昼夜节律活动模式与MRI衍生脑体积变化：认知健康样本中年龄差异 - 认知障碍

摘要

引言

昼夜节律活动模式(RARs)随年龄变化，其改变与认知能力下降、阿尔茨海默病(AD)和痴呆相关。然而，关于昼夜节律活动模式与后续脑结构变化关联的研究较少。

方法

我们研究了认知未受损、年龄≥50岁的成年人腕部活动记录仪测得的昼夜节律活动模式与磁共振成像(MRI)测得的AD相关脑体积之间的横断面和纵向关联，以及年龄是否调节这些关联。

结果

在横断面分析中，较弱和更碎片化的昼夜节律活动模式与较小的内侧颞叶区域体积相关。纵向上，更规律和更少碎片化的昼夜节律活动模式与随时间推移更好地保持杏仁核体积相关。此外，昼夜节律碎片化与整体脑萎缩之间的关联在最年长的参与者中最强。

讨论

结果将昼夜节律活动模式与内侧颞叶和全脑体积联系起来，并表明这些关联可能因年龄而异。需要研究针对昼夜节律活动模式的干预措施对脑健康的影响。

亮点

横断面分析中，更强、更少碎片化的昼夜节律活动模式与较小的内侧颞叶体积相关。
纵向上，更稳定、更少碎片化的昼夜节律活动模式与随时间推移更好地保持杏仁核体积相关。
更多碎片化的昼夜节律活动模式与随后更大的脑室体积增加相关。
昼夜节律碎片化与更快的整体脑萎缩之间的关联在最年长的参与者中最强。

1 背景

昼夜系统调节分子和生理过程以及行为（包括食物摄入、睡眠和身体活动）的时间。衰老与这些节律的变化相关，老年人通常比年轻人表现出更早的峰值活动和就寝时间。通过在自然环境中连续佩戴加速度计收集的数据得出的昼夜节律活动模式可以作为昼夜节律的生态有效估计。除了相位提前外，昼夜节律活动模式研究发现，老年人表现出较低的节律强度、全天更大的碎片化以及较低的日间稳定性。越来越多的证据将昼夜节律活动模式的改变与认知障碍以及老年人认知能力下降、轻度认知障碍(MCI)和痴呆联系起来。

尽管有关于昼夜节律活动模式与认知结果关联的证据，但关于其与脑结构测量关联的研究较少。在一项对荷兰老年人的横断面研究中，Van Someren等人(2019)发现节律碎片化解释了内侧颞叶体积19%的方差，超过了年龄解释的方差(15%)。此外，Liu等人(2024)使用UK Biobank数据对昼夜节律活动模式和脑体积进行了横断面分析，发现更大的节律强度与更大的大脑白质体积相关。令人惊讶的是，他们发现日间稳定性与更大的脑室体积相关；然而，分析未调整颅内体积。这些研究表明昼夜节律活动模式与磁共振成像(MRI)测得的脑健康指标之间存在重要关联，但横断面设计无法分析昼夜节律活动模式与脑结构随时间变化的关联。为了推进该领域知识，我们在美国社区样本中研究了中老年人昼夜节律活动模式与AD相关脑区域体积的横断面和纵向关联。考虑到上述与年龄相关的昼夜节律活动模式变化，我们还探讨了年龄的调节作用。

2 方法

2.1 参与者

我们研究了巴尔的摩老龄化纵向研究(BLSA)的参与者，这是一项旨在表征与衰老相关的认知和身体健康变化的纵向观察性研究。如果参与者有活动记录和MRI数据，则有资格纳入分析。研究基线构成50岁及以上成年人首次可用访问，这些访问具有这些评估。在N=353名有有效活动记录和MRI数据的参与者中，我们排除了9名有认知障碍但不符合MCI标准、MCI或痴呆的参与者，留下总共344名参与者进行分析。我们仅分析认知正常（即排除在参与者符合认知障碍、MCI或痴呆标准时及之后的访问[N=45]）的随访数据。认知状态的裁决在其他地方有详细描述。

BLSA随访访问的频率取决于年龄，60岁以下的成年人每4年安排一次，60-79岁的成年人每2年安排一次，80岁及以上的成年人每年安排一次。在入组和后续访问中，参与者提供了书面知情同意。所有研究程序均获得美国国立卫生研究院(NIH)机构内研究计划机构审查委员会的批准。

