Relationship between cardiorespiratory fitness, cognition, structural and functional brain health in middle-aged adults

Abstract

En els darrers anys, l'esperança de vida ha augmentat significativament, tot i que no necessàriament acompanyada d'un augment de la salut. L'edat avançada és un dels factor de risc més rellevant pel desenvolupament de trastorns neurològics i psiquiàtrics. No obstant això, amplis estudis han establert que els canvis estructurals i funcionals produïts en el cervell i històricament associats a malalties neurodegeneratives es poden produir entre 10 i 20 anys abans que es manifestin els símptomes reals de dites patologies. Malgrat la rellevància d'abordar diferents estils de vida en el context de la prevenció i la promoció d'estratègies de salut global, els mecanismes precisos subjacents a les associacions entre l'adherència a aquests estil de vida concrets i els factors de salut cerebral front l'envelliment o en les etapes inicials de certs patologies neurodegeneratives encara no son del tot clars. En la present tesi hem examinat els correlats mecanicistes de la relació entre l'aptitud cardiorespiratòria en la mitjana edat (40-65 anys) i les habilitats cognitives i la salut mental. En última instància, hem caracteritzat l'aptitud cardiorespiratòria com un factor neuro-protector amb mesures de salut estructural i funcional del cervell que potencialment podrien contribuir al desenvolupament d'intervencions d'estils de vida més efectives i precises per mantenir i millorar la salut cerebral durant el procés natural d'envelliment. En el primer estudi, en una mostra de 501 persones de mitjana edat (entre 40 i 65 anys), hem estudiat si hi ha correlacions entre dos factors de salut cardiovascular modificables, com son l'aptitud cardiorespiratòria i el risc cardiovascular, i les seves relacions amb cognició. A més, hem explorat les possibles vies subjacents que poden explicar aquestes connexions. La nostra anàlisi ha demostrat que tenir una condició cardiorespiratòria més elevada està associat significativament amb millors habilitats visuoespaials i la resolució de problemes en el grup de més edat (entre 55 i 65 anys). En canvi, el risc cardiovascular es va associar negativament amb un millor raonament visuoespaial i capacitat de resolució de problemes, flexibilitat, velocitat de processament i memòria. Aquestes relacions també van ser mediades per l'estructura del cervell (concretament el gruix cortical) destacant una possible via mecanicista a través de la qual una major aptitud cardiorespiratòria i un menor risc cardiovascular poden afectar positivament la funció cognitiva en adults de mitjana edat. En el segon estudi, vam voler caracteritzar millor els mecanismes neuronals pels quals l'aptitud cardiovascular podria influir potencialment en la salut mental a la mitjana edat. L'estudi es va dur a terme en una mostra de 418 adults sans de mitjana edat (entre 40 i 65 anys). Les nostres troballes van demostrar que una condició cardiorespiratòria més elevada està associada amb símptomes més baixos d'ansietat i estrès. A més, més connectivitat funcional dins la xarxa Default Mode s'associa amb millor aptitud cardiorespiratòria i puntuacions d'estrès més baixes. Tanmateix, la connectivitat funcional entre la xarxa Frontoparietal i la xarxa Salience s'associa amb una millor condició cardiorespiratòria i puntuacions d'estrès més baixes. Els nostres resultats també van indicar que la combinació d'una major integració de la xarxa Default Mode i una millor sincronia entre les xarxes Salience-Frontoparietal media la relació entre la capacitat cardiorespiratòria i l'estrès. En resum, els nostres resultats suggereixen que les diferències interindividuals en la relació entre la connectivitat funcional de les xarxes del Model Triple Network amb l'estrès a la mitjana edat s'expliquen parcialment per les variacions en l'aptitud cardiorespiratòria donant així suport a la importància de participar en hàbits d'estil de vida modificables que poden promoure la salut mental i cerebral al llarg de la vida.

