Введение

Деградация функционирования мозга. Старение мозга – это процесс трансформации мозга в пожилом возрасте, включающий изменения, которые испытывают все люди, и изменения, вызванные заболеваниями (включая недиагностированные заболевания). Обычно речь идет о людях. Поскольку увеличение продолжительности жизни имеет смысл только при одновременном увеличении здорового периода жизни и, что более важно, при сохранении здоровья мозга и когнитивных функций, поиск омолаживающих подходов, воздействующих одновременно на периферические ткани и на функции мозга, является ключевой стратегией в разработке технологий омоложения. Старение является основным фактором риска для большинства распространенных нейродегенеративных заболеваний, включая легкие когнитивные нарушения, деменции, в том числе болезнь Альцгеймера, цереброваскулярные заболевания, болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз (болезнь Лу Герига). Хотя значительная часть исследований сосредоточена на болезнях, связанных со старением, существует немного информативных исследований молекулярной биологии стареющего мозга (в британском английском обычно пишут ageing brain) в отсутствие нейродегенеративных заболеваний или нейропсихологического профиля здоровых пожилых людей. Однако исследования показывают, что процесс старения связан с рядом структурных, химических и функциональных изменений в мозге, а также с множеством нейрокогнитивных изменений. Недавние данные, полученные на модельных организмах, свидетельствуют о том, что с возрастом происходят отчетливые изменения в экспрессии генов на уровне отдельных нейронов. На этой странице представлен обзор изменений, связанных со старением мозга человека, включая старение без сопутствующих заболеваний.

Структурные изменения

Старение влечет за собой множество физических, биологических, химических и психологических изменений, и мозг не является исключением из этого явления. Различные изменения, происходящие с возрастом, пытались систематизировать с помощью концептуальных моделей, таких как Теория старения и когниции (STAC), предложенная в 2009 году. Модель STAC рассматривает такие факторы, как изменения в нервной ткани белого вещества, снижение уровня дофамина, уменьшение объема мозга и истончение коры. Данные КТ-сканирования показали, что мозговые желудочки расширяются с возрастом. Более поздние исследования с использованием МРТ выявили возрастное снижение объема мозга в определенных областях. Уменьшение объема мозга в разных областях происходит неравномерно: некоторые области мозга уменьшаются со скоростью до 1% в год, в то время как другие остаются относительно стабильными до конца жизни. Мозг – чрезвычайно сложный орган, состоящий из множества различных областей и типов тканей. Различные функции разных тканей мозга могут быть в разной степени подвержены возрастным изменениям. Это согласуется с распространенной фразой "если не тренируешь – теряешь", что означает, что если определенная функция не используется, мозг будет выделять для нее меньше соматотопического пространства. Один из предложенных механизмов наблюдаемых возрастных нарушений пластичности у животных – это результат возрастных изменений в регуляции кальция. Изменения в способности организма справляться с кальцием в конечном итоге влияют на возбуждение нейронов и способность распространять потенциалы действия, что, в свою очередь, сказывается на способности мозга изменять свою структуру или функцию, то есть на его пластичности. В силу сложности мозга, с его многочисленными структурами и функциями, логично предположить, что некоторые области будут более уязвимы к старению, чем другие. Стоит отметить две схемы, заслуживающие внимания: гиппокампальную и неокортикальную. Предполагается, что возрастное снижение когнитивных функций частично обусловлено не гибелью нейронов, а синаптическими изменениями. Данные, полученные в ходе исследований на животных, подтверждают эту идею и указывают на то, что этот когнитивный дефицит связан с функциональными и биохимическими факторами, такими как изменения в активности ферментов, химических посредников или экспрессии генов в корковых схемах. Исследования, использующие воксель-основанную морфометрию, выявили такие области, как инсула и верхние теменные извилины, как особенно уязвимые к возрастным потерям серого вещества у пожилых людей, а также связанные с когнитивным снижением в пожилом возрасте.

Морфология и микроструктура

Наибольший вклад в изменения объема мозга вносит возрастное уменьшение объема серого вещества. Более того, наблюдается снижение плотности нейронов, изменение микроструктуры белого вещества и нарушение энергетического метаболизма в мозжечке. В процессе старения происходит общая атрофия коры головного мозга, и, например, уменьшается объем хвостатого ядра.

