Associations of Aging, Menopause, and Strength Training on Cortical Somatosensory and Motor Functions

Abstract

Kognitiivisen ja motorisen ikääntymisen taustalla on monenlaisia muutoksia niin aivojen kuin ääreishermostonkin rakenteissa ja toiminnassa. Tässä väitöskirjassa tutkittiin ikääntymisen ja tuntojärjestelmän aivovasteiden välisiä yhteyksiä nuorilla, keski-ikäisillä ja ikääntyneillä aikuisilla sekä pitkäaikaisen voimaharjoittelun vaikutuksia kognitiiviseen aivovasteeseen ikääntyneillä henkilöillä hyödyntäen magnetoenkefalografiaa (MEG). Lisäksi tutkittiin menopausaalisen siirtymän, eli perimenopaussin aikaisen hormonaalisen ikääntymisen yhteyttä hermolihasjärjestelmän inhibitoriseen, eli estävään ja eksitatoriseen, eli kiihdyttävään toimintaan transkraniaalisella magneettistimulaatiolla (TMS) sekä ääreishermoston sähköisellä stimulaatiolla. Ensimmäisen tutkimuksen tulokset osoittivat muutoksia TMS:lla aikaansaadussa inhibitorisissa ja eksitatorisissa vasteissa myöhäisen perimenopaussivaiheen naisilla verrattuna aikaisessa perimenopaussivaiheessa oleviin naisiin. Lisäksi havaittiin yhteys follikkelia stimuloivan hormonin tason sekä lihasnykäyksen potentoitumisen välillä. Toisessa tutkimuksessa ei havaittu eroa kognitiivisen P3b herätevasteen voimakkuudessa pitkäaikaista voimaharjoittelua tehneiden ikääntyneiden miesten ja samanikäisten ei voimaharjoitelleiden verrokkien välillä. Tulokset osoittivat kuitenkin ryhmien välisiä eroja herätevasteen voimakkuudessa eri aivopuoliskojen välillä. Kolmannen tutkimuksen tulokset osoittivat ikääntyneillä aikuisilla suuremmat lyhytlatenttiset herätevasteet (M100) tarkkaavaisuuden ulkopuolella olevissa ärsykkeissä nuoriin aikuisiin verrattuna. Lisäksi ikääntyneillä aikuisilla havaittiin pienempi tarkkaavaisuuden siirtymiseen liittyvä herätevaste (P3a) kuin nuorilla aikuisilla sekä frontaalisempi aivoaktivisuus kognitiivisen herätevasteen (P3b) aikana. Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat muutoksia ikääntyneiden aivojen tuntoaistijärjestelmän inhibitorisessa toiminnassa sekä muutoksenhavaitsemisjärjestelmässä. Tulokset osoittavat, että tuntoaistijärjestelmän herätevasteet voivat olla mahdollisia ikääntymiseen liittyvien kognitiivisen toiminnan muutosten sekä ennaltaehkäisevien menetelmien luotettavia indikaattoreita. Lisäksi osoitettiin, että menopausaalisen siirtymän aikaiset hormonaaliset muutokset voivat heijastua aivojen ja lihashermojärjestelmän toimintaan.

Asiasanat: herätevaste, ikääntyminen, inhibitio, tuntoaisti, vaihdevuodet

Healthy aging is associated with a decline in cognitive and physical functions, which are underpinned by changes in the structure and function of the brain and nervous system. This dissertation investigated the associations between aging and somatosensory-cognitive brain functions in young, middle-aged, and older adults, as well as the effect of long-term strength training on cognitive brain responses in aging utilizing magnetoencephalography (MEG). Furthermore, the dissertation examined the relationship between the stages of the menopausal transition (i.e. perimenopause) and neuromuscular excitatory and inhibitory mechanisms, employing transcranial magnetic stimulation (TMS) and peripheral electrical stimulation. The findings of Study I demonstrated possible alterations in TMS-induced inhibition and excitation in late perimenopausal women compared to early perimenopausal women. Additionally, a correlation was observed between follicle-stimulating hormone levels and twitch force potentiation, indicating a potential decline in muscle force potentiation mechanisms. The results suggest subtle modulation in neuromuscular mechanisms due to the menopausal transition. Study II indicated no differences in cognitive brain component P3b amplitude in strength-trained older men compared to their untrained controls. However, the results indicated a difference in the hemispheric cortical activity between the two groups. Study III implicated larger early somatosensory brain components (M100) to task-irrelevant stimuli in older adults compared to young adults. Older adults also exhibited reduced somatosensory change detection and attention-shifting mechanisms and altered cortical distribution in cognitive brain components. The results indicate a decline in the inhibition of somatosensory task-irrelevant stimuli and altered attentive and non-attentive change detection mechanisms in older adults compared to young adults. In conclusion, the results of this dissertation indicate that somatosensory brain components may serve as potential indicators of age-related cognitive decline and possible preventive mechanisms. Furthermore, menopausal transition, characterized by changes in hormonal balance, may already be exhibited in alterations in cortical and peripheral neural mechanisms.

Keywords: aging, change detection, event-related field, menopause, somatosensory system