Uno studio su larga scala rivela modelli funzionali e strutturali comuni dell’invecchiamento cerebrale

Uno studio su larga scala rivela modelli funzionali e strutturali comuni dell’invecchiamento cerebrale

Un invecchiamento sano porta a cambiamenti paralleli nell’attività funzionale del cervello e nella morfologia strutturale, ma l’interazione tra questi cambiamenti rimane poco chiara. Il team del Prof. Yuhui Du presso il College of Computer and Information Technology, Università dello Shanxi, in collaborazione con il Prof. Vince D. Calhoun (Georgia State University), ha analizzato i dati di neuroimaging multimodale di 27.793 volontari sani (di età compresa tra 49 e 76 anni) nella Biobanca del Regno Unito. Hanno proposto un quadro unificato per la previsione dell’età cerebrale monomodale e multimodale e l’analisi congiunta dell’invecchiamento funzionale-strutturale, che caratterizza sistematicamente vari modelli di invecchiamento sinergici e contraddittori tra la connettività della rete funzionale (FNC) e il volume della materia grigia (GMV). È importante sottolineare che questi modelli congiunti erano anche associati a un declino cognitivo specifico. Lo studio, intitolato “Joint Aging Patterns in Brain Function and Structure Revenue Using 27,793 Samples”, è stato pubblicato su Research (2025, 8:0887; DOI: 10.34133/research.0887).

sfondo

Il declino cognitivo legato all’età è strettamente legato ai cambiamenti nella struttura del cervello e nelle interazioni funzionali. La maggior parte degli studi di neuroimaging precedenti hanno esaminato l’invecchiamento utilizzando un’unica modalità, la risonanza magnetica strutturale (sMRI) o la connettività funzionale derivata dalla fMRI in stato di riposo (rs-fMRI). Tuttavia, la funzione e la struttura del cervello sono collegate e si sviluppano insieme con l’avanzare dell’età. Studiare una sola modalità rende difficile decifrare i veri meccanismi dell’invecchiamento cognitivo. Inoltre, molti studi multimodali sull’invecchiamento cerebrale collegano semplicemente caratteristiche funzionali e strutturali, spesso con il risultato che le caratteristiche strutturali più forti oscurano i contributi funzionali più sottili. Ciò può far sì che non si conoscano i reali modelli di invecchiamento articolare.

Progresso della ricerca

Per affrontare queste sfide, gli autori hanno sviluppato un quadro multimodale unificato per la previsione dell'età cerebrale e l'analisi dell'invecchiamento articolare (Fig. 1). Nello specifico, l'età è stata prevista separatamente dalla FNC e dal GMV dell'intero cervello utilizzando una regressione lazo nidificata, a due livelli, convalidata in modo incrociato 10 volte, con conseguente robuste caratteristiche funzionali e strutturali legate all'età. Le principali caratteristiche FNC e GMV identificate dalle singole modalità sono state unite e valutate nell'ambito dello stesso schema di convalida incrociata nidificato per garantire un confronto multimodale equo e prevenire la dominanza strutturale. Infine, ciascuna FNC affidabile è stata accoppiata con i GMV delle sue due regioni connesse per formare cambiamenti comuni dell'invecchiamento, consentendo la caratterizzazione sistematica dei cambiamenti funzionale-strutturali sinergici (o contraddittori) e della loro rilevanza cognitiva.

Lo studio ha confermato che i modelli basati su GMV hanno sovraperformato i modelli basati su FNC nella previsione dell’età, indicando una maggiore sensibilità strutturale all’invecchiamento. Fondamentalmente, il modello multimodale che combina le funzioni FNC e GMV ha raggiunto la massima precisione di previsione (Fig. 2), evidenziando la necessità di un'analisi integrata per una comprensione completa dell'invecchiamento cerebrale.

Un'ulteriore analisi dei comuni cambiamenti FNC-GMV ha rivelato due modelli di invecchiamento primari (Fig. 3):
Cambiamenti sinergici: diminuzioni simultanee della forza FNC e GMV, osservate prevalentemente nel cervelletto, nel polo frontale, nel giro paracingolato e nella corteccia del precuneo. Questo modello suggerisce una degenerazione funzionale e strutturale coordinata nelle regioni che controllano il controllo motorio e la cognizione di ordine superiore.

Cambiamenti contrastanti: aumento della FNC abbinato alla riduzione del GMV che si verifica principalmente nelle aree visive come il polo occipitale e la corteccia occipitale laterale. Ciò suggerisce un miglioramento funzionale adattivo per contrastare il declino strutturale.

In particolare, alcuni cambiamenti articolari erano fortemente associati a deterioramenti in alcuni domini cognitivi (Fig. 4). Cambiamenti contrastanti nelle aree visive erano fortemente correlati con l’intelligenza fluida e la memoria numerica, riflettendo il mantenimento adattivo dell’elaborazione delle informazioni visive. Al contrario, il declino sinergico tra il crus cerebellare I e il giro paracingolato era associato a tempi di reazione più lenti, suggerendo effetti diretti del deterioramento dei circuiti sensomotori e attenzionali.

Significato e prospettive future

Questo studio su larga scala fornisce prove dirette di cambiamenti funzionali-strutturali comuni nell’invecchiamento cerebrale sano e scopre un processo dinamico complesso che coinvolge sia una diffusa degenerazione sinergica che un adattamento compensatorio localizzato. I risultati non solo ampliano la nostra comprensione dei meccanismi neurobiologici alla base del declino cognitivo differenziale, ma gettano anche le basi per lo sviluppo di biomarcatori multimodali di neuroimaging e strategie di intervento precoce mirate.

Fonti: