How Can Aerobic Exercise Slow Down the Progression of Motor Symptoms?
Hur kan aerob träning sakta ner framfarten av motor symptom?
We tend to think of aerobic forms of exercise such as cycling or running primarily in terms of how they affect our bodies. Many people engage in aerobic exercise to tone their muscles and reduce their body fat. While these influences are highly valuable and interesting in their own right, they are not the primary reasons for why we have started to think of aerobic exercise as a complementary treatment option for individuals with neurodegenerative disorders such as Parkinson’s disease. In addition to working out muscles and burning fat, aerobic exercise also temporarily reduces the amount of oxygen that is available in our blood and puts increased amounts of stress on the walls of our blood vessels. Our brains adapt to these events by initiating a whole host of cellular and molecular processes that contribute to maintaining the health of brain cells and the connections that these cells use to communicate with each other. The general improvement in brain health that follows from engaging in aerobic exercise partially counteracts the neurodegenerative processes that Parkinson’s disease is associated with and has the potential to slow down the progression of symptoms.
In 2019, we published a study which showed that individuals with early-stage Parkinson’s disease who engaged in a 6-month long home-based aerobic exercise intervention experienced slower worsening of motor symptoms compared to individuals who were assigned to an active control group. We were of course very excited by this result because it confirmed that aerobic exercise has the potential to influence disease progression in a positive way. However, we still lacked a mechanistic view of how aerobic exercise achieves this positive influence by altering brain function and structure. We recently published a paper where we addressed this question through an analysis of MRI data from a subset of individuals who participated in the 2019 study.
The MRI data we acquired allowed us to look at how aerobic exercise influences Parkinson’s disease-related changes in communication between areas of the brain. We were especially interested in communication between two regions that are involved in the control and execution of movements: the sensorimotor cortex and the putamen. The putamen requires dopamine to function properly. As dopamine levels in the brain decrease, communication between the putamen and sensorimotor cortex becomes increasingly dysfunctional, which gives rise to motor symptoms such as slowness and difficulties with initiating movements. In our study, we observed that aerobic exercise led to a reduction in communication between the sensorimotor cortex and the posterior segment of the putamen where dopamine loss is most severe. Interestingly, this reduction was accompanied by an increase in communication with the anterior putamen, which is normally involved in more cognitive processes such as decision-making and planning that are affected in later stages of Parkinson’s disease. By relying more heavily on the anterior putamen, the sensorimotor cortex may be able to maintain control over movements for a longer period of time, which could partially explain why individuals who engaged in aerobic exercise did not show any noticeable worsening of motor symptoms.
We then looked at how aerobic exercise influenced brain structure and cognitive control to get a broader view of how aerobic exercise influences Parkinson’s disease-related changes outside of the brain’s motor system. In terms of brain structure, we found a reduction in brain atrophy in the aerobic exercise group compared to the active control group. This reduction in brain atrophy could indicate that aerobic exercise slows down neurodegenerative processes that drive symptom progression.
In addition to MRI scans, we acquired data from a cognitive test that measures control over automatic movements. Here, we observed that individuals in the aerobic exercise group became better at preventing automatic and incorrect movements in favor of executing voluntary and correct movements. We went back to our MRI data to test whether this improvement in cognitive control was associated with changes in communication in related networks of the brain. Interestingly, we observed that the aerobic exercise group showed increased communication in a network of brain regions known as the frontoparietal network. Furthermore, increases in network communication was accompanied by greater increases in fitness. The frontoparietal network is involved in adjusting the amount of cognitive control that you need for a specific situation, for example when you need to focus on performing a task without getting distracted. Stronger communication in the frontoparietal network may help individuals with Parkinson’s disease by enabling them to exert more control over their movements in order to overcome some of their motor symptoms.
The slowing effect that aerobic exercise has on disease progression during Parkinson’s disease is likely a result of many different interacting mechanisms. Our study provides a brief glimpse into a few of the many ways in which aerobic exercise can influence the brain during Parkinson’s disease. It will be an exciting task for future research to try and disentangle these mechanisms and their unique contributions from each other so that they can be used as foundations for the development of more precise interventions.
När vi tänker på aerob träning som cykling eller löpning så brukar vi fokusera på hur dessa träningsformer påverkar våra kroppar. Många av oss använder aerob träning för att tona våra muskler eller reducera vårat kroppsfett. Dessa mål är givetvis viktiga och intressanta i deras egen rätt, men de är inte de främsta anledningarna för varför vi har börjat tänka på aerob träning som ett komplement till behandlingar för individer med neurodegenerativa åkommor såsom Parkinson’s sjukdom. Förutom att träna muskler och bränna fett så leder aerob träning till en temporär redution av syre i vårt blod samtidigt som våra blodkärl utsätts för mer stress. Våra hjärnor anpassar sig till dessa förändringar genom att sätta igång en rad cellulära och molekylära processer som hjälper till att underhålla hjärnceller och de förbindelser som dessa celler använder för att kommunicera med varandra. Den generalla förbättringen av hjärnans hälsa som aerob träning bär med sig kan delvis motverka de neurodegenerativa processer som Parkinson’s sjukdom associeras med och har potentialen att kunna sakta ner förvärringen av symptom.
