Multimodal approach of functional and structural connectivity for the analysis of cognitive decline during aging : a 3City study

Abstract

Le vieillissement s’accompagne de modifications cérébrales dont l’hétérogénéité expliquerait en partie la variabilité inter-individuelle du déclin cognitif. Ces modifications concernent aussi bien les aspects structurels que fonctionnels. L’imagerie cérébrale multimodale a apporté des éléments de compréhension sur la relation structure-fonction, mais reste peu étudiée dans le cadre du vieillissement. Au cours de ce travail, la connectivité fonctionnelle de repos (CF) et structurelle (CS) prélevées dans l’espace natif ont été explorées chez 120 sujets âgés (cohorte 3C) afin d’étudier leur lien avec les trajectoires cognitives modélisées sur les 12 ans de suivi. Dans notre échantillon, les niveaux de CF inter-hémisphérique élevés sont associés avec les altérations globales du parenchyme cérébral (atrophie de la substance grise et charge lésionnelle de la substance blanche) et avec le déclin en mémoire épisodique. Les paramètres de diffusion corrigés de l’eau libre et extraits du faisceau cingulaire reconstruit par tractographie sont associés au déclin en fluence verbale. D’autre part, une CF élevée et une CS basse entre le cortex cingulaire postérieur ventral (vPCC) et le precuneus A7m sont associés avec le déclin en mémoire épisodique, indépendamment du volume hippocampique. Enfin, les sujets âgés présentent un déficit de réorganisation de l’architecture fonctionnelle de repos à court terme après la réalisation d’une tâche d’apprentissage. Ainsi, le vieillissement cérébral s’accompagne de différents types de modifications de CF (augmentation, diminution, déficit de réorganisation à court terme) offrant ainsi au cerveau un répertoire de réponse plus complexe que la CS.Aging is associated with changes in the brain, the heterogeneity of which partly explains the inter-individual variability of cognitive decline. These changes concern both the structural and functional aspects. Multimodal brain imaging has provided some insights into the structure-function relationship, but this has been little studied in the context of aging. In this work, functional rest (CF) and structural (CS) connectivity from native space were explored in 120 elderly subjects (cohort 3C) to study their relationship to cognitive trajectories modeled on the 12 years of follow-up. In our sample, elevated interhemispheric CF levels are associated with global changes in cerebral parenchyma (gray matter atrophy and white matter injury burden) and episodic memory decline. The diffusion parameters corrected for free-water, extracted from the cingulum tract are associated with the decline in verbal fluency. On the other hand, high CF and low CS between posterior ventral cingulate cortex (vPCC) and precuneus A7m are associated with episodic memory decline, regardless of hippocampal volume. Finally, the elderly subjects present a deficit of short-term reorganization of the rest-functional architecture after a learning task. Thus, cerebral aging is associated with different patterns of CF changes (increase, decrease, short-term reorganization deficit) thus providing to the brain a more complex response repertoire than CS