2.2 腕部活动记录和昼夜节律活动模式指标

参与者在BLSA诊所访问即将离开前佩戴活动记录仪(Actiwatch-2, Philips–Respironics, Bend, OR, USA)，并被要求在非惯用手腕上连续佩戴7天。活动记录仪使用内置加速度计和光度计分别记录活动计数(ACs)和环境光照水平。参与者被要求每天早上和晚上填写睡眠日记，并记录他们起床开始一天的时间、他们躺下睡觉的时间("关灯")、任何午睡的时间以及取下活动记录仪的时间。

我们使用Actiware version 6.0.9软件导出活动计数数据，并使用R软件4.0.4版预处理数据。首先，我们排除了24小时内缺失>5%(>72分钟)数据的时段。其次，为了创建更对称的分布，我们对ACs进行对数转换，并在144个10分钟区间内对对数转换后的AC进行平均。最后，我们通过对有效活动记录数据收集期间的每日曲线取平均值来估计平均参与者特定的昼夜节律活动模式。在分析中，平均参与者特定的昼夜节律活动模式反映在144个10分钟的对数转换ACs中。

使用R中的ActCR package version 0.3.0计算三个非参数昼夜节律活动模式指标，这些指标不假设昼夜节律活动模式始终表现为余弦(参数)形状。我们计算了相对振幅(RA;节律强度)、日间稳定性(IS;跨天节律一致性)和日内变异性(IV;日内节律碎片化)。

2.3 MRI

预先选择了脑区感兴趣区域。感兴趣的全脑体积包括白质、灰质和脑室体积。此外，我们选择了受痴呆(特别是AD)影响的内侧颞叶脑区，特别是海马旁回、海马和杏仁核。这些区域是最早受AD影响的区域之一，可预测未来认知能力下降。

脑区域体积从在3T Philips Achieva MRI扫描仪上获取的T1加权扫描中量化，使用磁化准备快速梯度回波(MPRAGE)序列(重复时间[TR]=6.8 ms，回波时间[TE]=3.2 ms，翻转角度=8°，图像矩阵=256 × 256，170个切片，像素大小=1 × 1 mm，切片厚度=1.2 mm)。使用多图谱区域分割使用登记算法和参数集成(MUSE)方法得出解剖标签和全脑及区域脑体积(以立方厘米为单位)的定量测量。简而言之，MUSE使用多种图谱登记算法生成带标签图的集合和每个体素的标签估计。在标签融合过程中，选择与目标扫描最相似的图谱子集，并通过加权投票分配最终体素标签。此过程产生目标脑扫描的详细解剖区域划分，允许进行稳健的区域体积分析。

2.4 其他参与者信息

参与者报告了性别、种族/民族、年龄和教育程度。在每次访问时，根据身高和体重测量计算身体质量指数(BMI; kg/m²)。此外，在每次访问时，通过护士进行的医疗访谈收集参与者医疗合并症数据，包括心脏病发作、心力衰竭、慢性阻塞性肺病、中风、高血压、糖尿病、癌症和帕金森病的病史。

2.5 统计分析

我们计算了基线参与者特征的描述性统计，并运行单独的线性混合效应模型来检验基线昼夜节律活动模式指标与脑体积结果变化之间的横断面和纵向关联。基线昼夜节律活动模式参数包含在模型中，以检验基线昼夜节律活动模式与基线脑体积结果的横断面关联，以及基线昼夜节律活动模式与时间的交互包含在模型中，以检验基线昼夜节律活动模式与脑体积随时间纵向变化的关联。参与者性别、种族、基线年龄、教育年限、BMI和70岁时的颅内体积作为协变量包含在所有模型中。时间是基线后的随访间隔(年)。性别×时间、种族×时间、基线年龄×时间、教育年限×时间和基线BMI×时间的交互也作为协变量包含在模型中，以考虑协变量对结果的潜在纵向影响。参与者性别编码为-0.5表示女性，0.5表示男性。种族编码为虚拟变量，将白人成年人和种族认定为"其他"的人编码为0，黑人或非裔美国人成年人编码为1。在所有线性混合效应模型中，截距和时间作为随机效应包含，具有非结构化协方差。

