Brain function and gait and mobility impairment in older adults|

Abstract

Les síndromes pre-demència, com el deteriorament cognitiu lleu (DCL) i la síndrome de risc cognitiu-motor (SRCM), estan guanyant interès en l’àmbit de la recerca. Els trastorns cognitius i de la marxa s’associen amb conseqüències negatives de salut que podrien prevenir-se en fases precoces. Existeix evidència sobre la relació entre la funció física i cognitiva, recolzada pel substrat neural comú, que inclou el còrtex prefrontal. Les funcions cognitives en el control neural de la marxa prenen especial rellevància durant la marxa en circumstàncies complexes, como el “dual-task”. Tècniques de neuroimatge novells estan guanyant rellevància per l’estudi de l’activació cerebral durant el moviment. L’objectiu de la tesis doctoral és l’estudi de les funcions cognitives i motores i la seva interrelació en gent gran amb síndromes pre-demència. La tesis doctoral consisteix en els resultats: Estudi 1 avalua l’execució de “dual-task” i la oxigenació prefrontal en gent gran amb SRCM i Estudi 2 estudia l’execució de “dual-task” i el flux sanguini prefrontal en gent gran amb DCL. Estudi 1 Vem incloure 538 participants i vem comparar l’execució de “dual-task” en SRCM vs. sense SRCM durant “dual-task” (caminar mentres recitaven lletres alternes de l’alfabet). SRCM presentaven pitjor execució cognitiva i de marxa durant la tasca simple així com durant “dual-task” mentres que el cost de “dual-task” (“dual-task cost”) no era significativament diferent entre grups. L’execució de “dual-task” mesurada com velocitat de la marxa durant “dual-task” no s’associava amb la funció cognitiva global ni funció executiva. En una submostra (n=325) vem medir la concentració d’hemoglobina oxigenada a nivell prefrontal mitjançant espectroscòpia d’infrarroig proper (“functional near-infrared spectroscopy”) mentres realitzaven “dual-task”. Els resultats suggereixen una oxigenació prefrontal durant “dual-task” major en participants amb SRCM comparat amb participants sense SRCM. Estudi 2 Vem incloure 49 participants i vem avaluar diferències entre participants amb DCL vs. cognitivament sans. Vem mesurar el flux sanguini (FS) prefrontal mitjançant espectroscòpia de correlació difosa (“functional diffuse correlation spectroscopy”) durant un paradigma de “dual-task” que incloïa: marxa normal, marxa amb càlcul sumant +2 (“2-forward count”, FWC), marxa amb càlcul restant -3 (“3-backward count”, BWC), marxa amb obstacles i elevació de talons en sedestació. Ambdós grups de participants van incrementar el FS durant BWC comparat amb el FS durant marxa normal, junt amb impacte negatiu en velocitat de la marxa. En canvi, únicament participants amb DCL van augmentar FS durant FWC comparat amb marxa normal. “Dual-task” amb FWC va provocar un canvi en el FS (de marxa normal a FWC) major en participants amb DCL comparat amb participants cognitivament sans, en particular a l’hemisferi dret. Conclusions Participants amb SRCM i DCL presentaven velocitat de la marxa durant la marxa normal alentida comparat amb participants sense síndromes pre-demència, els què presentaven un major impacte de “dual-task” sobre la velocitat de la marxa. SRCM i DCL mostraven signes de major activació prefrontal en relació a la doble tasca comparat amb participants sense síndromes pre-demència. Aquest fet podria interpretar-se com ineficàcia dels circuits neurals en els subgrups amb recursos neurals més limitats, és a dir, els participants amb SRCM i DCL. Els resultats recolzen l’ús de tècniques d’espectroscòpia per a neuroimatge en recerca de l’envelliment. En la nostra opinió, els resultats presentats en la tesis doctoral reforcen la necessitat de continuar la recerca en aquest camp per aprofundir l’estudi dels mecanismes neurals de la marxa en l’envelliment i per estudiar el paper que podrien tenir les tècniques d’espectroscòpia en la monitorització de la resposta a intervencions o inclús, potser en el futur, en la pràctica clínica.

