Normal aging causes changes in the brain volume, connection, function and cognition. The brain changes with increases in age and difference of gender varies at all levels. Studies about normal brain aging using various brain magnetic resonance imaging (MRI) variables such as gray and white matter structural imaging, proton spectroscopy, apparent diffusion coefficient, diffusion tensor imaging and functional MRI are reviewed. Total volume of brain increases after birth but decreases after 9 years old. During adulthood, total volume of brain is relatively stable. After 35 years old, brain shrinks gradually. The changes of gray and white matters by aging show different features. N-acetylaspartate decreases or remains unchanged but choline, creatine and myo-inositol increase with aging. Apparent diffusion coefficient decreases till 20 years old and then becomes stable during adulthood and increase after 60 years old. Diffusion tensor properties in white matter tissue are variable during aging. Resting-state functional connectivity decreases after middle age. Structural and functional brain changes with normal aging are important for studying various psychiatric diseases such as dementia, schizophrenia and bipolar disorder. Our review may be helpful for studying longitudinal changes of these diseases and successful aging.
Although many studies have reported that the breakdown of the blood-brain barrier (BBB) represents one of the major pathological changes in aging, the mechanism underlying this process remains relatively unexplored. In this study, we described that acid sphingomyelinase (ASM) derived from endothelial cells plays a critical role in BBB disruption in aging. ASM levels were elevated in the brain endothelium and plasma of aged humans and mice, resulting in BBB leakage through an increase in caveolae-mediated transcytosis. Moreover, ASM caused damage to the caveolae-cytoskeleton via protein phosphatase 1-mediated ezrin/radixin/moesin dephosphorylation in primary mouse brain endothelial cells. Mice overexpressing brain endothelial cell-specific ASM exhibited acceleration of BBB impairment and neuronal dysfunction. However, genetic inhibition and endothelial specific knock-down of ASM in mice improved BBB disruption and neurocognitive impairment during aging. Results of this study revealed a novel role of ASM in the regulation of BBB integrity and neuronal function in aging, thus highlighting the potential of ASM as a new therapeutic target for anti-aging.
Objective: To investigate the age-dependent changes in regional cerebral blood flow (CBF) in healthy adults by fitting mathematical models to imaging data. Materials and Methods: In this prospective study, 90 healthy adults underwent pseudo-continuous arterial spin labeling imaging of the brain. Regional CBF values were extracted from the arterial spin labeling images of each subject. Multivariable regression with the Akaike information criterion, link test, and F test (Ramsey's regression equation specification error test) was performed for 7 models in every brain region to determine the best mathematical model for fitting the relationship between CBF and age. Results: Of all 87 brain regions, 68 brain regions were best fitted by cubic models, 9 brain regions were best fitted by quadratic models, and 10 brain regions were best fitted by linear models. In most brain regions (global gray matter and the other 65 brain regions), CBF decreased nonlinearly with aging, and the rate of CBF reduction decreased with aging, gradually approaching 0 after approximately 60. CBF in some regions of the frontal, parietal, and occipital lobes increased nonlinearly with aging before age 30, approximately, and decreased nonlinearly with aging for the rest of life. Conclusion: In adults, the age-related perfusion patterns in most brain regions were best fitted by the cubic models, and age-dependent CBF changes were nonlinear.
DNA methylation at CpG sites is an essential epigenetic mark that regulates gene expression during mammalian development and diseases. Methylome refers to the entire set of methylation modifications present in the whole genome. Over the last several years, an increasing number of reports on brain DNA methylome reported the association between aberrant methylation and the abnormalities in the expression of critical genes known to have critical roles during aging and neurodegenerative diseases. Consequently, the role of methylation in understanding neurodegenerative diseases has been under focus. This review outlines the current knowledge of the human brain DNA methylomes during aging and neurodegenerative diseases. We describe the differentially methylated genes from fetal stage to old age and their biological functions. Additionally, we summarize the key aspects and methylated genes identified from brain methylome studies on neurodegenerative diseases. The brain methylome studies could provide a basis for studying the functional aspects of neurodegenerative diseases.
