Hybrid diffuse optics methods to assess the emergence of dementia in older adults

Abstract

(English) Hybrid diffuse optical devices offer a non-invasive and continuous and cost-effective method for monitoring cerebral blood flow and metabolism on the bedside use and realistic simulation applications. The incorporation of diffuse correlation spectroscopy (DCS) and near-infrared spectroscopy (NIRS) in these devices extends their versatility. This PhD project focused on utilizing diffuse optics to assess brain activity during functional and stress tests in older populations. Ageing is the primary risk factor for various brain conditions such as stroke, cognitive disorders, and mobility issues. As the population becomes increasingly older, these age-related pathologies are becoming a significant social and economic burden. The underlying assumption is that microvascular damage and changes in brain blood flow regulation contribute significantly to an increased risk of cerebrovascular diseases, cognitive and mobility disorders. This underscores the importance of creating a widely accessible monitoring system and associated protocols able to detect these changes early on, ultimately leading to personalised interventions. Two multi-disciplinary studies were performed during my doctorate studies to identify alterations in the haemodynamic parameters of older adults in response to existing pathologies. Microvascular cerebral blood flow (CBF) in a cohort of younger and older adults (>65 y.o.) with and without mild cognitive impairment (MCI) in overall good health was monitored during functional and stress tests. It was observed that CBF of older adults with MCI could not recover to baseline conditions compared to younger participants indicating possible autoregulation and vasoreactivity problems similar to those previously observed in chronic sleep apnea and chronic carotid stenosis patients. CBF measurements during functional cognitive tasks revealed gender differences. For a given test MCI participants presented a statistically higher response than normocognitive (NC) subjects. The combination of these results favour the "inefficiency hypothesis" that suggests that older adults activate the brain networks as NC individuals to cope with behavioural demands but with increased activity. A new hybrid diffuse optics device was developed combining a custom-made fast-DCS with a commercial NIRS device along with external devices for physiological signal recordings in the second study. The project aimed to measure changes in cerebral haemodynamics in older adults with Motoric Risk Syndrome (MCR) during functional cognitive and motor tasks protocols to evaluate the pre-post impact at 3 and 6 months of physical exercise alone or combined with transcranial direct current stimulation (tDC). Results revealed higher CBF but not oxy-haemoglobin (HbO2) responses in dual tasks (DT) compared to single (ST). There were no differences between groups at baseline and 3 months but statistically different responses in CBF were observed at 6 months for both intervention groups compared to the control group but not in HbO2 response, indicating that intervention affects CBF response possibly due to improvements of vascular health, highlighting the importance of physical activity and transcranial stimulation on the maintenance of vascular health. A big part of my research focused on the development of new algorithms for de-contaminating the measured data from extracerebral signal to develop an optimal model to minimise the effect for both studies. In summary this study proves the capability of hybrid optics to capture the evoked haemodynamic responses in the pre-frontal cortex and offers insights into the use of techniques to assess cognitive function in older adults, specifically those with MCI and MCR. The findings highlight the complex relationship between blood flow responses and cognitive activities suggesting that compensatory mechanisms may play a role in individuals facing cognitive challenges. Future research in these areas holds promise, for enhancing our understanding of decline and developing interventions to mitigate its impact.

(Català) Els dispositius òptics difusos híbrids ofereixen un mètode no invasiu, continu i cost-eficaç per monitorar el flux sanguini cerebral i el metabolisme en l'ús al llit i aplicacions de simulació realista. La incorporació de l'espectroscòpia de correlació difusa (DCS) i l'espectroscòpia d'infraroigs pròxims (NIRS) en aquests dispositius amplia la seva versatilitat. Aquest projecte de doctorat es va centrar en l'ús de l'òptica difusa per avaluar l'activitat cerebral durant proves funcionals i d'estrès en poblacions adultes grans. L'envelliment és el principal factor de risc per a diverses condicions cerebrals com l'ictus, trastorns cognitius i problemes de mobilitat. A mesura que la població envelleix, aquestes patologies relacionades amb l'edat es converteixen en una càrrega social i econòmica significativa. La suposició subjacent és que els danys microvasculars i els canvis en la regulació del flux sanguini cerebral contribueixen significativament a un major risc de malalties cerebrovasculars,trastorns cognitius i de mobilitat. Això subratlla la importància de crear un sistema de monitoratge àmpliament accessible i protocols associats capaços de detectar aquests canvis de manera precoç,amb la finalitat de conduir a intervencions personalitzades. Es van realitzar dos estudis multidisciplinaris durant els meus estudis de doctorat per identificar alteracions en els paràmetres hemodinàmics de persones adultes grans en resposta a patologies existents. El flux sanguini cerebral (CBF) microvascular en una cohorte de persones adultes més joves i majors de 65 anys amb i sense deteriorament cognitiu lleu (MCI),amb una salut general bona, va ser monitorat durant proves funcionals i d'estrès. Es va observar que el CBF de les persones adultes majors amb MCI no podia recuperar-se a les condicions inicials comparat amb els participants més joves,indicant possibles problemes d'autoregulació i vasoreactivitat. Les mesures de CBF durant tasques cognitives funcionals van revelar diferències de gènere. Per a una prova determinada,els participants amb MCI van presentar una resposta estadísticament més alta que els subjectes normocognitius (NC).La combinació d'aquests resultats afavorix la "hipòtesi d'ineficiència" que suggereix que les persones adultes majors activen les xarxes cerebrals com els individus NC per fer front a les demandes conductuals, però amb una activitat augmentada. Es va desenvolupar un nou dispositiu òptic difús híbrid que combina un DCS ràpid fet a mida amb un dispositiu NIRS comercial juntament amb dispositius externs per a enregistraments de senyals fisiològics en el segon estudi. El projecte tenia com a objectiu mesurar els canvis en la hemodinàmica cerebral en persones adultes grans amb el Síndrome de Risc Motor (MCR) durant protocols de tasques cognitives i motoras funcionals per avaluar l'impacte pre-post a 3 i 6 mesos de l'exercici físic sol o combinat amb estimulació transcranial de corrent continu. Els resultats van revelar un CBF més alt, però no respostes d'oxi-hemoglobina (HbO2) en tasques dobles comparat amb les simples. No hi va haver diferències entre grups a la línia de base i als 3 mesos, però es van observar respostes estadísticament diferents en el CBF als 6 mesos per ambdós grups d'intervenció comparat amb el grup de control, però no en les respostes de HbO2 o Hb,indicant que la intervenció afecta la resposta de CBF,possiblement a causa de millores en la salut vascular,destacant la importància de l'activitat física i l'estimulació transcranial en el manteniment de la salut vascular. Una part de la meva recerca es va centrar en el desenvolupament de nous algoritmes per descontaminar les dades mesurades del senyal extracerebral per desenvolupar un model òptim per minimitzar l'efecte per ambdós estudis. aquest estudi demostra la capacitat de l'òptica híbrida per capturar les respostes hemodinàmiques evocades a l'escorça prefrontal i ofereix informació sobre l'ús de tècniques per avaluar la la funció cognitiva.