Los síndromes pre-demencia, como el deterioro cognitivo leve (DCL) y el síndrome de riesgo cognitivo-motor (SRCM), están ganando interés en el ámbito de la investigación. Los trastornos cognitivos y de la marcha se asocian con consecuencias negativas en salud que podrían prevenirse en fases tempranas. Existe evidencia sobre la relación entre la función física y cognitiva, respaldada por un sustrato neural común, incluyendo el córtex prefrontal. Las funciones cognitivas en el control neural de la marcha toman especial relevancia durante la marcha en circunstancias complejas, como el “dual-task”. Técnicas de neuroimagen novedosas están ganando relevancia para el estudio de la activación cerebral durante el movimiento. El objetivo de la tesis doctoral es el estudio de las funciones cognitivas y motoras y su interrelación en adultos mayores con síndromes pre-demencia. La tesis doctoral consiste en los resultados de: Estudio 1 evaluó la ejecución de “dual-task” y la oxigenación prefrontal en adultos mayores con SRCM y Estudio 2 estudió la ejecución de “dual-task” y el flujo sanguíneo prefrontal en adultos mayores con DCL. Estudio 1 Se incluyeron 538 adultos mayores y se comparó la ejecución de “dual-task” en SRCM vs. sin SRCM durante “dual-task” (caminar mientras recitaban letras alternas del alfabeto). SRCM presentaban peor ejecución cognitiva y de marcha durante la tarea simple así como durante “dual-task” mientras que el coste de “dual-task” (“dual-task cost”) no era significativamente diferente entre grupos. La ejecución de “dual-task” medida como velocidad de la marcha durante “dual-task” no se asoció con desempeño de la función cognitiva global ni función ejecutiva. En una submuestra (n=325) se midió la concentración de hemoglobina oxigenada a nivel prefrontal mediante espectroscopia de infrarrojo cercano (“functional near-infrared spectroscopy”) mientras realizaban “dual-task”. Los resultados sugieren una oxigenación prefrontal durante “dual-task” mayor en los participantes con SRCM comparado con participantes sin SRCM. Estudio 2 Se incluyeron 49 adultos mayores y se evaluaron diferencias entre participantes con DCL vs. cognitivamente sanos. Se midió el flujo sanguíneo (FS) prefrontal mediante espectroscopia de correlación difusa (“functional diffuse correlation spectroscopy”) durante paradigma de “dual-task” que incluía: marcha normal, marcha con cálculo sumando +2 (“2-forward count”, FWC), marcha con cálculo restando -3 (“3-backward count”, BWC), marcha con obstáculos y elevación de talones en sedestación. Ambos grupos de participantes incrementaron el FS durante BWC comparado con el FS durante marcha normal, junto con impacto negativo en velocidad de la marcha. En cambio, únicamente participantes con DCL mostraron aumento del FS durante FWC comparado con marcha normal. “Dual-task” con FWC causó un cambio en el FS (de marcha normal a FWC) mayor en participantes con DCL comparado con participantes cognitivamente sanos, en particular en hemisferio derecho. Conclusiones Los participantes con SRCM y DCL presentaron velocidad de la marcha durante la marcha normal enlentecida comparado con participantes sin síndromes pre-demencia, los cuales presentaron un mayor impacto de “dual-task” sobre la velocidad de la marcha. SRCM y DCL mostraron signos de mayor activación prefrontal en relación a la doble tarea comparado con los participantes sin síndromes pre-demencia. Esto podría ser interpretado como ineficacia de los circuitos neurales en los subgrupos con recursos neurales más limitados, es decir, los participantes con SRCM y DCL. Los resultados apoyan el uso de técnicas de espectroscopia para neuroimagen en investigación del envejecimiento. En nuestra opinión, los resultados presentados en la tesis doctoral refuerzan la necesidad de continuar la investigación en este campo para profundizar el estudio de los mecanismos neurales de la marcha en el envejecimiento y para estudiar el papel que podrían tener las técnicas de espectroscopia en la monitorización de la respuesta a intervenciones o incluso, quizás en el futuro, en la práctica clínica.

Focus of research is shifting to pre-dementia stages, such as mild cognitive impairment (MCI) and motoric cognitive risk syndrome (MCR), to try to prevent negative health outcomes that have been associated to gait and cognitive dysfunction. Vast evidence supports the notion of a motor-cognitive interplay, which is further supported by shared neural substrates that include the prefrontal cortex. Involvement of cognitive control of gait becomes especially relevant during challenging circumstances, such as dual-task. Novel neuroimaging techniques are emerging to study brain activation during actual movement. The global aim of the PhD thesis was to study motor and cognitive function and its interplay in older adults with pre-dementia syndromes. To achieve this goal, the PhD thesis consisted of Study 1 that assessed dual-task performance and prefrontal oxygenation in older adults with MCR and Study 2 that evaluated dual-task performance and prefrontal cerebral blood flow in older adults with MCI. Study 1 We included 538 community-dwelling older adults from the Central Control of Mobility in Aging study and compared participants with and without MCR during a dual-task paradigm (walking while reciting alternate letters of the alphabet). Compared to No MCR, participants with MCR showed worse gait and cognitive performance during single-task and dual-task while the dual-task cost was not signifcantly different. Dual-task gait performance among participants with MCR was not related to global cognition or executive function performance. A subsample of participants (n=325) underwent functional near-infrared spectroscopy measures while performing the walk while talk paradigm. Our findings suggest higher prefrontal oxygenation during dual-task walk in participants with MCR compared to No MCR counterparts. Study 2 We included 49 community-dwelling older adults from the MEDPHOTAGE study and assessed between-group differences between participants with MCI and normocognitive counterparts. We assessed prefrontal blood flow with functional diffuse correlation spectroscopy while participants performed a dual-task paradigm that included: normal walk; walk while 2-forward counting (FWC); walk while 3-backward counting (BWC); walk while negotiating obstacles and heel tapping. Both groups increased significantly their cerebral blood flow during BWC compared to normal walk, along with a negative impact on gait speed. Only among participants with MCI, cerebral blood flow also increased during FWC compared to normal walk, so that FWC is the dual-task in which we observed a statistically significant difference with a higher cerebral blood flow increase from normal walk to FWC in participants with MCI compared to normocognitive participants, in particular in the right hemisphere. Conclusions Participants with MCR and MCI showed slower gait speed during normal walk compared to healthier counterparts, so that the latter showed a higher dual-task interference when looking at absolute values. The findings suggest a higher prefrontal activation related to dual-task in both MCR and MCI compared to healthier controls, which could be interpreted as a neural inefficiency mechanism in the subgroups with poorer neural resources, namely MCR and MCI. Our findings go in line with previous functional near-infrared spectroscopy literature and supports the potential role of spectroscopy techniques to study brain aging. In our opinion, the results presented in the PhD thesis strengthen the need of further research in this field to study the neural mechanisms of brain aging during gait and to assess the potential role of spectroscopy techniques to monitor the response to interventions and, maybe in the future, in clinical practice.