Multiscale structural MRI differences among collegiate American football players, cross-country runners, and non-athletes

Het menselijk brein is geen statisch orgaan; het verandert als reactie op het leven dat we leiden. Decennialang wisten wetenschappers al dat intensieve fysieke training het brein kan hervormen, vergelijkbaar met hoe het tillen van gewichten spieren opbouwt. Echter, een specifieke en dringende vraag is naar voren gekomen met betrekking tot contactsporten zoals American football. In deze wedstrijden ervaren spelers herhaalde schokken tegen het hoofd, waarvan sommige ernstig genoeg zijn om een hersenconcussie te veroorzaken, maar veel meer zijn kleinere, "subconcussieve" impacten die geen onmiddellijke symptomen produceren. Het centrale mysterie is of deze routineuze, dagelijkse botsingen een blijvende afdruk achterlaten op de structuur van het brein, verschillend van de veranderingen veroorzaakt door algemene atletische training. Om dit te beantwoorden, moeten onderzoekers het effect van de sport zelf scheiden van het effect van het een hooggetrainde atleet zijn, een onderscheid dat moeilijk te maken is wanneer men alleen footballspelers vergelijkt met mensen die helemaal niet sporten.

Een team van onderzoekers probeerde dit puzzelstuk op te lossen door in de hersenen van drie verschillende groepen jonge mannen te kijken: studenten American football, crosslopers en studenten die niet deelnamen aan georganiseerde sporten. Ze gebruikten een krachtige beeldvormingstechniek genaamd structurele MRI, die gedetailleerde 3D-kaarten van de anatomie van het brein maakt. In plaats van te zoeken naar een enkele "blessure", onderzochten ze het brein op drie verschillende niveaus van detail. Ten eerste keken ze naar de dichtheid van de grijze stof in het gehele brein. Ten tweede maten ze de grootte en de vorm van het oppervlak van diepe, centrale structuren zoals de thalamus en de hersenstam. Ten derde berekenden ze het totale volume van de belangrijkste weefsels van het brein: grijze stof, witte stof en het vocht dat het brein omringt. Door de hardlopers toe te voegen, die net zo hard trainen als de footballspelers maar zonder de klappen tegen het hoofd, kon het team bepalen of bepaalde verschillen uniek waren aan football of simpelweg een resultaat waren van het een competitieve atleet zijn.

De studie analyseerde gegevens van tweeënveertig mannen: zeventien footballspelers, zestien hardlopers en negen niet-atleten. De onderzoekers ontdekten dat het brein niet op een eenvoudige, uniforme manier verandert. In plaats daarvan hingen de verschillen volledig af van welke groepen werden vergeleken en welk deel van het brein werd gemeten. De meest consistente bevinding verscheen in de hersenstam, een cruciale structuur aan de basis van het brein die de ruggenmerg verbindt met de rest van het zenuwstelsel. Wanneer de onderzoekers de atleten vergeleken met de niet-atleten, stelden zij vast dat de niet-atleten iets meer grijze stof in de hersenstam hadden dan beide groepen atleten. Echter, wanneer zij de footballspelers rechtstreeks met de hardlopers vergeleken, hadden de footballspelers juist meer grijze stof in dit zelfde gebied. Deze omkering van richting suggereert dat de verschillen in de hersenstam geen eenvoudige teken van schade door football-klappen zijn, maar eerder een complexe mix van factoren gerelateerd aan atletische deelname en wellicht de specifieke eisen van elke sport.

De onderzoekers ontdekten ook dat de vorm van diepe hersenstructuren kan veranderen, zelfs wanneer de totale grootte van die structuren gelijk blijft. Met behulp van een methode die het oppervlak van deze structuren in kaart brengt, vonden zij gelokaliseerde verschillen in de hersenstam, de thalamus en gebieden die betrokken zijn bij geheugen en motivatie. De footballspelers vertoonden bijvoorbeeld een andere oppervlaktevorm in de hersenstam vergeleken met de hardlopers. Toch bleven er, wanneer zij het totale volume van deze structuren maten, geen significante verschillen over na correctie voor statistische kans. Dit is een cruciaal onderscheid: het betekent dat het oppervlak van het brein op specifieke plaatsen kan worden ingedrukt of uitgerekt zonder dat de gehele structuur groter of kleiner wordt. Het is vergelijkbaar met hoe een ballon een klein deukje kan hebben op één plek, terwijl de totale hoeveelheid lucht binnenin ongewijwd blijft, hoewel de onderzoekers deze vergelijking niet in hun definitieve tekst gebruikten. De belangrijkste les is dat het kijken naar alleen de totale grootte van een hersendeel belangrijke, gelokaliseerde veranderingen kan missen.

Wanneer het team naar het totale volume van de hersenweefsels keek, veranderden de resultaten opnieuw afhankelijk van hoe zij rekening hielden met de hoofdomvang. In een ruwe analyse hadden de crosslopers aanzienlijk meer vocht rond hun hersenen dan de andere twee groepen. Echter, wanneer de onderzoekers corrigeerden voor de grootte van de schedel, kwam er een nieuw patroon aan het licht. De hardlopers bleken minder witte stof te hebben – het weefsel dat verschillende delen van het brein met elkaar verbindt – dan zowel de footballspelers als de niet-atleten. Deze bevinding kwam pas naar voren na correctie voor de hoofdomvang, wat suggereert dat de hersenen van de hardlopers anders zijn georganiseerd in termen van weefseldichtheid, in plaats van simpelweg kleiner of groter te zijn. De footballspelers vertoonden deze specifieke vermindering van witte stof niet, wat opnieuw wijst op een verschil tussen de twee soorten atleten in plaats van een universeel effect van sport.

De studie voert expliciet argumenten aan tegen het idee dat elk verschil tussen footballspelers en niet-atleten automatisch wordt veroorzaakt door de klappen tegen het hoofd. Omdat de hardlopers, die nooit last hadden gehad van hoofdimpacten, ook significante structurele verschillen vertoonden ten opzichte van de niet-atleten, concludeerden de onderzoekers dat het zijn van een competitieve atleet op zichzelf het brein verandert. De unieke verschillen tussen de footballspelers en de hardlopers kunnen gerelateerd zijn aan de specifieke aard van hun sporten, maar de studie kan niet bewijzen dat deze verschillen worden veroorzaakt door de botsingen. Het onderzoek werd beperkt door de kleine steekproefomvang en het feit dat het een momentopname was, wat betekent dat de onderzoekers niet konden zeggen of deze hersenstructuren veranderden door de sporten of dat mensen met deze specifieke hersenstructuren simpelweg eerder geneigd waren deze sporten te kiezen.

Uiteindelijk onthult het artikel dat de reactie van het brein op sport geen enkelvoudig verhaal is van letsel of adaptatie. De structurele variaties gevonden in de hersenstam en andere gebieden hangen af van wie er wordt vergeleken en hoe de gegevens worden gemeten. De bevindingen suggereren dat het brein van een footballspeler niet simpelweg een "beschadigde" versie is van het brein van een niet-atleet, noch is het identiek aan dat van een hardloper. In plaats daarvan vertoont het brein een complex patroon van variatie dat een combinatie weerspiegelt van atletische training, de specifieke eisen van de sport en wellicht bestaande individuele verschillen. De onderzoekers benadrukken dat dit associaties zijn, en geen bewijs van oorzaak en gevolg, en dat toekomstige studies die atleten over een langere periode volgen, nodig zullen zijn om echt te begrijpen wat deze structurele verschillen betekenen voor de gezondheid en functie van het brein.