Erst gibt der Kopf auf, dann der Körper – Was die Forschung über die Rolle des Gehirns bei Ausdauerleistungen weiß © Dr. Dr. med. Lutz Aderhold*

Zum World Brain Day am 22. Juli: Warum Ermüdung im Marathon kein reines Muskelproblem ist und was das für Training und Wettkampf bedeutet.

Jahrzehntelang galt Ermüdung als Angelegenheit der Muskulatur. Laktat, leere Glykogenspeicher, Sauerstoffmangel. Die moderne Sportwissenschaft zeichnet ein anderes Bild. Das Gehirn reguliert Belastung aktiv mit und entscheidet mit darüber, ob ein Läufer weitermacht oder aufgibt.

Der 22. Juli steht seit 2014 als World Brain Day im Zeichen der Neurowissenschaften und der Hirngesundheit. Der Welttag geht auf eine Initiative der World Federation of Neurology aus dem Jahr 2013 zurück, das Datum erinnert an die Gründung der Föderation im Jahr 1957. Für den Ausdauersport ist der Anlass passend, denn kaum ein Forschungsfeld hat sich in den vergangenen zwei Jahrzehnten so verschoben wie das Verständnis von Ermüdung.

Vom Muskel zum Gehirn

Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts postulierte Archibald Hill, dass körperliche Leistung primär durch die Sauerstoffversorgung der Muskulatur begrenzt werde. Später dominierten Modelle, die Ermüdung über Laktatakkumulation, Glykogenmangel oder muskuläre Schädigung erklärten.

Diese Ansätze stießen an Grenzen. Athletinnen und Athleten erreichen bei maximalen Belastungen häufig nicht ihre volle physiologische Kapazität. Leistungsabfälle treten oft auf, bevor kritische physiologische Grenzwerte erreicht sind. Und der Endspurt am Ende eines Rennens widerspricht rein peripheren Modellen. Wer wirklich erschöpft ist, kann nicht plötzlich schneller laufen.

Aus diesen Widersprüchen entstand die Idee einer zentralnervösen Leistungsregulation. Ermüdung gilt heute als multifaktorielles Zusammenspiel physiologischer, psychologischer und neurokognitiver Prozesse (Enoka & Duchateau, 2016).

Das Central-Governor-Modell

Tim Noakes hat mit dem Central-Governor-Modell die Debatte geprägt. Danach reguliert das Gehirn die Rekrutierung motorischer Einheiten, um den Organismus vor gefährlichen Belastungen zu schützen. Ermüdung ist in dieser Lesart kein Defekt, sondern ein Schutzmechanismus.

Das Gehirn verarbeitet dabei laufend Informationen über Temperatur, Energiestatus, Sauerstoffversorgung, Stoffwechselbelastung und emotionale Faktoren. Aus diesen Daten passt es die motorische Aktivierung an. Das Modell erklärt mehrere typische Phänomene des Ausdauersports:

• Die Leistungsregulation erfolgt antizipatorisch. Läuferinnen und Läufer passen ihr Tempo früh an die erwartete Belastungsdauer an.

• Unter Hitze wird die Leistung reduziert, bevor kritische Schäden entstehen.

• Motivation und Emotionen verändern die Belastungstoleranz.

Das Modell bleibt umstritten. Kritiker halten dem entgegen, dass ein „Central Governor“ neurophysiologisch bisher nicht identifiziert werden konnte und viele Mechanismen theoretisch bleiben (Enoka & Duchateau, 2016). Als Impulsgeber für die neurozentrierte Ermüdungsforschung war es dennoch entscheidend.

Das psychobiologische Modell

Samuele Marcora hat einen anderen Weg gewählt. Sein psychobiologisches Modell versteht Ausdauerleistung als bewussten Entscheidungsprozess. Im Zentrum steht die „perception of effort“, die subjektive Wahrnehmung von Anstrengung.

Eine Belastung wird nach diesem Modell beendet, wenn die wahrgenommene Anstrengung ein individuell maximal tolerierbares Niveau erreicht oder wenn die Motivation zur Fortsetzung nicht mehr ausreicht. Physiologische Signale wirken vor allem indirekt, nämlich über ihre Wahrnehmung.