In order to develop silk peptide (SP) preparations possessing cognition-enhancing effect, several candidates were screened through in vitro assays, and their effectiveness was investigated in facilitated brain aging model rats. Incubation of brain acetyl-cholinesterase with SP-PN (1-1,000 ${\mu}g/ml$) led to inhibition of the enzyme activity up to 35%, in contrast to a negligible effect of SP-NN. The expression of choline acetyltransferase (ChAT) mRNA of neural stem cells expressing ChAT gene (F3.ChAT) was increased by 24-hour treatment with 10 and 100 ${\mu}g/ml$ SP-NN (1.35 and 2.20 folds) and SP-PN (2.40 and 1.34 folds). Four-week subcutaneous injections with D-galactose (150 mg/kg) increased activated hippocampal astrocytes to 1.7 folds (a marker of brain injury and aging), decreased acetylcholine concentration in cerebrospinal fluid by 45-50%, and thereby impaired learning and memory function in passive avoidance and water-maze performances. Oral treatment with SP preparations (50 or 300 mg/kg) for 5 weeks from 1 week prior to D-galactose injection exerted recovering activities on acetylcholine depletion and brain injury/aging as well as cognitive deficit induced by D-galactose. The results indicate that SP preparations restore cognitive functions of facilitated brain aging model rats by increasing the release of acetylcholine, in addition to neuroprotective activity.
Lee Mi-Suk;Heo Jee-In;Kim Jae-Bong;Park Jae-Bong;Lee Jae-Yang;Han Jeong-A.;Kim Jong-Il
Genomics & Informatics
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v.4
no.1
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pp.23-32
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2006
In order to investigate the molecular basis of the aging process in brain, we have employed high-density oligonucleotide microarrays providing data on 10,108 gene clusters to define transcriptional patterns in three brain regions, cerebral cortex, cerebellum, and hippocampus. Comparison of the expression patterns between young (6-week-old) and aged (17-month-old) C57BL/6 male micerevealed that about ten percent (1098) of the genes showed a significant change in the expression level in at least one of the three tissues. Among them, 23 genes were upregulated and 62 genes were downregulated in all three tissues of the old mice. The number of genes upregulated exclusively in hippocampus (337) was much larger compared to other tissues. Gene ontology-based analysis showed the genes related with signal transduction or molecular transports are more likely to be upregulated than downregulated in the aging process of hippocampus. These data may provide some useful means for elucidating the molecular aspect of aging in hippocampus and other regions in brain.
Kim, Kwang-Sik;Song, Ji-Hoon;Kang, Hee-Kyoung;Kang, Ji-Hoon;Park, Deok-Bae;Lee, Sung-Ho;Lee, Young-Ki
Development and Reproduction
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v.14
no.3
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pp.171-177
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2010
A recent report demonstrated that in human aging brain after menopause/andropause luteinizing hormone (LH) is localized in the cytoplasm of pyramidal neurons of hippocampus and a significant increase of LH is also detected in the cytoplasm of pyramidal neurons and neurofibrillary tangles of Alzheimer's disease brain compared to age-matched control brain. It was suggested that the decreased steroid hormone production and the resulting LH expression in the neurons vulnerable to Alzheimer's disease pathology may have some relevance to the development of Alzheimer's disease. It is, however, unclear whether the presence of LH in neurons of human aging and Alzheimer's disease brain is due to intracellular LH expression or to LH uptake from extracellular sources, since gonadotropins are known to cross the blood brain barrier. Moreover, there is no report by using the brain of experimental animal that LH is expressed in such neurons as found in the human brain. In the present study, we found that LH immunoreactivity is localized in the pyramidal neurons of cerebral cortex and hippocampus of 12 and 18 months old rats but can not detect any immunoreactivity for LH in the young adult (3-5 months old) rats. To confirm that these LH immunoreactivity results from de novo synthesis in the brain but not the uptake from extracellular space, we performed RT-PCR and found that mRNA for LH is detected in several regions of brain including cerebral cortex and hippocampus. These findings suggest us that LH expression in old rat brain may play an important role in aging process of rat brain.
