Abstract 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 22,822 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 161 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.

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.

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 The question of how much sleep is best for the brain attracts scientific and public interest, and there is concern that insuficient sleep leads to poorer brain health. However, it is unknown how much sleep is sufficient and how much is too much. We analyzed 51,295 brain magnetic resonnance images from 47,039 participants, and calculated the self-reported sleep duration associated with the largest regional volumes and smallest ventricles relative to intracranial volume (ICV) and thickest cortex. 6.8 hours of sleep was associated with the most favorable brain outcome overall. Critical values, defined by 95% confidence intervals, were 5.7 and 7.9 hours. There was regional variation, with for instance the hippocampus showing largest volume at 6.3 hours. Moderately long sleep (> 8 hours) was more strongly associated with smaller relative volumes, thinner cortex and larger ventricles than even very short sleep (< 5 hours), but effect sizes were modest. People with larger ICV reported longer sleep (7.5 hours), so not correcting for ICV yielded longer durations associated with maximal volume. Controlling for socioeconomic status, body mass index and depression symptoms did not alter the associations. Genetic analyses showed that genes related to longer sleep in short sleepers were related to shorter sleep in long sleepers. This may indicate a genetically controlled homeostatic regulation of sleep duration. Mendelian randomization analyses did not suggest sleep duration to have a causal impact on brain structure in the analyzed datasets. The findings challenge the notion that habitual short sleep is negatively related to brain structure. Significance statement According to consensus recommendations, adults should sleep between 7 and 9 hours to optimize their health. We found that sleeping less than the recommended amount was associated with greater regional brain volumes relative to intracranial volume, and very short sleep was only weakly related to smaller volumes. Genetic analyses did not show causal effects of sleep duration on brain structure. Taken together, the results suggest that habitual short sleep is not an important contributor to lower brain volumes in adults on a group level, and that large individual dfferences in sleep need likely exist.

Across healthy adult life our brains undergo gradual structural change in a pattern of atrophy that resembles accelerated brain changes in Alzheimer9s disease (AD). Here, using four polygenic risk scores for AD (PRS-AD) in a longitudinal adult lifespan sample aged 30 to 89 years (2-7 timepoints), we show that healthy individuals who lose brain volume faster than expected for their age, have a higher genetic AD risk. We first demonstrate PRS-AD associations with change in early Braak regions, namely hippocampus, entorhinal cortex, and amygdala, and find evidence these extend beyond that predicted by APOE genotype. Next, following the hypothesis that brain changes in ageing and AD are largely shared, we performed machine learning classification on brain change trajectories conditional on age in longitudinal AD patient-control data, to obtain a list of AD-accelerated features and model change in these in adult lifespan data. We found PRS-AD was associated with a multivariate marker of accelerated change in many of these features in healthy adults, and that most individuals above ~50 years of age are on an accelerated change trajectory in AD-accelerated brain regions. Finally, high PRS-AD individuals also high on a multivariate marker of change showed more adult lifespan memory decline, compared to high PRS-AD individuals with less brain change. Our results support a dimensional account linking normal brain ageing with AD, suggesting AD risk genes speed up the shared pattern of ageing- and AD-related neurodegeneration that starts early, occurs along a continuum, and tracks memory change in healthy adults.

A lack of empathy, and particularly its affective components, is a core symptom of behavioural variant frontotemporal dementia (bvFTD). Visual exposure to images of a needle pricking a hand (pain condition) and Q-tips touching a hand (control condition) is an established functional magnetic resonance imaging (fMRI) paradigm used to investigate empathy for pain (EFP; pain condition minus control condition). EFP has been associated with increased blood oxygen level dependent (BOLD) signal in regions known to become atrophic in the early stages in bvFTD, including the anterior insula and the anterior cingulate. We therefore hypothesized that patients with bvFTD would display altered empathy processing in the EFP paradigm. Here we examined empathy processing using the EFP paradigm in 28 patients with bvFTD and 28 sex and age matched controls. Participants underwent structural MRI, task-based and resting-state fMRI. The Interpersonal Reactivity Index (IRI) was used as a measure of different facets of empathic function outside the scanner. The EFP paradigm was analysed at a whole brain level and using two regions-of-interest approaches, one based on a metanalysis of affective perceptual empathy versus cognitive evaluative empathy and one based on the controĺs activation pattern. In controls, EFP was linked to an expected increase of BOLD signal that displayed an overlap with the pattern of atrophy in the bvFTD patients (insula and anterior cingulate). Additional regions with increased signal were the supramarginal gyrus and the occipital cortex. These latter regions were the only ones that displayed increased BOLD signal in bvFTD patients. BOLD signal increase under the affective perceptual empathy but not the cognitive evaluative empathy region of interest was significantly greater in controls than in bvFTD patients. The controĺs rating on their empathic concern subscale of the IRI was significantly correlated with the BOLD signal in the EFP paradigm, as were an informantś ratings of the patientś empathic concern subscale. This correlation was not observed on other subscales of the IRI or when using the patient's self-ratings. Finally, controls and patients showed different connectivity patterns in empathy related networks during resting-state fMRI, mainly in nodes overlapping the ventral attention network. Our results indicate that reduced neural activity in regions typically affected by pathology in bvFTD is associated with reduced empathy processing, and a predictor of patientś capacity to experience affective empathy.