Der Unterschied zum Central-Governor-Modell ist grundlegend. Bei Noakes greift das Gehirn unbewusst und schützend ein. Bei Marcora trifft der Athlet eine bewusste Entscheidung.

Mentale Ermüdung kostet Leistung

Die stärkste Evidenz für die Bedeutung zentralnervöser Prozesse liefert die Forschung zur mentalen Ermüdung. Sie entsteht durch längere kognitive Beanspruchung, etwa Konzentrationsaufgaben, Entscheidungsprozesse oder Bildschirmarbeit.

Systematische Reviews und Metaanalysen zeigen, dass mentale Ermüdung die Ausdauerleistung signifikant reduziert (Van Cutsem et al., 2017; Brown et al., 2020). Bemerkenswert ist das Muster. Herzfrequenz, Laktatkonzentration und Sauerstoffaufnahme bleiben oft unverändert, während die subjektiv wahrgenommene Belastung deutlich ansteigt. Der Körper kann noch, der Kopf will nicht mehr.

Betroffen sind vor allem die Wahrnehmung von Anstrengung, die Aufmerksamkeit, die Selbstregulation, die Motivation und die Schmerztoleranz.

Einschränkend gilt: Replikationsstudien zeigen, dass die Effekte je nach Studiendesign und Belastungsform unterschiedlich stark ausfallen und teilweise kleiner sind als zunächst angenommen (Holgado et al., 2021). Bei hochtrainierten Athletinnen und Athleten fallen die Effekte offenbar geringer aus als bei untrainierten Personen. Erfahrene Sportler entwickeln vermutlich bessere Strategien, um Aufmerksamkeit und Motivation aufrechtzuerhalten.

Was im Gehirn passiert

Bildgebende Verfahren zeigen während länger andauernder Belastungen Aktivitätsveränderungen im präfrontalen Cortex, im anterioren cingulären Cortex und im motorischen Cortex (Pageaux & Lepers, 2018).

Der präfrontale Cortex ist an Entscheidungsprozessen, Motivation und Selbstkontrolle beteiligt. Seine Aktivität nimmt bei zunehmender Ermüdung häufig ab, was die sinkende Fähigkeit zur Selbstkontrolle erklären könnte. Der anteriore cinguläre Cortex integriert Informationen über Schmerz, Ermüdung und Motivation. Der motorische Cortex steuert die Rekrutierung motorischer Einheiten, und Untersuchungen mit transkranieller Magnetstimulation belegen, dass zentrale Ermüdung die kortikale Aktivierung reduzieren kann.

Auch Neurotransmitter spielen eine Rolle. Dopamin wird mit Motivation und Belohnungserwartung in Verbindung gebracht und scheint leistungsfördernd zu wirken. Erhöhte serotonerge Aktivität wird mit Ermüdungserscheinungen assoziiert, Noradrenalin beeinflusst Aufmerksamkeit und Aktivierung. Die genaue Interaktion dieser Systeme ist bislang nicht vollständig verstanden.

Die wahrgenommene Anstrengung als Schlüsselgröße

Das subjektive Belastungsempfinden, gemessen als Rating of Perceived Exertion (RPE), gilt heute als einer der wichtigsten Prädiktoren der Ausdauerleistung. Es bildet nicht einfach muskuläre Belastung ab, sondern integriert Atmung, Schmerz, Temperatur, Motivation, Angst, Erwartungen und Aufmerksamkeit.

Entscheidend ist: Dieselbe physiologische Belastung kann sehr unterschiedlich wahrgenommen werden. Musik, positive Selbstgespräche, Motivation oder Wettkampfatmosphäre senken das Belastungsempfinden und steigern dadurch die Leistung. Auch die Anwesenheit von Konkurrenten wirkt sich positiv aus, unter anderem über eine veränderte Aufmerksamkeitsfokussierung.

Besonders deutlich wird der Einfluss des Gehirns bei Placeboeffekten. Athletinnen und Athleten verbessern ihre Leistung messbar, wenn sie glauben, eine leistungsfördernde Substanz erhalten zu haben, obwohl objektiv keine wirksame Veränderung vorliegt.

