Ethnienübergreifende Kohortenstudie zeigt, dass die Widerstandsfähigkeit des Gehirns signifikant mit Alterung, Gefäßanomalien und kognitivem Abbau zusammenhängt

Mit zunehmendem Alter nehmen die kognitiven und sonstigen Fähigkeiten unseres Gehirns allmählich ab. Da das Gehirn jedoch über eine gewisse Widerstandsfähigkeit verfügt, verlangsamt sich die Geschwindigkeit des Leistungsabbaus. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass kognitive Beeinträchtigungen und zerebrovaskuläre Erkrankungen im Alter das Ergebnis einer Reihe von Ereignissen im Lebensverlauf sind, bei denen vaskuläre Risikofaktoren eine entscheidende Rolle spielen. Allerdings können herkömmliche Indikatoren in aktuellen Instrumenten zur Beurteilung der Gehirngesundheit, wie etwa Gehirnmorphologie und -volumen, diese Risikofaktoren nicht signifikant widerspiegeln. Besonders wichtig ist die Entwicklung neuer objektiver Indikatoren, die die Risikofaktoren neurologischer Erkrankungen widerspiegeln können. Studien haben gezeigt, dass die Konnektomik des menschlichen Gehirns globale Veränderungen der Gehirntopologie aus einer Netzwerkperspektive quantifizieren und analysieren kann. Die Resilienz des Gehirns spiegelt die Fähigkeit des Gehirns wider, äußeren Störungen standzuhalten, und sein Resilienzniveau spiegelt auch die Fähigkeit wider, dem Altern zu widerstehen. Daher ist zu erwarten, dass innovative Indikatoren für die Belastbarkeit des Gehirns, die auf der Theorie der Gehirnnetzwerke basieren, die oben genannten Schwierigkeiten überwinden und zu wirksamen Biomarkern werden, die den frühen Status potenzieller Erkrankungen des Gehirns und des Nervensystems widerspiegeln.

Kürzlich haben das Team von Professor Liu Tao von der School of Biological and Medical Engineering der Beihang University und das Team von Professor Wang Yongjun vom Beijing Tiantan Hospital der Capital Medical University einen innovativen objektiven Bewertungsindikator vorgeschlagen, um den Grad der Widerstandsfähigkeit des Gehirns zu reflektieren: die topologische Widerstandsfähigkeit des Gehirns (BTR). Die Berechnung dieses Indikators basiert auf dem Netzwerk der Gehirnstrukturen und verwendet Algorithmen wie das Perkolationsmodell, um den Schädigungsprozess zu quantifizieren und eine quantitative Bewertung der Belastbarkeit des Gehirns zu erreichen. Die Studie bestätigte außerdem den signifikanten Zusammenhang zwischen der Belastbarkeit des Gehirns und dem mit zunehmendem Alter verbundenen kognitiven Niveau sowie dem zerebrovaskulären Risiko in zwei großen ethnischen Gemeinschaftskohorten. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Science Bulletin veröffentlicht.

Abbildung 1 Artikelzusammenfassung

Die Studie berechnete die topologische Belastbarkeit des Gehirns auf der Grundlage von zwei großen Gemeinschaftskohorten (Abbildung 1). Die weißen Substanzfasern des Gehirns wurden durch Faserverfolgung der Diffusions-Magnetresonanzbilder der Probanden rekonstruiert und die Gehirnregionen wurden mithilfe der Standardsegmentierungsvorlage Brainnetome unterteilt, um ein Gehirnnetzwerk mit 246 Knoten zu erhalten. Anschließend kombinierte die Studie den K-Shell-Zerlegungsalgorithmus und die Knotenzentralitätseigenschaften, um die Widerstandsfähigkeitsindikatoren des Netzwerks quantitativ zu berechnen. Anschließend analysierte die Studie die Zusammenhänge zwischen der Widerstandsfähigkeit des Gehirns und dem Alter, Gefäßanomalien und der Wahrnehmung. Schließlich wurde im Rahmen dieser Studie ein Strukturgleichungsmodell erstellt, um die Rolle der Gehirnresilienz im Modell „Altern – kognitiver Abbau“ zu untersuchen, und es wurde mit dem traditionellen Gehirnvolumen, einem Indikator für die Gehirnmorphologie, verglichen, um die Spezifität des Indikators für die Gehirnresilienz zu überprüfen.

Abbildung 2 Zusammenhang zwischen der Belastbarkeit des Gehirns und Alterung, Kognition und Gefäßanomalien

Die Studie ergab, dass Indikatoren für die Belastbarkeit des Gehirns in beiden Bevölkerungskohorten signifikante Zusammenhänge mit dem Alter, vaskulären Risikofaktoren und Arteriosklerose aufwiesen. Die topologische Belastbarkeit des Gehirns zeigte eine negative Korrelation mit dem Alter, vaskulären Risikofaktoren und Arterioskleroseindikatoren sowie eine positive Korrelation mit der kognitiven Fähigkeit des Gehirns (Abbildung 2). Dies deutet darauf hin, dass die Widerstandsfähigkeit des Gehirns eine grundlegende Eigenschaft sein könnte, die die kognitiven Fähigkeiten unterstützt, und dass die Widerstandsfähigkeit des Gehirns mit zunehmendem Alter und der Anhäufung von Gefäßrisiken beeinträchtigt werden könnte.

Um die unterstützende Rolle der Widerstandsfähigkeit des Gehirns auf die Gehirnkognition während des Alterungsprozesses weiter zu erforschen, wurde in dieser Studie eine Strukturgleichungsmodellierung verwendet, um den vermittelnden Effekt der Widerstandsfähigkeit des Gehirns zu analysieren. Die Ergebnisse des Strukturgleichungsmodells zeigten, dass die Belastbarkeit des Gehirns im Vergleich zu herkömmlichen Indikatoren der Gehirnmorphologie (Gehirnvolumen) die Auswirkungen des Alterns, vaskulärer Risikofaktoren und Arteriosklerose auf den kognitiven Abbau signifikant vermitteln kann (Abbildung 3). Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass die Anhäufung vaskulärer Risikofaktoren zu einem kognitiven Abbau führen kann, indem sie die Belastbarkeit des Gehirns beeinträchtigt. Man geht davon aus, dass dieser Indikator zu einem wichtigen Indikator für die Beurteilung der Gehirngesundheit bei Menschen mittleren und höheren Alters wird und auch neue Erkenntnisse für die Erforschung kognitiver Schutzstrategien während des Alterungsprozesses liefert.

Abbildung 3 Die topologische Widerstandsfähigkeit des Gehirns vermittelt die Wege, über die Alterung und Blutgefäße die Gehirnkognition beeinflussen

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Untersuchung des Zusammenhangs zwischen topologischer Belastbarkeit des Gehirns und kognitiver Leistung im Kontext von Alterung und vaskulären Risikofaktoren: Eine ethnische bevölkerungsbasierte Studie. Wissenschaftsbulletin (2024). DOI: 10.1016/j.scib.2024.04.018