BACKGROUND/OBJECTIVES: Brain aging is a major risk factor for severe neurodegenerative diseases. Conversely, L-histidine and L-carnosine are known to exhibit neuroprotective effects. The aim of this study was to examine the potential for L-histidine, L-carnosine, and their combination to mediate anti-brain aging effects in neuronal cells subjected to D-galactose-induced aging. MATERIALS/METHODS: The neuroprotective potential of L-histidine, L-carnosine, and their combination was examined in a retinoic acid-induced neuronal differentiated SH-SY5Y cell line exposed to D-galactose (200 mM) for 48 h. Neuronal cell proliferation, differentiation, and expression of anti-oxidant enzymes and apoptosis markers were subsequently evaluated. RESULTS: Treatment with L-histidine (1 mM), L-carnosine (10 mM), or both for 48 h efficiently improved the proliferation, neurogenesis, and senescence of D-galactose-treated SH-SY5Y cells. In addition, protein expression levels of both neuronal markers (β tubulin-III and neurofilament heavy protein) and anti-oxidant enzymes, glutathione peroxidase-1 and superoxide dismutase-1 were up-regulated. Conversely, protein expression levels of amyloid β (1-42) and cleaved caspase-3 were down-regulated. Levels of mRNA for the pro-inflammatory cytokines, interleukin (IL)-8, IL-1β, and tumor necrosis factor-α were also down-regulated. CONCLUSIONS: To the best of our knowledge, we provide the first evidence that L-histidine, L-carnosine, and their combination mediate anti-aging effects in a neuronal cell line subjected to D-galactose-induced aging. These results suggest the potential benefits of L-histidine and L-carnosine as anti-brain aging agents and they support further research of these amino acid molecules.
Jingang Hou;Yeejin Yun;Jianjie Xue;Mengqi Sun;Sunchang Kim
Molecular Medicine Reports
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v.20
no.5
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pp.4111-4118
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2019
The administration of D-galactose triggers brain aging by poorly understood mechanisms. It is generally recognized that D-galactose induces oxidative stress or affects protein modifications via receptors for advanced glycated end products in a variety of species. In the present study, we aimed to investigate the involvement of astrocytes in D-galactose-induced brain aging in vitro. We found that D-galactose treatment significantly suppressed cell viability and induced cellular senescence. In addition, as of the accumulation of senescent cells, we proposed that the senescence-associated secretory phenotype (SASP) can stimulate age-related pathologies and chemoresistance in brain. Consistently, senescent astrocytic CRT cells induced by D-galactose exhibited increases in the levels of IL-6 and IL-8 via NF-κB activation, which are major SASP components and inflammatory cytokines. Conditioned medium prepared from senescent astrocytic CRT cells significantly promoted the viability of brain tumor cells (U373-MG and N2a). Importantly, conditioned medium greatly suppressed the cytotoxicity of U373-MG cells induced by temozolomide, and reduced the protein expression levels of neuron marker neuron-specific class III β-tubulin, but markedly increased the levels of c-Myc in N2a cells. Thus, our findings demonstrated that D-galactose treatment might mimic brain aging, and that D-galactose could contribute to brain inflammation and tumor progression through inducing the accumulation of senescent-secretory astrocytes.
Objectives: Aging is an unconscious and gradual process that can lead to changes in biological systems. Induction of oxidative stress and apoptosis, hepatotoxicity and neurotoxicity are involved in the aging process. Regarding the antioxidant property of black seed oil, the aim of this study was to evaluate the anti-aging effect of Nigella sativa (N. sativa) oil on d-galactose-induced aging in mice. Methods: For induction of aging, D-galactose (500 mg/kg, subcoutaneously SC) was administrated to male mice for 42 days. Animals were treated with D-galactose alone or with b lack seed oil (0.1, 0.2, 0.5 mL/kg, intraperitoneally (ip)). Additionally, vitamin E (200 mg/kg) was used as a positive control. At the end of treatment, the malondialdehyde (MDA) and the glutathione (GSH) contents in brain and liver tissues were measured. Also, enzymes in serum, including aspartate aminotransferase (AST) and alanine amino transferase (ALT), were determined. The levels of the proteins Bax, Bcl2, caspase-3 (pro and cleaved) in brain and liver tissues were evaluated. Results: Administration of D-galactose (500 mg/kg, SC) for 42 days increased serum levels of ALT and AST, as well as the MDA content, in brain and liver tissues, but decreased the GSH content. Additionally, the levels of apoptotic proteins, including Bax, procaspase-3 and caspase-3 cleaved, were markedly increased. N. sativa oil (0.1 and 0.2 mL/kg) diminished the levels of the biochemical markers ALT and AST. Administration of black seed oil (0.1, 0.2 and 0.5 mL/kg) reduced lipid peroxidation and at doses 0.1 and 0.2 mL/kg significantly recovered the GSH content. The oil decreased Bax/Bcl2 levels and at 0.1 mL/kg down-regulated the expressions of caspase-3 (pro and cleaved) proteins in brain and liver tissues. Conclusion: Through its antioxidant and anti-apoptosis properties, black seed oil exhibited an anti-aging effect in a model of aging induced with D-galactose.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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