Pacing und der Endspurt

Pacing, also die strategische Einteilung der Belastung, ist antizipatorisch. Das Gehirn berücksichtigt die erwartete Belastungsdauer, die Umweltbedingungen, frühere Erfahrungen, den aktuellen physiologischen Zustand und die Motivation.

Der Endspurt-Effekt ist dafür das beste Argument. Viele Läuferinnen und Läufer steigern am Ende eines Rennens ihre Geschwindigkeit, obwohl zuvor starke Ermüdung bestand. Eine vollständige periphere Erschöpfung würde das nicht zulassen.

Konsequenzen für die Praxis

Mentale Fähigkeiten sind trainierbar. Daraus ergeben sich konkrete Ansätze:

• Mentales Training. Selbstgespräche, Visualisierung und Aufmerksamkeitskontrolle verbessern die Belastungstoleranz.

• Brain Endurance Training. Die Kombination kognitiver und körperlicher Belastung kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber mentaler Ermüdung erhöhen (Van Cutsem et al., 2022).

• Motivationale Interventionen. Sie senken die subjektive Belastungswahrnehmung.

• Neurofeedback und transkranielle Stimulation. Hier ist die Evidenzlage bislang uneinheitlich. Vorsicht ist angebracht.

Praktisch bedeutet das auch: Wer vor einem wichtigen Wettkampf stundenlang konzentriert am Bildschirm arbeitet oder unter hoher mentaler Beanspruchung steht, geht mit einem Nachteil an den Start, den keine Laktatmessung anzeigt.

Was offen bleibt

Die Forschungslage ist weniger eindeutig, als es die griffige Formel vom Kopf, der zuerst aufgibt, nahelegt. Viele Studien verwenden unterschiedliche Definitionen von mentaler Ermüdung. Zentrale Ermüdungsprozesse lassen sich bislang nur indirekt messen. Untersuchungsdesigns, Belastungsformen und Stichproben unterscheiden sich erheblich, was die Vergleichbarkeit einschränkt.

Weder rein periphere noch ausschließlich zentrale Modelle erklären die Gesamtheit der Befunde. Metabolische Veränderungen, Temperaturanstieg und Energiemangel bleiben relevante Ursachen der Ermüdung. Die Forschung tendiert deshalb zu integrativen Modellen.

Für die Praxis bleibt die Kernaussage dennoch bestehen. Gerade bei langen Ausdauerwettbewerben ist die mentale Stärke neben der körperlichen Fitness ein entscheidender Faktor. Motivation, Willenskraft und Durchhaltevermögen sind trainierbar und gehören in die Wettkampfvorbereitung.

Literatur (Auswahl)

Brown, D. M. Y. et al. (2020). Effects of prior cognitive exertion on physical performance: A systematic review and meta-analysis. Sports Medicine, 50(3), 497–529.

Enoka, R. M., & Duchateau, J. (2016). Translating fatigue to human performance. Medicine & Science in Sports & Exercise, 48(11), 2228–2238.

Holgado, D. et al. (2021). Does mental fatigue impair physical performance? A replication study. European Journal of Sport Science, 21(5), 762–770.

Marcora, S. M., & Staiano, W. (2010). The limits to exercise tolerance in humans: Mind over muscle? European Journal of Applied Physiology, 109(4), 763–770.

Noakes, T. D. (2012). Fatigue is a brain-derived emotion that regulates the exercise behavior to ensure the protection of whole body homeostasis. Frontiers in Physiology, 3, 82.

Pageaux, B., & Lepers, R. (2018). The effects of mental fatigue on sport-related performance. Progress in Brain Research, 240, 291–315.

Van Cutsem, J. et al. (2017). The effects of mental fatigue on physical performance: A systematic review. Sports Medicine, 47(8), 1569–1588.

Van Cutsem, J. et al. (2022). Can mental fatigue be trained? A systematic review of resistance to mental fatigue. Sports Medicine, 52(8), 1765–1779.

© Dr. Dr. med. Lutz Aderhold*

Weitere Informationen: Aderhold, L. Laufen! Vom Einsteiger bis zum Ultraläufer. Inkl. Trainingspläne von 10 bis 100 km. München: Elsevier, 2. Auflage 2018.