Interacțiunea dintre structura și funcția cerebrală în procesul de îmbătrânire

Îmbătrânirea creierului este un proces complex care afectează progresiv multiple capacități cognitive și se corelează cu modificări atât ale structurii cerebrale, cât și ale interacțiunilor funcționale dintre regiuni. Studiul publicat în jurnalul Research explorează aceste schimbări într-un mod integrativ, utilizând tehnici neuroimagistice avansate și un eșantion foarte larg, cu scopul de a înțelege modul în care structura și funcția cerebrală evoluează simultan odată cu înaintarea în vârstă și cum aceste modificări se asociază cu declinul cognitiv.
Numeroase cercetări au documentat faptul că îmbătrânirea normală este însoțită atât de reducerea volumului substanței cenușii, cât și de modificări ale conectivității funcționale în rețelele neuronale. Reducerea volumului substanței cenușii a fost observată în diverse regiuni corticale și subcorticale, iar modificările conectivității funcționale au relevat atât scăderi, cât și creșteri ale interacțiunilor dintre rețele majore. Deși există consensul că structura și funcția cerebrală sunt interdependente, studiile anterioare multimodale au utilizat în general strategii simplificate, precum concatenarea directă a caracteristicilor, ceea ce tinde să privilegieze informațiile structurale în detrimentul celor funcționale. În acest context, înțelegerea fină a evoluției simultane a celor două dimensiuni ale creierului pe parcursul îmbătrânirii rămâne insuficient explorată.

Despre studiu

Designul general și participanții

Analiza a utilizat un set de date extins, format din 27.793 de adulți sănătoși cu vârste între 49 și 76 de ani, proveniți din baza de date UK Biobank. Toți participanții au avut atât măsurători ale conectivității funcționale în repaus (functional network connectivity, FNC), cât și valori ale volumului de substanță cenușie (gray matter volume, GMV). Prin includerea unui număr atât de mare de persoane, autorii au urmărit să depășească limitările legate de generalizare specifice studiilor cu eșantioane reduse.

Caracteristicile neuroimagistice

• Conectivitatea funcțională a fost calculată între 55 de rețele cerebrale, rezultând 1.485 de valori FNC pentru fiecare participant.
• Regiunile cerebrale au fost alocate în nouă domenii funcționale: atențional, auditiv, cerebelos, control cognitiv, mod implicit, fronto-parietal, subcortical, somatosenzorial și vizual.
• Volumul de substanță cenușie a fost calculat pentru 153 de regiuni, utilizând aceeași parcellare cerebrală.

Strategia analitică multimodală

Pentru a identifica modificările robuste asociate îmbătrânirii, autorii au folosit un cadru riguros de predicție a vârstei bazat pe regresie Lasso și pe o dublă validare încrucișată cu 10 folduri. Modelele au fost rulate independent pentru:

• date funcționale (FNC),
• date structurale (GMV),
• date multimodale (FNC + GMV).

În primă fază, au fost selectate caracteristicile cele mai predictive pentru fiecare modalitate. Ulterior, autorii au analizat schimbările comune dintre FNC și GMV pentru a identifica modele de îmbătrânire sinergică (ambele în creștere sau ambele în scădere) sau contradictorie (una crește, cealaltă scade).

Rezultate

Performanța modelelor de predicție a vârstei

• Modelul bazat pe FNC a atins în datele independente o corelație medie de 0,649 și o eroare medie absolută de 5,003 ani.
• Modelul bazat pe GMV a obținut o performanță superioară, cu o corelație de 0,713 și o eroare de 4,596 ani.
• Modelul multimodal a fost cel mai precis, cu o corelație de 0,776 și o eroare de 4,104 ani, depășind semnificativ modelele unimodale.

Aceste rezultate confirmă că, deși modificările structurale sunt în general mai puternic legate de îmbătrânire, integrarea informațiilor funcționale crește substanțial acuratețea predicțiilor.

Caracteristicile structurale asociate vârstei

• Au fost identificate 96 de regiuni cerebrale cu modificări structurale robuste asociate îmbătrânirii.
• Majoritatea au prezentat scădere a volumului odată cu vârsta.
• Regiunile cu cea mai puternică scădere: girus precentral stâng, girus paracingulat drept, girus postcentral bilateral (corelații de −0,995).
• Unele regiuni: nucleul caudat bilateral – au prezentat creștere a volumului cu vârsta, un aspect rar raportat anterior.
• Au fost evidențiate fenomene de asimetrie structurală, mai ales în talamus și putamen, unde cele două emisfere au demonstrat evoluții opuse.

Modificările funcționale asociate vârstei

• Au fost extrase 219 conexiuni funcționale robuste legate de vârstă.
• Două categorii au predominat: conexiuni pozitive cu scădere în magnitudine și conexiuni negative cu scădere în magnitudine.
• Regiunea cu cea mai mare sensibilitate la îmbătrânire a fost polul frontal drept, implicat în funcții executive, decizie și adaptare cognitivă.
• Unele conexiuni au prezentat creșteri ale magnitudinii, interpretate ca mecanisme compensatorii.

Schimbările comune structură–funcție

Au fost analizate 96 de perechi FNC–GMV ce leagă conectivitatea funcțională de structura regiunilor implicate. Principalele tipare:

• Schimbări sinergice (9 din cele mai puternice 15):
  • observate în cerebel, pol frontal, girus paracingulat și cortexul precuneus;
  • indică degenerare structurală și funcțională concomitentă.
• Schimbări contradictorii:
  • întâlnite mai ales în domeniul vizual (pol occipital, cortex occipital lateral);
  • caracterizate prin creșterea conectivității funcționale în paralel cu scăderea volumului;
  • interpretate ca compensare neurală.
• Girusul precentral stâng a prezentat un profil mixt, sugerând o dinamică complexă.

Asocierea cu declinul cognitiv

• Inteligența fluidă și memoria numerică s-au corelat cel mai puternic cu schimbările contradictorii FNC–GMV în ariile vizuale, sugerând că reorganizarea funcțională poate susține performanța chiar în contextul pierderii structurale.
• Timpul de reacție s-a asociat cu schimbări sinergice negative între cerebel (crus I) și girusul paracingulat drept, indicând că degradarea structurală și funcțională concomitentă încetinește procesele motorii și atenționale.

Interpretare

Studiul oferă o perspectivă integrată asupra modului în care funcția și structura cerebrală evoluează în tandem sau în opoziție pe parcursul îmbătrânirii. Modificările sinergice reflectă degenerarea concomitentă, în timp ce tiparele contradictorii sugerează mecanisme compensatorii prin care rețelele funcționale își cresc activitatea pentru a contrabalansa pierderea structurală. Analiza multimodală, susținută de un eșantion foarte mare, accentuează importanța evaluării simultane a volumului cerebral și conectivității funcționale pentru înțelegerea îmbătrânirii sănătoase.

Legăturile identificate între perechile FNC–GMV și domeniile cognitive demonstrează că declinul nu este uniform: unele funcții, precum inteligența fluidă, sunt relativ rezistente, în timp ce timpul de reacție și memoria numerică sunt mult mai sensibile la înaintarea în vârstă. De asemenea, studiul arată că reorganizarea funcțională nu este uniform benefică: în unele regiuni poate compensa declinul structural, în timp ce în altele degradarea concomitentă determină scăderi evidente de performanță.

Autorii subliniază necesitatea unor viitoare studii longitudinale și a unor modele care să capteze non-linearitatea modificărilor cerebrale, precum și oportunitatea de a combina metode explicabile de inteligență artificială pentru a detecta biomarkeri timpurii ai îmbătrânirii cognitive.