The effects of aging and HIV infection on the relationship between the Resting State of the brain and neurocognitive functioning

Uzasadnienie i cel: Osoby starzejące się z infekcją HIV (HIV+) zmagają sią z zaburzeniami w strukturze jak i funkcjonowaniu mózgu. W wyniku tego, osoby HIV+ mogą doświadczać deterioracji w funkcjonowaniu neuropoznawczym. Obecny stan wiedzy jest ograniczony na temat neuroinfekcyjnych działań wirusa HIV. Jednak przy użyciu nowych metod neuroobrazowania mózgu, takich jak badanie spoczynkowej aktywności mózgu w funkcjonalnym rezonansie magnetycznym (ang. resting state functional magnetic resonance imaging) możemy coraz lepiej opisać funkcjonalne podstawy mózgu przyczyniających się do klinicznego portretu zaburzeń neuropoznawczych w tej szczególnej grupie pacjentów. Do tej pory niewiele doniesień naukowych skierowanych było na badanie wpływu wieku i zakażenia wirusem HIV na stan spoczynkowy mózgu w odniesieniu do funkcji poznawczych. W związku z niespójnościami dotychczasowych doniesień, zagadnienie to pozostaje niewyjaśnione. To badanie miało na celu zbadanie efektów starzenia się i zakażenia wirusem HIV na stan spoczynkowy mózgu (RS) w stosunku do funkcjonowania poznawczego. Metoda: W badaniu przeanalizowano dane z ostatecznej liczby 108 uczestników między 25 a 75 rokiem życia, w tym 54 osoby HIV+ (średnia wieku = 41 lat; SD = 12 lat) oraz 54 demograficznie dopasowane osoby kontrolne HIV-seronegatywne (średnia wieku = 43 lata; SD = 12 lat), ze średnią 16 lat edukacji. Wszyscy uczestnicy HIV + byli na terapii HAART. Dane przeanalizowane w tym badaniu obejmowały dane spoczynkowego neuroobrazowania stanu mózgu (RS-fMRI) i dane neuropoznawcze z kompleksowego zestawu testów oceniających funkcje uwagi, funkcje wykonawcze, pamięć, funkcje psychomotoryczne i umiejętności semantyczne. Dane analizowano stosując podejście oparte na mózgowych regionach zainteresowania badawczego (ang. Regions of Interest-based analysis), analizy niezależnych komponentów (ang. Independent Component Analysis), i analizy opartej na wokselach (ang. Voxel-based analysis). Na podstawie wyników przekształconych (T) z testów poznawczych zostały skomponowane czynniki neuropoznawcze. Różnice pomiędzy grupami w RS i funkcjonowaniu poznawczym oceniano testem t. Dwuwymiarowe korelacje były użyte do zbadania relacji między wiekiem, RS, a czynnikami neuropoznawczymi. Wielokrotna analiza regresji liniowej przeprowadzona została w celu zbadania wpływu wieku i zakażenia wirusem HIV na relacje między spoczynkowa aktywnością mózgu (RS) a neuropoznawczą wydajnością. Wyniki: Grupa kontrolna, w zakresie połączeń funkcjonalnych (FC) w spoczynkowej aktywności mózgu oraz deterioracji funkcji neuropoznawczych, wykazała wzorce starzenia się porównywalne do ogólnej zdrowej populacji. Zakażenie wirusem HIV związane było z obniżeniem jak i z podwyższeniem RS-FC oraz pogorszeniem uwagi i umiejętności semantycznych w porównaniu z grupą kontrolną. Efekty interakcji wieku i zakażenia HIV były wykazane dla FC wewnątrz-sieciowych oraz między-sieciowych, które słabły wraz z wiekiem w grupie HIV+, a wzmacniały się wraz z wiekiem u zdrowych niezakażonych. Brak efektów interakcji wieku i wirusa HIV był wykazany dla czynników poznawczych. Wykazane zostały istotne relacje pomiędzy mocą połączeń RS-FC, które wykazały wrażliwość na skutki interakcji wieku i wirusa HIV, a wartością czynników neuropoznawczych. Wiek nie miał znaczącego wpływu jako moderator dla większości wykazanych relacji w grupie kontrolnej. Zakażenie wirusem HIV znacznie wpływało na związek między RS-FC a czynniki neuropoznawcze. Natomiast wiek w grupie HIV+ nie miał znaczących skutków jako moderator na relacje między RS-FC a czynnikami neuropoznawczymi. Wnioski: Obecne badanie dostarcza dowodów na to, że RS-fMRI jest czułą techniką mogącą ujawnić nie tylko efekty niezależne, ale również efekty interakcji wieku i zakażenia wirusem HIV na funkcjonowanie mózgu podczas braku jawnych procesów poznawczych. Wyniki tego badania dalej potwierdzają, że wiek i zakażenie wirusem HIV prowadzą do reorganizacji funkcjonalnej mózgu i spadku wydajności funkcji neuropoznawczych. Co ważne, badania to donosi o dowodach na wdrożenie kompensacyjnych mechanizmów mózgowych w populacji pacjentów starzejących się z wirusem HIV. Wyniki tego badania dowodzą o przeważającej słuszności hipotezy natężonego/skoncentrowanego (ang. accentuated) nad hipotezą przyspieszonego (ang. accelerated) starzenia się u osób żyjących z infekcją HIV.

