It is well established that regular physical exercise enhances memory functions, synaptic plasticity in the hippocampus, and BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor) levels. Likewise, acute exercise benefits hippocampal plasticity in rodents, via increased endocannabinoids (especially anandamide, AEA) and BDNF release. Yet, whether acute exercise affects BDNF and AEA levels and influences memory performance in humans, remains to date unknown. Here we combined blood biomarkers, behavioral, and fMRI measurements to assess the impact of acute physical exercise on associative memory and underlying neurophysiological mechanisms. For each participant, memory was tested after three conditions: rest, moderate or high intensity exercise. A long-term memory retest took place 3 months later. At both test and retest, memory performance after moderate intensity exercise was increased compared to rest and high intensity exercise. We also show that memory after moderate intensity exercise benefited from exercise-induced increases in both AEA and BNDF levels: while AEA boosted hippocampal activity during memory recall, BDNF enhanced hippocampal memory representations and long-term performance. These findings confirm previous results on the benefits of acute exercise towards memory consolidation and, by including the contribution of key biomarkers, extend them by explaining neural plasticity mechanisms mediating cognitive enhancement.

Recent studies suggest that acute physical exercise improves memory functions by increasing neural plasticity in the hippocampus. In animals, a single session of physical exercise has been shown to boost AEA (anandamide), an endocannabinoid known to promote hippocampal plasticity, which may in turn benefit hippocampal-dependent learning. Hippocampal neuronal networks do not only encode episodic memory representations, but also contribute to the sequential organization of memory elements, including motor sequences ([Schendan et al. , 2003][1]; [Eichenbaum, 2017][2]). While previous work established that acute physical exercise has positive effects on declarative memory, whether it also influences memory for motor sequences remains unresolved.Here we studied the impact of moderate and high intensity acute physical exercise on motor sequence learning, and its underlying neurophysiological mechanisms in humans. To this end, we acquired behavioral, fMRI and AEA level data in fifteen healthy participants across three visits while they performed a serial reaction time task (SRTT) before and after a period of exercise (moderate or high intensity) or rest.We report that physical exercise increased AEA levels, and activity in the right hippocampus and caudate nucleus. Activity in both areas was directly linked to SRTT performance, which itself correlated with circulating AEA levels. These findings support that acute physical exercise favors hippocampal plasticity and potentially its broader role in memory function, including the consolidation of motor sequences. [1]: #ref-33 [2]: #ref-12

Abstract The ε4 allele of the APOE gene heightens the risk of late onset Alzheimer’s disease. ε4 carriers, may exhibit cognitive and neural changes early on. Given the known memory-enhancing effects of physical exercise, particularly through hippocampal plasticity via endocannabinoid signaling, here we aimed to test whether a single session of physical exercise may benefit memory and underlying neurophysiological processes in young ε3 carriers (ε3/ε4 heterozygotes, risk group) compared with a matched control group (homozygotes for ε3). Participants underwent fMRI while learning picture sequences, followed by cycling or rest before a memory test. Blood samples measured endocannabinoid levels. At the behavioral level, the risk group exhibited poorer associative memory performance, regardless of the exercising condition. At the brain level, the risk group showed increased medial temporal lobe activity during memory retrieval irrespective of exercise (suggesting neural compensatory effects even at baseline), whereas, in the control group, such increase was only detectable after physical exercise. Critically, an exercise-related endocannabinoid increase correlated with task-related hippocampal activation in the control group only. In conclusion, healthy young individuals carrying the ε4 allele may present suboptimal associative memory performance (when compared with homozygote ε3 carriers), together with reduced plasticity (and functional over-compensation) within medial temporal structures.