ІМТ-пов’язані зміни кортикальної морфометрії пов’язані зі зміною структури білої речовини
Предмети
Анотація
Передумови
Хоча грубі вимірювання структури мозку показали зміни зі збільшенням індексу маси тіла (ІМТ), ступінь та характер таких змін істотно варіювали в ході досліджень. Тут ми намагалися визначити, чи можуть маломасштабні морфометричні виміри виявитись більш чутливими та надійними, ніж великі масштаби, і чи можуть вони запропонувати цінну можливість пов’язати зміни кори з основними змінами білої речовини. Щоб дослідити це, ми дослідили зв'язок ІМТ з міліметровою гауссовою кривизною, на додаток до стандартних показників морфометрії, таких як товщина кори, площа поверхні та середня кривизна. Ми також оцінили об'єм та цілісність білої речовини, використовуючи інтенсивність сигналу білої речовини та фракційну анізотропію (ФА). Ми висунули гіпотезу, що ІМТ буде пов’язаний з незначними змінами в кривині Гауса, і що це явище буде опосередковано змінами цілісності основної білої речовини.
Методи
Зв'язок глобальних показників T1-зваженої кортикальної морфометрії з ІМТ вивчали за допомогою лінійної регресії та медіаційного аналізу у двох незалежних групах здорових людей молодого та середнього віку (1 = 52, 2 = 202). У третьому наборі даних (3 = 897), який включав дифузійні тензорні зображення, ми прагнули відтворити значущі асоціації, встановлені в перших двох наборах даних, і вивчити потенційний механістичний зв'язок між ІМТ-асоційованими змінами кори та глобальними ФА.
Результати
Гауссова кривизна поверхні білої речовини показала значну позитивну зв'язок з ІМТ у всіх трьох незалежних наборах даних. Цей ефект був опосередкований негативною зв'язком між цілісністю білої речовини та ІМТ.
Висновки
Збільшення ІМТ пов’язане зі змінами мікроструктури білої речовини у здорових дорослих молодого та середнього віку. Наші результати узгоджуються з моделлю, згідно з якою ІМТ-пов'язані зміни на корі опосередковуються впливом ІМТ на мікроструктуру білої речовини.
Вступ
Ожиріння визнано фактором ризику розвитку деменції серед людей похилого віку [1] та порушення когнітивних функцій у дітей та дорослих [2]. Як наслідок, зростає увага до розуміння зв’язків між індексом маси тіла (ІМТ) та змінами в структурі мозку. З орієнтацією переважно на сіру речовину мозку, у більшості досліджень знайдено докази змін, але ступінь та характер змін істотно різнилися в межах досліджень [3].
Те саме стосується змін білої речовини. Наприклад, ожиріння асоціюється з більшими обсягами білої речовини у лобовій, скроневій та тім’яній частках [4], а також у лімбічній системі, стовбурі мозку та мозочку [5]. І навпаки, інші дослідження повідомляють про негативний зв’язок між ІМТ та обсягами білої речовини базальних гангліїв та коронарних променевих зв’язків [6, 7]. Ця невідповідність може бути пов’язана з нелінійною траєкторією вікових змін об’єму білої речовини, які можуть затемнити різницю, пов’язану з ожирінням. Дійсно, нещодавно ми продемонстрували, що ожиріння пов'язане зі збільшенням вікової втрати білої речовини [8].
Для уточнення цих висновків мікроструктуру білої речовини досліджували з використанням дифузійного тензорного зображення (DTI), чутливого інструменту для оцінки цілісності білої речовини на основі картографування спрямованості руху води у волокнах білої речовини [9]. Дослідження фракційної анізотропії (ФА), найбільш широко використовуваного маркера DTI цілісності білої речовини, дало більш послідовні докази, що пов’язують ожиріння з різницею в структурі білої речовини. Дійсно, негативна взаємозв'язок між ІМТ та ФА неодноразово демонструвалась у трактах у межах лімбічної системи та тих, що з'єднують скроневу та лобову частки (оглянуто в Kullman et al [10]).
