title: Der Einfluss des Alters und des kognitiven Status auf Hirnnetzwerke im episodischen Gedächtnis
title: The influence of age and cognitive status on large-scale brain networks in episodic memory
Creators: name: Oedekoven, Christiane Sophie Helene
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: fMRT
Parietalkortex
mild cognitive impairment
Psychologie
aging
episodic memory, parietal lobe
fMRI
Altern
Gedächtnis
Funktionelle NMR-Tomographie
Episodisches Gedächtnis
Netzwerke

description: The present synopsis summarizes
      three scientific articles published or submitted to
      international scientific journals. All three articles
      relevant to this dissertation are tied by the question to
      what extent healthy aging and cognitive impairment influence
      brain activation in regard to episodic memory encoding and
      retrieval. Here, our interest focuses on the role of parietal
      lobe and changes occurring within underlying large-scale
      brain networks. The data in all articles consist of the same
      groups of participants, healthy young, healthy elderly and
      patients with mild cognitive impairment (MCI). We adapted the
      memory tasks for our fMRI study to control for age-related
      changes in memory function. This allowed us to consider the
      differences in activation with a given standardized
      performance level. We were interested in the differences and
      overlaps in activation concerning memory encoding (Paper #3),
      face memory retrieval (Paper #1) and associative memory
      retrieval (Paper #2). Furthermore, in Paper #1 and Paper #2,
      we also focused on functional connectivity, examining
      interactions and correlations between relevant brain regions.
      We were especially interested in the connections of parietal
      lobe and hippocampus, since these are two brain regions
      essential for episodic memory. Our main goal was to
      distinguish changes occurring in healthy elderly and MCI
      patients regarding their activation in large-scale brain
      networks involving parietal lobe. In all three episodic
      memory tasks we found overlapping patterns of activation
      across groups, indicating participation of similar networks
      regardless of age and cognitive decline. Changes were seen
      regarding magnitude of activations within these networks. The
      networks involved were two large-scale brain networks
      relevant for episodic memory: a frontoparietal task positive
      network (TPN) and the default mode network (DMN), which is a
      task negative network. Our results demonstrate that DMN
      regions such as lateral and medial parietal as well as
      prefrontal regions show deactivation during encoding and
      activation during retrieval, which constitutes an
      encoding/retrieval flip. Only hippocampus, as part of the
      DMN, was activated during both encoding and retrieval.
      Spatial extent and magnitude of DMN deactivation during
      encoding was related to age and cognitive status. Young
      showed more deactivation in posteromedial cortex and inferior
      parietal lobe than healthy elderly, whereas only healthy
      elderly showed additional activation of hippocampus and
      posterior DMN regions. In retrieval tasks, healthy elderly
      showed more activation in DMN regions, whereas MCI patients
      showed lower hippocampal activation during a face-name
      recognition task, corresponding to lower associative memory
      performance. Moreover, age-related DMN impairment was
      reflected in functional connectivity measures. Analyses of
      functional connectivity revealed fewer correlations of
      parietal DMN brain regions for healthy elderly than young. In
      contrast, there were more correlations with a hippocampal
      seed in healthy elderly than young, indicating a more
      extensive network with age involving hippocampus and striatal
      regions. Regarding TPN activation, spatial extent and
      magnitude of activation was increased in all older adults
      compared to young. In all three episodic memory tasks healthy
      elderly and MCI - regardless of memory status - showed
      increased activation within TPN regions. Especially pre- and
      postcentral as well as striatal regions were involved. In
      conclusion, we were able to distinguish age-related effects
      from changes occurring with MCI in large-scale-brain networks
      involving parietal lobe. Even in healthy aging we found
      functional connectivity of parietal lobe to be impaired in
      comparison to young. For the first time, changes in
      large-scale brain networks DMN and TPN were described for
      MCI. Healthy elderly and MCI may be distinguished by their
      activation patterns in DMN regions. The overrecruitment of
      DMN regions suggests compensatory processes present in
      healthy elderly but not in MCI. Since connectivity analysis
      of posterior DMN regions imply impaired connectivity with
      age, increased DMN activation may indicate a compensatory
      process for a less extensive functional network in healthy
      elderly. Furthermore, healthy elderly and MCI can be
      distinguished by their hippocampal DMN activation, MCI
      generally showing less hippocampal activation in accordance
      with an impaired memory performance. During associative
      retrieval, healthy elderly and MCI patients showed different
      patterns of functional connectivity to a hippocampal seed.
      TPN overrecruitment was present in both healthy elderly and
      MCI, thus indicating dedifferentiation processes with age. By
      distinguishing healthy elderly and MCI based on their
      activation within large-scale brain networks, our study
      facilitates early recognition of dementia.
description: Alle drei Artikel dieser
      Dissertation sind durch die Frage verbunden, inwiefern
      gesundes Altern und kognitive Beeinträchtigung die
      Hirnaktivierung bei Lernphase und Abruf episodischer
      Gedächtnisinhalte beeinflussen. Hier interessierten wir uns
      insbesondere für die Rolle des Parietalkortex und deren
      mögliche Veränderungen in zugrunde liegenden Hirnnetzwerken.
