DE4102031C2 - Verfahren zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gehirns einer Person und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gehirns einer Person sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, durch mentale Maßnahmen, beispielsweise ein autogenes Training, die Lern- und Merkfähigkeit eines Menschen zu verbessern. Nachteilig ist hierbei, daß ein Erfolg voraussetzt, daß die betreffende Person die entsprechenden mentalen Maßnahmen beherrscht. Diese Voraussetzung fehlt jedoch bei vielen Personen deren momentane Lern-, Merk- und Denkfähigkeit einer Steigerung bedarf.

Bekannt ist es auch (DE 25 40 493 A1), mit Hilfe eines Ergometers, insbesondere eines Fahrrad-Ergometers, die Muskulatur und das Herz/Kreislauf-System zu trainieren und die Leistungsfähigkeit zu prüfen. Das Ergometer ist hierzu mit einer einstellbaren und/oder regelbaren Belastungseinrichtung sowie Sensoren, einem Rechner und einer Anzeigeeinrichtung ausgerüstet, um die für das Training und/oder die Prüfung der Leistungsfähigkeit erforderlichen Daten ermitteln und anzeigen zu können.

Weiterhin ist es bei Fahrrad-Ergometern bekannt (DE 34 28 675 A1), den Istwert der Pulsfrequenz mit einem vorgebbaren Sollwert zu vergleichen und mittels eines Reglers die Belastungseinrichtung des Ergometers so zu steuern, daß der Istwert der Pulsfrequenz in Übereinstimmung mit dem Sollwert gebracht wird, um eine optimale Trainingsbelastung erreichen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren anzugeben, das ohne die Beherrschung mentaler Beeinflus­ sungsmethoden eine Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gehirns einer Person ermöglicht. Diese Aufgabe löst ein Ver­ fahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Die Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns hängt von den Stoffwechselaktivitäten der Gehirnzellen und damit von der zerebralen Durchblutung ab. Eine Verbesserung des Gehirn­ durchblutungszustandes, der mit einer Verbesserung der Ver­ sorgung der Gehirnzellen mit Sauerstoff und Glukose verbunden ist, ermöglicht deshalb eine Steigerung der Leistungsfähig­ keit des Gehirns.

Die wichtigsten Größen, von denen die zerebrale Durchblutung abhängt, sind das Herzminutenvolumen, also die pro Zeiteinheit transportierte Blutmenge, der Blutdruck, der zerebrale Gefäß­ widerstand, die Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes, der respiratorische Quotient , die Blutviskosität und der intrakranielle Druck. Durch eine körperliche Belastung, welche das Herzkreislaufsystem stimuliert und die Herztätigkeit erhöht, wird unter anderem das Herzminutenvolumen vergrößert.

Prinzipiell kommt für die Stimulierung des Kreislaufes jede körperlichen Belastungen in Frage, bei der mindestens etwa ein Sechstel der Muskulatur der Person beansprucht wird. Selbst­ verständlich muß sichergestellt sein, daß ausreichend Atemluft mit einem ausreichenden Sauerstoffgehalt zur Verfügung steht. Damit wenigstens einer der für die Kreislaufaktivität gekenn­ zeichnenden Parameter gemessen werden kann, sind aber solche körperlichen Belastungen zu bevorzugen, bei denen die sen­ sorische Erfassung solcher Parameter ohne Schwierigkeiten möglich ist, also beispielsweise die Messung der Pulsfrequenz und/oder des Blutdruckes.

Vorzugsweise wird die körperliche Belastung so gesteuert, daß eine Kreislaufintensität erreicht und aufrechterhalten wird, bei der eine optimale Gehirndurchblutung und damit eine optimale Stoffwechselaktivität im Gehirn gewährleistet ist, bei der die Leistungsfähigkeit des Gehirns, insbesondere die Lern-, Merk- und Denkfähigkeit, ebenfalls ein Optimum erreichen.