进行了基线年龄和基线昼夜节律活动模式与脑体积结果的交互分析，以确定年龄是否调节基线昼夜节律活动模式与脑体积的横断面和纵向关联。我们添加了基线年龄×基线昼夜节律活动模式交互项，以检验年龄是否调节基线昼夜节律活动模式和基线脑体积结果的横断面关联。还添加了基线年龄×基线昼夜节律活动模式×时间交互项，以评估年龄是否调节基线昼夜节律活动模式与脑体积随时间变化的关联。如果年龄调节效应在p<0.01水平上显著，我们进一步推导出基线昼夜节律活动模式与三个预定年龄点(65、75和85岁)的脑体积之间的关联。

使用散点图和Q-Q图评估模型假设。检查了每个模型的Cook距离，以识别有影响的观测值。绝大多数观测值的Cook距离不超过1，表明没有单个数据点对模型估计产生过度影响。只有一名参与者的观测值Cook距离大于1。在移除该参与者后，我们的估计没有显著变化，因此我们选择包含其数据。为了控制多重比较，我们将Benjamini–Hochberg假发现率(FDR)程序分别应用于横断面和纵向主效应测试。FDR应用于脑室、白质体积和灰质体积联合，以及先验灰质亚区域(海马旁回、海马、杏仁核)分别应用。

还进行了敏感性分析，调整了合并症，以确定基线昼夜节律活动模式与脑体积结果的关联是否受合并症影响。创建了一个反映参与者基线时报告的合并症数量的计数变量，包括心脏病发作、心力衰竭、慢性阻塞性肺病、中风、高血压、糖尿病、癌症、帕金森病和抑郁症的病史(可能范围=0至9)；该变量作为协变量包含在所有分析中。所有分析均使用R 4.3.1版进行。线性混合效应模型使用lme4包中的"lmer"函数拟合。

3 结果

344名参与者的平均基线年龄为72.9±10.4岁；197名(57.3%)为女性，77名(22.4%)为黑人或非裔美国人。参与者平均完成5.56±0.88(范围3-7)晚的活动记录数据。120名参与者(34.9%)只有基线昼夜节律活动模式和MRI评估。对于有多次访问的参与者，平均随访时间为1.18±1.10年，平均访问次数为2.27±1.29。46名参与者(13.4%)年龄在60岁以下，191名参与者(55.5%)年龄在60-79岁之间，107名参与者(31.1%)年龄在80岁及以上。

3.1 脑室体积

昼夜节律活动模式与脑室体积之间没有显著的横断面主效应。更高的IV与脑室体积随时间更快的增加相关(B=1.47, p=0.022)。然而，年龄调节了IV与脑室体积的纵向关联，IV与脑室体积变化的关联随年龄增长而增强(交互的p=0.010)。在75岁和85岁时，更高的IV与脑室体积随后更快的增加显著相关，但在65岁时不相关。

3.2 白质体积

昼夜节律活动模式与白质体积之间没有横断面或纵向关联；昼夜节律活动模式与白质体积之间也没有显著的年龄调节效应。

3.3 灰质体积

昼夜节律活动模式与灰质体积之间没有显著的横断面或纵向主效应；然而，IV与灰质体积变化之间存在显著的年龄调节效应(p交互=0.008)，因此在65岁时，更高的IV与较慢的灰质体积萎缩边际相关(p<0.05)，而在85岁时，更高的IV与显著更快的萎缩相关(p<0.01)。

3.4 海马旁回体积

较高的RA(B=0.88, p=0.024)和较低的IV(B=-0.73, p=0.027)与更大的海马旁回体积相关。昼夜节律活动模式与海马旁回体积之间没有纵向主效应关联，也没有显著的年龄调节效应。

3.5 海马体积

在横断面分析中，较高的RA(B=0.98, p=0.013)和较低的IV(B=-0.84, p=0.012)与更大的海马体积相关。没有其他显著的横断面或纵向主效应，也没有显著的年龄调节效应。

3.6 杏仁核体积

在主效应中，更大的IS(B=0.03, p=0.017)和更低的IV(B=-0.04, p=0.002)与杏仁核体积随时间推移的较慢下降相关。值得注意的是，RA与杏仁核体积较慢下降的纵向关联接近显著(B=0.04, p=0.065)。没有显著的年龄调节效应。

3.7 调整合并症的敏感性分析

在进一步调整心脏病发作、心力衰竭、慢性阻塞性肺病、中风、高血压、糖尿病、癌症、帕金森病和抑郁症的病史后，关联的方向和显著性相对一致，有一个例外。虽然年龄和IV与灰质体积随时间变化的交互仍然显著(p=0.002)，但65岁时的点估计值不再显著(B=5.52, p=0.058)。

