Modificările morfometriei corticale legate de IMC sunt asociate cu structura modificată a substanței albe
Subiecte
Abstract
fundal
În timp ce măsurile brute ale structurii creierului au arătat modificări odată cu creșterea indicelui de masă corporală (IMC), amploarea și natura unor astfel de modificări au variat substanțial între studii. Aici, am căutat să determinăm dacă măsurile morfometrice la scară mică s-ar putea dovedi mai sensibile și mai fiabile decât măsurile la scară mai mare și dacă ar putea oferi o oportunitate valoroasă de a lega modificările corticale de modificările subiacente ale substanței albe. Pentru a examina acest lucru, am explorat asocierea IMC cu curbura Gaussiană la scară milimetrică, în plus față de măsurile standard de morfometrie, cum ar fi grosimea corticală, suprafața și curbura medie. De asemenea, am evaluat volumul și integritatea substanței albe, utilizând intensitatea semnalului substanței albe și anizotropia fracționată (FA). Am emis ipoteza că IMC ar fi legat de modificări la scară mică în curbura Gaussiană și că acest fenomen ar fi mediat de modificări ale integrității materiei albe subiacente.
Metode
Asocierea măsurilor globale ale morfometriei corticale ponderate T1 cu IMC a fost examinată utilizând analize de regresie liniară și mediere în două grupuri independente de subiecți umani sănătoși tineri până la vârsta mijlocie (1 = 52, 2 = 202). Într-un al treilea set de date din (3 = 897), care a inclus imagini tensoriale de difuzie, am căutat să reproducem asocierile semnificative stabilite în primele două seturi de date și să examinăm legătura mecanistică potențială dintre modificările corticale asociate IMC și FA globală.
Rezultate
Curbura gaussiană a suprafeței substanței albe a arătat o asociere semnificativă, pozitivă, cu IMC în toate cele trei seturi de date independente. Acest efect a fost mediat de o asociere negativă între integritatea substanței albe și IMC.
Concluzii
Creșterea IMC este asociată cu modificări ale microstructurii substanței albe la adulții sănătoși tineri până la vârsta mijlocie. Rezultatele noastre sunt în concordanță cu un model prin care modificările corticale legate de IMC sunt mediate de efectele IMC asupra microstructurii substanței albe.
Introducere
Obezitatea este recunoscută ca un factor de risc pentru demență la populația vârstnică [1] și afectarea funcției cognitive la copii și adulți [2]. În consecință, s-a concentrat din ce în ce mai mult pe înțelegerea legăturilor dintre indicele de masă corporală (IMC) și modificările structurii creierului. Concentrându-se în principal pe substanța cenușie a creierului, majoritatea studiilor au găsit dovezi ale modificărilor, dar amploarea și natura modificărilor au variat substanțial între studii [3].
Același lucru este valabil și pentru modificările substanței albe. De exemplu, obezitatea a fost asociată cu volume mai mari de substanță albă în lobii frontali, temporali și parietali [4], precum și în sistemul limbic, trunchiul cerebral și cerebel [5]. În schimb, alte studii au raportat o relație negativă între IMC și volumele de substanță albă ale ganglionilor bazali și coroanei radiate [6, 7]. Această inconsecvență se poate datora traiectoriei neliniare a modificărilor legate de vârstă în volumul substanței albe, care pot ascunde diferențele legate de obezitate. Într-adevăr, am demonstrat recent că obezitatea este asociată cu o creștere a pierderii de substanță albă legată de vârstă [8].
Pentru a clarifica aceste constatări, microstructura substanței albe a fost investigată folosind imagistica tensorică de difuzie (DTI), un instrument sensibil pentru evaluarea integrității substanței albe pe baza cartografierii direcționalității mișcării apei în fibrele de substanță albă [9]. Explorarea anizotropiei fracționate (FA), cel mai utilizat marker DTI al integrității substanței albe, a dat dovezi mai consistente care leagă obezitatea de diferențele în structura substanței albe. Într-adevăr, o asociere negativă între IMC și FA a fost demonstrată în mod repetat în tractele din sistemul limbic și cele care leagă lobii temporali și frontali (revizuite în Kullman și colab. [10]).
