Complexity in aging and disease: response to commentaries

Smartphones touchscreen interactions may help resolve if and how real-world behavioral dynamics are shaped by aging. Here, in a sample spanning the adult life span (16 to 86 years, N = 598, accumulating 355 million interactions), we clustered the smartphone interactions according to their next inter-touch interval dynamics. There were age-related behavioral losses at the clusters occupying short intervals (∼100 ms, R² ∼ 0.8) but gains at the long intervals (∼4 s, R² ∼ 0.4). Our approach revealed a sophisticated form of behavioral aging where individuals simultaneously demonstrated accelerated aging in one behavioral cluster versus a deceleration in another. Contrary to the common notion of a simple behavioral decline with age based on conventional cognitive tests, we show that the nature of aging systematically varies according to the underlying dynamics. Of all the imaginable factors determining smartphone interactions, age-sensitive cognitive and behavioral processes may dominatingly shape smartphone dynamics.

This paper reviews the general biological phenomenon of aging as it applies to cells. Philosophical concepts of aging arising from radiation and evolutionary biology are used as a historical context for our understanding of how cells age. The development of multicellularity, and with it, an extracellular matrix is discussed in order to reveal that the biological consequences of aging extend beyond the borders of a cell. The argument is made that an integration of knowledge across levels of biological organization and a unification of theories on aging is needed in order to progress toward a greater understanding of organismal and cellular aging. It is further suggested that complexity theory and a systems level approach provides the means by which that integration can be achieved. The consequences of aging have been observed at virtually every level of biological organization, from molecules to populations. Although explanations of aging are dominated by a few theories (e.g., Kirkwood's (1977) disposable soma theory [1] and Harman's (1956) free radical hypothesis [2]), countless others have been proffered as well (see Rattan (2006) [3] and Weinert and Timiras (2003) [4] for reviews). This proliferation reflects not only the intricacies of aging but also the need for a theory that integrates information across multiple interacting levels of biological organization. Contrary to reductionist expectation, the number of theories increases rather than decreases at progressively lower levels of biological organization. Nowhere is this more evident than at the cellular level. Thus, it is fitting to devote a special issue to the challenges inherent in understanding the dynamics of cellular aging. There are, however, several obstacles that complicate a discussion of cellular aging. Foremost among them is the term “aging” (or “senescence”) itself. What does it mean? How do you distinguish aging from non-aging? When did it arise? Is it universal, or can some organisms escape it? Is it reversible? Is it a monolithic process or a mixture of processes? What is the fundamental unit of aging: a molecule, a cell, a tissue, an organ, the organism, or all of these? Does multicellularity affect the complexity of aging? Did aging evolve? In other words, does it have a genetic basis? Is there a difference between replicative senescence, organismal senescence, and phenotypic plasticity? These are some of the questions that we hope to address in this article.

Les auteurs de cet article proposent une analyse conceptuelle du rôle de la sénescence cellulaire dans le vieillissement de l’organisme et dans les maladies qui l’accompagnent. Ils confrontent certaines des nombreuses théories proposées pour « expliquer » le vieillissement avec les notions essentielles résultant du modèle cellulaire du vieillissement in vitro et de son exploitation expérimentale. Ils commencent par s’interroger sur le sens des concepts « vieillissement » et « sénescence » en essayant d’abord de les définir en suivant l’argumentation de Bernard Strehler qui en a donné une définition valide. Suit ensuite l’interrogation sur la nature même du processus du vieillissement en essayant d’en remonter aux origines. Est-il programmé ou stochastique ? Comme la plupart des auteurs, Carnes et ses collègues acceptent aussi d’attribuer la sénescence aux « négligences de la Nature », l’évolution ne s’étant intéressée qu’à la reproduction efficace en vue de la survie de l’espèce et nullement à sa déchéance. Est-il programmé ou pas programmé, est la question suivante. La réponse découle de l’analyse biologique et historique ci-dessus esquissée. Les gènes ont évolué pour maintenir santé et vigueur et nullement pour accélérer la décrépitude. Pour conclure, en fin de paragraphe, les auteurs s’interrogent : la longévité est-elle souhaitée par l’évolution, contrairement au vieillissement, résultat de sa négligence. Suivent ensuite des paragraphes sur le nombre et la complexité des mécanismes qui contribuent au vieillissement : un ou multiples ? Compliqués ou complexes ? Cette analyse relève de la science de la complexité biologique. Un long chapitre est ensuite consacré au rôle de la multicellularité et de la matrice extracellulaire dans le vieillissement. Les remaniements de cette matrice au cours du vieillissement et son rôle dans les modifications des interactions cellulaires jouent un rôle important dans la perte des fonctions physiologiques de l’organisme. Ces concepts ont été exploités pour la compréhension du vieillissement cutané, largement tributaire des modifications avec l’âge de sa matrice extracellulaire et de la perte progressive de la communication cellule-matrice cutanée. Les mécanismes individuels ci-dessus discutés sont ensuite intégrés au niveau tissulaire, puis au niveau des systèmes physiologiques. Les auteurs insistent sur la nature émergente des propriétés des systèmes vivants, conséquence de l’interaction de leurs composants qui font naître des propriétés nouvelles. Grâce à la représentation des systèmes vivants comme des réseaux de communication, les auteurs arrivent à expliciter la nature des interactions des composants individuels, cellules, matrice, etc. sous la forme de réseaux de gènes et de protéines. Cette représentation permet de conceptualiser la séquence d’interactions des nombreux composants individuels en leur assignant des sites précis à l’intérieur des réseaux. Certain de ces éléments jouent des rôles-pivot dans des processus aussi complexes que la régulation de la longévité de l’organisme, comme Caenorhabdiis elegans, représenté sur les figures. Dans leur conclusion, les auteurs proposent une synthèse originale de la Science expérimentale et de la biologie du vieillissement grâce à des réflexions remarquables à un niveau épistémologique.

The purpose of this study was to examine the effect of ageing on the pattern and structure of head and trunk accelerations during walking. Head and trunk accelerations of young (n = 8; mean = 23 years, SD = 4 years) and elderly (n = 8; mean = 74 years, SD = 3 years) individuals were measured using triaxial accelerometers while performing preferred speed walking. Accelerations were examined using power-spectral analysis and measures of signal smoothness, regularity and coupling. No differences in walking speed or signal regularity were detected between age groups. Compared to the young participants, the elderly had (1) a greater proportion of signal power above 6 Hz for the trunk, (2) a smaller difference in signal smoothness between the trunk and head, (3) less signal smoothness in the mediolateral direction, and (4) a greater degree of directional coupling for the head compared to the trunk. Overall these results suggest that the pattern of head accelerations was relatively unaffected by age, and that both age groups achieved similar levels of head stability despite differences in trunk acceleration characteristics. The manner in which head stability was achieved differed between age groups, with the elderly employing an upper body coordination strategy that enhanced coupling between acceleration directions of the head compared to the trunk. The findings of this study also suggest that an absence of age-related differences in signal complexity at one level of postural system, combined with differences at another level, may provide information about the way in which the motor system prioritises postural control during gait.