Erst ab etwa Mitte der 1980er Jahre wurde nachgewiesen, dass selbst einfache Formen muskulärer Beanspruchung wie langsames Gehen die regionale Gehirndurchblutung signifikant steigern. Bis dahin bekam man in der medizinischen Ausbildung vermittelt, dass über körperliche Aktivität die Gehirndurchblutung nicht beeinflusst werden kann (Hollmann u. Strüder 2001). Inzwischen kennt man zahlreiche Adaptionen auf zellulärer, molekularer und neurochemischer Ebene, die durch Bewegungsformen unterschiedlicher Art, Dauer und Intensität verursacht werden. Dabei macht Sport und Bewegung auch nicht vor höheren geistigen Leistungen wie den exekutiven Funktionen Halt. Die in dieser Arbeit untersuchten exekutiven Funktionen, die durch körperliche Aktivität, und dabei vor allem durch Kraft-Ausdauerbelastungen, beeinflusst werden, beziehen sich auf das Arbeitsgedächtnis zur aktiven Aufrechterhaltung aufgabenrelevanter Informationen und auf die Inhibition automatisierter Antworten beziehungsweise inadäquater Reaktionen. Die exekutiven Funktionen des Arbeitsgedächtnisses liegen zum einen darin, Informationen kurzzeitig zu speichern, damit sie für weitere Operationen zur Verfügung gestellt werden können. Zum anderen überführt das Arbeitsgedächtnis Informationen in das Langzeitgedächtnis und holt sie daraus wieder zurück, um die Informationen erneut verfügbar zu machen und sie so einzusetzen, dass dadurch komplexe kognitive Funktionen und zielgerichtetes Verhalten entstehen können. Die Inhibition ermöglicht flexibles Verhalten, indem sie vorherrschende Reaktionstendenzen verzögert oder verhindert, wenn diese nicht situationsadäquat sind. Die Fähigkeit, Verhalten zu hemmen, ermöglicht es, diejenigen Aktivitäten oder Handlungen zu vermeiden, die einem angestrebten Ziel entgegenstehen. `Sitz` des exekutiven Systems ist im Wesentlichen das Frontalhirn, wobei innerhalb des Stirnhirns der präfrontale und der anteriore cinguläre Cortex am häufigsten mit exekutiven Funktionen in Verbindung gebracht werden. Sowohl bei der Inhibition als auch beim Arbeitsgedächtnis sind der dorsolaterale präfrontale und der anteriore cinguläre Cortex beteiligt, allerdings mit unterschiedlicher Gewichtung. Während das Arbeitsgedächtnis vermehrt auf eine Aktivierung des dorsolateralen präfrontalen Cortex angewiesen ist, liegt der Inhibition verstärkt eine Aktivierung des anterioren Cingulums zugrunde. Da die Aktivierung des cingulären Cortex wahrscheinlich mit einer Zeitverzögerung zu der des präfrontalen Cortex einsetzt, geht man davon aus, dass Kontrollfunktionen des cingulären Cortex vom Input des präfrontalen Cortex abhängen, der reziprok mit dem cingulären Cortex verschaltet ist. Gleichzeitig wird die Ansicht vertreten, dass die Inhibition zur Funktion des Arbeitsgedächtnisses beiträgt. Das Zusammenwirken dieser beiden komplexen Hirnstrukturen und in Folge dessen auch die Beziehung zwischen den beiden exekutiven Funktionen der Inhibition und dem Arbeitsgedächtnis, ist bis heute noch nicht abschließend geklärt. Als neuropsychologische Testverfahren zur Messung des Arbeitsgedächtnisses wurden in den Untersuchungen zur Depression und zur akuten Ermüdung ein Switch und ein Flanker-Paradigma eingesetzt. Mit Hilfe der Switch-Aufgabe kann die Handlungsplanung unter besonderer Berücksichtigung des Arbeitsgedächtnisses überprüft werden. Beim Flanker-Test muss ein Störreiz mit vergleichbaren Eigenschaften des Zielstimulus ignoriert werden. Mit Hilfe des Arbeitsgedächtnisses wird dabei während der Aufgabenausführung die Aufgabenstellung aufrecht erhalten. Zur Messung der Inhibitionsleistung wurden computerisierte Stroop- und GoNogo-Testverfahren verwendet, wodurch in erster Linie die Fähigkeit gemessen wird, wie gut inadäquate Reize sowohl im verbalen als auch im nonverbalen Bereich unterdrückt werden können. Durch den Einsatz dieser Testverfahren konnte nachgewiesen werden, dass akute Ausdauerbelastungen bei depressiven Patienten zur Verbesserung von Inhibitionsleistungen führen können, die über eine stärkere Aktivierung des ACC erklärt werden, der eine relativ hohe Dichte an serotonergen und dopaminergen Nervenzellen aufweist. Jeder dieser Neurotransmitter kann durch körperliche Belastung verändert werden. Beispielsweise ist es wahrscheinlich anzunehmen, dass sich die Serotoninkonzentration in Verbindung mit einer Ausdauerbelastung durch den Anstieg freier Fettsäuren ab ca. 30 Minuten erhöht. Eine Steigerung der Dopaminkonzentration kann bereits nach 20 Minuten einsetzen und über eine Stunde anhalten. Diese Adaptionen können zur Besserung exekutiver Funktionen depressiver Patienten durch eine