions and relationship with prolactin. Int J Sports Med 1991; 12: 487
15.Fischer JE, Rosen HM, Ebeid AM, James JH, Keane JM Soeters PB: The effect of normalization of plasma amino acids on hepatic encephalopathy in man. Surgery 1976; 80: 77
16.Herholz K, Buskies B, Rist M, Pawlik G, Hollmann W, Heiss WK: Regional cerebral blood flow in man at rest and during exercise. J Neurol 1987; 234: 9
17.Herzog H, Unger C, Kuwert T et al: Physical exercise does not increase cerebral metabolic rate of glucose utilisation. Miami/USA: XVth Internat Symposium on Cerebral Blood Flow and Metabolism 1992
18.Hollmann W, De Meirleir K: Gehirn und Sport - hämodynamische und biochemische Aspekte. Dt Z Sportmed 1988; 39: 56 (Sonderheft)
19.Hollmann W, De Meirleir K, Fischer HG, Holzgraefe M: Über neuere Aspekte von Gehirn, Muskelarbeit, Sport und Psyche. Dt Z Sportmed 1993; 44: 478
20.Hollmann W, Fischer HG, De Meirleir K, Herzog H, Herzholz K, Feinendegen LE: The brain - reginal cerebral blood flow, metabolism and psyche during ergometer exercise. In: Bouchard C, Shephard RJ, Stephans T eds: Physical activity, fitness and health. International proceedings and consensus statement. Champaign/II 1994
21.Hollmann W, Völker KJ, Heck H, Rost R, De Meirleir K: Über das arterielle Blutdruckverhalten des atrialen natriuretischen Peptides (ANP) sowie von Neurotransmittern des Gehirns. Z Kardiol 1989; 78: 211 (Suppl 7)
22.Hughes J, Smith TW, Kosterlitz HW, Fothergill LA, Morgan MA, Morris HR: Identification of two related pentapeptides from the brain with potent opiate agonist activity. Nature 1975; 258: 577
23.Ingvar DH, Philipson L: Distribution of cerebral blood flow in the dominant hemisphere during motor ideation and motor performance. Ann Neurol 1977; 2: 230
24.Ingvar DH: Serial aspects of language and speech related to prefrontal cortical activity. A selective review. Hum Neurobiol 1983; 2: 177
25.Isaacson RL: The limbic system. New York: Plenum 1974
26.James JH, Jeppson B, Ziparo V, Fischer JE: Hyperammonemia, plasma amino acid imbalance and blood-brain amino acids transport: a unified theory of portal-systemic encephalopathy. Lancet 1979; K II: 772
27.Lataste X: The blood-brain-barrier in hypoxia. Int J Sports Med 1992; 13: 45
28.Mans AM, Biebuyck JF, Hawkins RA: Ammonia selectively stimulates neutral amino acid transport across blood-brain barrier. Am J Physiol 1983; 245: 74
29.Mans AM, Biebuyck RA, Hawkins RA: Brain tryptophan abnormalities in hyperammoneamia and liver disease. In: Bender DA, Joseph MH, Kochen W, Steinhart H Hrsg: Progress in tryptophan and serotonin research 1986. Berlin 1987
30.Marti B: Körperbewegung und Stimmungslage. Dt Z Sportmed 1992; 43: 336
31.Olds, J, Milner P: Positive reinforcement produced by electrical stimulation of septal area and other regions of brain. J Comp Physiol Psychol 1954; 47: 419
32.Platen P, Gotzmann A, Keizer H et al: Differences in the exercise-induced changes of serum tryptophan (TRP) and the large-neutral-amino-acid (LNAA)/TRP-ratio in anorrectic and eumenorrhoic runners. Presented at the American College of Sports Medicine Annual Meeting 1992. Medicine in Sports and Exercise 5: 431 (Suppl 25, Abstr)
33.Rogers HB, Schroeder C, Secher NH, Mitchell JH: Cerebral blood flow during static exercise in humans. J Appl Physiol 1990; 68: 2358
34.Roland PE, Larsen B: Focal increase of cerebral blood flow during stereognostic testing in man. Arch Neurol 1976; 33: 551
35.Roland PE, Larsen B, Lassen NA, Skinhøy E: Supplementary motor area and other cortical areas in organization of voluntary movements in man. J Neurophysiol 1980; 43: 118
36.Roland PE, Skinhøy E: Extrastriate cortical areas activated during visual stimulation in man. Brain Res 1981; 222: 166
37.Roland PE, Skinhøy E, Lassen NA: Focal activation of human cerebral cortex during auditory discrimination. J Neurophysiol 1981; 45: 1139
38.Roland PE, Meyer E, Shibasaki T, YamamotoYL, Thompson CJ: Regional cerebral blood flow changes in cortex and basal ganglia during voluntary movements in normal human volunteers. J Neurophysiol 1982: 467
39.Roland PE, Friberg L: Localization of cortical areas by thinking. J Neurophysiol 1985; 53: 1219
40.Schwarz L, Kindermann W: Beta-Endorphin, Kortisol und Katecholamine während fahrradergometrischer Ausdauerbelastungen und Feldtestuntersuchungen. Dt Z Sportmed 1989: 160
41.Segura R, Ventura JL: Effects of L-tryptophan supplementation on exercise performance. Int J Sports Med 1988; 9: 301
42.Sologub JB: Elektronenenzephalographie im Sport. Leipzig: Barth 1976
43.Solomon GF, Moos RH: Emotions, immunity and disease. A speculative theoretical integration. Arch Gen Psychiatry 1964; 11: 657
44.Squire LR: The hippocampus and the neuropsychology memory. In: Seifert W ed: Molecular, celluar and behavioral neurobiology of the hippocampus. New York: Academic Press 1983
45.Stensrud T, Ingjer F, Holm H, Stomme SB: L-tryptophan supplementation does not improve running performance. Int J Sports Med 1992; 13: 481
46.Strüder HK, Weber K, Ferrauti A, Hollmann W: Amino acid metabolism and central fatigue in tennis. Int J Theory Prac Phys Cult 1994; 0: 34
47.Strüder HK, Hollmann W, Duperly J, Weber K: Amino acid metabolism in tennis and its possible influence on the neuroendocrine system. Br J Sp Med 1995; 29: 28
48.Strüder KH, Hollmann W; Platen P, Duperly J, Fischer HG, Weber K: Alterations in plasma free tryptophan and large neutral amino acids do not affect perceived exertion and prolactin during 90 min of treadmill exercise. Int J Sports Med 1996; 17: 73
49.Suemaru S, Hashimoto K, Hattori T, Inoue H, Kageyama J, Ota Z: Starvation-induced changes in rat brain corticotrophin-releasing factor (CRF) and pituitary-adrenocortical response. Life Sci 1986; 39: 1161
50.Thomas SN, Schroeder T, Secher NH: Cerebral blood flow during submaximal and maximal dynamic exercise in humans. J Appl Physiol 1989; 67: 744
51.Weihe E: Peripheral innervation of the heart. In: Arnim von T, Marx A eds: Silent ischemia. Darmstadt: Steinkopff 1987
52.Weihe E, Nohr D, Gauweiler B, Fink T, Nowak E, Konrad S: Immunohistochemical evidence for a diversity of opioid coding in peripheral sympathetic, parasympathetic and sensory neurones: a general principle of prejunctional opioid autoinhibition? In: Illes P, Frasang C eds: Regulatory role of opioid peptides. Weinheim: V C H 1988

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