3.8 调整多重比较

在使用Benjamini–Hochberg程序调整p值后，只有RA和IV与海马旁回体积的横断面关联以及IV与脑室体积的纵向关联不再显著。所有其他主效应在调整后仍然显著。

4 讨论

我们研究了认知未受损中老年人昼夜节律活动模式与区域脑体积之间的关联。横断面分析显示，更大的RA和更低的IV与更大的海马体和海马旁回体积相关。纵向上，更高的IV是随时间推移杏仁核体积下降和脑室体积增加的显著预测因子。此外，更低的IS是杏仁核体积下降的显著预测因子。我们发现IV与脑室和灰质体积变化的纵向关联受年龄调节。与较年轻的参与者相比，这些关联在较年长的参与者中最强。此外，IV与灰质体积的关联方向在最年轻的参与者与最年长的参与者相比发生了逆转。我们的发现表明昼夜节律活动模式可能是脑萎缩(包括AD中心区域的内侧颞叶)的标志物或潜在贡献者。

我们发现更低的IV与更大的海马体体积相关的发现与Van Someren等人的研究结果一致，他们发现更高的IV与更小的内侧颞叶体积相关。然而，与Van Someren等人不同的是，我们还观察到RA和IS与内侧颞叶脑体积的关联。这些差异可能是由于Van Someren等人使用视觉评分分数与本研究使用实际体积的自动分割和量化来量化内侧颞叶体积。虽然我们的纵向分析显示更大的IS和更低的IV与随时间推移更好地保持杏仁核体积相关，但这些是首次报道的此类纵向发现，因此需要在未来的纵向研究中进行复制。总体而言，这些发现将较弱、更碎片化和更不稳定的昼夜节律活动模式与易受年龄相关萎缩和神经退行性过程影响的内侧颞叶区域的萎缩联系起来。

三种途径可以描述昼夜节律活动模式与内侧颞叶体积之间关联的机制：(1)昼夜节律改变可能促进海马体和杏仁核萎缩，(2)海马体和杏仁核萎缩可能改变昼夜节律，或(3)海马体和杏仁核萎缩与昼夜节律紊乱可能源于共同原因，如广泛的神经退行性过程或下丘脑前部视交叉上核(SCN)的年龄相关变化。SCN是大脑的昼夜节律起搏器，由光-暗周期调节并控制其他脑区(包括海马体和杏仁核)的振荡器。SCN经历与昼夜节律变化相关的年龄相关萎缩。此外，在神经退行性疾病中观察到SCN功能障碍。在啮齿动物中，SCN中时钟基因的缺失导致海马体的神经退行性和萎缩，在人类中，由跨子午线旅行引起的慢性昼夜节律失调与较小的内侧颞叶体积相关。此外，与年龄相关的SCN和昼夜节律变化可能对睡眠产生负面影响，而睡眠不足和碎片化睡眠与脑体积损失和AD病理相关。值得注意的是，杏仁核对睡眠剥夺和睡眠质量差很敏感，慢性失眠与杏仁核萎缩相关。

我们的研究确定年龄是昼夜节律活动模式与脑结构之间关联的重要调节因素。在纵向分析中，年龄调节了IV与脑室和灰质体积的关联。在65岁时，更高的IV与随后脑室扩大较慢和灰质萎缩率较慢相关。这表明65岁时更高的IV可保护大脑免于萎缩，这一发现出乎意料，因为较低的节律碎片化通常被认为是健康或持续健康的标志或预测因子。可能的解释是在65岁时具有更高节律碎片化的个体可能比75岁和85岁时具有更高水平的身体活动。相反，在75岁和85岁时，更高的IV与脑室体积随时间扩大率相比65岁时增加了一倍，而在85岁时更高的IV与更快的灰质萎缩相关。在较老年龄关联方向的变化可能是由于脑萎缩和昼夜节律紊乱之间的潜在双向关系，其中昼夜节律紊乱既导致又由脑萎缩引起。随着有害循环继续，日常节律碎片化和伴随的神经退行性变和萎缩可能随着损伤累积而加速。不幸的是，没有其他纵向研究可以与我们的发现进行比较，需要在未来的研究中进行复制。