einmalige Ausdauerbelastung beitragen, da Depressionen häufig von reduzierten Neurotransmitterkonzentrationen vor allem des serotonergen Systems begleitet werden. Bildgebende Studien und Untersuchungen zur therapeutischen Wirksamkeit im Zusammenhang von körperlicher Aktivität und exekutiven Funktionen sollten folgen, damit tatsächlich nachgewiesen werden kann, ob Ausdauerbelastungen eine Steigerung der Aktivierung im cingulären Cortex erzielen können und ob die Verbesserung der exekutiven Funktionen depressiver Patienten über die Zeit stabil bleibt. Bei älteren Menschen konnte dies bereits gezeigt werden. So führt ein regelmäßiges Ausdauertraining über ca. 6 Monate zu einer verbesserten Inhibition und auch zur Verbesserung der Arbeitsgedächtnisleistung, was ebenfalls durch eine Steigerung der Neurotransmitterkonzentrationen bedingt sein kann, die - ohne Training - mit zunehmendem Alter zurückgehen. Ein überdauerndes Ausdauertraining führt weiterhin zu einem trainingsbedingten Anstieg der maximalen Sauerstoffaufnahme, die zu einer stärkeren Sauerstoffsättigung in den aufgabenrelevanten Hirnbereichen führen kann. Untersuchungen mit der funktionelle Magnetresonanztomographie belegen, dass trainierte ältere Menschen unter anderem im Brodmann Areal 46 des präfrontalen Cortex eine stärkere aufgabenbezogene Aktivierung aufweisen. Die gesteigerte Leistungsfähigkeit in diesem und weiteren Hirnrarealen des Aufmerksamkeitsnetzwerkes führt zu einer Konfliktreduzierung, die am Rückgang der Reaktionszeiten und an der Reduzierung der aufgabenbezogenen Aktivierung im ACC ersichtlich wird, der für die Überwachung von Antwortkonflikten zuständig ist. Während im Zusammenhang mit Alter und Depression moderate Belastungsformen und -intensitäten untersucht wurden, befasst sich die vorgestellte Untersuchung zur akuten Ermüdung mit einer intensiven muskulären Beanspruchung, die bis zum Langzeitübertraining mit gesundheitsschädigenden Folgen führen kann. Akute Ermüdung, die einem Kurz- und Langzeitübertraining vorausgeht, führt nach bisherigen Erkenntnissen nicht zur Beeinträchtigung exekutiver Funktionen. Da übertrainierte Sportler häufig auch depressive Symptome aufweisen, ist anzunehmen, dass im Verlauf einer Entwicklung von der akuten Ermüdung über das Kurzzeit- zum Langzeitübertraining exekutive Funktionen zunehmend geschwächt werden. Da die in der Sportmedizin bislang eingesetzten Laborparameter eine Frühdiagnostik des Übertrainingssyndroms nicht ermöglichen, sollte überprüft werden, ob dies über die computerisierte Messung exekutiver Funktionen möglich ist. Bislang wurde also nachgewiesen, dass exekutive Funktionen vor allem dann durch Kraft-Ausdauerbelastungen gefördert werden, wenn sie aufgrund des Alters oder einer Depression nicht optimal funktionieren. Da die vollständige Entwicklung und damit auch die Ausbildung der Funktionen des exekutiven Systems bis in das Erwachsenenalter andauert, sollte zukünftig auch untersucht werden, ob und wenn ja in welchen Entwicklungsphasen das exekutive System von bestimmten Formen muskulärer Beanspruchung profitieren kann. Da das exekutive System von Kindern und Jugendlichen gleichzeitig mit der Lernleistung sowie mit emotionalen Abläufen wie aggressivem und emphatischem Verhalten und so auch mit dem Temperament Heranwachsender korreliert, sind neurowissenschaftliche Erkenntnisse zu diesem Themenbereich und in dieser Altersgruppe im Besonderen für die Bildungsforschung von Bedeutung. Unter der Voraussetzung, dass über muskuläre Beanspruchung Entwicklungsprozesse des exekutiven Systems und damit auch kognitive Prozesse wie Lernleistungen sowie die emotionale Entwicklung gefördert werden, ließen sich daraus Richtlinien für die Inhalte und die zeitliche Einbettung des Sportunterrichts in den Schultag und für gezielte Bewegungskonzepte in Kindergärten ableiten. Bereits seit einigen Jahren wird auf Grundlage neurowissenschaftlicher Erkenntnisse zur körperlichen Aktivität und kognitiven Prozessen ein Umdenken der Schulen gefordert (Ameri 2001). Dabei müssen vor allem Bildungspolitiker ebenso wie Schulleiter, Lehrer und Eltern den Sportunterricht verstärkt fördern. Auch die Bewegungsneurowissenschaft sollte dazu in den kommenden Jahren ihren Beitrag leisten. Sie sollte ebenfalls verstärkt das Zusammenwirken von körperlicher Aktivität, von exekutiven und weiteren kognitiven, aber auch von emotionalen und sozialen Funktionen während der Gehirnentwicklung untersuchen: "Ein riesiges unbearbeitetes Forschungsfeld bedarf der weiteren Bearbeitung" (Hollmann u. Strüder 2001, 26).
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