ABSTRACT The dopamine (DA) system, particularly D1-like DA receptors (D1DR), declines across the adult life. The functional consequences of reduced D1DR has been hypothesized to vary across life periods, but the precise timing of these periods is unknown. To examine distinct phases in age-related D1DR reductions, we studied 180 healthy adults (90 females, 20-80 years), who underwent D1DR PET assessment using [ 11 C]SCH23390. A bi-phasic pattern of age-related D1DR differences was revealed, with an inflection point at approximately 40 years of age. Notably, D1DR levels before and after the inflection showed opposing relations to neurocognitive functions, in concordance with distinct consequences of D1DR differences during development and in old age. Furthermore, D1DR reductions in later life were linked to age-related cerebrovascular consequences. These results support a distinction between D1DR reductions in early adulthood from those later in life, and suggest less dramatic and more malleable DA losses in aging than previously suggested.

The regulation of moment-to-moment neural variability may permit effective responses to changing cognitive demands. However, the mechanisms that support variability regulation are unknown. In the context of working memory, we leverage the largest available PET and fMRI dataset to jointly consider three lenses through which neural variability regulation could be understood: dopamine capacity, network-level functional integration, and flexible decision processes. We show that with greater working memory load, upregulation of variability was associated with elevated dopamine capacity and heightened functional integration, effects dominantly expressed in the striato-thalamic system rather than cortex. Strikingly, behavioral modeling revealed that working memory load evoked substantial decision biases during evidence accumulation, and those who jointly expressed a more optimal decision bias and higher dopamine capacity were most likely to upregulate striato-thalamic variability under load. We argue that the ability to align striato-thalamic variability to level of demand may be a hallmark of a well-functioning brain.

The hippocampus is a complex structure critically involved in numerous behavior-regulating systems. In young adults, multiple overlapping spatial modes along its longitudinal and transverse axes describe the organization of its functional integration with neocortex, extending the traditional framework emphasizing functional differences between sharply segregated hippocampal subregions. Yet, it remains unknown whether these modes (i.e., gradients) persist across the adult human lifespan, and relate to memory and molecular markers associated with brain function and cognition. In two independent samples, we demonstrate that the principal anteroposterior and second-order, mid-to-anterior/posterior hippocampal modes of neocortical functional connectivity, representing distinct dimensions of macroscale cortical organization, manifest across the adult lifespan. Specifically, individual differences in topography of the second-order gradient predicted episodic memory and mirrored dopamine D1 receptor distribution, capturing shared functional and molecular organization. Older age was associated with less distinct transitions along gradients (i.e., increased functional homogeneity). Importantly, a youth-like gradient profile predicted preserved episodic memory, emphasizing age-related gradient dedifferentiation as a marker of cognitive decline. Our results underscore a critical role of mapping multidimensional hippocampal organization in understanding the neural circuits that support memory across the adult lifespan.

Abstract Many learning opportunities of mathematical reasoning in school encourage imitative learning procedures ( algorithmic reasoning, AR ) instead of engaging in more constructive reasoning processes (e.g., creative mathematical reasoning, CMR ). Here, we employed a within-subject intervention in the classroom with pupils in upper secondary schools followed by a test situation during brain imaging with fMRI one week later. We hypothesized that learning with CMR compared to AR should lead to a CMR-effect, characterized by better performance and differential brain activity during test. We observed higher brain activity in key regions for mathematical cognition such as left angular gyrus and left inferior frontal gyrus on tasks previously learnt with CMR compared to AR. The effects remained when controlling for individual differences in cognitive abilities, as well as performance and response time differences between the two conditions. Encouraging pupils to engage in constructive processes when learning mathematical reasoning might thus have lasting beneficial effects.

Abstract Structural decline of the hippocampus occurs in heterogeneous patterns across its spatial extent, and is an important determinant of episodic memory dysfunction in aging. However, evidence indicate that the anatomical landmark uncal apex, used to demarcate anterior and posterior hippocampal subregions, changes position as the hippocampus atrophies. This emphasizes a risk of misclassifying gray matter into the incorrect subregion when using standard demarcation methods, contributing to over- and underestimation of age effects on anterior and posterior hippocampal volume. Yet, it remains unexplored whether inter-individual differences in uncal apex position predict episodic memory performance in itself. Here, we manually identified the uncal apex in anatomical MRI data from a healthy adult-lifespan sample (n=180; 20-79 years), assessed age differences in its position, and associations with word recollection performance. Increasing age was linked to a more anteriorly located uncal apex (retracting ∼0.041 mm/year). Importantly, a more anterior uncal apex position was linked to lower memory performance. Whereas anterior hippocampal volume remained stable with increasing age, posterior volume displayed non-linear decline with an infliction point at approximately 45 years. Neither anterior nor posterior hippocampal volumes predicted memory performance, but the ratio of posterior to anterior volume showed a significant association with memory when taking the position of the uncal apex into account. These results indicate that uncal apex position may provide an estimate of hippocampal integrity sensitive to inter-individual differences in memory, independent of limitations associated with different segmentation methods.