Тут ми прагнули використати збіжні та доповнюючі показники морфометрії сірої та білої речовини, щоб чіткіше зрозуміти основні механізми, за допомогою яких можуть відбуватися глобальні зміни мозку в контексті ожиріння. Раніше повідомлялося, що незначні відмінності в кортикальних ознаках у осіб із легкими когнітивними порушеннями та хворобою Альцгеймера обумовлені зменшенням обсягу білої речовини та цілісності білої речовини [9]. На основі цього звіту та геометричних міркувань ми припустили, що змінена мікроструктура білої речовини може бути посередницьким фактором між ожирінням та змінами в корі головного мозку.
Ми перевірили цю гіпотезу, використовуючи вимірювання морфометрії сірої та білої речовини. Зокрема, ми передбачали, що ІМТ-асоційовані зміни мікроструктури білої речовини опосередковують коркові зміни, які можна виявити як збільшення ступеня гауссової кривизни на поверхні мозку. У той час як так звана середня або зовнішня кривизна поверхні відображає її зовнішню форму, тобто згортання кори, гауссова кривизна є внутрішньою характеристикою поверхні (рис. 1) і може бути використана для кількісної оцінки розтягування або деформації поверхню. Гауссова кривизна вимірюється в міліметровій шкалі, і було показано, що вона дуже чутлива до морфометричних відмінностей [11, 12]. Наприклад, раніше він використовувався для виявлення тонких відмінностей в кортикальних особливостях пацієнтів, які постраждали від шизофренії, порівняно зі здоровим контролем [13], змінами, пов’язаними з аутизмом [14], і в дослідженні здорових учасників з різними поліморфізмами головного мозку - похідний нейротрофічний фактор (BDNF) [15].
Кривизна, c, в точці на прямій визначається як обернена до радіуса коливального кола в цій точці. На поверхні кривизна кожної точки є функцією головної кривизни в цій точці, яка завжди є ортогональною одна одній. Середня кривизна - це середнє значення основних кривизни, тоді як кривизна Гауса є добутком основних кривизн. Тут представлені карти середньої та гауссової кривизни реконструкції поверхні кори. У той час як середня кривизна відповідає зразку звивин (зеленим) і борозен (червоним), картина Гауссової кривизни має набагато вищу просторову частоту і не відповідає більш масштабним морфологічним особливостям кортикальних складок. Позитивна гауссова кривизна зображена червоним кольором, а негативна гауссова кривизна - зеленим. Взято з [12]
Виходячи з раніше опублікованої роботи, ми висунули гіпотезу, що ожиріння в першу чергу асоціюється з незначними змінами мікроструктури білої речовини, а отже, міра міліметрової кривизни Гауса буде більш чутливим опосередкованим маркером тонких змін ІМТ білої речовини мікроструктура, ніж середня кривизна. Ми вивчали взаємозв'язок між ІМТ та корковими морфометричними показниками у трьох незалежних наборах даних (A, B та C) здорових суб'єктів молодого та середнього віку. У наборах даних A та B ми розглянули зв'язок між ІМТ та Т1-зваженими кортикальними морфометріями, включаючи гауссову кривизну, середню кривизну, площу поверхні та товщину кори. Ми поширили це на оцінку показників білої речовини: гучності та інтенсивності сигналу, прийнятих як Т1-зважений маркер цілісності білої речовини. У наборі даних C ми намагалися відтворити суттєві ефекти, встановлені в наборах даних A та B, і розширили наш аналіз, вимірявши FA, як добре перевірений показник цілісності білої речовини на основі DTI. Нарешті, у всіх трьох наборах даних ми також провели пост-hoc медіаційний аналіз на основі результатів регресійного аналізу. Вони були проведені, щоб офіційно встановити зв'язок між змінами, пов'язаними з ІМТ, у вимірах кори та білої речовини.