Aici, am căutat să folosim măsuri convergente și complementare ale morfometriei substanței albe și cenușii pentru a înțelege mai clar mecanismele care stau la baza prin care pot apărea modificări globale ale creierului în contextul obezității. S-a raportat anterior că diferențele subtile în caracteristicile corticale la subiecții cu insuficiență cognitivă ușoară și boala Alzheimer sunt determinate de volumul redus de substanță albă și de integritatea substanței albe [9]. Pe baza acestui raport și a considerațiilor geometrice, am emis ipoteza că modificarea microstructurii substanței albe ar putea fi factorul de mediere între obezitate și modificările cortexului cerebral.
Am testat această ipoteză folosind măsurători ale morfometriei substanței albe și gri. Mai exact, am prezis că modificările asociate IMC în microstructura substanței albe au mediat modificările corticale detectabile ca creștere a gradului de curbură gaussiană la suprafața creierului. În timp ce așa-numita curbură medie sau extrinsecă a unei suprafețe prezintă forma sa extrinsecă, adică plierea cortexului, curbura Gauss este o caracteristică intrinsecă a suprafeței (Fig. 1) și poate fi utilizată pentru a cuantifica întinderea sau deformarea o suprafață. Curbura gaussiană este măsurată la scara milimetrică și s-a dovedit a fi foarte sensibilă la diferențele morfometrice [11, 12]. De exemplu, a fost folosit anterior pentru a identifica diferențe subtile în caracteristicile corticale ale pacienților afectați de schizofrenie în comparație cu controalele sănătoase [13], modificările legate de autism [14] și într-un studiu al participanților sănătoși cu diferite polimorfisme ale creierului- factor neurotrofic derivat (BDNF) [15].
Curbura, c, într-un punct de pe o linie este definită ca inversul razei cercului oscilant în acel punct. Pe o suprafață, curbura fiecărui punct este o funcție a curburilor principale din acel punct, care sunt întotdeauna ortogonale unele cu altele. Curbura medie este media curburilor principale, în timp ce curbura Gauss este produsul curburilor principale. Aici sunt prezentate hărțile curburilor medii și gaussiene ale reconstrucției suprafeței corticale. În timp ce curbura medie urmează modelul de gyri (în verde) și sulci (în roșu), modelul curburii gaussiene are o frecvență spațială mult mai mare și nu urmează caracteristicile morfologice la scară mai mare ale pliurilor corticale. Curbura gaussiană pozitivă este reprezentată în roșu și curbura gaussiană negativă în verde. Luată din [12]
Pe baza lucrărilor publicate anterior, am emis ipoteza că obezitatea este în primul rând asociată cu modificări subtile în microstructura substanței albe și, prin urmare, că măsurarea curburii Gaussiene la scară milimetrică ar fi un marker indirect mai sensibil al modificărilor subtile determinate de IMC în substanța albă microstructură decât curbura medie. Am studiat relația dintre IMC și măsurile morfometrice corticale în trei seturi de date independente (A, B și C) la subiecți tineri sănătoși până la vârstă mijlocie. În seturile de date A și B, am examinat asocierile dintre IMC și măsurile de morfometrie corticală ponderate T1, incluzând curbura Gaussiană, curbura medie, suprafața și grosimea corticală. Am extins acest lucru la evaluarea măsurilor de substanță albă: volumul și intensitatea semnalului, adoptate ca un marker T1 ponderat al integrității substanței albe. În setul de date C, am căutat să reproducem efecte semnificative stabilite în seturile de date A și B și ne-am extins analiza prin măsurarea FA, ca o măsură bine validată a integrității substanței albe bazată pe DTI. În cele din urmă, în toate cele trei seturi de date am efectuat și analize de mediere post-hoc, pe baza rezultatelor analizelor de regresie. Acestea au fost efectuate pentru a stabili în mod formal o legătură între modificările legate de IMC în măsurile corticale și substanța albă.