Возрастная нейронная морфология

Существует все больше данных от когнитивных нейробиологов по всему миру, свидетельствующих о том, что возрастные когнитивные нарушения могут быть обусловлены не потерей нейронов или гибелью клеток, а скорее результатом небольших, локальных изменений в морфологии нейронов. Одним из важных различий между нормальным и патологическим старением является локализация нейрофибриллярных клубков. Нейрофибриллярные клубки состоят из парных спиральных филаментов (PHF). При нормальном старении без развития деменции количество клубков в каждом пораженном теле клетки относительно невелико. С возрастом у людей, не страдающих деменцией, наблюдается общее увеличение плотности клубков, однако их локализация существенно не меняется. Точное влияние каждого из этих механизмов на когнитивное старение остается неизвестным. Окислительный стресс является наиболее контролируемым и хорошо изученным фактором риска. В онлайн-словаре Merriam Webster Medical Dictionary окислительный стресс определяется как "физиологический стресс организма, вызванный кумулятивным повреждением, наносимым свободными радикалами, которые недостаточно нейтрализуются антиоксидантами, и который считается связанным со старением". Следовательно, окислительный стресс – это повреждение клеток свободными радикалами, высвобождающимися в процессе окисления. По сравнению с другими тканями организма, мозг особенно чувствителен к окислительному повреждению. Усиление окислительного повреждения связано с нейродегенеративными заболеваниями, легкими когнитивными нарушениями и индивидуальными различиями в когнитивных функциях у здоровых пожилых людей. При "нормальном старении" мозг подвергается окислительному стрессу различными путями. Основные факторы включают окисление белков, перекисное окисление липидов и окислительные модификации ядерной и митохондриальной ДНК. При каждом делении соматической клетки теломерный участок ДНК укорачивается. Поскольку длина теломер частично наследуется,). Было показано, что с возрастом повреждение ДНК увеличивается в мозге мышей, крыс, морских свинок, кроликов, собак и людей. У молодых 4-дневных крыс на один нейрон приходится около 3000 одноцепочечных и 156 двухцепочечных разрывов, в то время как у крыс старше 2 лет уровень повреждения возрастает примерно до 7400 одноцепочечных и 600 двухцепочечных разрывов на нейрон. Лу и соавторы исследовали профили транскрипции лобной коры головного мозга людей в возрасте от 26 до 106 лет. Это позволило выявить набор генов, экспрессия которых изменялась после 40 лет. Они также обнаружили, что промоторные последовательности этих генов накапливали окислительное повреждение ДНК, включая 8-OHdG, с возрастом (см. теорию повреждения ДНК при старении). Они пришли к выводу, что повреждение ДНК может снижать экспрессию селективно уязвимых генов, участвующих в обучении, памяти и выживании нейронов, запуская процесс старения мозга, который начинается в раннем возрасте.

Иммунная система и жидкости

Проницаемость гематоэнцефалического барьера, нейровоспаление и нейродегенерация, а также системное хроническое воспаление, индуцированное микробиотой кишечника, по-видимому, связаны между собой и взаимодействуют с процессом старения, например, поскольку гомеостаз микробиоты кишечника может нарушаться с увеличением возраста. Согласно обзору, нейровоспалительные изменения, "включая активацию микроглии и продукцию воспалительных цитокинов", происходят при нормальном старении.

Жидкости

Установлено, что при здоровом старении мозговой кровоток снижается на 0,3–0,5% в год. Эффективно функционирующая глимфатическая система, участвующая в удалении отходов, может играть важную роль в поддержании здоровья мозга, а ее транспортная эффективность, по-видимому, снижается с возрастом. Факторы, циркулирующие в кровотоке, способны модулировать процессы старения и способствовать омоложению мозга.

Химические изменения

Помимо структурных изменений, происходящих в мозге с возрастом, процесс старения также включает в себя широкий спектр биохимических изменений. В частности, нейроны взаимодействуют друг с другом посредством специализированных химических посредников, называемых нейротрансмиттерами. Ряд исследований выявил несколько таких нейротрансмиттеров, а также их рецепторы, которые претерпевают значительные изменения в различных областях мозга в ходе нормального процесса старения.

