Influence of age and cognitive performance on resting-state functional connectivity of dopaminergic and noradrenergic centers

Aging is associated with structural and functional changes in the brain, with a decline in cognitive functions observed as its inevitable concomitant. The body of literature suggests dopamine and noradrenaline as prominent candidate neuromodulators to mediate these effects; however, knowledge regarding the underlying mechanisms is scarce. To fill this gap, we compared resting-state functional connectivity (FC) patterns of ventral tegmental area (VTA), substantia nigra pars compacta (SNc) and locus coeruleus (LC) in healthy young (20–35 years; N = 37) and older adults (55–80 years; N = 27). Additionally, we sought FC patterns of these structures associated with performance in tasks probing executive, attentional and reward functioning, and we compared the functional coupling of the bilateral SNc. The results showed that individual SNc had stronger coupling with ipsilateral cortical and subcortical areas along with the contralateral cerebellum in the whole sample, and that the strength of connections of this structure with angular gyrus and lateral orbitofrontal cortex predicted visuomotor search abilities. In turn, older age was associated with greater local synchronization within VTA, its lower FC with caudate, mediodorsal thalamus, and SNc, as well as higher FC of both midbrain dopaminergic seeds with red nuclei. LC functional coupling showed no differences between the groups and was not associated with any of the behavioral functions. To the best of our knowledge, this work is the first to report the age-related effects on VTA local synchronization and its connectivity with key recipients of dopaminergic innervation, such as striatum and mediodorsal thalamus

Związane z wiekiem zmiany w połączeniach funkcjonalnych miejsca sinawego

Proces starzenia się jest związany ze strukturalnymi i funkcjonalnymi zmianami w mózgu. Spadek zdolności poznawczych wraz z wiekiem jest nieuchronny i obserwowany jest nawet przy nieobecności patologicznych zmian neurodegeneracyjnych. Zdolność do odróżnienia fizjologicznych zmian związanych z wiekiem od wczesnych oznak zachodzenia procesów patologicznych jest istotna dla wczesnej diagnostyki i określenia czynników ryzyka chorób neurodegeneracyjnych. Funkcjonalny rezonans magnetyczny w stanie spoczynku (rs-fMRI) jest optymalną metodą badania zmian towarzyszących procesowi fizjologicznego starzenia się u ludzi. W mojej pracy skupiłam się na organizacji połączeń funkcjonalnych miejsca sinawego jako głównej struktury układu noradrenergicznego, biorąc pod uwagę rolę systemu noradrenergicznego w kontroli funkcji poznawczych takich jak pamięć, uwaga i funkcje wykonawcze. Wpływ wieku na zmiany w łączności funkcjonalnej miejsca sinawego został zbadany w oparciu o dane rs-fMRI pochodzące od 37 młodych i 27 starszych zdrowych osób, pozyskane z ogólnodostępnej bazy danych. Ze względu na istnienie dowodów na interakcje pomiędzy układem noradrenergicznym i układem dopaminergicznym, zbadano potencjalne zmiany w łączności pomiędzy głównymi strukturami obu układów. Dodatkowo, sprawdzono relacje pomiędzy łącznością miejsca sinawego a wynikami uzyskanymi na skalach wybranych testów behawioralnych. Uzyskano ogólny wzór łączności miejsca sinawego, niezależny od wieku, zgodny z danymi literaturowymi, obejmujący rozległe połączenia do obszarów korowych i móżdżku. Badanie nie wykazało różnic w łączności funkcjonalnej miejsca sinawego pomiędzy grupą starszych i młodszych dorosłych. Nie znaleziono również związanych z wiekiem różnic w łączności pomiędzy strukturami układu noradrenergicznego i dopaminergicznego. Wyniki testów behawioralnych były istotnie niższe w grupie osób starszych, co jednak nie miało odzwierciedlenia w zmianach w organizacji łączności funkcjonalnej miejsca sinawego. Brak istotnych różnic pomiędzy grupami najprawdopodobniej może być wynikiem zbyt niskiej liczebności grup eksperymentalnych.The process of aging is associated with structural and functional changes in the brain. A decline in cognitive functions is an inevitable symptom of aging, even in the absence of neurodegenerative changes. Notwithstanding, it is of high importance to discriminate physiological changes from early signs of pathological processes. Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has become an optimal, non-invasive method for examination of correlates of healthy aging in humans. In the current study I focused on the organization of functional connectivity of the locus coeruleus-norepinephrine (LC-NE) system considering the involvement of the noradrenergic system in the control of key cognitive processes such as attention, working memory and executive functioning. Age-related changes in connectivity of the LC were investigated in the group of 37 young and 27 old healthy subjects with the usage of rs- fMRI data obtained from the open-access dataset. For the fact that noradrenergic system can have modulatory effects on the dopaminergic system, possible changes in relations between the LC, as the main source of noradrenaline, and main structures of the dopaminergic system were considered. Additionally, I examined the relationship between connectivity of the LC and outcomes of several behavioral tasks. Obtained pattern of the whole-brain functional connectivity of the LC, independent of age, was congruent with the existing literature and comprised the widespread connections to the cortical and cerebellar areas. However, the current study did not reveal any significant age-related changes in the functional connectivity of the LC between the group of young and elderly subjects. No age-related differences were found in the connectivity between the LC and structures of the dopaminergic system. Older subjects performed worse on cognitive tests, though it was not reflected in alterations in the organization of functional connectivity of the LC. The lack of between-group differences in the current study may stem from the small group sizes

