Abstract Neuronal dysfunction and cognitive deterioration in Alzheimer’s disease (AD) are likely caused by multiple pathophysiological factors. However, evidence in humans remains scarce, necessitating improved non-invasive techniques and integrative mechanistic models. Here, we introduce personalized brain activity models incorporating functional MRI, amyloid-β (Aβ) and tau-PET from AD-related participants (N=132). Within the model assumptions, electrophysiological activity is mediated by toxic protein deposition. Our integrative subject-specific approach uncovers key patho-mechanistic interactions, including synergistic Aβ and tau effects on cognitive impairment and neuronal excitability increases with disease progression. The data-derived neuronal excitability values strongly predict clinically relevant AD plasma biomarker concentrations (p-tau217, p-tau231, p-tau181, GFAP). Furthermore, our results reproduce hallmark AD electrophysiological alterations (theta band activity enhancement and alpha reductions) which occur with Aβ-positivity and after limbic tau involvement. Microglial activation influences on neuronal activity are less definitive, potentially due to neuroimaging limitations in mapping neuroprotective vs detrimental phenotypes. Mechanistic brain activity models can further clarify intricate neurodegenerative processes and accelerate preventive/treatment interventions.

Molecular mechanisms enabling pathology-induced neuronal dysfunction in Alzheimer9s disease (AD) remain elusive. Here, we use mechanistic computational models to infer the combined influence of PET-measured Abeta and tau burdens on fMRI-derived neuronal activity and to subsequently identify the transcriptomic spatial correlates of AD pathophysiology. Our results reveal overrepresented genes and biological processes that participate in synaptic degeneration and interact with Abeta and tau deposits. Furthermore, we confirmed the central role of the immune system and neuroinflammatory pathways within AD pathogenesis; microglia were significantly enriched in the gene set associated with Abeta and tau synergistic influences on neuronal activity. Lastly, our computational approach unveiled drug candidates with the potential to halt or reduce the observed pathological effects on neuronal activity, including existing medication for cancer, immune disorders, and cardiovascular diseases, many currently under clinical evaluation in AD. Overall, these findings support the notion that the AD brain experiences functional changes intricately associated with a diverse spectrum of molecular processes.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is a brain network disorder where pathological proteins accumulate through networks and drive cognitive decline. Yet, the role of network connectivity in facilitating this accumulation remains unclear. Using in-vivo multimodal imaging, we show that the distribution of tau and reactive microglia in humans follows spatial patterns of connectivity variation, the so-called gradients of brain organization. Notably, less distinct connectivity patterns (“gradient contraction”) are associated with cognitive decline in regions with greater tau, suggesting an interaction between reduced network differentiation and tau on cognition. Furthermore, by modeling tau in subject-specific gradient space, we demonstrate that tau accumulation in the frontoparietal and temporo-occipital cortices is associated with greater baseline tau within their functionally and structurally connected hubs, respectively. Our work unveils a role for both functional and structural brain organization in pathology accumulation in AD, and supports subject-specific gradient space as a promising tool to map disease progression.

Positron Emission Tomography (PET) ligands have advanced Alzheimer9s disease (AD) diagnosis and treatment. Using autoradiography and cryo-EM, we identified AD brain tissue with elevated tau burden, purified filaments, and determined the structure of second-generation high avidity PET ligand MK-6240 at 2.31 A resolution, which bound at a 1:1 ratio within the cleft of tau paired-helical filament (PHF), engaging with glutamine 351, lysine K353, and isoleucine 360. This information elucidates the basis of MK-6240 PET in quantifying PHF deposits in AD and may facilitate the structure-based design of superior ligands against tau amyloids.