Допамин

В подавляющем большинстве исследований сообщается о возрастных изменениях в синтезе дофамина, количестве мест связывания и рецепторов. Исследования с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) на живых людях показали значительное снижение синтеза дофамина с возрастом, особенно в стриатуме и экстрастриатальных областях (исключая средний мозг). Также широко сообщалось о значительном снижении количества дофаминовых рецепторов D1, D2 и D3, связанном с возрастом. В целом наблюдается уменьшение количества рецепторов D1 и D2. Изменения уровня дофамина могут также приводить к возрастным изменениям когнитивной гибкости. Посмертные исследования на людях выявили снижение способности связывания серотонина и уменьшение числа S1-рецепторов в лобной коре и гиппокампе, а также снижение аффинности в путамене.

Глютамат

Глютамат – это еще один нейротрансмиттер, концентрация которого имеет тенденцию снижаться с возрастом. Исследования показали, что у пожилых людей концентрация глутамата в моторной коре ниже, чем у молодых. Ориентация обычно оценивается путем определения того, насколько человек осознает время, место и собственную личность. Дефицит ориентации – один из наиболее распространенных симптомов заболеваний мозга, поэтому тесты на ориентацию включаются почти во все медицинские и нейропсихологические обследования. Хотя исследования в основном фокусировались на уровне ориентации у пациентов с клиническими диагнозами, небольшое количество работ изучало, наблюдается ли нормальное снижение ориентации у здоровых пожилых людей. Результаты оказались неоднозначными. Некоторые исследования показывают, что ориентация не ухудшается с возрастом. Например, в одном исследовании 92% здоровых пожилых людей (65–84 лет) продемонстрировали полную или почти полную ориентацию. Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что незначительные изменения в ориентации могут быть нормальной частью старения. Например, Свит и его коллеги заключили, что «пожилые люди с нормальной, здоровой памятью могут испытывать легкие трудности с ориентацией. В отличие от них, молодые люди с нормальной памятью практически не имеют проблем с ориентацией». Внимание – это широкое понятие, определяющее «когнитивную способность, позволяющую нам справляться с присущими ограничениями обработки информации человеческим мозгом путем отбора информации для дальнейшей обработки». Поскольку ресурсы человеческого мозга ограничены, люди используют внимание, чтобы концентрироваться на определенных стимулах и игнорировать другие. Если у пожилых людей меньше ресурсов внимания, чем у молодых, можно предположить, что при выполнении двух задач одновременно их производительность снизится в большей степени, чем у молодых. Однако обширный обзор исследований когнитивных функций и старения показал, что эта гипотеза не получила полного подтверждения. В то время как некоторые исследования показали, что пожилым людям сложнее кодировать и извлекать информацию при разделении внимания, другие не выявили существенных различий с молодыми взрослыми. Аналогично, можно ожидать, что пожилые люди будут испытывать трудности в задачах, требующих устойчивого внимания, которые измеряют способность концентрироваться и реагировать на стимулы в течение длительного периода времени. Однако исследования показывают, что устойчивое внимание не снижается с возрастом. Результаты свидетельствуют о том, что устойчивое внимание возрастает в раннем взрослом возрасте, а затем остается относительно стабильным, по крайней мере, до середины восьмого десятилетия жизни. Требуются дополнительные исследования, чтобы выяснить, как нормальное старение влияет на внимание после восьмидесяти лет. Важно отметить, что существуют факторы, помимо собственно способности к вниманию, которые могут быть связаны с трудностями концентрации. Например, возможно, что сенсорные дефициты влияют на способность пожилых людей концентрироваться. Иными словами, ухудшение слуха или зрения может затруднить пожилым людям выполнение задач, требующих визуального и вербального внимания.

Мозговой активации

Левый нижнелобный стык и левый передний поясной изгиб/прилежащий изгиб были единственными областями из более широкого набора областей, связанных с исполнительными функциями, которые последовательно демонстрировали различия в активности мозга, связанные с возрастом.

Изменения в обучении и гибкости поведения

У детей обучение часто происходит более эффективно, а с возрастом становится более длительным или затруднительным. Исследование с использованием нейровизуализации выявило быстрое усиление нейротрансмиттера ГАМК как один из основных потенциальных механизмов, объясняющих это. Гибкость поведения может означать эффективную и адекватную адаптацию к различным ситуациям и меняющимся требованиям окружающей среды, включая скорость адаптации, а также способность находить решения новых проблем или новые решения старых проблем. Исследования указывают на поздние стадии старения и/или деменции в позднем возрасте.

