Štúdia vo veľkom meradle odhaľuje bežné funkčné a štrukturálne vzorce starnutia mozgu

Štúdia vo veľkom meradle odhaľuje bežné funkčné a štrukturálne vzorce starnutia mozgu

Zdravé starnutie vedie k paralelným zmenám funkčnej aktivity mozgu a štrukturálnej morfológie, ale súhra medzi týmito zmenami zostáva nejasná. Tím profesora Yuhui Du na Vysokej škole počítačovej a informačnej technológie, Shanxi University, v spolupráci s prof. Vinceom D. Calhounom (Georgia State University), analyzoval dáta multimodálneho neurozobrazovania od 27 793 zdravých dobrovoľníkov (vo veku 49-76 rokov) v Biobanke Spojeného kráľovstva. Navrhli jednotný rámec pre jednomodálnu a multimodálnu predikciu veku mozgu a spoločnú funkčno-štrukturálnu analýzu starnutia, ktorá systematicky charakterizuje rôzne synergické a protichodné modely starnutia medzi funkčnou sieťovou konektivitou (FNC) a objemom šedej hmoty (GMV). Dôležité je, že tieto spoločné vzorce boli tiež spojené so špecifickým kognitívnym poklesom. Štúdia s názvom „Joint Aging Patterns in Brain Function and Structure Revenue using 27 793 Samples“ bola publikovaná v Research (2025, 8:0887; DOI: 10.34133/research.0887).

pozadia

Kognitívny pokles súvisiaci s vekom je úzko spojený so zmenami v štruktúre mozgu a funkčných interakciách. Väčšina predchádzajúcich neuroimagingových štúdií skúmala starnutie pomocou jedinej modality, buď štrukturálnej MRI (sMRI) alebo funkčnej konektivity odvodenej z pokojového stavu fMRI (rs-fMRI). Funkcia a štruktúra mozgu sú však spojené a vyvíjajú sa spolu s pribúdajúcim vekom. Štúdium iba jednej modality sťažuje dešifrovanie skutočných mechanizmov kognitívneho starnutia. Okrem toho mnohé štúdie multimodálneho starnutia mozgu jednoducho spájajú funkčné a štrukturálne vlastnosti, čo často vedie k silnejším štrukturálnym vlastnostiam, ktoré zatieňujú jemnejšie funkčné príspevky. To môže spôsobiť vynechanie skutočných vzorcov starnutia kĺbov.

Pokrok vo výskume

Na riešenie týchto problémov autori vyvinuli jednotný multimodálny rámec na predpovedanie veku mozgu a analýzu starnutia kĺbov (obr. 1). Konkrétne bol vek predpovedaný oddelene od FNC a GMV celého mozgu pomocou vnorenej, dvojvrstvovej, 10-násobne krížovo overenej regresie lasa, čo viedlo k robustným funkčným a štrukturálnym charakteristikám súvisiacim s vekom. Kľúčové funkcie FNC a GMV identifikované z jednotlivých modalít boli zlúčené a vyhodnotené v rámci rovnakej vnorenej schémy krížovej validácie, aby sa zabezpečilo spravodlivé multimodálne porovnanie a zabránilo sa štrukturálnej dominancii. Nakoniec, každý spoľahlivý FNC bol spárovaný s GMV svojich dvoch spojených oblastí, aby vytvorili spoločné zmeny starnutia, čo umožnilo systematickú charakterizáciu synergických (alebo protichodných) funkčno-štrukturálnych zmien a ich kognitívnu relevanciu.

Štúdia potvrdila, že modely založené na GMV prekonali modely založené na FNC v predpovedi veku, čo naznačuje silnejšiu štrukturálnu citlivosť na starnutie. Rozhodujúce je, že multimodálny model kombinujúci funkcie FNC a GMV dosiahol najvyššiu presnosť predikcie (obr. 2), čo poukazuje na potrebu integrovanej analýzy pre komplexné pochopenie starnutia mozgu.

Ďalšia analýza bežných zmien FNC-GMV odhalila dva primárne vzorce starnutia (obr. 3):
Synergické zmeny: Simultánne zníženie sily FNC a GMV, pozorované prevažne v mozočku, frontálnom póle, paracingulárnom gyrus a precuneus cortex. Tento vzor naznačuje koordinovanú funkčnú a štrukturálnu degeneráciu v oblastiach, ktoré riadia motorickú kontrolu a kogníciu vyššieho rádu.

Konfliktné zmeny: Zvýšená FNC spojená s redukciou GMV vyskytujúca sa predovšetkým vo vizuálnych oblastiach, ako je okcipitálny pól a laterálny okcipitálny kortex. To naznačuje adaptívne funkčné zlepšenie, aby sa zabránilo štrukturálnemu poklesu.

Je pozoruhodné, že určité kĺbové zmeny boli silne spojené so zhoršením určitých kognitívnych domén (obr. 4). Konfliktné zmeny vo vizuálnych oblastiach najsilnejšie korelujú s fluidnou inteligenciou a numerickou pamäťou, čo odráža adaptívne udržiavanie spracovania vizuálnych informácií. Na rozdiel od toho, synergický pokles medzi cerebelárnym crus I a paracingulátnym gyrusom bol spojený s pomalším reakčným časom, čo naznačuje priame účinky zhoršenia senzomotoriky a pozornosti.

Význam a vyhliadky do budúcnosti

Táto rozsiahla štúdia poskytuje priamy dôkaz bežných funkčno-štrukturálnych zmien pri starnutí zdravého mozgu a odhaľuje zložitý dynamický proces zahŕňajúci rozšírenú synergickú degeneráciu a lokalizovanú kompenzačnú adaptáciu. Výsledky nielenže rozširujú naše chápanie neurobiologických mechanizmov, ktoré sú základom diferenciálneho kognitívneho poklesu, ale tiež položia základ pre vývoj multimodálnych neuroimagingových biomarkerov a cielených stratégií včasnej intervencie.

Zdroje: