Cerebral ageing: Neurophysiological correlates of ageing processes in cortical activation and functional connectivity

Abstract

Das Alter gilt als der wichtigste Risikofaktor für die Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen. Vor dem Hintergrund einer alternden Gesellschaft spielt die Erforschung möglicher Prodromalmarker für Neurodegeneration eine zunehmend wichtige Rolle. Dabei wird der Erfassung kortikaler Aktivierungen sowie funktioneller Konnektivität von Netzwerken in Ruhe und bei Exekutivfunktionen eine hohe Voraussagekraft beigemessen. Ein besseres Verständnis neurophysiologischer Altersprozesse könnte zur Entwicklung neuer Behandlungsmethoden beitragen. Die vorliegende Dissertation ist der Erforschung altersabhängiger Veränderungen in der kognitiven Leistungsfähigkeit, kortikalen Aktivierung und funktionellen Konnektivität gewidmet. Ein besonderes Interesse bestand im Gehirnareal des kognitiven Kontrollnetzwerkes (CCN). Neben der schon lange in der Medizin etablierten Methode der Magnetresonanztomographie (MRT) zur Messung oberflächlicher kortikaler Hirnaktivität, hat sich in den letzten Jahren die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) in neurophysiologischen Studien etabliert. fNIRS bietet den Vorteil valider Messungen unter realistischen Bedingungen, wie beispielsweise sozialer Interaktion, da die Messung nicht in einer engen Röhre wie beim MRT erfolgt. Die Vorzüge dieser Technologie dienten als Grundlage der vorliegenden Forschung. Zur Beurteilung der kognitiven Leistungsfähigkeit hat sich der Trail Making Test (klassischerweise bestehend aus Teiltest TMT-A und TMT-B, in einigen Versionen zusätzlich TMT-C) in der neuropsychologischen Forschung etabliert, da er verschiedene neurophysiologische Parameter wie mentale Flexibilität, Arbeitsgedächtnis, visuomotorische Verarbeitungsgeschwindigkeit und Exekutivfunktionen prüft. Anhand des TMT wurden altersabhängige Effekte auf die kognitive Leistung und die kortikale Blutoxygenierung überprüft. Die Dissertation beinhaltet drei Studien. Die erste Studie hatte die grundlegende Überprüfung der Validität der Verwendung des Trail Making Test in Blockdesigns in der Forschung zum Ziel. Üblicherweise wird beim TMT die Zeit bis zur Fertigstellung der gesamten Aufgaben gewertet und darüber die interindividuellen Leistungsunterschiede berücksichtigt. Bei Verwendung eines Blockdesigns, mit einer Messdauer von beispielsweise 30 Sekunden pro TMT-Teilaufgabe muss die individuelle Leistung über die Anzahl gelöster Elemente innerhalb dieses Zeitintervalls integriert werden. Wir untersuchten die Effekte der Aufgabenkomplexität und der Arbeitsgeschwindigkeit auf die hämodynamische Antwort mittels fNIRS. Dazu absolvierten die Probanden den TMT (TMT-A und TMT-B) in drei unterschiedlichen Geschwindigkeiten (langsam-mittel-schnell). Zur Darstellung der Einflüsse von Aufgabenkomplexität und Arbeitsgeschwindigkeit wurden zwei Analysen durchgeführt. Neben der klassischen Messung der Blutoxygenierung, wurde über eine Verhältnisrechnung (O2HB pro gelöstem item) die Zahl der erreichten Einheiten als Leistungskomponente integriert. Die Ergebnisse bestätigten Effekte für die Arbeitsgeschwindigkeit im Bereich des Gyrus frontalis inferior beidseitig. Interessanterweise zeigte sich eine höhere Aktivität beim TMT-B im Vergleich zum TMT-A im Bereich des Lobulus parietalis superior erst durch die Korrektur für die Anzahl gelöster Elemente. Die zweite Studie widmete sich der Erforschung von Alterseffekten auf die kortikale Aktivierung bei der Ausführung des Trail Making Tests. Wie in der vorherigen Studie dargestellt, können sowohl die Arbeitsgeschwindigkeit als auch die Aufgabenkomplexität Auswirkungen auf den kortikalen Sauerstoffgehalt haben. Da ältere Menschen kognitive Defizite durch eine Reduktion der Arbeitsgeschwindigkeit kompensieren könnten, sollte zu Berücksichtigung dieser Komponente entweder die Verwendung eines TMT-Designs mit drei unterschiedlichen Geschwindigkeitsstufen oder die Integration einer zusätzlichen Variable, der kortikalen Blutoxygenierung pro gelöstem Element erfolgen. Letztere fand in der vorliegenden Studie Anwendung. Ziel der Studie war die Erforschung der Auswirkungen von Altersdifferenzen auf die Leistung beim TMT (Anzahl gelöster Elemente), die kortikale Blutoxygenierung (zeit-kontrolliert; O2Hb während der Aufgabenerfüllung) und der kortikalen Blutoxygenierung pro gelöstem Element (O2Hb/Element). Aufgrund der bisherigen Studienlage gingen wir von einer altersbedingten Verlangsamung der Arbeitsgeschwindigkeit (weniger gelöste Elemente) und einer kompensatorisch erhöhten Blutoxygenierung während des TMT aus. Die Höhe der kortikalen Blutoxygenierung je gelöstem Element hielten wir in Bezug auf altersabhängige Leistungsrückgänge für besonders sensibel. In Übereinstimmung mit früherer Forschung zeigten die Ergebnisse unserer Verhaltensanalyse eine Reduktion der Arbeitsgeschwindigkeit im Alter. Gleichzeitig wurden geringere Fehlerraten während des TMT-A bei älteren Probanden festgestellt, was auf eine Verschiebung des Verhältnisses zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit bei älteren Probanden hindeutet. Auf neurophysiologischer Ebene wurden höhere O2Hb–Werte in der älteren Gruppe beobachtet. Die Korrektur der Daten für gelöste Elemente (O2Hb/Element) zeigte im Gegensatz zu den zeitkorrigierten Daten keine höheren O2Hb-Werte pro Element bei älteren Menschen im kognitiven Kontrollnetzwerk. Die dritte Studie widmete sich der Untersuchung von Veränderungen in der funktionellen Gehirnorganisation, die als besonders sensitiv für alterungsbedingte Umstrukturierungen gilt. Dabei lag ein besonderes Augenmerk auf den Unterschieden der funktionellen Konnektivität von älteren Probanden in Ruhemessungen und bei Aufgabenausführung. Erfasst wurde die funktionelle Konnektivität im Bereich des kognitiven Kontrollnetzwerkes und des dorsalen Aufmerksamkeitsnetzwerks mittels fNIRS. Die Ergebnisse demonstrieren Alterseinflüsse im Bereich des linken Gyrus frontalis inferior. Darüber hinaus zeigte sich eine negative Korrelation von Alter und funktioneller Konnektivität in einigen Regionen. Entgegen unserer Erwartungen konnten keine Altersunterschiede in Bezug auf die unterschiedlichen Konditionen (Ruhe vs. TMT) festgestellt werden. Die Ergebnisse erhärten den Verdacht von Kompensationsmechanismen und bestätigen die Abnahme der kognitiven Leistungsfähigkeit mit zunehmendem Alter.