Korkeaintensiteettisen intervalliharjoituksen akuutit vaikutukset aivojen lepoaktiivisuuteen 16-17-vuotiailla nuorilla : MEG-tutkimus

Abstract

Liikunta saa aikaan rakenteellisia, neurokemiallisia sekä neurofysiologisia muutoksia aivoissa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää polkupyöräergometrilla suoritetun yksittäisen korkeaintensiteettisen intervalliharjoituksen (HIIT) akuutteja vaikutuksia aivojen lepoaktiivisuuteen 16-17-vuotiailla nuorilla (n=6). Tarkastelun kohteiksi valittiin alfan ja betan taajuuskaistojen huipputaajuudet. Tutkittavat osallistuivat kahteen MEG-mittaukseen: HIIT-mittaukseen ja kontrollimittaukseen. Mittausten järjestys vaihteli siten, että joka toinen tutkittava tuli ensin HIIT-mittaukseen ja joka toinen kontrollimittaukseen. Molemmat MEG-mittaukset alkoivat aivojen lepoaktiivisuuden mittauksella ja Stroop-tehtävällä. Stroop-tehtävä on yleisesti käytetty kognitiivinen testimenetelmä, jolla mita-taan automatisoituneen toiminnan ja epäolennaisten ärsykkeiden inhibitiota. HIIT-mittauksessa tutkittava suoritti polkupyöräergometrilla 20 minuutin korkeaintensiteettisen intervalliharjoituksen ja kontrollimittauksessa tutkittava istui vastaavan ajan paikoillaan. Tämän jälkeen toistettiin aivojen lepoaktiivisuuden mittaus sekä Stroop-tehtävä ja mitattiin lopuksi vielä kertaalleen aivojen lepoaktiivisuus. Analyysivaiheessa laskettiin lepomittausten spektrit ennalta määriteltyjen sensoritason kanavakeskiarvojen mukaisesti. Lisäksi kokeiltiin soveltaa Fourier-ICA:a huipputaajuuden muutosten spatiaalisten erojen selvittämiseksi. Tuloksia tarkasteltiin sekä ryhmä että yksilötasolla. Alfan osalta havaittiin tilastollisesti merkitsevä huipputaajuuden siirtymä korkeammille taajuuksille HIIT:in seurauksena yhdessä sensomotoriselle alueelle sijoittuvassa ICA-komponentissa. Yksilötason tarkastelussa havaittiin, että huipputaajuuden muutokset olivat yleisesti ottaen yksilöllisiä, lyhytkestoisia ja aluespesifisiä. Kahdella tutkittavalla alfan huipputaajuus laski aluespesifisesti matalammille taajuuksille HIIT:in seurauksena, kun muilla tutkittavilla huipputaajuus pääsääntöisesti nousi kaikilla alueilla. HIIT-mittauksessa havaittua huipputaajuuden nousua korkeammille taajuuksille ei ollut havaittavissa kontrollimittauksessa. Betan huipputaajuuden muutoksia tarkasteltiin ainoastaan kahden tutkittavan osalta, joten tilastollista tarkastelua ei betan osalta tehty. Molemmilla tutkittavilla betan huipputaajuus nousi HIIT:in seurauksena. Muutokset olivat selkeimmin nähtävissä sensomotorisella alueella ollen yksilötasolla noin kaksinkertaiset alfan huipputaajuuden muutoksiin verrattuna. Tulosten perusteella yksittäinen korkeaintensiteettinen intervalliharjoitus vaikuttaa yksilöllisesti, lyhytaikaisesti ja aluespesifisesti sekä alfan että betan huipputaajuuksiin. Tutkimuksen otos oli pieni, joten kaikki tulokset ovat ainoastaan suuntaa antavia, eikä mitään yleistyksiä voida tämän tutkimuksen perusteella tehdä.

Physical exercise has an impact on brain structure, neurochemistry and neurophysiology. The aim of this study was to examine the acute effects of a single bout of high-intensity interval training (HIIT) exercise on resting state of brain in adolescents aged 16-17 years (N=6). The focus of this study was on individual alpha and beta peak frequencies. The subjects completed two MEG measurements, in such way that every other subject participated first in a HIIT measurement and every other in a control measurement. Both of the MEG measurements started with a resting state measurement and a Stroop task. The Stroop task is widely used cognitive test method, which measures inhibition of automated action and irrelevant stimuli. In the HIIT measurement subjects completed a 20-minute high-intensity interval protocol with a bicycle ergometer and in the control measurement subjects sat still for 20 minutes instead of the exercise. After that the resting state measurement and the Stroop task were repeated and finally resting state activity was measured again in both of the MEG measurements. In analysis phase, resting state spectra were calculated in predefined sensory channel clusters. Additionally, group level Fourier ICA (independent component analysis) was experimentally applied to examine spatial differences of peak frequency changes more in detail. The results were inspected at both individual and group level. A statistically significant shift in alpha peak frequency to higher frequencies was observed as a result of the HIIT protocol in one ICA component located in the sensorimotor area. At the individual level, peak frequency changes were broadly individual, short-term and brain region specific. The alpha peak frequency of two subjects shifted to lower frequencies on a region specific basis, while the alpha peak frequency of other subjects generally increased in all regions as a result of the HIIT protocol. Beta peak frequency changes were inspected only for two subjects, so the statistical analysis was not performed. Beta peak frequency increased as a result of the HIIT protocol for both of the subjects. Changes were most noticeable in sensorimotor area being at the individual level approximately twice as large as alpha peak frequency changes. Alpha and beta peak frequency shifts to higher frequencies detected in the HIIT measurement were not detected in the control measurement. On the grounds of this study, a single bout of high-intensity interval exercise has individual, short-term and brain region specific effects on alpha and beta peak frequencies. However, the sample size of this study was small, therefore all the results are only indicative and no generalizations can be made based on this study.