Exercise as a treatment strategy in mental disorders: Alterations in reward and stress processing as potential mechanisms of action

Abstract

Based on a large number of cross-sectional and longitudinal epidemiological studies, the World Health Organization recommends regular physical activity for the maintenance of mental health. However, evidence is more heterogeneous regarding the therapeutic effects of exercise interventions in mental disorders. Beneficial effects of exercise in Major Depression (and some anxiety disorders) were subject to numerous reviews and meta-analyses, but there appears to be less evidence for other, similarly prevalent groups of mental disorders, e.g. substance use disorders. Several psychological and neurobiological mechanisms have been suggested to underlie the positive effects of exercise: enhanced neural plasticity, improved coping, mood enhancement, self-efficacy, reduced stress reactivity and altered reward processing. Hence, the aims of this dissertation are twofold: first, to systematically review clinical studies on the therapeutic effects of exercise in different mental disorders, especially substance use disorders. Second, to use functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate exercise- induced alterations in reward processing and stress reactivity. For this thesis, two systematic literature reviews summarized and compared evidence from different groups of mental disorders. While meta-analyses revealed small, but clinically relevant positive effects of exercise in the treatment of depression and smoking, evidence from randomized-controlled trials was sparse for most other groups of disorders. Many studies also suffer from severe methodological limitations. Therefore, more systematic and methodologically sound research is necessary before exercise can be recommended as a general treatment for mental disorders. For the investigation of reward processing and stress reactivity, two fMRI paradigms were applied to highly trained and sedentary young men who had performed either 30 minutes of moderate intensity exercise or “placebo” exercise. The effects ofhabitual exercise training and acute bouts of aerobic exercise on reward processing and stress reactivity were analyzed, as well as their interactions. In both fMRI paradigms (a monetary incentive delay task and a psychosocial stress task), the acute effects of exercise were found to be stronger than chronic effects. More precisely, participants who had exercised prior to the fMRI experiments showed a decreased neural response of the ventral striatum during reward anticipation and feedback. During the psychosocial stress task, a diminished cortisol stress response and a higher tonic brain activation in the bilateral hippocampus and lower tonic brain activation in the anterior cingulate cortex were found. This supports the theoretical frameworks of the cross-stressor adaptation hypothesis and tonic-phasic dopamine hypothesis, suggesting that acute exercise activates the dopaminergic reward system and the hypothalamus- pituitary-adrenal axis in a sustained way (i.e. more than one hour after exercise cessation), which has an impact on the phasic activation of the respective system. In contrast, we found no or little differences between trained and untrained men. Transferred to the context of mental disorders, these results suggest that positive long-term outcomes of exercise interventions may in large part rely on accumulated acute effects. As a consequence, exercise could be used as an active coping strategy for substance craving or upcoming stressful situations. To summarize, the findings of this thesis provide an overview on exercise as an (adjunct) treatment for mental disorders and depict a number of gaps in the literature. Additionally, they add to the understanding of mechanisms by which acute exercise influences reward processong and stress reactivity.

Auf der Grundlage zahlreicher epidemiologischer Quer- und Längsschnittstudien empfiehlt die Weltgesundheitsorganisation (WHO) regelmäßige körperliche Aktivität zur Prävention psychischer Störungen. Bezüglich der therapeutischen Effekte von Sport bei psychischen Störungen liegen bereits Übersichtsarbeiten und Metaanalysen für Depression und einige Angststörungen vor, weniger jedoch für andere psychische Störungen mit ebenfalls hoher Prävalenz (z.B. Suchterkrankungen). Als Wirkmechanismen von Sport werden unter anderem eine erhöhte neuronale Plastizität, Stimmungsverbesserung und Steigerung der Selbstwirksamkeit diskutiert. Auch die Belohnungsverarbeitung und Stressreaktivität, die bei psychischen Störungen Dysregulationen aufweisen, werden durch Sport moduliert. Ziel dieser Dissertation ist ein systematischer Überblick über Sportinterventionen bei psychischen Störungen, v.a. bei den bislang in der Literatur vernachlässigten substanzgebundenen Störungen. Zusätzlich sollen mit Hilfe funktioneller Bildgebung sportinduzierte neuronale, subjektive und psychoneuroendokrine Veränderungen der Belohnungs- und Stressverarbeitung untersucht werden. Zur Beantwortung des ersten Themenkomplexes wurden zwei systematische Literaturübersichten angefertigt, deren erste sich auf den Vergleich der vorliegenden Evidenzgrade für den Einsatz von Sport bei unterschiedlichen Störungsgruppen konzentriert, die zweite auf substanzgebundene Störungen. Während für Depression und Rauchen kleine, aber klinisch bedeutsame Therapieeffekte durch Sportinterventionen nachgewiesen werden konnten, mangelt es in den meisten anderen Störungsgebieten an randomisiert-kontrollierten Studien. Ein Großteil der bisher veröffentlichten Studien zeigt deutliche methodische Schwächen. Daher ist weitere Forschung unerlässlich, bevor Empfehlungen ausgesprochen werden können, bei welchen Störungsbildern welche Art von Sport eine wirksame Therapieoption darstellt. Für die Untersuchung zweier mutmaßlich zentraler Wirkmechanismen von Sport bei psychischen Störungen, nämlich die Veränderung der Belohnungsverarbeitung und der Stressreaktivität, wurde eine funktionelle Magnetresonanztomografie-Studie durchgeführt. Hochtrainierte und untrainierte Männer liefen für 30 Minuten bei moderater Intensität auf dem Laufband oder erhielten eine Placebo-Sportintervention. Anschließend wurden ein psychosozialer Stresstest sowie ein Belohnungsparadigma durchgeführt. Das Studiendesign ermöglichte die separate Betrachtung von habituellen und akuten Sporteffekten sowie deren Interaktionen. In beiden Experimenten zeigten sich akute Effekte von Sport, wohingegen sich trainierte und untrainierte Probanden nicht oder nur kaum voneinander unterschieden. Männer, die sich 30 Minuten auf dem Laufband bewegt hatten, hatten eine deutlich verminderte Aktivierung des ventralen Striatums während der Antizipation und des Feedbacks von Geldgewinnen. Ebenso fiel im Stresstest die Cortisol-Stressantwort bei Probanden der Laufbandgruppe geringer aus, verbunden mit einer stärkeren tonischen Hippocampus-Aktivität und einer verringerten Aktivität des anterioren Cingulums. Diese Ergebnisse lassen sich im Rahmen der „Tonisch- phasischen Dopamin-Hypothese“ und der „Cross-Stressor Adaptation Hypothese“ diskutieren und legen nahe, dass eine tonische (d.h. mehrere Stunden anhaltende) Aktivierung des Belohnungs- und Stresssystems die phasische Reagibilität verringert. Langfristig positive Effekte von Sportinterventionen bei psychischen Störungen könnten somit v.a. auf akkumulierte akute Effekte zurückgehen. Diese könnten somit gezielt als Strategien zur Stressreduktion oder Rückfallprophylaxe eingesetzt werden. Zusammenfassend gibt diese Dissertation einen Überblick über Sport als Behandlungsoption bei verschiedenen psychischen Störungen, zeigt Lücken in der bisherigen Forschung auf, und trägt zum Verständnis der Wirkmechanismen von Sport bei.