Strukturelle Determinanten kognitiver Funktionen im MRT

Abstract

BACKGROUND: Specific cognitive processes can be assigned to individual brain regions as well as functionally distinct wide-range cerebral networks. Although this segregation is well known from functional MRI and lesion studies, a general association between brain size and cognitive performance has to be assumed. Nevertheless it is not well known whether the relation of volume and cognitive function is also valid for individual cortical and subcortical subregions, e.g. the basal forebrain cholinergic system (BFCS), or if this is an epiphenomenon relating to the global relationship of brain volume and global cognition. Furthermore, it is not known if this association is modulated by cerebral atrophy in ageing. METHODOLOGY: In this study, a young, cognitively healthy sample of smokers and neversmokers as well as an elderly, cognitively healthy population who presented for elective surgery at a university clinic were examined. In addition to neuropsychological data, structural MRI data were collected and the volumes of brain, cortical areas and the basal forebrain cholinergic system have been assessed. Furthermore the brain parenchyma fraction (BPF), which is a measure of brain atrophy, has been assessed. Associations between MRI-based volumetric and neuropsychological data, in particular global cognition and executive functions, were determined in regression analyses adjusting for confounding demographic variables. RESULTS: In young healthy participants, the volume of the left Nucleus basalis of Meynert is associated with Trail-Making-Test performance. This relationship is u-shaped and subjects with relatively small and very large volumes show poorer performance. Elderly patients show a linear correlation between total volume of the BFCS and global cognition as well as sub-tests of a comprehensive neuropsychological testing, which is mediated by a relationship between brain volume and global cognition. In the same elderly sample, the volume of total grey matter is found to have a stronger association with Trail-Making-Test B than individual lobe volume. After correction for motor function and visual abilities, a specific association with temporal lobe volume is found. BPF as a measure of brain atrophy is associated with global and executive function, independent of lobular grey matter or BFCS volume. CONCLUSION: The volumes of cholinergic nuclei are associated with cognitive function. While these are specifically associated with visual attention in young populations, this association is mediated by a general association of total brain volume and global cognition in the elderly. This result can also be found for the total cortical volume compared to lobular volume. Multiple cerebral structures seem to be involved in complex cognitive functions during ageing and individual region volumes correlate weakly with cognitive performance. Regardless of volume, cerebral atrophy affects global cognitive as well as executive functions in particular.

Spezifische kognitive Prozesse können einzelnen Hirnregionen, aber auch weit aufgespannten Netzwerken aus einzelnen zerebralen Strukturen zugeordnet werden. Obwohl diese funktionelle Segregation aus fMRT- und Läsionsstudien gut belegt ist, wird gleichzeitig eine allgemeine Assoziation aus Hirngröße und kognitiver Leistungsfähigkeit angenommen. Es ist jedoch nicht zulänglich erforscht, ob die Relation von Volumen und kognitiver Funktion auch für einzelne kortikale und subkortikale Subregionen, z.B. cholinerge Zellgruppen im basalen Vorderhirn, gilt, oder ob dies ein Epiphänomen des übergeordneten Zusammenhangs zwischen Hirnvolumen und globaler Kognition ist. Des weiteren ist nicht bekannt, inwiefern dieser Zusammenhang durch Atrophie im Alter moduliert wird. METHODIK: In dieser Arbeit wurden eine junge, kognitiv gesunde Stichprobe aus Rauchern und Nichtrauchern sowie eine ältere, kognitiv gesunde Population, die sich zu einer elektiven Operation in der Universitätsklinik vorstellte, untersucht. Neben neuropsychologischen Daten wurden strukturelle MRT-Daten erhoben und hinsichtlich der Volumina von Gehirn, kortikaler Areale und cholinerger Kerngebiete ausgewertet. Zusätzlich wurde die Brain Parenchyma Fraction (BPF) als ein Maß der Hirnatrophie bestimmt. Assoziationen zwischen MRT-basierten volumetrischen und neuropsychologischen Daten, insbesondere der globale Kognition und exekutiven Funktion, wurden in Regressionsanalysen unter Berücksichtigung demographischer Variablen bestimmt. ERGEBNIS: Bei jungen gesunden Probanden ist das Volumen des linken Nucleus basalis Meynert mit dem Ergebnis im Trail-Making-Test assoziiert. Dieser Zusammenhang ist parabelförmig, sodass Probanden mit relativ kleinen sowie sehr großen Volumina schlechter abschließen. Bei älteren Patienten besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Gesamtvolumen aller cholinergen Kerne im basalen Vorderhirn (BFCS) und globaler Kognition sowie Einzeltest einer umfangreichen neuropsychologischen Testbatterie. Dieser Effekt wird durch einen Zusammenhang von Hirnvolumen und globaler Kognition vermittelt. In derselben älteren Stichprobe ist das Volumen der gesamten grauen Substanz stärker mit dem Trail-Making-Test B assoziiert als das Volumen einzelner Lobi. Erst nach Bereinigung von Einflüssen durch Motorik und visuelle Fähigkeiten besteht eine spezifische Assoziation mit dem Volumen des Temporallappens. Die BPF als Maß für Hirnatrophie ist unabhängig von Lobus- oder BFCS-Volumen mit globaler und exekutiver Funktion assoziiert. SCHLUSSFOLGERUNG: Die Volumina cholinerger Kerngebiete sind mit der kognitiven Funktion assoziiert. Während diese in einer jungen Population spezifisch mit visueller Aufmerksamkeit assoziiert sind, wird dieser Zusammenhang im Alter durch eine allgemeine Assoziation des Gesamthirnvolumens mit globaler Kognition vermittelt. Dieses Ergebnis lässt sich ebenso für das gesamte kortikale Volumen im Vergleich zu lobären Volumina reproduzieren. Im Alter scheinen eine Vielzahl zerebraler Strukturen in die Ausführung komplexer kognitiver Funktion involviert zu sein, sodass Volumina einzelner Regionen nur schwach mit der kognitiven Leistungsfähigkeit korrelieren. Unabhängig vom Volumen scheint die Hirnatrophie die globalen kognitiven wie auch im Speziellen exekutiven Funktionen zu beeinflussen.