Storstilet undersøgelse afslører almindelige funktionelle og strukturelle mønstre for hjernealdring

Storstilet undersøgelse afslører almindelige funktionelle og strukturelle mønstre for hjernealdring

Sund aldring fører til parallelle ændringer i hjernens funktionelle aktivitet og strukturel morfologi, men samspillet mellem disse ændringer er stadig uklart. Prof. Yuhui Dus team ved College of Computer and Information Technology, Shanxi University, i samarbejde med Prof. Vince D. Calhoun (Georgia State University), analyserede multimodale neuroimaging-data fra 27.793 raske frivillige (i alderen 49-76 år) i den britiske biobank. De foreslog en samlet ramme for enkeltmodal og multimodal hjernealderforudsigelse og fælles funktionel-strukturel aldringsanalyse, som systematisk karakteriserer forskellige synergistiske og modstridende aldringsmønstre mellem funktionel netværksforbindelse (FNC) og gråstofvolumen (GMV). Det er vigtigt, at disse ledmønstre også var forbundet med specifik kognitiv tilbagegang. Undersøgelsen, med titlen "Joint Aging Patterns in Brain Function and Structure Revenue Using 27.793 Samples," blev offentliggjort i Research (2025, 8:0887; DOI: 10.34133/research.0887).

baggrund

Aldersrelateret kognitiv tilbagegang er tæt forbundet med ændringer i hjernestruktur og funktionelle interaktioner. De fleste tidligere neuroimaging undersøgelser har undersøgt aldring ved hjælp af en enkelt modalitet, enten strukturel MR (sMRI) eller funktionel forbindelse afledt af hviletilstand fMRI (rs-fMRI). Men hjernens funktion og struktur er forbundet og udvikler sig sammen, efterhånden som vi bliver ældre. At studere kun én modalitet gør det vanskeligt at tyde de sande mekanismer for kognitiv aldring. Desuden forbinder mange multimodale hjernealdringsstudier simpelthen funktionelle og strukturelle træk, hvilket ofte resulterer i, at de stærkere strukturelle træk overskygger mere subtile funktionelle bidrag. Dette kan medføre, at ægte ledaldringsmønstre overses.

Forskningsfremskridt

For at løse disse udfordringer udviklede forfatterne en samlet multimodal ramme for forudsigelse af hjernealder og fælles aldringsanalyse (fig. 1). Specifikt blev alder forudsagt separat fra helhjerne-FNC og GMV ved hjælp af en indlejret, to-lags, 10-fold krydsvalideret lasso-regression, hvilket resulterede i robuste aldersrelaterede funktionelle og strukturelle karakteristika. Nøgle FNC- og GMV-funktioner identificeret fra individuelle modaliteter blev slået sammen og evalueret under det samme indlejrede krydsvalideringsskema for at sikre fair multimodal sammenligning og forhindre strukturel dominans. Endelig blev hver pålidelige FNC parret med GMV'erne i dens to forbundne regioner for at danne fælles aldringsændringer, hvilket muliggjorde systematisk karakterisering af synergistiske (eller modstridende) funktionelle-strukturelle ændringer og deres kognitive relevans.

Undersøgelsen bekræftede, at GMV-baserede modeller bedre end FNC-baserede modeller i aldersforudsigelse, hvilket indikerer stærkere strukturel følsomhed over for aldring. Det er afgørende, at den multimodale model, der kombinerer FNC- og GMV-funktioner, opnåede den højeste forudsigelsesnøjagtighed (fig. 2), hvilket fremhæver behovet for en integreret analyse for en omfattende forståelse af hjernens aldring.

Yderligere analyse af de almindelige FNC-GMV-ændringer afslørede to primære aldringsmønstre (fig. 3):
Synergistiske ændringer: Samtidige fald i FNC-styrke og GMV, overvejende observeret i cerebellum, frontal pol, paracingulate gyrus og precuneus cortex. Dette mønster antyder koordineret funktionel og strukturel degeneration i regioner, der kontrollerer motorisk kontrol og højere ordens kognition.

Modstridende ændringer: Øget FNC kombineret med GMV-reduktion, der primært forekommer i visuelle områder såsom den occipitale pol og den laterale occipitale cortex. Dette tyder på adaptiv funktionel forbedring for at modvirke strukturelt fald.

Især var visse ledforandringer stærkt forbundet med forringelser i visse kognitive domæner (fig. 4). Modstridende ændringer i visuelle områder korrelerede stærkest med flydende intelligens og numerisk hukommelse, hvilket afspejler adaptiv vedligeholdelse af visuel informationsbehandling. I modsætning hertil var det synergistiske fald mellem cerebellar crus I og paracingulate gyrus forbundet med langsommere reaktionstid, hvilket tyder på direkte effekter af sensorimotorisk og opmærksomhedskredsløbsforringelse.

Betydning og fremtidsudsigter

Denne storstilede undersøgelse giver direkte beviser for almindelige funktionelle-strukturelle ændringer i sund hjernealdring og afdækker en kompleks dynamisk proces, der involverer både udbredt synergistisk degeneration og lokaliseret kompensatorisk tilpasning. Resultaterne udvider ikke kun vores forståelse af de neurobiologiske mekanismer, der ligger til grund for differentiel kognitiv tilbagegang, men lægger også et fundament for udviklingen af ​​multimodale neuroimaging biomarkører og målrettede tidlige interventionsstrategier.

Kilder: