Physical fitness, exercise and brain health in children with overweight/obesityThe ActiveBrains randomized controlled trial

Resumen

INGLÉS: Childhood obesity has been catalogued as one of the most serious public health problems. Among the most important consequences of childhood obesity we can find its negative influence on brain health. Childhood is a critical period for neurodevelopment, and the presence of obesity could negatively alter it. In this context, health-related factors such as physical fitness or physical activity may help to counteract this negative influence. Although there is emerging evidence on this respect, it is still not sufficient to draw firm conclusions and several limitations have been identified in this body of literature and must be addressed. Therefore, the overall aim of the present International Doctoral Thesis is to study the role of physical fitness, physical activity, and sedentary time in brain health outcomes (SECTION 1), and to investigate the effect of a 4.5-month physical exercise program on brain health (SECTION 2) in children with overweight/obesity. The results of the present Thesis show that cardiorespiratory fitness and speed-agility are both associated with cognitive flexibility (Study 1), working memory and the neuroelectric activity underlying it (Study 2), and inhibitory control and underlying neuroelectric activity (Study 3). Vigorous physical activity shows a consistent association with both working memory (Study 2) and inhibitory control (Study 3) and the neuroelectric activity. None associations are observed for sedentary time with any of the outcomes. From all the fitness components, cardiorespiratory fitness is the only one positively associated with the brain activity (i.e., current source density) of regions of the frontal, limbic and occipital lobes during the encoding and maintenance phases of working memory, and of regions of the temporal lobe during the retrieval phase of working memory (Study 4). The fitness-related association with brain activity of the posterior cingulate and parahippocampal gyri is further related to better working memory performance. Further, physical activity, mainly of moderate intensity, and step-related behaviors, but not sedentary time, are positively associated with the brain-derived neurotrophic factor (Study 5). Lastly, a 4.5-month exercise program induces alterations of the brain activity of temporal and frontal brain regions underlying the encoding phase of working memory and, to a lesser extent, the brain activity of frontal areas underlying information processing phase of inhibitory control (Study 6). This exercise program has also a beneficial effect on intelligence, cognitive flexibility, and academic performance in mathematics, and a slight effect (yet non-significant) on hippocampal brain volumes in children with overweight/obesity (Study 7). Collectively, the results of the present International Doctoral Thesis enhance our understanding about the implications that health-related factors such as physical fitness, physical activity, sedentary time and exercise have for brain health in children with overweight/obesity. CASTELLANO: La obesidad infantil ha sido catalogada como uno de los problemas de salud pública más serios. Entre sus consecuencias más importantes podemos encontrar la influencia negativa que podría ejercer sobre la salud cerebral. La infancia es una etapa de la vida clave para el neurodesarrollo, y la presencia de la obesidad durante ella podría afectar negativamente a dicho neurodesarrollo. En este contexto, factores relacionados con la salud tales como la condición física o la actividad física podrían ser de ayuda para contrarrestar la influencia negativa de la obesidad sobre el cerebro. A pesar de la creciente evidencia al respecto, no se puede considerar ésta como suficiente para sacar conclusiones firmes. Además, se han identificado numeras limitaciones en la literatura al respecto que deben ser abordadas. Por consiguiente, el objetivo de la presente Tesis Internacional es estudiar el rol que juegan la condición física, actividad física y sedentarismo en diversas variables de salud cerebral (SECCIÓN 1), así como investigar el efecto de un programa de ejercicio físico de 4.5 meses de duración sobre la salud cerebral (SECCIÓN 2) en niños con sobrepeso/obesidad. Los resultados de la presente Tesis muestran que la capacidad cardiorrespiratoria y la velocidad-agilidad se encuentran asociadas a la flexibilidad cognitiva (Estudio 1), a la memoria de trabajo y la actividad neuroeléctrica subyacente a ésta (Estudio 2), y al control inhibitorio y a la actividad neuroeléctrica subyacente a éste (Estudio 3). La actividad física vigorosa muestra una asociación consistente tanto con la memoria de trabajo (Estudio 2) como con el control inhibitorio (Estudio 3) y la actividad neuroeléctrica. No se observan asociaciones para el tiempo de sedentarismo con ninguna de las variables. De todos los componentes de la condición física, la capacidad cardiorrespiratoria es el único que se asocia positivamente con la actividad del cerebro (densidad de corriente eléctrica) de regiones de los lóbulos frontal, límbico y occipital durante las fases de almacenamiento y mantenimiento de la memoria de trabajo, y con regiones del lóbulo temporal durante la fase de recuperación de ésta (Estudio 4). La actividad cerebral del cíngulo posterior y el giro parahipocampal, previamente asociadas a la capacidad cardiorrespiratoria, se asocian a su vez con una mejor memoria de trabajo. Además, la actividad física, principalmente de moderada intensidad, y los pasos, pero no el tiempo de sedentarismo, se encuentran positivamente asociados al factor neurotrófico derivado del cerebro (Estudio 5). Por último, un programa de ejercicio físico de 4.5 meses de duración induce alteraciones en la actividad cerebral de regiones cerebrales frontales y temporales que subyacen a la fase de almacenamiento de la memoria de trabajo y, en menor medida, de regiones frontales que subyacen a la fase de procesamiento de la información del control inhibitorio (Estudio 6). Este programa de ejercicio tiene un efecto beneficioso también sobre la inteligencia, la flexibilidad cognitiva y el rendimiento académico en matemáticas, y un ligero efecto (aunque no significativo) sobre volúmenes cerebrales del hipocampo en niños con sobrepeso/obesidad (Estudio 7). De manera colectiva, los resultados de la presente Tesis Internacional mejoran nuestro entendimiento sobre las implicaciones que ejercen factores relacionados con la salud, tales como la condición física, la actividad física, el tiempo de sedentarismo y el ejercicio físico sobre la salud cerebral en niños con sobrepeso/obesidad.