Da die zu wählende körperliche Belastung personenspezifisch ist, d. h. von persönlichen Daten wie Geschlecht, Alter, Ge­ wicht und Leistungsfähigkeit abhängt, ist es in der Regel erforderlich, zunächst die persönlichen, leistungsdiagnosti­ schen Parameter zu ermitteln. Vorteilhafterweise wird die körperliche Belastung an der Schwelle vom aeroben zum anaeroben Bereich ermittelt, weil der günstigste Belastungsbereich unterhalb der Belastung an der Schwelle, nämlich zwischen etwa 50% und etwa 65% der körperlichen Belastung an der Schwelle vom aeroben zum anaeroben Bereich liegt. Man kann aber auch beispielsweise zunächst die maximale Leistungsfähigkeit der Person ermitteln und von dieser ausgehend die Schwelle vom aeroben zum anaeroben Bereich bestimmen. Läßt sich keiner dieser Werte ermitteln, kann man auch auf das Ergebnis von Reihenuntersuchungen zurückgreifen und aufgrund der dabei ermittelten Mittelwerte beispielsweise eine Pulsfrequenz bestimmen, bei welcher die körperliche Belastung zwischen etwa 50% und etwa 65% der körperlichen Belastung an der Schwelle vom aeroben zum anaeroben Bereich liegt. Ob in diesem Falle eine Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gehirns tatsächlich erreicht wird, bedarf allerdings einer Überprüfung, weil die Abweichungen der Parameter einer Person von dem aus Reihenuntersuchungen ermittelten Mittelwert relativ groß sein können.

Die Vorlaufzeit ist dann beendet, wenn die die Herztätigkeit kennzeichnenden, belastungsabhängigen Parameter, beispielsweise die Pulsfrequenz, sich zumindest annähernd stabilisiert haben.

Dies ist in der Regel nach etwa 5 Minuten bis etwa 10 Minu­ ten der Fall. Eine Messung wenigstens eines der belastungs­ abhängigen Parameter, beispielsweise der Pulsfrequenz, ist aber nicht nur zur Erkennung des Endes der Vorlaufzeit vor­ teilhaft. Auch während der folgenden Phase ist eine solche Messung empfehlenswert, damit überwacht werden kann, ob die körperliche Belastung sich in dem erforderlichen Bereich befindet und ob eventuell eine Korrektur vorgenommen wer­ den muß.

Wegen der nach einiger Zeit auftretenden Ermüdung des zentra­ len Nervensystems wird zweckmäßigerweise die Zeit, in welcher die erhöhte Leistungsfähigkeit des Gehirns aufrechterhalten wird, auf eine Spanne von maximal etwa 40 Minuten bis etwa 80 Minuten begrenzt. Die körperliche Belastung kann dabei schon etwas früher abgebrochen werden, weil die erhöhte Lei­ stungsfähigkeit des Gehirns noch für eine gewisse Zeit über das Ende der körperlichen Belastung hinaus anhält.

Empfehlenswert, weil sehr genau, ist eine Bestimmung der körperlichen Belastung an der Schwelle vom aeroben zum anae­ roben Bereich aufgrund des Laktatwertes des Blutes, der hier bei etwa 4 m mol/l liegt. Der Laktatwert liegt deshalb in dem Bereich günstigster körperlicher Belastung zwischen etwa 2,0 m mol/l und etwa 2,5 m mol/l.

Sofern in der Zeit gesteigerter Leistungsfähigkeit des Ge­ hirns vorzugsweise Denkprozesse erforderlich sind, die bei­ spielsweise Entscheidungen aufgrund von Wahlmöglichkeiten erforderlich machen, ist es vorteilhaft, bei einfachen Denk­ prozessen einen Belastungswert in der oberen Hälfte des Be­ lastungsbereiches und bei komplizierteren Denkprozessen eine Belastung im unteren Belastungsbereich zu wählen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird während der Bean­ spruchung des Gehirns die körperliche Belastung in Abhängig­ keit von der Größe wenigstens eines für die zerebrale Durch­ blutung kennzeichnenden Parameters geregelt. Da die Lern-, Merk- und Denkfähigkeit einer Person auch durch ihren Bio­ rhythmus beeinflußt wird und tageszeitlichen Schwankungen unterworfen ist, wird vorteilhafterweise bei der Steuerung oder Regelung der körperlichen Belastung auch die Tageszeit berücksichtigt. Beispielsweise erfolgt diese Berücksichti­ gung in der Weise, daß die Person bei einer Reihe von zu unterschiedlichen Tageszeiten durchgeführten Lern- und Merk­ vorgängen eine Bewertung vornimmt, ob dabei Lern- und Merk­ schwierigkeiten oder keine derartigen Schwierigkeiten aufge­ treten sind. Diese Ergebnisse können dann bei der Entschei­ dung berücksichtigt werden, ob zu einer bestimmten Tageszeit das Ereichen einer erhöhten Lern-, Merk- und Denkfähigkeit möglich ist und wie das Programm zur körperlichen Belastung gegebenenfalls gesteuert werden muß.

