Active Aging, Healthy Aging? A Molecular, Brain Volume and Behavioral Approach

Abstract

Aging is a normal biological process characterized by a decline at molecular, brain and behavioral level with consequences on cognition and daily functioning. Lifestyle behaviors such as physical activity or stimulating brain activities might enhance neuroprotective benefits when applied single or in combination in healthy adults. Current literature also focuses on understanding the role of physical activity and cardiorespiratory fitness in those benefits as well as better describing the cascade of changes related to exercise.

Therefore, the main aims of this dissertation are: 1) To examine the role of physical activity, grouped as exercise and non-exercise, in the promotion of molecular, brain, psychological health and cognitive benefits; 2) To examine the role of cardiorespiratory fitness in the promotion of these neuroprotective benefits as well as in the exercise-cognition relationship; 3) To identify potential sex-differences in the role of physical activity and cardiorespiratory fitness; 4) To examine the effect of 12-weeks 5 days per week of aerobic exercise, computerized cognitive training and their combination on molecular and brain health and assess their role in the intervention-related cognitive benefits.

Projecte Moviment consists of a 12 weeks 5 days randomized controlled trial, which allowed us to identify intervention-related changes in physically inactive healthy older adults as well as the role of other variables of interest. We recruited 109 participants and assessed them within 2 weeks before and after the intervention; 82 showed >80% adherence out of the 92 who finished the intervention. Moreover, we designed a cross-sectional strategy to describe the physical activity-cognition relationship in a sample that included 115 low to high fit participants. The assessment protocol included a battery of neuropsychogical and psychological health tests, physical activity questionnaries and fitness test, antropometric measures and cardiovascular risk factors, blood test, and neuroimaging. Results were reported in 3 different papers and the main findings are: 1) We specifically related sportive physical activity, and not non-sportive physical activity, to benefits on cognitive performance as well as markers of inflammation, brain volume and psychological health. 2) We determined that cardiovascular health might be a key factor in the exercise-related benefits, specifically in men. 3) We identified that sex matters in the understanding of exercise and cardiorespiratory fitness benefits. 4) Cardiorespiratory fitness-related benefits in brain volume, executive function and sleep quality in men might be mediated by inflammatory markers. 5) Although after 12-weeks of aerobic exercise and combined training we did not detect significant changes in the targeted molecular and brain volume outcomes that might explain the detected cognitive benefits, significant increases in physical activity outcomes were negatively related to changes in SDF1-α and ICAM-1 levels. 6) We identified that 12-weeks, 5 days per week of home-based multimodal computerized cognitive training enhanced the volume of the precuneus, despite the lack of transfer to our cognitive assessment. Projecte Moviment adds crucial evidence for research and clinical practice to better understand how lifestyle behaviors enhance neuroprotective benefits at late-life.

L’envelliment és un procés biològic normal caracteritzat per un deteriorament a nivell molecular, cerebral i conductual amb conseqüències en la cognició i el funcionament quotidià. Els comportaments relacionats amb l’estil de vida com l’activitat física o activitats d’estimulació cognitiva podrien tenir beneficis neuroprotectors quan s’apliquen individualment o en combinació en adults sans. La literatura actual també se centra en entendre el paper de l’activitat física i la capacitat cardiorespiratòria en aquests beneficis, així com en descriure millor la cascada de canvis relacionats amb l’exercici.

Per tant, els principals objectius d’aquesta tesi són: 1) Examinar el paper de l’activitat física, agrupada com a exercici i no exercici, en la promoció de beneficis cognitius i

de salut molecular, cerebral i psicològica; 2) Examinar el paper del fitness en la promoció d’aquests beneficis neuroprotectors, així com en la relació exercici- cognició; 3) Identificar les possibles diferències de sexe en el paper de l'activitat física i el fitness; 4) Examinar l’efecte de 12 setmanes, 5 dies per setmana d’exercisi aeròbic, entrenament cognitiu computeritzat i la seva combinació en els nivells de factor de creixement cerebral, marcadors inflamació i volum cerebral i avaluar el seu paper en els beneficis cognitius relacionats amb la intervenció.

El Projecte Moviment consisteix en un assaig controlat aleatoritzat de 12 setmanes i 5 dies per setmana que ens va permetre identificar els canvis relacionats amb aquestes intervencions en adults sans físicament inactius. Vam reclutar 109 participants i els vam avaluar durant les dues setmanes d’abans i després de la intervenció; dels 92 que van acabar la intervenció, 82 van mostrar >80% d'adherència. A més, vam dissenyar una estratègia transversal per descriure la relació activitat física-cognició en una mostra que incloïa 115 participants de baix i alt estat físic. El protocol d’avaluació incloïa una bateria de proves neuropsicològiques i de salut psicològica, qüestionaris d’activitat física i proves de condició física, mesures antropomètriques i factors de risc cardiovascular, anàlisi de sang i exploracions de neuroimatge.

Els resultats es van informar en 3 articles diferents i les principals troballes són:

1) Vam relacionar específicament l’activitat física esportiva, i no la no esportiva, amb beneficis en el rendiment cognitiu, així com amb marcadors d’inflamació, volum cerebral i salut psicològica. 2) Vam identificar que la salut cardiovascular podria ser un factor clau en els beneficis relacionats amb l’exercici, específicament en els homes. 3) Vam identificar que el sexe és important en la comprensió dels beneficis relacionats amb l'exercici i la capacitat cardiorespiratòria. 4) Els beneficis relacionats amb la salut cardiorespiratòria en el volum del cervell, la funció executiva i la qualitat del son en homes podrien estar mediats per marcadors inflamatoris. 5) Tot i que després de 12 setmanes d’exercici aeròbic i d’entrenament combinat no vam detectar canvis significatius en les variables moleculars i cerebrals analitzades

que podrien explicar els beneficis cognitius detectats, els augments significatius en les variables d’activitat física es van relacionar negativament amb els canvis en nivells de SDF1-α i ICAM-1. 6) Es va identificar que 12 setmanes, 5 dies a la setmana d’entrenament cognitiu computerizat multimodal des de casa van millorar el volum del precuneus, tot i la manca de transferència dels beneficis cognitius. El Projecte Moviment aporta evidència rellevant per a la investigació i la pràctica clínica en relació als beneficis neuroprotectors que comportaments relacionats amb l’estil de vida poden tenir en l’envelliment