Vi publicerade en studie år 2019 som visade att individer med Parkinson’s sjukdom som deltog i en 6 månader lång aerob träningsintervention uppvisade lägre förvärringar av motor symptom jämfört med individer som deltog i en aktiv kontrollgrupp. Vi blev givetvis mycket exalterade över detta resultatet eftersom det bekräftade att aerob träning har potentialen att påverka sjukdomens gång på ett positivt vis. Vi hade dock fortfarande ingen mekanistisk syn på hur aerob träning kunde åstadkomma denna positiva påverkan. Vi publicerade nyligen en studie där vi undersökte denna fråga genom att analysera MRI data från en del av de individer som deltog i våran studie från 2019.
MRI datan vi förvärvade tillät oss att undersöka hur aerob träning påverkar Parkinson’s-relaterade förändringar i kommunikationen mellan olika delar av hjärnan. Vi var särskilt intresserade av kommunikationen mellan två delar av hjärnan som är involverade i kontroll och exekution av rörelser: sensorimotor cortex och putamen. Putamen behöver dopamin för att fungera. När nivåer av dopamin sjunker i hjärnan så börjar kommunikationen mellan putamen och sensorimotor cortex att bli mer och mer dysfunktionell. Detta leder till motor symptom såsom rörelseslöhet och svårigheter med att påbörja rörelser. I vår studie fann vi att aerob träning ledde till en reduktion i kommunikationen mellan sensorimotor cortex och den bakre delen av putamen där dopaminbristen är som värst. Denna reduktionen åtföljdes av en ökning av kommunikation med den främre delen av putamen. Den främre delen av putamen är mer involverad i kognitiva processer såsom beslutsfattande och planerande och påverkas generellt sett i senare stadier av Parkinson’s sjukdom. Genom att förlita sig mer på den främre delen av putamen så kan sensorimotor cortex behålla kontrollen över rörelser en längre tid, vilket kan förklara varför individer som engagerade sig i aerob träning uppivsade lägre förvärring av motor symptom.
Vi undersökte också hur aerob träning påverkar hjärnstruktur och kognitiv kontroll för att få en bredare syn på hur aerob träning kan påverka Parkinson’s-relaterade förändringar utanför hjärnans motor system. Beträffande hjärnstruktur så fann vi att aerob träning ledde till en reduktion av atrofi. Denna reduktionen av hjärnatrofi indikera att aerob träning saktar ner de neurodegenerative processes som leder till förvärring av symptom.
Förutom MRI data så förvärvade vi även data från ett kognitivt test som mäter en individs kontroll över automatiska rörelser. Här fann vi att individer som tränade blev bättre på att förhindra automatiska och inkorrekta rörelser för att istället utföra frivilligt kontrollerade och korrekta rörelser. Vi gick tillbaka till vår MRI data för att testa om denna förbättring i kognitiv kontroll var associerad med förändringar i relaterade nätvärk i hjärnan. Intressant nog så fann vi att de individer som tränade uppvisade starkare kommunikation i ett nätvärk av hjärndelar som kallas det frontoparietala nätverket. Det frontoparietal nätvärket justerar hur mycket kognitiv kontroll som behövs i en given situation, till exempel när du försöker fokusera på en uppgift utan att bli distraherad. Starkare kommunikation i det frontoparietala nätverket skulle kunna hjälpa individer med Parkinson’s sjukdom genom att ge dem mer kontroll över deras rörelser och därmed tillåta dem att övervinna en del av deras motor symptom.
Den positiva effekten som aerob träning har över sjukdomens gång är troligtvis ett resultat av många olika interagerande mekanismer. Vår studie ger oss en kort blick av några av de många sätten som aerob träning kan påverka hjärnan under Parkinson’s sjukdom. Det är en spännande uppgift för framtida forskning att försöka reda ut hur dessa mekanismer bidrar till att påverka sjukdomens gång så att de kan användas som underlag för att utveckla mer specifika och effektiva interventioner.
Martin E. Johansson, MSc is a PhD candidate at Donders Institute for Brain, Cognition and Behavior, Centre for Medical Neuroscience/Centre for Cognitive Neuroimaging; Radboud University Medical Center, Department of Neurology, The Netherlands.
Ideas and opinions expressed in this post reflect that of the author solely. They do not reflect the opinions or positions of the World Parkinson Coalition®