Als Parameter wird vorzugsweise wenigstens ein Wert aus der Gruppe Blutdruck, Atemfrequenz, Körpertemperatur, Schweiß­ abgabe, Laktatwert, Herzminutenvolumen, die Sauerstoffsätti­ gung des arteriellen Blutes, der respiratorische Quotient
und ph-Wert des Blutes berücksichtigt.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die in möglichst einfacher Weise gestattet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 9.

Ein Ergometer, bei dem es sich vorzugsweise um ein Fahrrad-Ergo­ meter handelt, kann von Personen jeden Geschlechtes und Alters problemlos benutzt werden. Da die Benutzung unabhängig von der Tageszeit und der Witterung ist, kann das Verfahren mittels eines Ergometers jederzeit durchgeführt werden und den Anspruch der Reproduzierbarkeit gewährleisten. Ferner bietet ein Ergometer den Vorteil, daß die Einstellung der körperlichen Belastung in einfacher Weise sowie mit den erforderlichen kleinen Stufen oder stufenlos möglich ist und daß während des Gebrauchs im Bedarfsfalle ohne Schwierigkeiten Meßwerte, wie z. B. die Puls­ frequenz der Person, gemessen und dem Steuergerät des Ergome­ ters zugeführt werden können.

Das Steuergerät des Ergometers ist bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform so ausgebildet, daß ein Gerät zur sensitiven und/oder optischen und/oder akustischen Ausgabe der zu lernenden Infor­ mationen, beispielsweise ein Kassettenrekorder, in den die das Lernprogramm enthaltende Kassette eingelegt wird, einge­ schaltet wird, sobald die gewünschte Kreislaufaktivierung infolge der körperlichen Belastung, welche der Person bei der Benutzung des Ergometers abverlangt wird, erreicht ist.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 10 bis 14.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematisch und perspektivisch dargestellte Ansicht des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels.

Ein als Ganzes mit 1 bezeichnetes Fahrrad-Ergometer mit einem höhenverstellbaren Sitz 2 und einem Griff 3 für die Hände des Benutzers weist in bekannter Weise eine Tretkurbel 4 auf, mittels deren über ein Getriebe eine nicht dargestellte Bremse, vorzugs­ weise eine Wirbelstrombremse, antreibbar ist, deren Bremsmoment einstellbar ist.

Das Fahrrad-Ergometer 1 weist ein als Ganzes mit 5 bezeichnetes Steuergerät auf, das im Ausführungsbeispiel am Griff 3 und damit im Blickfeld des Benutzers angeordnet ist. Das Steuergerät 5 enthält einen Mikrocomputer 6, mit dessen Hilfe die Brems­ leistung der Bremse geregelt wird. Zu diesem Zweck ist an einen entsprechenden Ausgang des Mikrocomputers 6 ein Sollwertgeber 7 für die Bremsleistung angeschlossen, welcher einen Verstärker 8 ansteuert, mittels dessen die Erregung der Bremse und damit deren Bremsmoment eingestellt wird. Ein Sensor 9 für den Istwert der Bremsleistung liefert über einen A/D-Wandler 10 an den Mikrocomputer 6 den Istwert. Die Bremsleistung der Bremse und damit die körperliche Belastung des Benutzers des Fahrrad-Er­ gometers 1 kann deshalb vom Mikrocomputer 6 auf jeden beliebigen Wert innerhalb des Einstellbereiches eingeregelt werden. Diese Bremsleistung kann auch drehzahlunabhängig aufrechterhalten werden. Die Drehzahl wird im Ausführungsbeispiel digital mittels eines Sensors 11 erfaßt, der an einen Eingang des Mikrocomputers 6 angeschlossen ist.

Da in der Regel die körperliche Belastung nicht bekannt ist, die einer Person abverlangt werden muß, um eine Kreislaufaktivie­ rung zu erreichen, bei der eine optimale Situation im Gehirn entsteht, die zu einer Steigerung der Lern- und Merkfähigkeit führt, ist eine Eingabeeinrichtung 12 vorgesehen, über welche die persönlichen Benutzerdaten, nämlich Alter, Gewicht, Ge­ schlecht und Leistungsfähigkeit in den Mikrocomputer 6 einge­ geben werden können.

