The role of atrial fibrillation and aortic stiffness in brain structure and function

Abstract

Atrial fibrillation is the most common sustained cardiac arrhythmia and is associated not only with stroke and heart failure, but also with reduced brain volume and cognitive impairment. While thromboembolism explains part of this relationship, growing evidence suggests that additional mechanisms, including vascular, inflammatory, and hemodynamic processes, contribute to brain vulnerability in atrial fibrillation. Aortic stiffness, a manifestation of vascular aging, has similarly been linked to structural brain changes and cognitive decline. The overall aim of this thesis was to investigate whether disturbances in central hemodynamics represent a common pathway linking AF and aortic stiffness to alterations in brain perfusion, brain structure, and cognitive performance.

In a population-based cohort of older adults, total cerebral blood flow measured by phase-contrast magnetic resonance imaging and estimated brain perfusion were significantly lower in individuals with persistent atrial fibrillation compared with those in sinus rhythm. Individuals with paroxysmal atrial fibrillation had similar cerebral blood flow to those in sinus rhythm. Persistent atrial fibrillation was also associated with smaller relative brain volume assessed by magnetic resonance imaging, whereas cognitive performance did not differ significantly between groups.

To explore whether atrial fibrillation-related hypoperfusion might be reversible, total cerebral blood flow and brain perfusion were measured before and after electrical cardioversion using phase contrast and arterial spin labeling magnetic resonance imaging. Brain perfusion increased significantly in individuals who achieved and maintained sinus rhythm, whereas no significant change was observed in those who remained in atrial fibrillation.

In a separate cohort, aortic stiffness assessed as carotid-femoral pulse wave velocity measured by applanation tonometry was inversely associated with brain perfusion measured with arterial spin labeling magnetic resonance imaging. Higher aortic stiffness was also associated with smaller relative total brain, grey matter, and white matter volumes, and with greater white matter hyperintensity burden. In multivariable analyses, aortic stiffness independently predicted lower brain perfusion whereas chronological age was the strongest determinant of structural brain measures.

In conclusion, both atrial fibrillation and increased aortic stiffness were associated with reduced brain perfusion and markers of structural brain vulnerability. Restoration of sinus rhythm was accompanied by improvement in brain perfusion, supporting a dynamic hemodynamic mechanism. Together, these findings suggest that hemodynamic alterations represent an important pathway linking cardiovascular aging to brain vulnerability and highlight brain perfusion as a potential early marker of brain risk.

Gáttatif er algengasta viðvarandi hjartsláttartruflunin og getur gáttatif leitt til heilablóðfalls og hjartabilunar. Einnig hefur gáttatif verið tengt minnkuðu heilarúmmáli og vitrænni skerðingu. Hluta þessara áhrifa gáttatifs á heilarúmmál og vitræna getu er hægt að skýra með heilaáföllum en vaxandi vitneskja bendir til annarra þátta tengdum æðakerfi, bólgu og blóðflæði sem gera heilann viðkvæman fyrir þessum áhrifum gáttatifs. Ósæðarstífleiki, birtingarmynd aldursbundinnar hrörnun í æðakerfinu, tengist einnig breytingum á formgerð heilans og vitrænni starfsemi. Markmið þessarar ritgerðar var að rannsaka hvort breytingar eða truflun á miðlægu blóðflæði geti verið sameiginlegur farvegur sem tengi gáttatif og ósæðarstífleika við breytingar á gegnflæði blóðs um heila, formgerð heilans og vitræna getu.

Heilablóðflæði og gegnflæði blóðs um heila metið með segulómun var lægra hjá einstaklingum með langvarandi gáttatif samanborið við þá sem voru í eðlilegum sínus takti í þýðisrannsókn eldri einstaklinga, en þeir sem einhvern tímann höfðu verið í gáttatifi höfðu sambærilegt blóðflæði við þá sem aldrei höfðu fengið gáttatif. Langvarandi gáttatif tengdist einnig skerðingu á rúmmáli heilans, metið með segulómun, en ekki var munur á vitrænni getu milli hópanna.

Til að skoða hvort þessi áhrif gáttatifs á blóðflæði væru afturkræf voru heilablóðflæði og gegnflæði blóðs um um heilann mæld með tveimur aðferðum í segulómun fyrir og eftir valkvæða rafvendingu vegna gáttatifs. Bæði heilablóðflæði og gegnflæði blóðs um heilann jukust hjá þeim sem fóru í eðlilegan sínus takt við rafvendinguna og héldust áfram í réttum takti, en engin marktæk breyting sást hjá þeim sem voru áfram í gáttatifi þegar rafvending tókst ekki.

Í öðru þýði kom í ljós að þeir einstaklingar sem höfðu meiri stífleika í ósæð, metinn með þrýstingsnema sem hraði þrýstingsbylgju í ósæð milli hálsslagæða og náraslagæða, höfðu lægra gegnflæði blóðs um heila mælt með segulómun. Gegnflæðið blóðs um heila var lægra þegar um meiri stífleika var að ræða í öllum heilanum og í gráa og í hvíta vef heilans. Einnig var heilarúmmál lægra hjá þeim sem höfðu aukinn ósæðarstífleika, auk þess sem hvítavefsbreytingar voru meiri. Vitræn geta var sambærileg milli hópanna. Ósæðastífleiki hafði forspárgildi fyrir lægra gegnumstreymi blóðs um heila en lífaldur tengdist frekar heilarúmmáli.

Samantekið, þá tengdust bæði gáttatif og aukinn ósæðarstífleiki lægra gegnflæði blóðs um heila og merkjum um viðkvæma formgerð heilans. Að komast í eðlilegan sínus takt við rafvendingu við gáttatifi jók gegnflæði blóðs um heilann sem styður það að skerðing á miðlægu blóðflæði geti verið afturkræf. Saman benda þessar niðurstöður til þess að breytingar á miðlægu blóðflæði séu hluti af ferli sem tengi öldrunarbreytingar í hjarta- og æðakerfinu við heilaheilsu, og varpa ljósi á að truflun á gegnflæði blóðs um heila geti verið snemmkominn mælikvarði fyrir heilaáhættu.