Charakterystyka połączeń funkcjonalnych pomiędzy strukturami autonomicznego układu nerwowego u osób chorych na pierwotne układowe zapalenie naczyń

Pierwotne zapalenie naczyń ośrodkowego układu nerwowego to schorzenie o nieznanej etiologii, charakteryzujące się zmianami zapalnymi ścian naczyń krwionośnych ograniczonymi jedynie do ośrodkowego układu nerwowego. Utrzymujący się stan zapalny, związany z nadmierną produkcją cytokin prozapalnych, skutkuje zwężeniem naczyń (Abdel Razek et al., 2014), okluzją, co w konsekwencji prowadzi do niedokrwienia obszarów mózgu zajętych zmianami. Występowanie objawów dysfunkcji autonomicznego układu nerwowego (AUN) w przebiegu chorób naczyń wskazuje na to, że funkcjonowanie struktur AUN może być zaburzone również u pacjentów z PCNSV. Celem badania było sprawdzenie, czy u osób cierpiących na PCNSV występują zmiany w połączeniach funkcjonalnych pomiędzy strukturami AUN w porównaniu do osób zdrowych. Za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w stanie spoczynku (rs-fMRI) zbadano organizację połączeń funkcjonalnych w obrębie centralnej sieci autonomicznej (CAN) oraz sieci nazwanej default mode network (DMN). W celu zbadania różnic pomiędzy grupami zastosowano test t dla dwóch niezależnych prób. U pacjentów wykazano spadek siły połączeń funkcjonalnych pomiędzy prawą korą wsypy a lewą przednią korą zakrętu obręczy. Ze względu na charakterystykę tych regionów, wynik ten nie są jednoznacznym dowodem na większą podatność regionów mózgu regulujących pracę AUN na zmiany zapalne powstające w przebiegu PCNSV. Tym samym, występowanie zmian w organizacji centralnej sieci autonomicznej jako nieodłącznego aspektu PCNSV nie zostało udowodnione. Istotna statystycznie różnica pomiędzy grupami wystąpiła w przypadku sieci DMN. Łączność pomiędzy lewym dolnym płacikiem ciemieniowym a obustronnym przedklinkiem była obniżona u pacjentów w porównaniu do osób zdrowych. Wyniki wskazują na to, że funkcjonalna integralność połączeń w obrębie DMN może być zaburzona u osób cierpiących na PCNSV jako skutek lokalnych zmian zapalnych, co z kolei może mieć związek z występowaniem zaburzeń funkcji kognitywnych jako głównego objawu PCNSV.Primary vasculitis of the central nervous system (PCNSV) is a rare form of single-organ vasculitis of unknown etiology. In the course of PCNSV increased production of proinflammatory cytokines associated with persistent inflammation leads to obstruction of the lumen of blood vessels (Abdel Razek et al., 2014) and eventually occlusion. Neurological dysfunctions are the consequence of ischaemia within brain areas of infection focus. Prevalence of symptoms of autonomic nervous system (ANS) dysfunction in some vascular diseases implicates that functioning of the ANS might also be impaired in PCNSV. The current study aimed to investigate whether there are changes in functional connectivity between structures of the ANS in patients with primary systemic vasculitis in comparison to healthy controls. For this purpose resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) was used to examine functional connectivity within two brain networks: central autonomic network (CAN) and default mode network (DMN). Two sample t test was applied to search for intergroup differences in connectivity within these two networks. Functional connectivity between right insula and left anterior cingulate cortex was reduced in patients comparing to healthy subjects. However, the result does not constitute a strong evidence for higher vulnerability of brain regions associated with regulation of the ANS to inflammatory changes causes by PCNSV and thereby for disorganization of connectivity within the CAN as an immutable manifestation of this disease. The significant difference in connectivity between groups was found within the DMN. In comparison to healthy controls, patients exhibited decreased connectivity between the left inferior parietal lobule and bilateral precuneus. These results implicates that functional connectivity of the DMN might be altered in PCNSV as a result of local inflammatory changes and associated with cognitive impairment