Ferner sind mit dem Mikrocomputer 6 Verstärker 13 verbunden, über welche dem Mikrocomputer 6 Meßwerte zugeführt werden die von einem Pulsfrequenzsensor 14, einem Körpertemperatursensor 15, einem Schweißabgabesensor 16, einem Blutdrucksensor 17, einem Atemfrequenzsensor 18 und einem Sensor für die Intensität der Herzmuskeltätigkeit 26 ermittelt werden.

An die Verstärker 13 ist auch ein Rechner 19 angeschlossen, welcher die von den Sensoren 14 bis 18 gelieferten Werte mit den Benutzerdaten und Daten aus Reihenuntersuchungen verknüpft und daraus diejenige Bremsleistung ermittelt, bei welcher eine optimale Stoffwechselfunktion und damit eine optimale Steigerung der Lern- und Merkfähigkeit erreicht wird. Dieser Wert wird an den Mikrocomputer 6, den Sollwertgeber 7 und eine Display-Steu­ ereinrichtung 20 gegeben. Letztere ist auch direkt an einen Ausgang des Mikrocomputers 6 angeschlossen und informiert den Benutzer ständig über die für ihn wichtigen Daten, insbesondere darüber, ob er sich innerhalb oder außerhalb des Bereiches erhöhter Lern- und Merkfähigkeit befindet.

Diejenigen Informationen, welche für den Benutzer von Bedeutung sind, werden außerdem mittels eines an den Mikrocomputer 6 angeschlossenen Druckers 23 ausgegeben, von dem in Fig. 1 nur der Ausgabeschlitz dargestellt ist. Beispielsweise wird der Benutzer während der Benutzung des Fahrrad-Ergometers 1 über das Zeitintervall oder die Zeitintervalle informiert, in denen der größte Lerneffekt zu erwarten ist.

Der Mikrocomputer 6, der Rechner 19, der Sollwertgeber 7 und der Sensor 9 für den Istwert bilden einen geschlossenen Regel­ kreis. Weitere Führungsgrößen für eine optimale Regelung sind in erster Linie die Herzschlagfrequenz und der Blutdruck des Benutzers. Es ist also nicht unbedingt erforderlich, ständig alle Sensoren 14 bis 18 zu benutzen. Wenn die optimale Belastung ermittelt worden ist, genügt ist es sogar, nur diese einzustellen und nach einer bei vorausgehenden Messungen ermittelten Verzö­ gerungszeit den Lernvorgang zu beginnen. Es empfiehlt sich aller­ dings, ständig wenigstens die Pulsfrequenz zu bestimmten, zumal diese Messung den Benutzer praktisch nicht beeinträchtigt.

Mit einem Eingang des Mikrocomputers 6 ist eine Tastatur 21 verbunden, über welche der Benutzer die Information darüber eingeben kann, ob er Lern- oder Merkprobleme bei vorausgegange­ nen Versuchen hatte. Die Informationen verknüpft der Mikrocom­ puter 6 mit der zu den Versuchen zugehörigen Zeit. Er enthält zu diesem Zwecke eine Uhr. Nach einer gewissen Anzahl von Versu­ chen zu unterschiedlichen Tageszeiten kann der Mikrocomputer 6 eine Funktion ermitteln, aus der sich ergibt, welche Tages­ zeiten für die Durchführung eines Lern- und Merkprogrammes günstig und welche weniger günstig oder ungünstig sind. Zu Beginn des Gebrauchs des Fahrrad-Ergometers 1 kann deshalb der Mikrocomputer 6 den Benutzer über das Display 22 oder den Drucker informieren, ob der Zeitpunkt für das Lernprogramm günstig gewählt ist. Dabei kann der Mikrocomputer 6 auch unter­ schiedliche Schwierigkeitsgrade des Lernstoffes in Bezug auf die zur Verfügung stehende Zeit berücksichtigen, welche der Benutzer ebenfalls über die Tastatur 21 eingeben kann.

Der Benutzer des Fahrrad-Ergometers 1 kann das Lernprogramm beginnen, sobald er über das Display 22 und/oder den Drucker 23 informiert worden ist, daß die Phase gesteigerter Lernfä­ higkeit erreicht ist. Man kann aber auch den Mikrocomputer 6 mit einem Ausgang versehen, an welchen ein Wiedergabegerät 24 angeschlossen werden kann, das eingeschaltet wird, sobald die Phase gesteigerter Lern- und Merkfähigkeit erreicht ist, und am Ende dieser Phase wieder abgeschaltet wird.

Schließlich kann der Mikrocomputer 6 noch mit einem Ausgang 25 versehen sein, über welchen Daten zu anderen Geräten oder Datenverarbeitungseinrichtungen übertragen werden können.

