Functional changes of physiologically ageing brain and their structural correlates – a multimodal MRI study

MUDr. Viktória Kokošová, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Stárnutí mozku je proces postupné strukturální a funkční dezintegrace. Na tento proces má vliv mnoho faktorů, jedním z nich je kvalita spánku, přičemž jeho nízká kvalita byla asociována s přítomností mozkové atrofie. Nové možnosti zobrazování pomocí magnetické rezonance nám umožňují studovat strukturální a funkční změny v průběhu stárnutí in vivo. Cílem naší studie bylo využít pokročilé techniky zobrazování pomocí magnetické rezonance citlivé na obsah myelinu a železa, integritu buněčných membrán a funkční konektivitu při sledování změn mozku v průběhu stárnutí. Dále jsme studovali vztah mezi kvalitou spánku a strukturálními a funkčními změnami mozku v průběhu stárnutí u zdravých dobrovolníků. Naší studie se zúčastnilo celkem 116 zdravých dobrovolníků. Všichni účastníci vyplnili dotazník, který obsahoval základní demografické údaje, Brief Questionnaire Regarding Severity of Memory & Emotional Problems (MQRS-M&E) a Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI). Dále podstoupili vyšetření mozku na magnetické rezonanci. Byli vypočteny korelační koeficienty mezi věkem a individuálními MRI metrikami a byli vykresleny grafy k zobrazení jejich změn v průběhu stárnutí. Dále byli sestavené regresní modely k vyhodnocení vztahu mezi kvalitou spánku a změnami jednotlivých MRI metrík v průběhu stárnutí. Naše výsledky ukazují, že některé MRI metriky, konkrétně orientation dispesion index v bílé hmotě a globální konektivita v mozkovém kortexu, jsou citlivé ke změnám zejména v časné dospělosti, zatímco T1ρ a T2ρ vykazují plateau v časné dospělosti a pak strmě stoupají ve vyšším věku. Navíc, kvalita spánku byla významně asociovaná se strukturálními a funkčními změny v ascendentním retikulárním aktivačním systému, hypothalamu, thalamu a hipokampu. Výsledky naší studie ukazují na významný vliv věku a zejména, kvality spánku, na strukturální a funkční integritu mozkové tkáně. Určité oblasti vykazovali pokročilejší alterace integrity myelinu, obsahu železa a integrity buněčných membrán u subjektů s nízkou kvalitou spánku. Naše výsledky jsou podkladem pro další studie zabývající se kauzalitou vztahu mezi kvalitou spánku, stárnutím a strukturálními a funkčními změnami mozku. Ideálně by se mělo jednat o studie s longitudinálním dizajnem a objektivním hodnocením kvality spánku, např. aktigrafií.

Abstract:

Human brain ageing is characterised by gradual decline in structural and functional integrity, with multiple factors influencing the progression of this process. Importantly, poor sleep quality has been linked to substantial brain atrophy. The advent of new MRI techniques allows us to study in vivo brain structural and functional alterations over the course of ageing. Consequently, our study aims, firstly, to utilise advanced MRI techniques sensitive to distinct biological characteristics such as myelin content, cellular membrane integrity, iron content and functional connectivity, in brain ageing research. Secondly, it investigates the relationship between the sleep quality, an important modifiable risk factor for accelerated brain ageing, and the trajectory of brain structural and functional changes with age in healthy individuals. A total of 116 healthy participants were enrolled in the study. Each participant completed a demographic questionnaire, the Brief Questionnaire Regarding Severity of Memory & Emotional Problems (MQRS-M&E), the Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI) questionnaire and a multimodal MRI acquisition. We performed full and partial correlations of individual MRI metrics with the age and plotted their age-related courses to assess their trajectories throughout the ageing process. Furthermore, we evaluated the association between sleep quality and structural and functional brain integrity using several general linear models. Scatter plots of individual MRI metrics across age demonstrated that some metrics are particularly sensitive to changes in early adulthood (e.g. orientation dispersion index in white matter and global connectivity in cerebral cortex) whereas others exhibit a plateau in early adulthood followed by steep changes in higher age (e.g. T1ρ, and T2ρ). Also, cross-correlation analysis revealed that some MRI metrics are sensitive to changes not detectable by other MRI parameters (e.g. orientation dispersion index in white matter). Additionally, sleep quality significantly modulated changes in MRI metrics in the ascending reticular activating system, hypothalamus, thalamus and also hippocampus. The findings from our study indicate that age and, importantly, sleep quality are significant contributors to changes in brain structural and functional integrity. Regions of particular relevance have been shown to exhibit alterations in myelin integrity, iron content and cellularity, with more pronounced effects detected in individuals with poor sleep quality. Our results provide a stepping stone for follow-up studies specifically designed to disentangle the causality of the relationship between sleep quality and ageing, with emphasis on longitudinal data acquisition with objective evaluation of sleep quality.

Keywords

brain ageing, multimodal MRI, rotating frame relaxometry, diffusion weighted imaging, sleep, resting state functional MRI

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 6. 12. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 11. 3. 2025
• Vedoucí: doc. MUDr. Marek Baláž, Ph.D.
• Oponent: Maria Guidi, M.Sc., Ph.D., prof. MUDr. Karel Šonka, DrSc., FCMA

Masarykova univerzita

Lékařská fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Neurovědy / Neurologie