据我们所知，本研究是第一个研究中老年人昼夜节律活动模式与区域脑体积之间的横断面和纵向关联的研究，也是第一个调查年龄的效应修饰的研究。它也有一些局限性。研究参与者普遍教育程度高且基线认知未受损，从而限制了将我们的发现推广到更广泛人群的能力。我们没有调整新发合并症，只对基线访问收集的变量进行了敏感性分析。在未经校正的分析中观察到的几个关联在校正多重比较后并未持续存在，这突显了在独立样本中复制的重要性。我们的研究没有包括AD特异性病理学(即淀粉样蛋白、tau)的评估，MRI评估的数量因年龄而异。与较年轻参与者相比，较年长参与者的MRI评估较少，限制了我们在这些年龄组之间进行可比推断的能力。此外，该研究对腕部活动记录数据收集的随访有限。需要跟踪参与者数年并进行多次活动记录数据收集波次的研究，以了解昼夜节律活动模式随时间变化的程度及其与区域脑体积的关联。此外，昼夜节律活动模式不是内源性昼夜节律的测量，这需要密集的实验室协议。它们而是昼夜节律的生态估计，可能受个人社交和工作日程以及当然光照暴露的影响。需要使用密集实验室协议的研究，该协议在没有时间线索的情况下重复收集昼夜节律振荡器，以评估个人的昼夜节律。

总之，我们在中老年人中识别出昼夜节律活动模式与全脑和内侧颞叶脑萎缩之间的横断面和纵向联系，并发现这些关联因年龄而异。更大的节律碎片化，IV，是所有分析中较低区域脑体积的最一致预测因子；然而，这种关联作为年龄的函数而变化，在中年晚期，更高的IV预测较少的萎缩，而在晚年更高的IV预测更大的萎缩。需要进一步研究来评估昼夜节律活动模式随时间的变化是否预测随后的脑体积轨迹，以及昼夜节律活动模式是否因此可以作为神经退行性疾病风险的早期生物标志物，并作为旨在保护脑健康的干预措施的目标。

研究背景

系统评价：作者使用PubMed和Web of Science检索文献。我们引用了先前研究横断面关联昼夜节律活动模式和区域脑体积的研究。
解释：我们的发现建立了昼夜节律活动模式与内侧颞叶脑体积随时间变化的联系。此外，我们的发现表明，在最年长的成年人中，更碎片化的昼夜节律活动模式可能表明脑健康恶化的更快轨迹。
未来方向：本研究提供了证据，表明昼夜节律活动模式可能是或促成脑萎缩的早期生物标志物，特别是内侧颞叶。尽管如此，这些发现需要在更大、更多样化的队列中复制，并将结果扩展到包括AD特异性生物标志物。未来的研究还应评估昼夜节律活动模式的变化如何预测脑萎缩轨迹。测试改善昼夜节律是否能保护脑健康的干预试验也是必要的。

致谢

作者无报告。本研究部分由美国国立老龄化研究所(资助号R01AG050507, R01AG075883)、NIH机构内研究计划和研发合同HHSN-260-2004-00012C支持。Marc Kaizi-Lutu由5T32AG027668-19支持。Daniel Callow由K01AG092954支持。Arnold Bakker部分由P30 AG066507支持。NIH作者的贡献被视为美国政府的工作。本文中提出的发现和结论是作者的，不一定反映NIH或美国卫生与公众服务部的观点。

利益冲突声明

Adam Spira曾担任Sequoia Neurovitality、BellSant, Inc.、Amissa, Inc.和Synaptic Health, LLC的顾问。Brendan P. Lucey从Eisai、Eli Lilly和Weston Family Foundation获得咨询费。BPL在Eli Lilly的数据安全和监测委员会任职。BPL在Beacon Biosignals的科学顾问委员会任职，并作为Applied Cognition的科学顾问获得补偿。BPL从Merck获得用于由私人基金会资助的临床试验的药物/匹配安慰剂，从Eisai获得用于由NIA资助的临床试验的药物/匹配安慰剂。Keenan A. Walker是《Alzheimer's & Dementia》的副编辑，《Annals of Clinical and Translational Neurology》编辑委员会成员，以及国家神经心理学学会的董事会成员。Keenan A. Walker曾无偿为SomaLogic进行讲座。以下作者没有利益冲突需要披露：Marc Kaizi-Lutu、Daniel D. Callow、Jill A. Rabinowitz、Yang An、Mark N. Wu、Vadim Zipunnikov、Arnold Bakker、Christos Davatzikos、Eleanor M. Simonsick、Luigi Ferrucci和Susan M. Resnick。作者披露可在支持信息中找到。