Compelling experimental evidence suggests that microglial activation is involved in the spread of tau tangles over the neocortex in Alzheimer's disease (AD). We tested the hypothesis that the spatial propagation of microglial activation and tau accumulation colocalize in a Braak-like pattern in the living human brain. We studied 130 individuals across the aging and AD clinical spectrum with positron emission tomography brain imaging for microglial activation ([11C]PBR28), amyloid-β (Aβ) ([18F]AZD4694) and tau ([18F]MK-6240) pathologies. We further assessed microglial triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) cerebrospinal fluid (CSF) concentrations and brain gene expression patterns. We found that [11C]PBR28 correlated with CSF soluble TREM2 and showed regional distribution resembling TREM2 gene expression. Network analysis revealed that microglial activation and tau correlated hierarchically with each other following Braak-like stages. Regression analysis revealed that the longitudinal tau propagation pathways depended on the baseline microglia network rather than the tau network circuits. The co-occurrence of Aβ, tau and microglia abnormalities was the strongest predictor of cognitive impairment in our study population. Our findings support a model where an interaction between Aβ and activated microglia sets the pace for tau spread across Braak stages.

Gold-standard diagnosis of Alzheimer's disease (AD) relies on histopathological staging systems. Using the topographical information from [18F]MK6240 tau positron-emission tomography (PET), we applied the Braak tau staging system to 324 living individuals. We used PET-based Braak stage to model the trajectories of amyloid-β, phosphorylated tau (pTau) in cerebrospinal fluid (pTau181, pTau217, pTau231 and pTau235) and plasma (pTau181 and pTau231), neurodegeneration and cognitive symptoms. We identified nonlinear AD biomarker trajectories corresponding to the spatial extent of tau-PET, with modest biomarker changes detectable by Braak stage II and significant changes occurring at stages III-IV, followed by plateaus. Early Braak stages were associated with isolated memory impairment, whereas Braak stages V-VI were incompatible with normal cognition. In 159 individuals with follow-up tau-PET, progression beyond stage III took place uniquely in the presence of amyloid-β positivity. Our findings support PET-based Braak staging as a framework to model the natural history of AD and monitor AD severity in living humans.

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.