Die vorstehende Beschreibung und die Zeichnung beschränken sich nur auf die Angabe von Merkmalen, die für die beispiels­ weise Verkörperung der Erfindung wesentlich sind. Soweit daher Merkmale in der Beschreibung und in der Zeich­ nung offenbart und in den Ansprüchen nicht genannt sind, dienen sie erforderlichenfalls auch zur Bestimmung des Gegen­ standes der Erfindung.

Claims (14)

1. Verfahren zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gehirns einer Person, dadurch gekennzeichnet, daß eine körperliche Belastung unter Beanspruchung von mindestens 1/6 der Muskulatur dieser Person im Bereich zwischen etwa 50% und etwa 65% der körperlichen Belastung an der Schwelle vom aeroben zum anaeroben Bereich herbeigeführt und nach einer für eine zumindest annähernde Anpassung des Kreislaufs an diese Belastung erforderlichen Vorlaufzeit die Beanspruchung des Gehirns begonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Vorlaufzeit aufgrund des Zeitpunktes der wenigstens annähernden Stabilisierung zumindest eines der meßbaren, belastungsabhängigen Parameter für die Kreislaufintensität, vorzugsweise die Pulsfrequenz, bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufzeit auf etwa 5 Minuten bis etwa 10 Minuten begrenzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit erhöhter Leistungsfähigkeit des Gehirns auf eine Spanne von maximal etwa 40 Minuten bis etwa 80 Minuten beschränkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die körperliche Belastung an der Schwelle vom aeroben zum anaeroben Bereich aufgrund des Laktatwertes des Blutes von etwa 4 m mol/l festgelegt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Beanspruchung des Gehirns, bei welcher ein Denkprozeß erforderlich ist, im Falle einfacher Denkprozesse die körperliche Belastung auf einen Wert in der oberen Hälfte des Belastungsbereiches und im Falle komplizierter Denkprozesse auf einen Wert in der unteren Hälfte des Belastungsbereiches eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Beanspruchung des Gehirns die körperliche Belastung in Abhängigkeit von der Größe wenigstens eines für die cerebrale Durchblutung kennzeichnenden Parameters in dem Bereich zwischen etwa 50% und etwa 65% der körperlichen Belastung an der Schwelle vom aeroben zum anaeroben Bereich gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter wenigstens ein Wert aus der Gruppe Blutdruck, Atemfrequenz, Körpertemperatur, Schweißabgabe, Laktatwert, Herzminutenvolumen, Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes, respiratorischer Quotient und ph-Wert des Blutes berücksichtigt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Ergometer, insbesondere ein Fahrrad-Ergometer (1), mit einstellbarer Belastungseinrichtung und einem Steuergerät (5) für die Belastungseinrichtung, das wenigstens einen Mikrocomputer (6) enthält, der Eingänge für die Eingabe von Benutzerdaten, nämlich Alter, Gewicht, Geschlecht und Leistungsfähigkeit, sowie für Signale wenigstens eines Sensors (14 bis 18) für wenigstens einen Parameter aufweist, der von der körperlichen Belastung abhängig ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (5) wenigstens einen Ausgang für eine Anzeigeeinrichtung, vorzugsweise ein Display (22) und/oder einen Drucker (23), aufweist, mittels deren Informationen über den Belastungsbereich, vorzugsweise unter Bezugnahme auf den für die gesteigerte Lern- und Merkfähigkeit zu überschreitenden unteren Grenzwert des Sauerstoffgehaltes des Blutes, ausge­ geben werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch Sensoren (15 bis 18) für die Atemfrequenz und/oder den Blutdruck und/oder die Schweißabgabe und/oder die Körpertemperatur der Person, die über je einen Verstärker (13) mit Eingängen des Mikrocomputers (6) verbunden sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (19), welche mit dem Mikrocomputer (6) verbunden ist, für die Berechnung der optimalen körperlichen Belastung aufgrund der Sensorsignale unter Berücksichtigung der entsprechenden, durch Reihenuntersuchungen ermittelten Mittelwerte und den benutzerspezifischen Daten, nämlich Alter, Gewicht, Geschlecht und Leistungsfähigkeit.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch einen Ausgang des Steuergerätes (5) für ein Signal zur Einschaltung eines die zu lernende oder zu merkende Information wiedergebenden Gerätes (24).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch einen Ausgang (25) des Steuergerätes (5) für eine Datenweitergabe an externe Geräte.