Psychobiological mechanisms underlying cognitive decline in cardiac surgery patients

Technological advances over the past four decades have decreased the major complications or mortality in cardiac surgery. However, a significant number of patients suffer from adverse neurological and cognitive outcomes which, in turn, remain an important cause of postoperative morbidity and are responsible for an increasing proportion of perioperative deaths. Adverse neurological and cognitive outcomes after cardiac surgery are the result of multiple preoperative and/or intraoperative factors. While demographic, biomedical, and psychological disorders (e.g., anxiety and depression) represent preoperative variables associated with postoperative adverse outcomes, intraoperative cerebral hypoperfusion, microembolization and neuroinflammation that are related to cardiopulmonary bypass also represent a major cause of impairment after surgery. Despite a growing interest in adverse psychological outcomes after cardiac surgery, the psychobiological mechanisms underlying postoperative cognitive decline have to be investigated yet. In this dissertation, four studies are described, that were meant to examine cognitive decline and depression after cardiac surgery and some psychobiological mechanisms underlying the afore-mentioned phenomena. The main aim of Experiment I was to provide further evidence about the preoperative relationships among anxiety, depression, cognitive dysfunctions and risk-stratification scores, namely the Stroke Index and European System for Cardiac Operative Risk Evaluation, in patients undergoing cardiac surgery. It was found that both the risk-stratification scores showed significant correlations with cognitive performance, whereas only the European System for Cardiac Operative Risk Evaluation was significantly associated also with anxiety and depression. The main goal of Experiment II and III was to investigate the hemodynamic cerebral factors underlying cognitive decline after cardiac surgery. Experiment II was designed to examine whether cerebral hypoperfusion may represent a predictor of cognitive decline in patients undergone cardiac surgery after controlling for common demographic and biomedical risk factors. Experiment II showed that hypoperfusion in the left middle cerebral artery selectively predicted the incidence of cognitive decline after surgery, whereas blood flow velocity in the right middle cerebral artery was unrelated to postoperative cognitive decline. Hence, cardiac surgery patients with reduced left cerebral blood flow velocity preoperatively are at greater risk for postoperative cognitive decline. Left cerebral hypoperfusion may also represent an independent predictor of cognitive decline in cardiac surgery patients. Experiment III was designed to determine the effects of lateralization and type of microembolization on postoperative cognitive decline in patients who had undergone heart valve surgery. Experiment III showed that microembolization in the left middle cerebral artery significantly correlated with early and late (i.e., 3-month follow-up) postoperative cognitive decline, while microembolization in the right middle cerebral artery was unrelated to early and late cognitive decline. Moreover, an association between solid microemboli with early but not late postoperative cognitive decline was noted. In contrast, gaseous microembolization was related to both early and late cognitive decline. Given the relevant role played by depression as a risk factor for postoperative adverse clinical and cognitive outcomes, the main aim of the Experiment IV was to examine, postoperatively, whether electroencephalographic activity could reflect the influence of depression during an emotional imagery task requiring the subject being involved in a cognitive task (retrieval and imagery), which is emotionally laden. There was no difference between groups in resting electroencephalographic activity, whereas patients with depression showed a significant reduced frontal theta power during the emotional imagery task compared to those without depression. Also, a significant correlation was selectively found between frontal theta power and emotional reappraisal. Taken together these experiments provide a better understanding of the psychological and physiological mechanisms underlying postoperative cognitive decline and depression in cardiac surgery patients. In conclusion, the present thesis suggests the need for including preoperative and postoperative evaluation of cognitive and affective status as well as objective hemodynamic and/or electroencephalographic measures to accurately predict and/or treat patient’s dysfunctional psychological outcomes after cardiac surgery

