Relationship between physical activity, fitness and brain morphology in youth

Abstract

Yhä useammat tutkimukset ovat havainneet yhteyden fyysisen aktiivisuuden, fyysisen kunnon ja kognitiivisten kykyjen välillä, mutta tätä yhteyttä selittävät tekijät ja siihen liittyvät muutokset aivojen rakenteissa ovat vielä varsin epäselviä. Tässä tutkimuksessa oli tarkoitus selvittää, onko fyysisellä aktiivisuudella tai fyysisellä kunnolla yhteyttä aivojen rakenteeseen nuorilla. Tutkimuksen koehenkilöt olivat 35 suomalaista nuorta (14.14 ±0.71 vuotta, 23 tyttöä & 12 poikaa), otanta laajemmasta AFIS (Active, Fit and Smart) -tutkimusprojektista. Tutkimuksessa mitattiin fyysistä aktiivisuutta objektiivisilla kiihtyvyysanturimittareilla, fyysistä kuntoa lasten ja nuorten mittaamiseen tarkoitetulla kuntotestipatteristolla sekä aivojen rakennetta magneettikuvantamisen avulla. AFIS -tutkimusprojektin suuremmasta koehenkilömäärästä muodostettiin kaksi ryhmää fyysiseen aktiivisuuteen perustuen, aktiiviset (n=18) ja passiiviset (n=17). Aktiivisuus määriteltiin keskimääräisenä päivittäisenä aikana, joka vietettiin keskiraskaalla tai raskaalla aktiivisuustasolla. Fyysisen aktiivisuuden yhteyttä aivojen rakenteeseen tutkittiin vertailemalla näitä kahta ryhmää keskenään kovarianssianalyysin avulla, kontrolloiden iän, puberteetin vaiheen sekä painoindeksin vaikutus. Fyysisen kunnon yhteyttä aivojen rakenteeseen tarkasteltiin kuntotestien tulosten sekä valittujen aivoalueiden välisillä korrelaatioilla. Tutkimuksessa havaittiin fyysisellä aktiivisuudella olevan positiivinen yhteys oikean parahippokampaalisen korteksin paksuuteen [F(1, 30)=4.44, p<0.05)]. Fyysisesti aktiivisilla henkilöillä oikea parahippokampaalinen korteksi oli paksumpi verrattuna vähemmän aktiivisiin henkilöihin. Fyysisellä aktiivisuudella havaittiin myös yhteys vasemman parasentraalisen korteksin paksuuteen, mutta tämän yhteyden merkitsevyys katosi iän kontrolloimisen myötä [F(1, 30)=2.50, p=0.12)]. Fyysisesti aktiivisemmilla henkilöillä vasen parasentraalinen korteksi oli paksumpi kuin vähemmän aktiivisilla henkilöillä, mutta vanhemmilla koehenkilöillä korteksi oli ohuempi kuin nuoremmilla. Mikään muu tutkittu aivoalue ei ilmentänyt yhteyttä fyysisen aktiivisuuden kanssa, eikä mikään fyysisen kunnon osa-alue ja tutkittujen aivoalueiden välinen korrelaatio saavuttanut merkitsevää tasoa. Tulokset viittaavat parahippokampaalisen korteksin olevan erityisen altis fyysisen aktiivisuuden aiheuttamille muutoksille nuoruudessa. Lisäksi tuloksista voidaan päätellä, ettei fyysisen aktiivisuuden tarvitse välttämättä kohottaa fyysistä kuntoa, jotta aivojen rakenteessa voi tapahtua muutoksia.

Growing evidence has displayed a relationship between physical activity, fitness and cognitive functions, yet the underlying mechanisms and changes in brain morphology explaining this connection are still quite unknown. The current study examined whether physical activity or physical fitness is related to regional brain volume or cortical thickness in youth. The subjects were 35 Finnish adolescents (14.14 ±0.71 years, 23 females & 12 males), a subsample from Active, Fit and Smart (AFIS) – research project. Measurements included objective physical activity measurement with accelerometers, physical fitness test battery and brain imaging procedure with magnetic resonance imaging (MRI). From the larger study sample of the AFIS – research project, two groups were formed based on the physical activity measurements, active (n=18) and non-active (n=17). The active group included the most physically active subjects, measured as the average daily time involved in moderate-to-vigorous activity, and the non-active group included the most inactive subjects. The relationship between physical activity and brain morphology was examined by comparing the two groups using the analysis of covariance, controlling the effect of age, puberty status and body mass index. The relationship between physical fitness and brain morphology was examined by looking at correlations between the physical fitness tests and chosen brain variables. It was found, that physical activity had a positive relationship with the thickness of the right parahippocampal cortex [F(1, 30)=4.44, p<0.05)]. Physically more active subjects expressed a thicker right parahippocampal cortex compared to less active subjects. A relationship was also found between physical activity and the thickness of the left paracentral cortex, yet this finding lost significance after controlling the effect of age [F(1, 30)=2.50, p=0.12)]. Physically more active subjects expressed a thicker left paracentral cortex than less active subjects, whereas older subjects expressed a thinner left paracentral cortex compared to younger subjects. No other brain region displayed a connection with the level of physical activity and no significant correlations were detected between different components of physical fitness and the brain variables. These findings imply that the area of right parahippocampal cortex might be especially susceptible to physical activity induced changes in youth, and that physical activity does not necessarily have to improve physical fitness to cause changes in brain morphology.