脑干是一个复杂的结构，它不仅包括重要的中继中枢，使外周神经系统与皮质和皮质下中枢之间的感觉、运动和自主信息进行有效的交换，而且还包括神经调节系统。后者由多巴胺能、5 -羟色胺能、去甲肾上腺素能、胆碱能和组胺能子系统组成。这些子系统的广泛投射控制着皮层下和皮层回路的状态，这些回路处理传入的外部和内部信息，从而影响对这些信息的行为反应。

近日发表在NeuroImage杂志表明老年人脑状态21的脑干水平的网络同步存在年龄相关的弱化，且对皮层和皮层下同步和工作记忆性能产生负面影响。

该研究的总体目标是在无任务功能磁共振成像(fMRI)动态分析检测到的大脑状态中，表征与年龄相关的脑干-大脑交互功能障碍，并通过比较年轻人(<40岁)和老年人(>55岁)将其与脑干和大脑中年龄相关的灰质差异联系起来。图表分析被用来描述这些不同的大脑状态。下面的假设将被检验：1、老年人的大脑状态发生改变的频率更高，因为他们要么无法维持正常的大脑状态，要么无法抑制功能失调的大脑状态。2.这些脑状态改变的特征是脑干水平的功能连接受损，以及脑干和间脑/皮质结构之间的连接受损。年龄相关的功能连接改变的严重程度与年龄相关的灰质体积差异相关。3.年龄相关的功能连通性变化的严重程度与年龄相关的记忆变化相关，特别是工作记忆和/或情景记忆，这两者都是已知的受神经调节系统的影响。

利用420个感兴趣区域(AICHA和脑干灰质rois) a)提取每个受试者去噪后的BOLD信号。b).在所有647个时间框架内计算参考组中每个受试者的单一相关矩阵，并取平均值。模块分析用于识别5个全脑模块。第二个模块化分析导致3模块做了相关矩阵来源于roi分配给脑干-plus模块的模块化分析c)。一个滑动窗口方法是用来计算604 420 × 420相关矩阵为每个主题(年轻人和老年人)在分析d)。通过计算每个roi的正强度(强度图)来进一步表征。参考组的强度图用于计算年轻人和老年人的强度图的z分数(z分数图)。f).在数据驱动数据精简步骤中，使用步骤c产生的7个模块(4个全脑，3个脑干-plus)计算年轻人和老年人每个窗口每个模块的平均z分数。g).结果输出被连接并输入到一个分级的聚类分析中，该聚类分析确定了24个聚类(原始聚类)，h).在“运动校正步骤”中获得的信息用于识别和标记不满足运动损坏阈值(clean cluster)的9个运动损坏簇和运动影响窗口。i).所有分配给大脑状态的不受运动影响的窗口都被识别出来，它们的相关矩阵在所有受试者中平均用于大脑状态特定模块分析，通过全脑矩阵(420 × 420)和脑干-plus矩阵(69 × 69)计算脑状态特定强度图，并结合来自脑状态特定模块分析的模块强度和多样性图k)。

该研究纳入79名年轻人(20-40岁)和51名老年人(55-80岁)。采用一种新的多对比分割方法分割脑干内部结构。脑和脑干灰质段被扭曲到一个人群模板上。将ICV校正后的Jacobian行列式转换为z-score图，并从420个皮质/皮质下/脑干rois中提取均值。采用SPM12/Conn18对fMRI进行预处理，提取420个皮质/皮质下/脑干rois的BOLD信号。采用基于层次聚类分析的动态无任务分析方法，利用图分析(强度、多样性、模块性)对15种脑状态特征进行识别。采用Kruskal-Wallis检验和spearman相关性进行统计分析。

这15个状态的全脑模块图。满足重复模块≥0.75标准的模块被赋予相同的颜色。

脑干-plus模块(左)正强度(中)和负强度(右)分别对应15种大脑状态。满足重复模块≥0.75标准的模块被赋予相同的颜色。

15种大脑状态的全脑正(左栏)和负(右栏)强度图。

年龄相关的灰质体积差异。红色表示与年轻人相比，老年人的rois具有显著较低的z分数(p<0.05, FDR校正)。

一种脑状态(cluster21)在老年人中更常见(p=0.008)。与年轻人相比，老年人的平均模块强度和脑干-皮质强度较低。全脑年龄相关的脑灰质差异与脑状态21模块强度呈正相关。脑状态21持续时间与工作记忆呈负相关(r = -0.28,p=0.002)。

该研究有四个主要发现:1.动态分析确定了两组人的大脑状态为21，但这种状态在老年人中发生的频率更高，持续的时间更长。2. 与年轻人相比，老年人的脑状态21在全脑水平上显示出较低的平均模块正强度和/或负强度以及脑干-皮质强度，在脑干水平上也显示出较低的正强度。这一发现与大多数其它大脑状态形成了对比，在整个大脑水平上显示出更高的平均模块正强度和多样性，在脑干水平上显示出更高的平均负强度和多样性。3.脑状态21时，整体灰质体积与平均模块正强度正相关。与此相反，大部分其它脑状态显示整体灰质体积与平均模块正强度和负强度呈负相关。4. 大脑21状态持续时间与人群工作记忆TAP表现呈负相关。全脑和脑干-plus水平的模块正、负强度与老年人工作记忆TAP表现呈正相关。

研究结果表明，老年人脑状态21的脑干水平的网络同步存在年龄相关的弱化，且对皮层和皮层下同步和工作记忆性能产生负面影响。

原文出处

S.G. Mueller, A.M. Muller,Brainstem Dysfunction in Healthy Aging,NeuroImage,2021,118241,ISSN 1053-8119,https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118241.