Le innovazioni tecnologiche conseguite nella seconda metà del XX secolo hanno ridotto le complicazioni maggiori e la mortalità nei pazienti sottoposti a cardiochirurgia. Nonostante gli evidenti benefici clinici nella pratica medica, un numero significativo di pazienti presenta disfunzioni neurologiche e/o psicologiche nel periodo postoperatorio che, a loro volta, sono responsabili per l’incremento della mortalità perioperatoria e della morbidità postoperatoria. Tali disfunzioni neurologiche e cognitive in seguito a cardiochirurgia sono il risultato di diversi fattori preoperatori e/o intraoperatori. Mentre le variabili demografiche, biomediche e psicologiche (tra cui ansia e depressione) rappresentano importati fattori preoperatori associati allo stato di salute postoperatorio, l’ipoperfusione cerebrale, l’embolizzazione e/o i processi neuroinfiammatori associati al bypass cardiopolmonare durante la chirurgia rappresentano fattori di rischio intraoperatori per le disfunzioni neurologiche e cognitive postoperatorie. Sebbene vi sia un sempre crescente interesse nello studio delle disfunzioni psicologiche in seguito a cardiochirurgia, i meccanismi psicobiologici sottostanti il declino cognitivo postoperatorio devono ancora essere indagati. Perciò, nella presente tesi sono descritti quattro studi che, per prima cosa, avevano lo scopo di indagare l’entità del declino cognitivo e della depressione in seguito a cardiochirurgia e, in secondo luogo, miravano ad identificare alcuni fattori di stampo psicobiologico coinvolti nel declino cognitivo e depressione postoperatori. L’Esperimento I mirava, come scopo principale, a fornire nuove evidenze circa la relazione, nel periodo preoperatorio, tra ansia, depressione, disfunzioni cognitive e punteggi di rischio biomedico (lo Stroke Index e l’European System for Cardiac Operative Risk Evaluation) in pazienti in attesa di intervento cardiochirurgico. I risultati del presente studio hanno indicato che, mentre entrambi i punteggi di rischio biomedico erano associati allo stato cognitivo preoperatorio dei pazienti cardiochirurgici, solo l’European System for Cardiac Operative Risk Evaluation teneva in considerazione anche i fattori di rischio associati all’ansia e depressione. Lo scopo principale degli Esperimenti II e III era indagare l’associazione fra fattori emodinamici cerebrali perioperatori e disfunzioni cognitive in seguito a cardiochirurgia. L’Esperimento II è stato disegnato per indagare se l’ipoperfusione cerebrale preoperatoria potesse essere un predittore di declino cognitivo postoperatorio nei pazienti sottoposti a cardiochirurgia, anche dopo aver controllato per i più comuni fattori di rischio demografici e biomedici. L’Esperimento II ha mostrato che l’incidenza del declino cognitivo si associava selettivamente all’ipoperfusione nell’arteria cerebrale media sinistra, mentre la velocità di flusso ematico nell’arteria cerebrale media destra non correlava con il declino cognitivo postoperatorio. L’ipoperfusione cerebrale sinistra, quindi, sembra rappresentare un fattore di rischio indipendente per il declino cognitivo in pazienti sottoposti a cardiochirurgia. L’Esperimento III è stato disegnato per determinare il ruolo dell’asimmetria e della natura della microembolizzazione intraoperatoria sul declino cognitivo postoperatorio in pazienti sottoposti a chirurgia valvolare. L’Esperimento III ha mostrato che la microembolizzazione intraoperatoria nell’arteria cerebrale media sinistra correlava significativamente sia con il declino cognitivo nell’immediato postoperatorio (alle dimissioni) che a distanza nel tempo (a 3 mesi dall’intervento chirurgico), mentre gli eventi embolici nell’arteria cerebrale media destra non erano associati né al declino cognitivo immediato né a distanza nel tempo. Inoltre, i microemboli solidi correlavano significativamente con il declino cognitivo immediato ma non al follow-up di 3 mesi. Al contrario, è stata riscontrata un’associazione significativa tra gli eventi microembolici gassosi ed il declino cognitivo immediato e a 3 mesi di distanza dall’intervento chirurgico. Dato il ruolo rilevante giocato dalla depressione come fattore di rischio per le disfunzioni cognitive postoperatorie, lo scopo principale dell’Esperimento IV è stato quello di indagare, nel periodo postoperatorio, se e come la depressione potesse influenzare l’attività elettroencefalografica durante un compito di imagery emozionale, il quale, a sua volta, implica sia un’elaborazione di tipo cognitivo che emozionale. Sebbene nessuna differenza tra i gruppi sia stata riscontrata nell’attività elettroencefalografica a riposo, rispetto ai controlli non depressi, si osservava nei pazienti depressi una ridotta attività theta frontale durante il compito di imagery emozionale. Inoltre, una ridotta ampiezza della theta frontale si associava selettivamente a disregolazione emozionale (ridotta capacità di reappraisal). Questi esperimenti, considerati nel loro insieme, forniscono una migliore e più approfondita comprensione dei meccanismi psicologici e fisiologici sottostanti il fenomeno del declino cognitivo e depressione postoperatori in pazienti cardiochirurgici. In conclusione, la presente tesi suggerisce la possibilità di includere sia una valutazione cognitiva e affettiva pre e postoperatoria che misure emodinamiche e/o elettroencefalografiche oggettive in grado di predire e/o facilitare il trattamento delle disfunzioni psicologiche postoperatorie nei pazienti sottoposti a cardiochirurgia