En los últimos años, la esperanza de vida ha aumentado significativamente, aunque no necesariamente acompañada de un aumento de la salud. La edad avanzada es uno de los factores de riesgo más relevantes para el desarrollo de trastornos neurológicos y psiquiátricos. Sin embargo, amplios estudios han establecido que los cambios estructurales y funcionales producidos en el cerebro e históricamente asociados a enfermedades neurodegenerativas pueden producirse entre 10 y 20 años antes de que se manifiesten los síntomas reales de dichas patologías. A pesar de la relevancia de abordar distintos estilos de vida en el contexto de la prevención y la promoción de estrategias de salud global, los mecanismos precisos subyacentes a las asociaciones entre la adherencia a estos estilos de vida concretos y los factores de salud cerebral frente el envejecimiento o en las etapas iniciales de ciertas patologías neurodegenerativas todavía no están del todo claros. En la presente tesis hemos examinado a los correlatos mecanicistas de la relación entre la aptitud cardiorrespiratoria en la mediana edad (40-65 años) y las habilidades cognitivas y la salud mental. En última instancia, hemos caracterizado la aptitud cardiorrespiratoria como un factor neuroprotector con medidas de salud estructural y funcional del cerebro que potencialmente podrían contribuir al desarrollo de intervenciones de estilos de vida más efectivas y precisas para mantener y mejorar la salud cerebral durante el proceso natural de envejecimiento. En el primer estudio, en una muestra de 501 personas de mediana edad (entre 40 y 65 años), hemos estudiado si existen correlaciones entre dos factores de salud cardiovascular modificables, como son la aptitud cardiorrespiratoria y el riesgo cardiovascular, y sus relaciones con cognición. Además, hemos explorado las posibles vías subyacentes que pueden explicar estas conexiones. Nuestro análisis ha demostrado que tener una condición cardiorrespiratoria más elevada está asociado significativamente con mejores habilidades visuoespaciales y la resolución de problemas en el grupo de mayor edad (entre 55 y 65 años). Por el contrario, el riesgo cardiovascular se asoció negativamente con un mejor razonamiento visuoespacial y capacidad de resolución de problemas, flexibilidad, velocidad de procesamiento y memoria. Estas relaciones también fueron mediadas por la estructura del cerebro (concretamente el grosor cortical) destacando una posible vía mecanicista a través de la cual una mayor aptitud cardiorrespiratoria y un menor riesgo cardiovascular pueden afectar positivamente a la función cognitiva en adultos de mediana edad. En el segundo estudio, quisimos caracterizar mejor los mecanismos neuronales por los que la aptitud cardiovascular podría influir potencialmente en la salud mental a la mediana edad. El estudio se llevó a cabo en una muestra de 418 adultos sanos de mediana edad (entre 40 y 65 años). Nuestros hallazgos demostraron que una mayor condición cardiorrespiratoria está asociada con síntomas más bajos de ansiedad y estrés. Además, más conectividad funcional en la red Default Mode se asocia con mejor aptitud cardiorrespiratoria y puntuaciones de estrés más bajas. Sin embargo, la conectividad funcional entre la red Frontoparietal y la red Salience se asocia con una mejor condición cardiorrespiratoria y puntuaciones de estrés más bajas. Nuestros resultados también indicaron que la combinación de una mayor integración de la red Default Mode y una mejor sincronía entre las redes Salience-Frontoparietal media la relación entre la capacidad cardiorrespiratoria y el estrés. En resumen, nuestros resultados sugieren que las diferencias interindividuales en la relación entre la conectividad funcional de las redes del Modelo Triple Network con el estrés a la mediana edad se explican parcialmente por las variaciones en la aptitud cardiorrespiratoria apoyando a la importancia de participar en hábitos de estilo de vida modificables que pueden promover la salud mental y cerebral a lo largo de su vida.

Over the past century, an increase in lifespan has not been accompanied by an increase in health span. Advancing age is a major risk factor for the development of neurological and psychiatric disorders. However, extensive research has established that structural and functional changes in the brain associated with neurodegenerative diseases can occur 10-20 years before symptoms appear. Despite the relevance of addressing lifestyles factors in the context of prevention and promotion of global health strategies, the precise mechanisms underlying the associations between lifestyle behaviors and brain health in the face of advancing age or even the initial stage of pathology remains unclear. In the present thesis we have examined the relationship between cardiorespiratory fitness and cognitive and mental health outcomes in midlife and explore their mechanistic correlates using structural and functional neuroimaging. A better understanding of the role of cardiorespiratory fitness as a neuroprotective factor on brain health in midlife can potentially contribute to the development of more effective and precise lifestyles interventions to maintain and improve brain health with age. In the first study, which included a sample of 501 middle-aged (aged 40-65 years), we explored whether correlations between cardiorespiratory fitness and cardiovascular risk and cognition are present in healthy middle-aged adults. Also, we explored the possible underlying pathways that may explain these correlations. Our results showed that higher cardiorespiratory fitness was significantly associated with better visuospatial abilities and frontal loading abstract problem-solving capabilities in the older middle-aged group (aged 55-65 years). In contrast, higher cardiovascular risk was associated with worse visuospatial reasoning and problem-solving abilities, flexibility, processing speed and memory. These relationships were mediated by brain structure (cortical thickness) highlighting a potential mechanistic pathway through which higher cardiorespiratory fitness and lower cardiovascular risk can positively impact cognitive function in midlife. In the second study, we aimed to characterize the neural mechanisms by which cardiovascular fitness could potentially influence mental health in midlife. The study was conducted in a sample of 418 healthy middle-aged (aged 40-65 years) adults. Our findings showed that higher cardiorespiratory fitness was associated with lower anxiety and stress scores. In addition, higher within-network functional connectivity of the Default Mode Network was associated with cardiorespiratory fitness, and lower stress scores. Higher functional connectivity between the Frontoparietal Network andSalience Network was associated with higher cardiorespiratory fitness and lower stress scores. Our findings also indicated that the combination of higher integration of the Default Mode Network and increased synchrony of Salience-Frontoparietal networks mediate the relationship between cardiorespiratory fitness and stress. In summary, our results suggest that the inter-individual differences in how functional connectivity of the Triple Network Model networks relates to stress in midlife, are partially explained by variations in cardiorespiratory fitness, supporting the importance of engaging in modifiable lifestyle behaviors that can promote cognitive and mental health in midlife.