It is suggested that the functional mechanisms behind specific forms of cognition, particularly episodic memory, may be dynamic over the lifespan and that cognitive preservation or decay in older age thus relies on age-specific mechanisms such as compensatory processes. Here instead, we tested whether the functional foundations of successful episodic memory encoding adhere to a principle of lifespan continuity, shaped by developmental, structural and evolutionary influences. We identified the generic lifespan patterns of memory encoding function across the brain (n = 540; age range = 6 - 82 years). The lifespan trajectories of brain activity were organized in a topologically meaningful manner and aligned to fundamental aspects of brain organization, such as large-scale connectivity hierarchies and evolutionary cortical expansion gradients. None of the normative trajectories of encoding function was solely determined by late-life patterns of activity, but rather showed continuities across development and adulthood. Inter-individual differences in activity in age-sensitive regions were predicted by general cognitive abilities and variation in grey matter structure, which are core variables of cognitive and structural change throughout the lifespan. Altogether, the results provide evidence for the lifelong continuity of the functional foundations of episodic memory which are bounded by both brain architecture and core mechanisms of cognitive and structural change over life. We provide novel support for a perspective on memory aging in which maintenance and decay of episodic memory in older age needs to be understood from a comprehensive life-long perspective rather than as a late-life phenomenon only.

Abstract Mechanisms underpinning age-related variations in cortical thickness in the human brain remain poorly understood. We investigated whether inter-regional age-related variations in cortical thinning (in a multicohort neuroimaging dataset from the ENIGMA Lifespan Working Group totalling 14,248 individuals, aged 4-89 years) depended on cell-specific marker gene expression levels. We found differences amidst early-life (<20 years), mid-life (20-60 years), and late-life (>60 years) in the patterns of association between inter-regional profiles of cortical thickness and expression profiles of marker genes for CA1 and S1 pyramidal cells, astrocytes, and microglia. Gene ontology and enrichment analyses indicated that each of the three life-stages was associated with different biological processes and cellular components: synaptic modeling in early life, neurotransmission in mid-life, and neurodegeneration in late-life. These findings provide mechanistic insights into age-related cortical thinning during typical development and aging.

Abstract Many sleep less than recommended without experiencing daytime tiredness. According to prevailing views, short sleep increases risk of lower brain health and cognitive function. Chronic mild sleep deprivation could cause undetected sleep debt, negatively affecting cognitive function and brain health. However, it is possible that some have less sleep need and are more resistant to negative effects of sleep loss. We investigated this question using a combined cross-sectional and longitudinal sample of 47,029 participants (age 20-89 years) with measures of self-reported sleep, including 51,295 MRIs of the brain and cognitive tests. 701 participants who reported to sleep < 6 hours did not experience daytime tiredness or sleep problems. These short sleepers showed significantly larger regional brain volumes than both short sleepers with daytime tiredness and sleep problems (n = 1619) and participants sleeping the recommended 7-8 hours (n = 3754). However, both groups of short sleepers showed slightly lower general cognitive function, 0.16 and 0.19 standard deviations, respectively. Analyses using acelerometer-estimated sleep duration confirmed the findings, and the associations remained after controlling for body mass index, depression symptoms, income and education. The results suggest that some people can cope with less sleep without obvious negative consequences for brain morphometry, in line with a view on sleep need as individualized. Tiredness and sleep problems seem to be more relevant for brain structural differences than sleep duration per se. However, the slightly lower performance on tests of general cognitive function warrants closer examination by experimental designs in natural settings. Significance statement Short habitual sleep is prevalent, with unknown consequences for brain health and cognitive performance. Here we show that daytime tiredness and sleep problems are more important variables for regional brain volumes than sleep duration. However, participants sleeping < 6 hours had slightly lower scores on tests of general cognitive function. This indicates that sleep need is individual, and that sleep duration per se may be a less relevant variable for brain health than daytime tiredness and sleep problems. The association between habitual short sleep and lower scores on tests of general cogntitive function must be further scrutinized in natural settings.

Abstract Background Older persons with poor sleep are more likely to develop neurodegenerative disease, but the causality underlying this association is unclear. To move towards explanation, we examine whether sleep quality and quantity are similarly associated with brain changes across the adult lifespan. Methods Associations between self-reported sleep parameters (Pittsburgh Sleep Quality Index;PSQI) and longitudinal cortical change were tested using five samples from the Lifebrain consortium (n=2205, 4363 MRIs, 18-92 years). Analyses were augmented by considering episodic memory change, gene expression from the Allen Human Brain Atlas, and amyloid-beta (Aβ) accumulation (n=1980). Results PSQI components sleep problems and low sleep quality were related to thinning of the right lateral temporal cortex. The association with sleep problems emerged after 60 years, especially in regions with high expression of genes related to oligodendrocytes and S1 pyramidal neurons. BMI and symptoms of depression had negligible effects. Sleep problems were neither related to longitudinal change in episodic memory function nor to Aβ accumulation, suggesting that sleep-related cortical changes were independent of AD neuropathology and cognitive decline. Conclusion Worse self-reported sleep in later adulthood was associated with more cortical thinning in regions of high expression of genes related to oligodendrocytes and S1 pyramidal neurons, but not to Aβ accumulation or memory decline. The relationship to cortical brain change suggests that self-reported sleep parameters are relevant in lifespan studies, but small effect sizes, except for a few restricted regions, indicate that self-reported sleep is not a good biomarker of general cortical degeneration in healthy older adults.