Subcortical brain structures are integral to motion, consciousness, emotions, and learning. We identified common genetic variation related to the volumes of nucleus accumbens, amygdala, brainstem, caudate nucleus, globus pallidus, putamen, and thalamus, using genome-wide association analyses in over 40,000 individuals from CHARGE, ENIGMA and the UK-Biobank. We show that variability in subcortical volumes is heritable, and identify 25 significantly associated loci (20 novel). Annotation of these loci utilizing gene expression, methylation, and neuropathological data identified 62 candidate genes implicated in neurodevelopment, synaptic signaling, axonal transport, apoptosis, and susceptibility to neurological disorders. This set of genes is significantly enriched for Drosophila orthologs associated with neurodevelopmental phenotypes, suggesting evolutionarily conserved mechanisms. Our findings uncover novel biology and potential drug targets underlying brain development and disease.

Cortical thickness, surface area and volumes (MRI cortical measures) vary with age and cognitive function, and in neurological and psychiatric diseases. We examined heritability, genetic correlations and genome-wide associations of cortical measures across the whole cortex, and in 34 anatomically predefined regions. Our discovery sample comprised 22,824 individuals from 20 cohorts within the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the United Kingdom Biobank. Significant associations were replicated in the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-analysis (ENIGMA) consortium, and their biological implications explored using bioinformatic annotation and pathway analyses. We identified genetic heterogeneity between cortical measures and brain regions, and 160 genome-wide significant associations pointing to wnt/β-catenin, TGF-β and sonic hedgehog pathways. There was enrichment for genes involved in anthropometric traits, hindbrain development, vascular and neurodegenerative disease and psychiatric conditions. These data are a rich resource for studies of the biological mechanisms behind cortical development and aging.

The radial unit hypothesis provides a framework for global (proliferation) and regional (distribution) expansion of the primate cerebral cortex. Using principal component analysis (PCA), we have identified cortical regions with shared variance in their surface area and cortical thickness, respectively, segmented from magnetic resonance images obtained in 23,800 participants. We then carried out meta-analyses of genome-wide association studies of the first two principal components for each phenotype. For surface area (but not cortical thickness), we have detected strong associations between each of the components and single nucleotide polymorphisms in a number of gene loci. The first (global) component was associated mainly with loci on chromosome 17 (9.5e-32 ≤ p ≤ 2.8e-10), including those detected previously as linked with intracranial volume and/or general cognitive function. The second (regional) component captured shared variation in the surface area of the primary and adjacent secondary visual cortices and showed a robust association with polymorphisms in a locus on chromosome 14 containing Disheveled Associated Activator of Morphogenesis 1 ( DAAM1 ; p =2.4e-34). DAAM1 is a key component in the planar-cell-polarity signaling pathway. In follow-up studies, we have focused on the latter finding and established that: (1) DAAM1 is highly expressed between 12th and 22nd post-conception weeks in the human cerebral cortex; (2) genes co-expressed with DAAM1 in the primary visual cortex are enriched in mitochondria-related pathways; and (3) volume of the lateral geniculate nucleus, which projects to regions of the visual cortex staining for cytochrome oxidase (a mitochondrial enzyme), correlates with the surface area of the visual cortex in major-allele homozygotes but not in carriers of the minor allele. Altogether, we speculate that, in concert with thalamocortical input to cortical subplate, DAAM1 enables migration of neurons to cytochrome-oxidase rich regions of the visual cortex, and, in turn, facilitates regional expansion of this set of cortical regions during development.

ABSTRACT In memory, familiar but no longer relevant information may disrupt encoding and retrieval of to-be-learned information. While it has been demonstrated that the ability to resolve proactive interference (PI) in working memory (WM) is reduced in aging, the neuroanatomical components of this decline have yet to be determined. Hippocampal (HC) involvement in age- related decline in control of PI is currently not known. In particular, the association between HC subfield volumes and control of PI in WM has not been examined previously. Here we investigate the associations between mean level and 5-year trajectories of gray matter subfield volumes and PI in WM across the adult life span (N = 157). Longitudinal analyses over 5- years across all participants revealed that reduced volume in the subiculum was related to impaired control of PI. Age-stratified analyses showed that this association was most pronounced in older adults. Furthermore, we found that in older adults the effect of age on PI was mediated by GM volume in the HC. The current results show that HC volume is associated with the ability to control PI in WM, and that these associations are modulated by age.

Abstract Brain iron overload and decreased integrity of the dopaminergic system have been independently reported as brain substrates of cognitive decline in aging. Dopamine (DA), and iron are co-localized in high concentrations in the striatum and prefrontal cortex (PFC), but follow opposing age-related trajectories across the lifespan. DA contributes to cellular iron homeostasis and the activation of D1-like DA receptors (D1DR) alleviates oxidative stress-induced inflammatory responses, suggesting a mutual interaction between these two fundamental components. Still, a direct in-vivo study testing the iron-D1DR relationship and their interactions on brain function and cognition across the lifespan is rare. Using PET and MRI data from the DyNAMiC study (n=180, age=20-79, %50 female), we showed that elevated iron content was related to lower D1DRs in DLPFC, but not in striatum, suggesting that dopamine-rich regions are less susceptible to elevated iron. Critically, older individuals with elevated iron and lower D1DR exhibited less frontoparietal activations during the most demanding task, which in turn was related to poorer working-memory performance. Together, our findings suggest that the combination of elevated iron load and reduced D1DR contribute to disturbed PFC-related circuits in older age, and thus may be targeted as two modifiable factors for future intervention. Highlights First study demonstrating the association between regional iron and dopamine D1DR in adult humans. The interplay between age-related elevated iron and diminished D1DR explained lower task-related brain activity, which in turn was related to poorer task performance. Our findings iron-DA coupling can help progress the understanding of the mechanisms behind DA-related neurodegeneration.