Генетические изменения

Различия в проявлениях старения у разных людей можно объяснить генетическими, факторами здоровья и воздействием окружающей среды. Как и во многих других научных областях, спор о роли наследственности и воспитания остаётся актуальным в когнитивной нейробиологии. В отличие от этого, у людей младше 80 лет все области мозга и клетки мозга демонстрируют примерно одинаковый эпигенетический возраст. Эти данные позволяют предположить, что мозжечок лучше защищён от возрастных изменений, что может объяснять меньшее количество нейропатологических признаков деменции, связанных с возрастом, в мозжечке по сравнению с другими областями мозга.

Другое

Проводятся исследования и разработки биомаркеров старения, систем их выявления и программных систем для измерения биологического возраста мозга. Например, программное обеспечение, основанное на глубоком обучении и использующее анатомические изображения, полученные с помощью магнитно-резонансной томографии, оценивало возраст мозга с относительно высокой точностью, в том числе выявляя ранние признаки болезни Альцгеймера и различные нейроанатомические особенности, связанные с неврологическим старением.

Когнитивный резерв

Способность индивида не демонстрировать когнитивных признаков старения, несмотря на возрастные изменения в мозге, называется когнитивным резервом. В частности, у гомозигот по валину CETP, но не у гетерозигот, наблюдалось относительное снижение памяти на 51% меньше по сравнению с контрольной группой после корректировки на демографические факторы и статус APOE. В 1994 году было начато исследование религиозных орденов. Первоначальное финансирование также было предоставлено NIA.

Воспаление гипоталамуса и GnRH

В исследовании 2013 года было предположено, что воспаление гипоталамуса может быть связано с общим старением организма. Исследователи сосредоточились на активации белкового комплекса NF κB у мышей, у которых наблюдалось увеличение активации по мере старения в ходе исследования. Эта активация влияет не только на процесс старения, но и на гормон GnRH, который проявлял новые антивозрастные свойства при введении мышам вне гипоталамуса, в то время как введение в гипоталамус вызывало противоположный эффект. Прежде чем эти данные можно будет применить к людям, потребуется время и дополнительные исследования этого механизма, чтобы понять, как GnRH проявляет свои антивозрастные свойства.

Воспаление

Исследование показало, что миелоидные клетки способствуют развитию неадаптивного воспаления при старении мозга у мышей, и что этот процесс можно обратить или предотвратить, подавляя их EP2-сигналинг.

Мозгово-спинальная жидкость

Исследование показало, что введение питательной спинномозговой жидкости из области клеток мозга молодых мышей в стареющий мозг омолаживает некоторые его аспекты, доказывая, что она играет роль в старении мозга и, в частности, выявляет белок FGF17 как ключевую мишень для потенциальной терапии, включая средства для борьбы со старением. Субарахноидальная лимфатическая мембрана, открытие которой было опубликовано примерно в 2023 году, вероятно, участвует в функциях спинномозговой жидкости и, будучи как защитным барьером, так и средой обитания для иммунных клеток, контролирующих мозг на предмет инфекций и воспаления, по-видимому, существенно вовлечена в развитие основных заболеваний мозга и старение мозга. Она является "средой обитания для большого количества миелоидных клеток, число которых увеличивается в ответ на воспаление и старение".

Неравенства в отношении старения

Для определенных демографических групп последствия нормального когнитивного старения проявляются особенно заметно. Различия в скорости когнитивного старения могут быть связаны с отсутствием или ограниченным доступом к медицинской помощи, что приводит к непропорционально высокому уровню негативных последствий для здоровья. В связи с ростом, увеличением разнообразия и старением населения мира, возрастает необходимость понимания этих неравенств.

Афроамериканцы

В Соединенных Штатах чернокожие и афроамериканцы с возрастом непропорционально часто сталкиваются с метаболической дисфункцией. Это влечет за собой множество последствий, но наиболее значительным из них является негативное влияние на здоровье сердечно-сосудистой системы. Профили метаболитов, характеризующие индекс здорового старения – показатель, оценивающий нейрокогнитивные функции и другие показатели здоровья на протяжении жизни – связаны с риском сердечно-сосудистых заболеваний. Здоровая функция сердечно-сосудистой системы критически важна для поддержания нейрокогнитивной работоспособности в пожилом возрасте. Внимание, вербальное обучение и способность к переключению когнитивных установок связаны с диастолическим артериальным давлением, уровнем триглицеридов и уровнем холестерина ЛПВП соответственно.

