Cognition, brain structure and lifestyle in healthy older people

Die steigende Prävalenz neurodegenerativer Erkrankungen, wie der Demenz, belastet zunehmend sowohl betroffene Patienten und deren Familien, als auch das Gesundheitssystem. Die frühzeitige Erkennung dementieller Risikofaktoren und die Entwicklung nichtmedikamentöser Präventionsmaßnahmen sind daher von großer Bedeutung. Ziel dieser Dissertationsschrift ist, im Rahmen dreier Studien an gesunden älteren Menschen, Zusammenhänge zwischen kognitiven und strukturellen Gehirnparametern, Neurophysiologie und peripheren Blutparametern genauer zu charakterisieren, sowie Präventivansätze zu entwickeln. Die erste Studie untersuchte bei 30 Probanden den Zusammenhang zwischen strukturellen und neurophysiologischen Parametern der grauen und weißen Substanz. Vorangehende Studien hatten gezeigt, dass die individuelle motorische Ruheschwelle (rMT) bei Patienten mit Alzheimer-Demenz erniedrigt ist. In der vorliegenden Studie konnten wir mittels Regressionsanalysen unter anderem zeigen, dass die Kortexdicke und der „coil-to-cortex“ Abstand die stärksten Prädiktoren für kortikale Erregbarkeit sind, und dass eine niedrige rMT mit einer schlechteren Lernleitung bereits bei noch gesunden älteren Personen assoziiert ist. Die Ergebnisse legen daher nahe, dass eine geringere rMT auf ein Risiko für kognitive Verschlechterungen in diesem Kollektiv hinweisen könnte. Die zweite Studie analysierte in 141 Probanden Zusammenhänge zwischen peripherem Glukosemetabolismus (HbA1c, Nüchternglukose), der Gedächtnisleistung und dem Volumen und der Mikrostruktur des Hippocampus (HC). Die Probanden wurden neuropsychologisch getestet, erhielten ein 3 Tesla MRT des Kopfes und es wurden Nüchternblutproben entnommen. Regressionsmodelle zeigten eine signifikante Assoziation zwischen höheren HbA1c-Werten und schlechterer Gedächtnisleistung. Mediationsanalysen ergaben, dass diese Effekte teilweise über strukturelle HC-Parameter vermittelt werden. Diese Erkenntnisse lassen vermuten, dass höhere Blutzuckerwerte einen negativen Einfluss auf die Kognition ausüben, auch wenn diese nicht pathologisch erhöht sind. Langfristig könnte es daher sinnvoll sein, Interventionen zu entwickeln, die auf Senkung eines chronisch leicht erhöhten Blutzuckerspiegels abzielen. Die dritte Studie untersuchte anhand 65 Probanden die Effekte einer Omega-3-Fettsäure (O3-FS)-Supplementierung (2,2 g/Tag) auf die Gedächtnisleistung und die Gehirnstruktur. Vor und nach der 26-wöchigen Intervention (O3-FS- bzw. Placebokapseln) wurden die Teilnehmer neuropsychologisch getestet und erhielten eine MRT-Bildgebung. Weiterhin wurden Nüchternblutproben entnommen und die Intima-Media-Dicke (CIMT) gemessen. Nach der Intervention wies die O3-FS-Gruppe einen signifikant höheren Omega-3-Index (prozentualer Anteil O3-FS in Erythrozytenmembranen), sowie Verbesserungen in den Exekutivfunktionen auf. Longitudinale MRT-Analysen zeigten für die Interventionsgruppe regionale Volumenzunahmen (präfronaler Kortex, linker HC) sowie linkshemisphärisch regionale Verbesserungen der Integrität der weißen Substanz. Weiterhin führten O3-FS zu geringerer globaler Hirnatrophie sowie zur Abnahme der CIMT bei den Frauen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass O3-FS positive Effekte auf Exekutivfunktionen sowie auf korrespondierende Hirnareale und Arteriosklerosemerkmale ausüben. Hieraus könnten sich Präventionsmaßnahmen ergeben, die altersassoziiertem kognitiven Abbau, sowie arteriosklerotischen Gefäßveränderungen entgegenwirken.The growth of neurodegenerative diseases such as dementia leads to problems for an increasing number of affected patients and their families as well as for the health economic system. Early detection of associated risk factors and the search for novel preventive strategies is thus of major importance. Within the scope of three studies, this thesis explored relationships between behavioral, structural and neurophysiological brain parameters and blood markers in a cohort of healthy older people to provide support for future prevention strategies. The first study elucidated relationships between structural and neurophysiological parameters of gray and white matter in 30 subjects. Previous studies demonstrated reduced resting motor threshold (rMT) in patients with Alzheimer’s disease. In the present study, regression analyses indicated that cortical excitability was best predicted by cortical thickness and coil-to-cortex distance. Moreover, lower rMT was associated with reduced learning ability. The results suggest that lower rMT may be a parameter to identify a potential risk for cognitive decline within this cohort. The second study investigated associations between peripheral glucose metabolism (HbA1c, fasting glucose), memory performance, and volume as well as microstructure of the hippocampus (HC). 141 subjects underwent neuropsychological testings, 3 Tesla MRI and donated fasting blood samples. Regression models indicated a strong association between higher HbA1c levels and reduced memory performance. Mediation models revealed that the effects of HbA1c on memory are partially mediated by structural HC parameters. This indicates a negative influence of elevated glucose levels even in the absence of pathological values. Future interventions, aiming at lowering blood sugar levels, might be initiated. The third study tested whether 26 weeks of omega-3 fatty acid (o-3 FA) supplementation (2.2 g/day) would benefit cognition and brain structure. 65 subjects (o-3 FA vs. placebo) underwent neuropsychological testings, MRI, collection of blood samples and measurement of carotid intima- media thickness (CIMT). A significant increase in omega-3-index (percentage of o-3 FA in membranes of erythrocytes) and executive functions was found in the o3-FA group. Longitudinal MRI analyses revealed volume increases (prefrontal cortex, left HC) as well as regional improvements of left-hemispheric white matter integrity within the intervention group. Moreover, o-3 FA lowered global brain atrophy and CIMT in females. This data suggests that o-3 FA may benefit executive functioning, corresponding brain areas and markers of atherosclerosis. Based on these findings, novel prevention strategies might be developed in the future