Rationale and objective: The aging HIV seropositive (HIV+) population struggles with the brain functional and structural abnormalities. Consequently, HIV+ individuals can experience decline in neurocognitive performance. The current state of knowledge informs on the neuroinfectious actions of the HIV virus to a limited extent. However, with the new methods of brain imaging, such as resting state functional magnetic resonance imaging (RS-fMRI), we can now better understand the functional brain bases of the clinical neurocognitive portrait in this specific patient population. Up to date, few scientific reports addressed the effects of age and HIV infection on the resting state (RS) of the brain and cognitive functioning. Due to previous inconsistent findings, the issue remains unclear. This study aimed to examine the effects of aging and HIV infection on the RS of the brain in relationship to the cognitive functioning. Methods: This study analyzed data from a final number of 108 participants between 25 and 75 years of age, including 54 HIV+ individuals (age M=41; SD=12 years) and 54 demographically matched HIV-seronegative controls (age M=43; SD=12 years), with the mean of 16 years of education. All HIV+ participants were receiving HAART. The data retained for the current analyses included neuroimaging data of resting state functional magnetic resonance imaging (RS-fMRI), and neurocognitive data from a comprehensive battery of tests assessing attention, executive functions, memory, psychomotor functions, and semantic skills. RS data was analyzed using Regions of Interest-based approach, Independent Component Analysis, and Voxel-based analysis. Cognitive tests outcome T-scores were comprised into Neurocognitive Factor Scores. Between group differences in RS and neurocognitive data was assessed with T-unpaired test. Bivariate correlations examined relationships between age, RS measures, and neurocognitive factors. Multiple Linear Regression Analysis were performed in order to investigate the effects of age and HIV infection on the relationship between RS brain activity and neurocognitive performance. Results: Control group revealed patterns of aging in RS functional connectivity (FC) and neurocognitive decline comparable to the general population. HIV infection was related to decreases and increases in RS-FC and deterioration in attention and sematic skills as compared to controls. Interaction effects of age and HIV infection were exposed in terms of intra- and internetwork remote FC, which was weakening with age in HIV+ group, while strengthening with age in healthy comparators. No age-HIV interaction effects were observed on cognitive factors. Significant relationships were distinguished between RS-FC measures sensitive to age-HIV interaction effects and neurocognitive factors. Age had no significant moderator effects on majority of the revealed relationships in controls. HIV significantly moderated relationship between RS-FC and neurocognitive factors. Age in HIV+ group did not reveal significant moderator effects on the relationship between RS-FC and neurocognitive factors. Conclusions: Current study provides evidence that RS-fMRI is a sensitive technique to reveal not only additive but also interaction effects of age and HIV infection on the functioning of the brain. The results confirm that age and HIV infection lead to brain reorganization and decline in neurocognitive performance. Importantly, the study finds evidence for the employment of brain compensatory mechanisms in aging HIV+ patient population. The current findings support the hypothesis of rather accentuated than accelerated aging in the individuals aging with HIV.