Grootschalig onderzoek onthult gemeenschappelijke functionele en structurele patronen van hersenveroudering

Grootschalig onderzoek onthult gemeenschappelijke functionele en structurele patronen van hersenveroudering

Gezond ouder worden leidt tot parallelle veranderingen in de functionele hersenactiviteit en structurele morfologie, maar de wisselwerking tussen deze veranderingen blijft onduidelijk. Het team van prof. Yuhui Du aan het College of Computer and Information Technology, Shanxi University, in samenwerking met prof. Vince D. Calhoun (Georgia State University), analyseerde multimodale neuroimaging-gegevens van 27.793 gezonde vrijwilligers (49-76 jaar oud) in de UK Biobank. Ze stelden een uniform raamwerk voor voor single-modale en multimodale voorspelling van de hersenleeftijd en gezamenlijke functioneel-structurele verouderingsanalyse, die systematisch verschillende synergetische en tegenstrijdige verouderingspatronen karakteriseert tussen functionele netwerkconnectiviteit (FNC) en grijze stofvolume (GMV). Belangrijk is dat deze gewrichtspatronen ook geassocieerd waren met specifieke cognitieve achteruitgang. De studie, getiteld ‘Joint Aging Patterns in Brain Function and Structure Revenue Using 27.793 Samples’, werd gepubliceerd in Research (2025, 8:0887; DOI: 10.34133/research.0887).

achtergrond

Leeftijdsgebonden cognitieve achteruitgang is nauw verbonden met veranderingen in de hersenstructuur en functionele interacties. De meeste eerdere neuroimaging-onderzoeken hebben veroudering onderzocht met behulp van één enkele modaliteit: structurele MRI (sMRI) of functionele connectiviteit afgeleid van fMRI in rusttoestand (rs-fMRI). De hersenfunctie en -structuur zijn echter met elkaar verbonden en ontwikkelen zich samen naarmate we ouder worden. Het bestuderen van slechts één modaliteit maakt het moeilijk om de ware mechanismen van cognitieve veroudering te ontcijferen. Bovendien koppelen veel multimodale onderzoeken naar hersenveroudering eenvoudigweg functionele en structurele kenmerken, wat er vaak toe leidt dat de sterkere structurele kenmerken subtielere functionele bijdragen overschaduwen. Dit kan ervoor zorgen dat echte gewrichtsverouderingspatronen gemist worden.

Onderzoek vooruitgang

Om deze uitdagingen aan te pakken, ontwikkelden de auteurs een uniform multimodaal raamwerk voor het voorspellen van de hersenleeftijd en de analyse van gewrichtsveroudering (Fig. 1). Concreet werd de leeftijd afzonderlijk van de FNC en GMV van het hele brein voorspeld met behulp van een geneste, tweeledige, 10-voudige kruis-gevalideerde lasso-regressie, resulterend in robuuste leeftijdsgerelateerde functionele en structurele kenmerken. De belangrijkste FNC- en GMV-kenmerken die uit individuele modaliteiten werden geïdentificeerd, werden samengevoegd en geëvalueerd onder hetzelfde geneste kruisvalidatieschema om een ​​eerlijke multimodale vergelijking te garanderen en structurele dominantie te voorkomen. Ten slotte werd elke betrouwbare FNC gekoppeld aan de GMV's van de twee verbonden regio's om gemeenschappelijke verouderingsveranderingen te vormen, waardoor systematische karakterisering van synergetische (of tegenstrijdige) functioneel-structurele veranderingen en hun cognitieve relevantie mogelijk werd.

De studie bevestigde dat op GMV gebaseerde modellen beter presteerden dan op FNC gebaseerde modellen wat betreft leeftijdsvoorspelling, wat wijst op een sterkere structurele gevoeligheid voor veroudering. Cruciaal is dat het multimodale model dat FNC- en GMV-functies combineert, de hoogste voorspellingsnauwkeurigheid bereikte (Fig. 2), wat de behoefte aan een geïntegreerde analyse voor een uitgebreid begrip van hersenveroudering benadrukt.

Verdere analyse van de algemene FNC-GMV-veranderingen bracht twee primaire verouderingspatronen aan het licht (Fig. 3):
Synergetische veranderingen: Gelijktijdige afname van FNC-kracht en GMV, voornamelijk waargenomen in het cerebellum, de frontale pool, de paracingulaire gyrus en de precuneuscortex. Dit patroon suggereert gecoördineerde functionele en structurele degeneratie in regio's die de motorische controle en cognitie van hogere orde controleren.

Tegenstrijdige veranderingen: Verhoogde FNC gekoppeld aan GMV-reductie die voornamelijk optreedt in visuele gebieden zoals de occipitale pool en de laterale occipitale cortex. Dit suggereert adaptieve functionele verbetering om structurele achteruitgang tegen te gaan.

Met name waren bepaalde gewrichtsveranderingen sterk geassocieerd met verslechteringen in bepaalde cognitieve domeinen (Fig. 4). Tegenstrijdige veranderingen in visuele gebieden correleerden het sterkst met vloeiende intelligentie en numeriek geheugen, wat het adaptieve onderhoud van visuele informatieverwerking weerspiegelt. Daarentegen was de synergetische achteruitgang tussen cerebellaire crus I en paracingulaire gyrus geassocieerd met een langzamere reactietijd, wat duidt op directe effecten van verslechtering van het sensomotorische en aandachtscircuit.

Betekenis en toekomstperspectieven

Deze grootschalige studie levert direct bewijs voor algemene functioneel-structurele veranderingen bij gezonde hersenveroudering en legt een complex dynamisch proces bloot dat zowel wijdverbreide synergetische degeneratie als gelokaliseerde compenserende aanpassing omvat. De resultaten vergroten niet alleen ons begrip van de neurobiologische mechanismen die ten grondslag liggen aan differentiële cognitieve achteruitgang, maar leggen ook een basis voor de ontwikkeling van multimodale neuroimaging-biomarkers en gerichte vroege interventiestrategieën.

Bronnen: