Паттерны старения мозга людей различаются по самому слабому месту

Мозг человека претерпевает структурные изменения в ходе старения, но траектории этих изменений различаются у индивидов. На гетерогенность влияет множество факторов: генетика, болезни, образ жизни; они могут как защищать, так и усугублять нейропатологические процессы. Относительно небольшие изменения могут указывать на развитие в будущем таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера. Важная задача — проанализировать процессы, происходящие с мозгом в ходе старения у большого количества людей.

В новой работе международная группа ученых использовала метод машинного обучения Surreal-GAN (Semi-SUpeRvised ReprEsentAtion Learning via GAN). Он отслеживает множество изменений МРТ-изображений, которые происходят при переходе от референсной группы (молодые здоровые люди) к целевой группе (люди постарше или пациенты со специфическим клиническим фенотипом), подмечая различия и описывая их в виде индексов. Эти R-индексы указывают на то, насколько сильно мозг человека отличается от референса. Метод применили к данным более 50 000 человек из 11 исследований консорциума iSTAGING. В качестве референсной группы выступали люди моложе 50 лет.

В тренировочную когорту вошли 1150 человек из референсной группы (20–49 лет), а в таргетную группу — 8992 участника 50–97 лет, включая людей с легкими когнитивными нарушениями и деменцией. Полученную в результате модель применили ко всем 49 482 участникам консорциума iSTAGING старше 50 лет.

Всего авторы выявили пять R-индексов. R1 связан с подкорковой атрофией, сосредоточенной преимущественно в хвостатом ядре и скорлупе. R2 — c очаговой медиальной атрофией височной доли. R3 — c теменно-височной атрофией, в том числе в средней височной извилине, угловой извилине и средней затылочной извилине. R4 — с диффузной кортикальной атрофией в медиальных и латеральных лобных областях, а также в верхних теменных и затылочных областях. R5 — с перисильвиевой атрофией, сосредоточенной вокруг островковой коры.

Все R-индексы значительно коррелировали с возрастом, особенно R5. R1 и R2, напротив, коррелировали с возрастом слабее. Атрофия мозга проявлялась сильнее у мужчин во всех индексах. Уровень образования был лишь немного связан с R3 и в дальнейшем не рассматривался.

Чтобы показать связь между R-индексами и риском заболеваний, участников UK Biobank сгруппировали в 14 категорий: легкие когнитивные нарушения и деменция, инсульт, рассеянный склероз, гипертония, диабет, депрессия, биполярное расстройство, шизофрения, болезнь Паркинсона, хроническая обструктивная болезнь легких, остеоартрит, хроническая болезнь почек, остеопороз и ишемическая болезнь сердца. Также авторы добавили данные участников из других исследований.

Легкие когнитивные нарушения и деменция были ассоциированы с R2, R3 и R5. Рассеянный склероз — с R3, R4 и R5. Шизофрения и болезнь Паркинсона — с R3 и R5. R5 в целом был связан с нервно-психическими заболеваниями, а также с группой хронических заболеваний других систем органов.

Также авторы оценили прогностический потенциал R-индексов. R2 (hazard ratio (HR) 4,50), R4 (HR 2,05) и R5 (HR 2,93) были ассоциированы с риском перехода от нормы к легким когнитивным нарушениям. А R2 (HR 6,37), R3 (HR 7,97) и R5 (HR 3.70) были ассоциированы с переходом от легких когнитивных нарушений к деменции. R3 (HR 1,95), R4 (HR 1,89) и R5 (HR 2,98) были значительно связаны с риском смерти.

Потребление алкоголя в целом было ассоциировано с атрофией мозга. Курение было связано с R3 и R5. R4 был ассоциирован с диетой, а R5 — с длительными заболеваниями, эмоциональными факторами, сном и факторами окружающей среды.

Согласно GWAS, R1 и R5 были связаны с формой тела и сердечно-сосудистой системой. R3 и R5 — с психиатрией и психологией, включая шизофрению, депрессию и тревожность. Примечательно, что R1 был связан с биологическим путем ответа на кортизол и, соответственно, с ответом на стресс.

Рассеянный склероз коррелировал с индексами R3–R5, не затрагивая более глубокие структуры мозга и медиальные височные доли, что соотносится с предыдущими данными об утончении коры. R3 и R5 связаны с шизофренией и болезнью Паркинсона, что соответствует установленным ранее закономерностям атрофии. R5 связан с различными системными заболеваниями, включая нейропсихиатрические расстройства, сердечно-сосудистые заболевания и иммунную систему. Авторы связывают это с ролью островковой коры в вегетативной и эмоциональной регуляции.

Болезнь Альцгеймера очень гетерогенна. С ее отдельными характеристиками связаны R2, R3 и R5. R2 сильнее связан с ухудшением памяти, R3 — с исполнительной дисфункцией, R5 слабее связан с с амилоидом и тау, но сильнее — с сосудистой патологией и биомаркерами воспаления в спинномозговой жидкости.

Таким образом, исследование характеризует нейроанатомическою гетерогенность связанных со старением процессов с помощью пяти сигнатур. По мнению авторов, в будущем этот подход позволит проводить персонализированную диагностику и лечение.

Свечение клеток мозга детектировали с помощью МРТ