Учёные из Центра нейробиологии обучения и памяти калифорнийского университета совместно с коллегами из Испании обнаружили, что старение мозга связано не только с потерей нервной ткани, но и с масштабными изменениями его геометрии. Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что мозг с возрастом меняется неравномерно: одни области «сжимаются», а другие увеличиваются в объеме. Эти геометрические преобразования тесно связаны с ухудшением памяти, логического мышления и других когнитивных функций.
Визуализация методов вычисления глобальных расстояний (А) и региональных гомологов (B).
До сих пор исследования старения мозга в основном фокусировались на объёме: с годами количество серого и белого вещества уменьшается, особенно страдают лобные, височные и теменные доли. Однако эти подходы упускали из виду сложные пространственные изменения — то, как меняется общая структура мозга и расстояния между его отделами. А именно эти факторы могут критически влиять на эффективность взаимодействия между различными зонами мозга.
Исследователи применили новый подход к количественной оценке градиентов расширения и сжатия в зависимости от общей формы мозга и пространственных расстояний между гомологичными областями в разных полушариях. Команда исследователей проанализировала более 2600 МР-томограмм мозга, сделанных людям в возрасте от 30 до 97 лет.
Чтобы точнее определить, на каком этапе процесса старения возникают эффекты, учёные разделили выборку на восемь непересекающихся возрастных групп с одинаковым количеством сканирований. Затем они сравнили каждую возрастную группу с самой младшей возрастной группой.
Увеличение возраста было связано с глобальным расширением в нижне-передних отделах и со сжатием в верхне-задних отделах . Эти эффекты начинались с расширения нижне-передних отделов в младшей возрастной группе сравнения и усиливались с увеличением возрастных групп (В). «Сжатие» сначала возникло в верхне-задних отделах (3-я группа по сравнению с 1-й), а затем затронуло среднюю часть головного мозга в старших возрастных группах.
Полученные данные сопоставили с результатами тестов на память, внимание и исполнительные функции. Гипотеза исследователей подтвердилась: мозг с возрастом претерпевает сложные геометрические изменения, которые напрямую связаны с когнитивными способностями.
Анализ выявил три основных паттерна: глобальное расширение в нижних передних отделах, глобальное сжатие в верхних задних отделах мозга и региональное расширение между лобно-височными гомологичными областями. Хотя с возрастом объём каждой отдельной области может уменьшаться из-за атрофии, общая форма мозга может расширяться в нижнем переднем направлении, что выражается в увеличении расстояний между внешними краями и региональными структурами.
Все модели клинических нарушений и когнитивных функций контролировались с учетом возрастных особенностей.
А. Клиническое нарушение (состояние пациента, определяемое по шкале оценки клинической деменции = 0 для контрольной группы и по шкале оценки клинической деменции > 0 для пациентов) было связано с расширением (красный цвет) подкорковых, медиальных и латеральных височных областей и со сжатием (синий цвет) медиальных теменных областей.
B. В различных когнитивных областях проявились отчетливые закономерности. Ухудшение показателей эпизодической памяти было связано с подкорковым, медиальным и латеральным расширением височной области, а также со сжатием медиальной теменной и медиальной лобной областей. Напротив, ухудшение исполнительной функции было связано только со сжатием в медиальной и латеральной теменной и затылочной областях, в то время как рабочая память была связана со сжатием в латеральной теменной и височной областях.
Одним из важных результатов исследования стала выявленная связь между геометрическими изменениями мозга и снижением когнитивных функций. Эпизодическая память была связана с паттерном, очень похожим на общее клиническое нарушение: увеличение объема в нижне-передней части мозга затрагивало подкорковые и височные области, которые, как известно, отвечают за формирование памяти, а уменьшение — задние и теменные области. В то же время, рабочая память и исполнительные функции страдали из-за «сжатия» в теменных и лобных долях. Это демонстрирует, что разные когнитивные способности зависят от специфических паттернов деформации мозга.
Для подтверждения надёжности своих выводов учёные повторили ключевые этапы анализа на независимой выборке — открытой базе данных Кембриджского центра по изучению старения. Результаты успешно воспроизвелись, что подтверждает надежность результатов.