Латинцы

В США у латиноамериканцев наиболее вероятно развивается метаболический синдром – сочетание высокого кровяного давления, повышенного уровня сахара в крови, повышенного уровня триглицеридов и абдоминального ожирения, которое не только увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний и диабета 2 типа, но также связано со снижением нейрокогнитивных функций в среднем возрасте. Это происходит, несмотря на то, что ожидаемая продолжительность жизни у латиноамериканцев в США выше, чем у представителей белой и афроамериканской рас. Среди различных латиноамериканских групп частота аллеля ε4 гена apoE4, предрасполагающего к деменции, была самой высокой у латиноамериканцев карибского происхождения (кубинцы, доминиканцы, пуэрториканцы, 12,6–17,5 %) и самой низкой – у латиноамериканцев материкового происхождения (мексиканцы, центральноамериканцы и южноамериканцы, 11,0–11,2 %). В то же время частота нейропротективного аллеля ε2 также была самой высокой у латиноамериканцев карибского происхождения (5,2–8,6 %) и самой низкой – у латиноамериканцев материкового происхождения (2,9–3,9 %). Среди латиноамериканцев материкового происхождения наиболее распространенным является "медианный" аллель ε3: 85,2–86,2 % по сравнению с 73,9–81,5 % среди латиноамериканцев карибского происхождения.

Коренные народы

Коренные народы часто недостаточно представлены в исследованиях. Обзор современной литературы, посвященной изучению коренных жителей Австралии, Бразилии, Канады и Соединенных Штатов в возрасте от 45 до 94 лет, показывает разную распространенность когнитивных нарушений, не связанных с деменцией – от 4,4% до 17,7%. Эти результаты можно объяснить культурной предвзятостью нейрокогнитивных тестов, наличием сопутствующих заболеваний, ограниченным доступом к здравоохранению, низким уровнем образования и/или пожилым возрастом.

Секс

[[Файл:Ожидаемая продолжительность жизни в США по расовому и половому различию.png|мини|Ожидаемая продолжительность жизни в США по расе и полу, с расчетом полового разрыва. Мужчины с легкими когнитивными нарушениями, как правило, демонстрируют больше микроструктурных повреждений, чем женщины с ЛКН, но, по-видимому, обладают большим когнитивным резервом благодаря большему абсолютному размеру мозга и плотности нейронов. В результате женщины склонны проявлять симптомы когнитивного снижения при более низких порогах, чем мужчины. Этот эффект, по-видимому, смягчается уровнем образования – более высокий уровень образования связан с более поздней диагностикой легких когнитивных нарушений по мере увеличения нейропатологической нагрузки. В настоящее время нет известных исследований, позволяющих определить характерную модель когнитивного снижения с возрастом у трансгендерных людей.

Социально-экономические факторы

Социально-экономический статус – это взаимодействие социальных и экономических факторов. Показано, что социально-демографические факторы могут в определенной степени использоваться для прогнозирования когнитивных профилей у пожилых людей. Это может быть связано с тем, что семьи с более высоким социально-экономическим статусом (SES) располагают возможностями предоставлять своим детям ресурсы с раннего возраста для стимуляции когнитивного развития. У детей из семей с низким SES даже небольшие изменения в доходах родителей были связаны со значительными изменениями в площади поверхности мозга; эти потери наблюдались в областях, отвечающих за язык, чтение, исполнительные функции и пространственное мышление. В то же время, у детей из семей с высоким SES небольшие изменения в доходах родителей коррелировали с незначительными изменениями площади в этих областях. Что касается общей толщины коры головного мозга, у детей с низким SES наблюдалось нелинейное снижение толщины с возрастом, в то время как у детей с высоким SES – более резкое линейное снижение, что указывает на более эффективную синаптическую обрезку в последней группе. Эта тенденция особенно заметна была в левой воронкообразной и левой верхней височной извилинах – областях, критически важных для языка и грамотности. Исследование показало, что пользователи диетической программы SNAP в возрасте 50+ лет демонстрировали примерно на 2 года меньше когнитивного старения в течение 10-летнего периода по сравнению с теми, кто не пользовался программой, несмотря на практически полное отсутствие требований к устойчивости и полезности приобретаемых на купоны (или купонные кредиты) продуктов питания.