      Für unsere fMRT-Studie passten wir die Gedächtnisaufgaben für
      die älteren Probanden an, um altersbedingte Veränderungen der
      Gedächtnisfunktionen zu berücksichtigen. Dies ermöglichte
      uns, die Aktivierungsunterschiede vor dem Hintergrund einer
      standardisierten Leistung zu bewerten. Wir untersuchten die
      Unterschiede und Überschneidungen der aktivierten Regionen
      während der Enkodierung neuer Gedächtnisinhalte (Artikel #3),
      dem Abruf von Gesichtern (Artikel #1) und assoziativem
      Gedächtnisabruf (Artikel #2). Ein weiterer Fokus der beiden
      Artikel #1 und Artikel #2 lag insbesondere auf der
      Untersuchung der funktionellen Konnektivität, wobei wir die
      Interaktionen und Korrelationen zwischen relevanten
      Hirnregionen untersuchten. Wir interessierten uns
      insbesondere für die funktionelle Konnektivität des
      Parietalkortex und des Hippocampus, da diese beiden
      Hirnregionen eine wichtige Rolle für das episodische
      Gedächtnis spielen. Ziel der Studie war, die Veränderungen in
      gesunden Älteren und MCI-Patienten hinsichtlich ihrer
      Aktivierungen in Hirnnetzwerken, die den Parietalkortex
      einschließen, zu beschreiben und zu unterscheiden. Zwei
      Hirnnetzwerke sind beteiligt am episodischen Gedächtnis: Ein
      frontoparietales Task Positive Network (TPN) und ein Task
      Negative Network, das Default Mode Network (DMN). Unsere
      Ergebnisse zeigen, dass DMN-Regionen während der Enkodierung
      neuer Gedächtnisinhalte deaktiviert und während der
      Abrufphase aktiviert sind, was einen Encoding/Retrieval Flip,
      einen Wechsel von Deaktivierung und Aktivierung im DMN
      darstellt. Einzig der Hippocampus als Teil des DMN zeigte
      sich aktiviert während beider Aufgaben. Die räumliche
      Ausbreitung und die Stärke der DMN-Deaktivierung während der
      Enkodierung werden durch Alter und kognitiven Status
      beeinflusst. Junge Probanden zeigten eine stärkere
      Deaktivierung im posteromedialen Kortex und im inferioren
      Parietalkortex als gesunde Ältere, wohingegen nur die
      gesunden Älteren zusätzliche Aktivierung im Hippocampus und
      in posterioren DMN-Regionen zeigten. In den Abrufphasen
      zeigten gesunde Ältere eine stärkere Aktivierung der
      DMN-Regionen, während MCI-Patienten beim Wiedererkennen von
      Namen und Gesichtern weniger hippocampale Aktivierung
      zeigten. Diese verringerte hippocampale Aktivierung hing mit
      einer verminderten assoziativen Gedächtnisleistung zusammen.
      Eine Analyse der funktionellen Konnektivität offenbarte
      weniger Korrelationen von parietalen DMN-Regionen für gesunde
      Ältere im Vergleich zu jungen Probanden. Dagegen wiesen
      gesunde Ältere stärkere Korrelationen zwischen Hippocampus
      und striatalen Regionen auf als junge Probanden. In allen
      Aufgaben zum episodischen Gedächtnis - Enkodierung, Abruf und
      assoziativem Abruf - zeigten gesunde Ältere und MCI-Patienten
      erhöhte Aktivierung in TPN-Regionen, unabhängig vom
      kognitiven Status. Insbesondere zeigten sich zusätzliche
      Aktivierungen in prä- und postzentralen sowie in striatalen
      Regionen. Abschließend lässt sich sagen, dass wir
      altersbedingte Veränderungen und Auswirkungen von MCI auf
      Hirnnetzwerke, die den Parietalkortex einschließen,
      unterscheiden konnten. Zum ersten Mal beschreiben wir die
      Auswirkungen von MCI auf die beiden Hirnnetzwerke DMN und
      TPN. Gesunde Ältere und MCI-Patienten lassen sich anhand
      ihrer Aktivierungen in DMN-Regionen unterscheiden, wobei die
      zusätzliche Aktivierung in DMN-Regionen auf kompensatorische
      Prozesse hindeutet, die in gesunden Älteren stattfinden,
      allerdings nicht in MCI-Patienten. Da Konnektivitätsanalysen
      der posterioren DMN-Regionen eine beeinträchtigte
      funktionelle Konnektivität mit dem Alter zeigen, könnte die
      zusätzliche Aktivierung der DMN-Regionen eine Kompensation
      für ein weniger umfangreiches Netzwerk bedeuten. Darüber
      hinaus lassen sich ältere Gesunde und MCI-Patienten anhand
      ihrer hippocampalen Aktivierung unterscheiden, wobei
      MCI-Patienten generell weniger hippocampale Aktivierung
      zeigten, in Übereinstimmung mit einer beeinträchtigten
      Gedächtnisleistung. Dagegen zeigten sich zusätzliche
      Aktivierungen der TPN-Regionen in gesunden Älteren und
      MCI-Patienten, unabhängig vom kognitiven Status. Daraus lässt
      sich schließen, dass die zusätzliche TPN-Aktivierung keine
      kompensatorische Funktion hatte, sondern eher auf
      Dedifferenzierungsprozesse im Hirn hindeutet. Durch die
      Unterscheidung gesunder Älterer und MCI anhand ihrer
      Aktivierung in den Hirnnetzwerken DMN und TPN, erleichtert
      unsere Studie die Früherkennung von Demenz.