Storskalig studie avslöjar vanliga funktionella och strukturella mönster av hjärnans åldrande

Storskalig studie avslöjar vanliga funktionella och strukturella mönster av hjärnans åldrande

Hälsosamt åldrande leder till parallella förändringar i hjärnans funktionella aktivitet och strukturell morfologi, men samspelet mellan dessa förändringar är fortfarande oklart. Prof. Yuhui Dus team vid College of Computer and Information Technology, Shanxi University, i samarbete med Prof. Vince D. Calhoun (Georgia State University), analyserade multimodala neuroimagingdata från 27 793 friska frivilliga (i åldern 49-76 år) i den brittiska biobanken. De föreslog ett enhetligt ramverk för enkelmodal och multimodal hjärnåldersprediktion och gemensam funktionell-strukturell åldrandeanalys, som systematiskt karakteriserar olika synergistiska och motsägelsefulla åldringsmönster mellan funktionell nätverksanslutning (FNC) och volym av grå substans (GMV). Viktigt är att dessa ledmönster också var associerade med specifik kognitiv försämring. Studien, med titeln "Joint Aging Patterns in Brain Function and Structure Revenue Using 27.793 Samples", publicerades i Research (2025, 8:0887; DOI: 10.34133/research.0887).

bakgrund

Åldersrelaterad kognitiv nedgång är nära kopplad till förändringar i hjärnans struktur och funktionella interaktioner. De flesta tidigare neuroimagingstudier har undersökt åldrande med en enda modalitet, antingen strukturell MRI (sMRI) eller funktionell anslutning härledd från vilotillstånd fMRI (rs-fMRI). Men hjärnans funktion och struktur hänger ihop och utvecklas tillsammans när vi åldras. Att studera endast en modalitet gör det svårt att dechiffrera de verkliga mekanismerna för kognitivt åldrande. Dessutom länkar många multimodala hjärnåldringsstudier helt enkelt funktionella och strukturella egenskaper, vilket ofta resulterar i att de starkare strukturella egenskaperna överskuggar mer subtila funktionella bidrag. Detta kan göra att verkliga led åldrande mönster missas.

Forskningsframsteg

För att ta itu med dessa utmaningar utvecklade författarna ett enhetligt multimodalt ramverk för förutsägelse av hjärnans ålder och analys av led åldrande (Fig. 1). Specifikt förutspåddes ålder separat från helhjärnans FNC och GMV med hjälp av en kapslad, tvåstegs, 10-faldig korsvaliderad lasso-regression, vilket resulterade i robusta åldersrelaterade funktionella och strukturella egenskaper. Viktiga FNC- och GMV-funktioner som identifierats från individuella modaliteter slogs samman och utvärderades under samma kapslade korsvalideringsschema för att säkerställa rättvis multimodal jämförelse och förhindra strukturell dominans. Slutligen parades varje pålitlig FNC med GMV:erna i dess två anslutna regioner för att bilda gemensamma åldrandeförändringar, vilket möjliggjorde systematisk karakterisering av synergistiska (eller motsägelsefulla) funktionella-strukturella förändringar och deras kognitiva relevans.

Studien bekräftade att GMV-baserade modeller överträffade FNC-baserade modeller i åldersförutsägelse, vilket indikerar starkare strukturell känslighet för åldrande. Avgörande är att den multimodala modellen som kombinerar FNC- och GMV-funktioner uppnådde den högsta prediktionsnoggrannheten (Fig. 2), vilket belyser behovet av en integrerad analys för en omfattande förståelse av hjärnans åldrande.

Ytterligare analys av de vanliga FNC-GMV-förändringarna avslöjade två primära åldringsmönster (Fig. 3):
Synergistiska förändringar: Samtidiga minskningar i FNC-styrka och GMV, främst observerade i lillhjärnan, frontalpolen, paracingulate gyrus och precuneus cortex. Detta mönster antyder koordinerad funktionell och strukturell degeneration i regioner som kontrollerar motorisk kontroll och kognition av högre ordning.

Motstridiga förändringar: Ökad FNC i kombination med GMV-reduktion förekommer främst i visuella områden som den occipitala polen och laterala occipital cortex. Detta tyder på adaptiv funktionsförbättring för att motverka strukturell nedgång.

Noterbart var vissa ledförändringar starkt förknippade med försämringar i vissa kognitiva domäner (Fig. 4). Motstridiga förändringar i visuella områden korrelerade starkast med flytande intelligens och numeriskt minne, vilket återspeglar adaptivt underhåll av visuell informationsbehandling. Däremot var den synergistiska nedgången mellan cerebellar crus I och paracingulate gyrus associerad med långsammare reaktionstid, vilket tyder på direkta effekter av försämring av sensorimotoriska och uppmärksamhetskretsar.

Betydelse och framtidsutsikter

Denna storskaliga studie ger direkta bevis för vanliga funktionella-strukturella förändringar i hälsosamt hjärnans åldrande och avslöjar en komplex dynamisk process som involverar både utbredd synergistisk degeneration och lokal kompensatorisk anpassning. Resultaten utökar inte bara vår förståelse av de neurobiologiska mekanismerna bakom differentiell kognitiv nedgång, utan lägger också en grund för utvecklingen av multimodala neuroavbildningsbiomarkörer och riktade strategier för tidiga insatser.

Källor: