Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD) are two devastating and fatal neurodegenerative conditions. While distinct, they share many clinical, genetic, and pathological characteristics 1 , and both show selective vulnerability of layer 5b extratelencephalic-projecting cortical populations, including Betz cells in ALS 2,3 and von Economo neurons (VENs) in FTLD 4,5 . Here, we report the first high resolution single-cell atlas of the human primary motor cortex (MCX) and its transcriptional alterations in ALS and FTLD across ~380,000 nuclei from 64 individuals, including 17 control samples and 47 sporadic and C9orf72 -associated ALS and FTLD patient samples. We identify 46 transcriptionally distinct cellular subtypes including two Betz-cell subtypes, and we observe a previously unappreciated molecular similarity between Betz cells and VENs of the prefrontal cortex (PFC) and frontal insula. Many of the dysregulated genes and pathways are shared across excitatory neurons, including stress response, ribosome function, oxidative phosphorylation, synaptic vesicle cycle, endoplasmic reticulum protein processing, and autophagy. Betz cells and SCN4B + long-range projecting L3/L5 cells are the most transcriptionally affected in both ALS and FTLD. Lastly, we find that the VEN/Betz cell-enriched transcription factor, POU3F1, has altered subcellular localization, co-localizes with TDP-43 aggregates, and may represent a cell type-specific vulnerability factor in the Betz cells of ALS and FTLD patient tissues.

A hallmark pathological feature of neurodegenerative diseases amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) is the depletion of RNA-binding protein TDP-43 from the nucleus of neurons in the brain and spinal cord. A major function of TDP-43 is as a repressor of cryptic exon inclusion during RNA splicing. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) in UNC13A are among the strongest genome-wide association study (GWAS) hits associated with FTD/ALS in humans, but how those variants increase risk for disease is unknown. Here we show that TDP-43 represses a cryptic exon splicing event in UNC13A . Loss of TDP-43 from the nucleus in human brain, neuronal cell lines, and iPSC-derived motor neurons resulted in the inclusion of a cryptic exon in UNC13A mRNA and reduced UNC13A protein expression. Remarkably, the top variants associated with FTD/ALS risk in humans are located in the cryptic exon harboring intron itself and we show that they increase UNC13A cryptic exon splicing in the face of TDP-43 dysfunction. Together, our data provide a direct functional link between one of the strongest genetic risk factors for FTD/ALS ( UNC13A genetic variants) and loss of TDP-43 function.

ABSTRACT Arterial spin labeled (ASL) magnetic resonance imaging (MRI) is the primary method for non-invasively measuring regional brain perfusion in humans. We introduce ASLPrep, a suite of software pipelines that ensure the reproducible and generalizable processing of ASL MRI data.

Abstract The genetic basis of Lewy body dementia (LBD) is not well understood. Here, we performed whole-genome sequencing in large cohorts of LBD cases and neurologically healthy controls to study the genetic architecture of this understudied form of dementia and to generate a resource for the scientific community. Genome-wide association analysis identified five independent risk loci, whereas genome-wide gene-aggregation tests implicated mutations in the gene GBA . Genetic risk scores demonstrate that LBD shares risk profiles and pathways with Alzheimer’s and Parkinson’s disease, providing a deeper molecular understanding of the complex genetic architecture of this age-related neurodegenerative condition.

Abstract INTRODUCTION Although frontotemporal dementia (FTD) with right anterior temporal lobe (RATL) predominance has been recognized, a uniform description of the syndrome is still missing. This multicenter study aims to establish a cohesive clinical phenotype. METHODS Retrospective clinical data from 18 centers across 12 countries yielded 360 FTD patients with predominant RATL atrophy through initial neuroimaging assessments. RESULTS Common symptoms included mental rigidity/preoccupations (78%), disinhibition/socially inappropriate behavior (74%), naming/word‐finding difficulties (70%), memory deficits (67%), apathy (65%), loss of empathy (65%), and face‐recognition deficits (60%). Real‐life examples unveiled impairments regarding landmarks, smells, sounds, tastes, and bodily sensations (74%). Cognitive test scores indicated deficits in emotion, people, social interactions, and visual semantics however, lacked objective assessments for mental rigidity and preoccupations. DISCUSSION This study cumulates the largest RATL cohort unveiling unique RATL symptoms subdued in prior diagnostic guidelines. Our novel approach, combining real‐life examples with cognitive tests, offers clinicians a comprehensive toolkit for managing these patients. Highlights This project is the first international collaboration and largest reported cohort. Further efforts are warranted for precise nomenclature reflecting neural mechanisms. Our results will serve as a clinical guideline for early and accurate diagnoses.

Abstract Given the prevalence of dementia and the development of pathology-specific disease modifying therapies, high-value biomarker strategies to inform medical decision making are critical. In-vivo tau positron emission tomography (PET) is an ideal target as a biomarker for Alzheimer’s disease diagnosis and treatment outcome measure. However, tau PET is not currently widely accessible to patients compared to other neuroimaging methods. In this study, we present a convolutional neural network (CNN) model that impute tau PET images from more widely-available cross-modality imaging inputs. Participants (n=1,192) with brain MRI, fluorodeoxyglucose (FDG) PET, amyloid PET, and tau PET were included. We found that a CNN model can impute tau PET images with high accuracy, the highest being for the FDG-based model followed by amyloid PET and MRI. In testing implications of AI-imputed tau PET, only the FDG-based model showed a significant improvement of performance in classifying tau positivity and diagnostic groups compared to the original input data, suggesting that application of the model could enhance the utility of the metabolic images. The interpretability experiment revealed that the FDG- and MRI-based models utilized the non-local input from physically remote ROIs to estimate the tau PET, but this was not the case for the PiB-based model. This implies that the model can learn the distinct biological relationship between FDG PET, MRI, and tau PET from the relationship between amyloid PET and tau PET. Our study suggests that extending neuroimaging’s use with artificial intelligence to predict protein specific pathologies has great potential to inform emerging care models.

Identification of fluid biomarkers for progressive supranuclear palsy (PSP) is critical to enhance therapeutic development. We implemented unbiased DNA aptamer (SOMAmer) proteomics to identify novel CSF PSP biomarkers.

Objective: REM-sleep behavior disorder (RBD) is a prodromal synucleinopathy, as >80% will eventually convert to overt synucleinopathy. We performed an in-depth analysis of the SNCA locus to identify RBD-specific risk variants. Methods: Full sequencing and genotyping of SNCA was performed in isolated/idiopathic RBD (iRBD, n=1,076), Parkinson's disease (PD, n=1,013), and dementia with Lewy bodies (DLB, n=415), and in control subjects (n=6,155). A replication cohort from 23andMe of PD patients with probable RBD (pRBD) was also analyzed (cases n=1,782, controls n=131,250). Adjusted logistic regression models and meta-analyses were performed. Effects on conversion rate were analyzed in 432 RBD patients with available data using Kaplan-Meier survival analysis. Results: A 5'-region SNCA variant (rs10005233) was associated with iRBD (OR=1.43, p=1.1E-08), which was replicated in pRBD. This variant is in linkage disequilibrium (LD) with other 5' risk variants across the different synucleinopathies. An independent iRBD-specific suggestive association (rs11732740) was detected at the 3' of SNCA (OR=1.32, p=4.7E-04, not statistically significant after Bonferroni correction). Homozygous carriers of both iRBD-specific SNPs were at highly increased risk for iRBD (OR=5.74, p=2E-06). The known top PD-associated variant (3' variant rs356182) had an opposite direction of effect in iRBD compared to PD. Interpretation: There is a distinct pattern of association at the SNCA locus in RBD as compared to PD, with an opposite direction of effect at the 3' of SNCA. Several 5' SNCA variants are associated with iRBD and with pRBD in overt synucleinopathies, and may suggest a cognitive component to this region.

The growing link between systemic environment and brain function opens the possibility that cellular communication and composition in blood are correlated with brain health. We tested this concept in frontotemporal dementia with novel, unbiased tools that measure hundreds of soluble signaling proteins or characterize the vast immune cell repertoire in blood. With these tools we discovered complementary abnormalities indicative of abnormal T cell populations and autoimmunity in frontotemporal dementia.

Frontotemporal dementia (FTD) is the most common cause of early-onset dementia with 10-20% of cases caused by mutations in one of three genes: GRN, C9orf72, or MAPT. To effectively develop therapeutics for FTD, the identification and characterization of biomarkers to understand disease pathogenesis and evaluate the impact of specific therapeutic strategies on the target biology as well as the underlying disease pathology are essential. Moreover, tracking the longitudinal changes of these biomarkers throughout disease progression is crucial to discern their correlation with clinical manifestations for potential prognostic usage.We conducted a comprehensive investigation of biomarkers indicative of lysosomal biology, glial cell activation, synaptic and neuronal health in cerebrospinal fluid (CSF) and plasma from non-carrier controls, sporadic FTD (symptomatic non-carriers) and symptomatic carriers of mutations in GRN, C9orf72, or MAPT, as well as asymptomatic GRN mutation carriers. We also assessed the longitudinal changes of biomarkers in GRN mutation carriers. Furthermore, we examined biomarker levels in disease impacted brain regions including middle temporal gyrus (MTG) and superior frontal gyrus (SFG) and disease-unaffected inferior occipital gyrus (IOG) from sporadic FTD and symptomatic GRN carriers.We confirmed glucosylsphingosine (GlcSph), a lysosomal biomarker regulated by progranulin, was elevated in the plasma from GRN mutation carriers, both symptomatic and asymptomatic. GlcSph and other lysosomal biomarkers such as ganglioside GM2 and globoside GB3 were increased in the disease affected SFG and MTG regions from sporadic FTD and symptomatic GRN mutation carriers, but not in the IOG, compared to the same brain regions from controls. The glial biomarkers GFAP in plasma and YKL40 in CSF were elevated in asymptomatic GRN carriers, and all symptomatic groups, except the symptomatic C9orf72 mutation group. YKL40 was also increased in SFG and MTG regions from sporadic FTD and symptomatic GRN mutation carriers. Neuronal injury and degeneration biomarkers NfL in CSF and plasma, and UCHL1 in CSF were elevated in patients with all forms of FTD. Synaptic biomarkers NPTXR, NPTX1/2, and VGF were reduced in CSF from patients with all forms of FTD, with the most pronounced reductions observed in symptomatic MAPT mutation carriers. Furthermore, we demonstrated plasma NfL was significantly positively correlated with disease severity as measured by CDR+NACC FTLD SB in genetic forms of FTD and CSF NPTXR was significantly negatively correlated with CDR+NACC FTLD SB in symptomatic GRN and MAPT mutation carriers.In conclusion, our comprehensive investigation replicated alterations in biofluid biomarkers indicative of lysosomal function, glial activation, synaptic and neuronal health across sporadic and genetic forms of FTD and unveiled novel insights into the dysregulation of these biomarkers within brain tissues from patients with GRN mutations. The observed correlations between biomarkers and disease severity open promising avenues for prognostic applications and for indicators of drug efficacy in clinical trials. Our data also implicated a complicated relationship between biofluid and tissue biomarker changes and future investigations should delve into the mechanistic underpinnings of these biomarkers, which will serve as a foundation for the development of targeted therapeutics for FTD.