Badanie na dużą skalę ujawnia wspólne funkcjonalne i strukturalne wzorce starzenia się mózgu

Badanie na dużą skalę ujawnia wspólne funkcjonalne i strukturalne wzorce starzenia się mózgu

Zdrowe starzenie się prowadzi do równoległych zmian w aktywności funkcjonalnej mózgu i morfologii strukturalnej, ale wzajemne oddziaływanie tych zmian pozostaje niejasne. Zespół prof. Yuhui Du z College of Computer and Information Technology na Uniwersytecie Shanxi we współpracy z prof. Vincem D. Calhounem (Georgia State University) przeanalizował dane z multimodalnego neuroobrazowania od 27 793 zdrowych ochotników (w wieku 49–76 lat) w brytyjskim Biobanku. Zaproponowali ujednolicone ramy jednomodalnego i multimodalnego przewidywania wieku mózgu oraz wspólnej analizy funkcjonalno-strukturalnej starzenia, która systematycznie charakteryzuje różne synergiczne i sprzeczne wzorce starzenia między funkcjonalną łącznością sieciową (FNC) a objętością istoty szarej (GMV). Co ważne, te wspólne wzorce były również powiązane ze specyficznym pogorszeniem funkcji poznawczych. Badanie zatytułowane „Wzorce starzenia się stawów w zakresie funkcji i struktury mózgu przy użyciu 27 793 próbek” opublikowano w czasopiśmie Research (2025, 8:0887; DOI: 10.34133/research.0887).

tło

Związane z wiekiem pogorszenie funkcji poznawczych jest ściśle powiązane ze zmianami w strukturze mózgu i interakcjach funkcjonalnych. W większości poprzednich badań neuroobrazowych badano starzenie się za pomocą pojedynczej metody: strukturalnego MRI (sMRI) lub połączeń funkcjonalnych uzyskanych z fMRI w stanie spoczynku (rs-fMRI). Jednakże funkcje i struktura mózgu są ze sobą powiązane i rozwijają się wraz z wiekiem. Badanie tylko jednej modalności utrudnia rozszyfrowanie prawdziwych mechanizmów starzenia się poznawczego. Co więcej, wiele multimodalnych badań nad starzeniem się mózgu po prostu łączy cechy funkcjonalne i strukturalne, często skutkując silniejszymi cechami strukturalnymi przyćmiewającymi bardziej subtelne wkłady funkcjonalne. Może to spowodować przeoczenie rzeczywistych wzorców starzenia się stawów.

Postęp badań

Aby stawić czoła tym wyzwaniom, autorzy opracowali ujednolicone multimodalne ramy do przewidywania wieku mózgu i analizy starzenia się stawów (ryc. 1). W szczególności wiek przewidywano oddzielnie od FNC i GMV całego mózgu, stosując zagnieżdżoną, dwupoziomową, 10-krotnie potwierdzoną krzyżowo regresję lasso, w wyniku czego uzyskano solidne cechy funkcjonalne i strukturalne związane z wiekiem. Kluczowe cechy FNC i GMV zidentyfikowane na podstawie poszczególnych modalności zostały połączone i ocenione w ramach tego samego zagnieżdżonego schematu walidacji krzyżowej, aby zapewnić uczciwe porównanie multimodalne i zapobiec dominacji strukturalnej. Na koniec każdy niezawodny FNC został sparowany z GMV dwóch połączonych regionów, aby utworzyć wspólne zmiany związane ze starzeniem się, umożliwiając systematyczną charakterystykę synergistycznych (lub sprzecznych) zmian funkcjonalno-strukturalnych i ich znaczenia poznawczego.

Badanie potwierdziło, że modele oparte na GMV przewyższają modele oparte na FNC w przewidywaniu wieku, co wskazuje na większą wrażliwość strukturalną na starzenie. Co najważniejsze, model multimodalny łączący funkcje FNC i GMV osiągnął najwyższą dokładność przewidywań (ryc. 2), co podkreśla potrzebę zintegrowanej analizy w celu kompleksowego zrozumienia starzenia się mózgu.

Dalsza analiza typowych zmian FNC-GMV ujawniła dwa podstawowe wzorce starzenia (ryc. 3):
Zmiany synergistyczne: Jednoczesny spadek siły FNC i GMV, obserwowany głównie w móżdżku, biegunie czołowym, zakręcie paracingulanym i korze przedklinkowej. Ten wzór sugeruje skoordynowaną degenerację funkcjonalną i strukturalną w obszarach kontrolujących kontrolę motoryczną i funkcje poznawcze wyższego rzędu.

Sprzeczne zmiany: zwiększone FNC w połączeniu ze zmniejszeniem GMV występujące głównie w obszarach wzroku, takich jak biegun potyliczny i boczna kora potyliczna. Sugeruje to adaptacyjną poprawę funkcjonalną, aby przeciwdziałać upadkowi strukturalnemu.

Warto zauważyć, że niektóre zmiany w stawach były silnie powiązane z pogorszeniem niektórych dziedzin poznawczych (ryc. 4). Sprzeczne zmiany w obszarach wizualnych najsilniej korelowały z inteligencją płynną i pamięcią numeryczną, odzwierciedlając adaptacyjne utrzymanie przetwarzania informacji wizualnych. Natomiast synergistyczny spadek między odnogą móżdżku I a zakrętem przykolcowym był powiązany z wolniejszym czasem reakcji, co sugeruje bezpośrednie skutki pogorszenia obwodów czuciowo-ruchowych i uwagi.

Znaczenie i perspektywy na przyszłość

To zakrojone na szeroką skalę badanie dostarcza bezpośrednich dowodów na powszechne zmiany funkcjonalno-strukturalne w zdrowym starzeniu się mózgu i odkrywa złożony, dynamiczny proces obejmujący zarówno powszechną zwyrodnienie synergistyczne, jak i lokalną adaptację kompensacyjną. Wyniki nie tylko poszerzają naszą wiedzę na temat mechanizmów neurobiologicznych leżących u podstaw zróżnicowanego pogorszenia funkcji poznawczych, ale także kładą podwaliny pod rozwój multimodalnych biomarkerów neuroobrazowania i ukierunkowanych strategii wczesnej interwencji.

Źródła: