Multimodal Diffuse Optical Imaging Evidence of Age-Related Changes in Neural Substrates of Semantic Words Processing

Le vieillissement rapide de la population au Canada changera les aspects démographiques à l'avenir par le fait que les personnes âgées de 65 ans et plus vont dépasser en volume les jeunes de moins de 20 ans. En sachant les coûts associés au traitement et au soutien des personnes âgées atteintes par une ou plusieurs démences cognitives, on admet l'importance des études gériatriques pour mieux comprendre les mécanismes neurophysiologiques du vieillissement. L'intérêt principal est de trouver un lien entre les effets neurologiques du vieillissement et ceux du déclin cognitif afin d'établir des stratégies qui encourageront un vieillissement en santé. Notre compréhension du cerveau a beaucoup évolué au cours des dernières décennies grâce à de nouvelles techniques en imagerie cérébrale. Pourtant, l'interprétation de ces données reste un défi. Dans le cas de l'imagerie fonctionnelle par résonance magnétique (IRM) ou par optique diffuse (IOD), la réponse neuronale est indirectement dérivée de l'hémodynamique. Cette dernière est sujette à de complexes interactions entre l'oxygénation du cerveau, le volume et le débit sanguin, ainsi que la structure hétérogène du cortex. Ces interactions rendent difficile une interprétation quantitative des données. Dans le cas des études en vieillissement cognitif, ces paramètres sont de plus modifiés par l'âge, ce qui mène à une importante variabilité interindividuelle dans l'interprétation des données. La caractérisation des effets neurophysiologiques du vieillissement sur les signaux d'imagerie cérébrale est donc essentielle pour permettre des études rigoureuses du déclin cognitif avec l'âge. Vu les limites en rapport avec les signaux intrinsèques de chacune des modalités d'imagerie non-invasive, l'intérêt pour les études multimodales s'accroît car elles permettent de calibrer avec plus de précision les données fonctionnelles. L'intégration des données complémentaires acquises via différentes modalités de neuroimagerie, dans cette étude, nous a permis de quantifier les activations neuronales et de surveiller leurs modifications reliées au vieillissement. Un montage de spectroscopie en temps résolu, fait au laboratoire, nous a fourni des données au repos sur la concentration en oxy- et déoxyhémoglobine, ainsi que sur le volume sanguin. En imagerie par résonance magnétique, une séquence anatomique nous a servi à 1) évaluer une potentielle corrélation entre l'épaisseur corticale (matières grise et blanche) et le niveau de la réponse hémodynamique et 2) Recaller la carte d'activité cérébrale de chaque participant sur son image anatomique. On rajoute ces dernières mesures comme régresseur à un modèle linéaire généralisé de la réponse hémodynamique. En faisant l'hypothèse que ces changements de bases sont liés à la physiologie,

Abstract

The demographic features of the population of Canada will experience an unprecedented historical change in the near future by the number of individuals above 65 years surpassing the number of youngsters under 20 years. Considering the costly consequences of age-related cognitive decline, both for individuals and the society, studying the neurophysiological mechanisms of these unfavorable changes has become an utmost priority in health research. The main goal of this field is to link the effects of cerebral aging to those of cognitive aging in order to stablish strategies promoting healthy aging. Normal cerebral aging is accompanied by some neurophysiological and neuroanatomical alterations depending on epigenetics of individuals. Amongst neurophysiological deteriorations causing cognitive decline, one should account for the neural loss, cortical density reduction, neurovascular, metabolic, and neurotransmission dysfunctions. Taken together these alterations with age, we were interested to determine whether older adults are affected in their cognitive abilities by more than one simple factor. In another word, we aimed at exploring the potential relationship between the abovementioned age-related alterations with cognitive performance. However, the main challenge of such study appears when interpreting functional data regarding baseline measures of each individual. Thus, the increased inter and intra-individual variability in cognitive studies is mainly due to their large variations in structural and neurophysiological characteristics in the course of their lifespan. In this project, we defined a multi-modal neuroimaging protocol with the aim of calibrating the functional measures of task-related activity by measured individual baseline neurophysiological characteristics. To assess individuals` cerebral blood flow at rest, one of the constituent of hemodynamic response, we used an arterial-spin labeling sequence of magnetic resonance imaging. This technique based on tagging water in blood, gives the blood quantity emerging to brain. Carotids, the main arterial vessels that supply blood to brain, neck and face, are well known to be affected by age inter-individually and play as a non-functional moderator in hemodynamic response formation. As an estimate of total blood volume and baseline concentration of oxy- and deoxyhaemoglobin, we used a home-made 4-chanel time resolution optical device to acquire data from each participant's prefrontal lobe. To refine the spatial resolution of non-invasive optical imaging, we also acquired anatomical MR images of each participant to 1) calculate cortical thickness with the objective of evaluating the correlation