Age-related differences in aperiodic MEG activity in children and adults

Abstract

Inhibition ja eksitaation tasapaino eli E/I-balanssi aivokuorella on edellytys aivojen normaalille toiminnalle. E/I balanssin on kuitenkin todettu muuntuneen monissa eri neuropsykiatrisissa häiriöissä, minkä vuoksi sen tutkiminen on tärkeää. Samalla vaihtelu E/I-balanssissa liittyy myös aivojen normaaliin iänmukaiseen kehitykseen. E/I-balanssin mittaamiseen ihmisillä ei kuitenkaan ole olemassa selkeitä validoituja keinoja. Yksi uusi lähestymistapa on laskennalliseen malliin perustuva 1/f epäjaksollinen aktiivisuus, joka voidaan laskea EEG- tai MEG-datasta. On ehdotettu, että erityisesti epäjaksollisen aktiivisuuden spektrin kulmakerroin kertoisi E/I-balanssista aivokuorella neuronaalisten populaatioiden tasolla. Epäjaksollisen aktiivisuuden kehitystä iän myötä on tutkittu viime vuosien aikana jonkin verran, mutta tutkimusta MEG:lla ja eri aivoalueilla ja -puoliskoilla on niukasti. Tämän Pro Gradu -tutkielman tarkoituksena oli selvittää, eroaako inhibitorisen ja eksitatorisen aktiivisuuden taso aivokuorella nuorempien ja vanhempien lasten sekä aikuisten välillä epäjaksollisella aktiivisuudella mitattuna eri aivoalueilla ja -puoliskoilla. Tähän tutkimukseen sisällytetty aineisto jaettiin kolmeen ikäryhmään, jotka olivat 6–9 –vuotiaat nuoremmat lapset, 10-14 –vuotiaat vanhemmat lapset sekä aikuiset. Tutkimukseen sisällytetty data koostui aivojen lepotila MEG-mittauksista silmät suljettuina. Epäjaksollista aktiivisuutta mitattiin kulmakerroin sekä ”offset” -parametreilla. Tulosten mukaan epäjaksolliset parametrit olivat pienemmät aikuisten ryhmässä kuin lapsiryhmissä, mikä on linjassa aikaisempien tutkimusten kanssa epäjaksollisen aktiivisuuden kehityksestä iän myötä. Epäjaksollinen aktiivisuus myös erosi aivopuoliskojen välillä niin, että se oli pienempää oikeassa kuin vasemmassa aivopuoliskossa. Lisäksi se oli pienempää frontaalialueella kuin okkipitaalialueella. E/I-balanssin osalta tulos ikäryhmien välisistä eroista viittaisi kulmakertoimen perusteella korkeampaan eksitaatioon aikuisilla verrattuna lapsiryhmiin, mikä saattaa olla osittain ristiriitaista aivojen yleisen kehityksen näkökulmasta. Epäjaksollisen aktiivisuuden yhteys E/I-balanssiin on kuitenkin riippuvainen monista mekanismeista, joiden tarkempi kartoittaminen vaatii lisää tutkimusta erityisesti yhdistäen epäjaksollisen aktiivisuuden ja farmakologian. Tämä tutkimus vahvistaa, että erityisesti ikä tai kehityksellinen tila, aivopuolisko sekä -alue täytyy huomioida arvioitaessa E/I-balanssin tasoa epäjaksollisen aktiivisuuden avulla. Lisää tutkimusta tarvitaan, ennen kuin epäjaksollista aktiivisuutta voitaisiin hyödyntää E/I-balanssin mittaamiseen kliinisessä käytössä.

The equilibrium between excitation and inhibition, commonly referred to as E/I balance, in the cerebral cortex is prerequisite for normal brain functioning. Alterations in the E/I balance have been identified in various neuropsychiatric disorders, underscoring the significance of its thorough examination. At the same time developmental variations in the E/I balance are a part of the normal maturation of the brain. However, there is a lack of well-validated methods for measuring E/I balance in humans. A novel approach to assess E/I balance is 1/f aperiodic activity which bases on computational models and can be derived from EEG or MEG data. It has been suggested that particularly the slope of the spectrum, aperiodic exponent, may indicate the level of E/I balance at the neuronal population level at the cortex. While there have been some studies investigating developmental trajectory of aperiodic activity over few recent years, only limited research has used MEG or focused on possible differences between brain regions or hemispheres. The aim of this study is to examine whether the level of inhibitory and excitatory activity in the cortex, measured by aperiodic activity, differs between younger children, older children and adults in different brain regions and hemispheres. The participants included in the study were categorized into three age groups: younger children aged 6-9, older children aged 10-14 and adults. The data consisted of MEG recordings of resting state with eyes closed. Aperiodic activity was indexed with exponent and offset. According to the results, both aperiodic parameters were lower in the adult group compared to the child groups, aligning with previous research on the developmental trajectory of aperiodic activity with age. Aperiodic activity also exhibited hemispheric differences, both parameters being smaller in the right hemisphere compared to the left. Furthermore, aperiodic activity was also reduced in the frontal lobe compared to the occipital lobe. Regarding the E/I balance, the result of the age-related differences in the exponent would refer to higher excitation in adults compared to child groups. This indication may however partially conflict with a general perspective on brain development. The association between aperiodic activity and the E/I balance depends on numerous mechanisms, detailed exploration of which requires further research, particularly in integrating aperiodic activity and pharmacology. This study confirms the importance of considering factors such as age or developmental stage, hemisphere and brain region when assessing the level of E/I balance with aperiodic activity. Consequently, additional research is required before utilizing aperiodic activity for assessing E/I balance in clinical applications.