Abstract A fundamental question in neuroscience is how brain organisation gives rise to humans’ unique cognitive abilities. Although complex cognition is widely assumed to rely on frontal and parietal brain regions, the underlying mechanisms remain elusive: current approaches are unable to disentangle different forms of information processing in the brain. Here, we introduce a powerful framework to identify synergistic and redundant contributions to neural information processing and cognition. Leveraging multimodal data including functional MRI, PET, cytoarchitectonics and genetics, we reveal that synergistic interactions are the fundamental drivers of complex human cognition. Whereas redundant information dominates sensorimotor areas, synergistic activity is closely associated with the brain’s prefrontal-parietal and default networks; furthermore, meta-analytic results demonstrate a close relationship between high-level cognitive tasks and synergistic information. From an evolutionary perspective, the human brain exhibits higher prevalence of synergistic information than non-human primates. At the macroscale, we demonstrate that high-synergy regions underwent the highest degree of evolutionary cortical expansion. At the microscale, human-accelerated genes promote synergistic interactions by enhancing synaptic transmission. These convergent results provide critical insights that synergistic neural interactions underlie the evolution and functioning of humans’ sophisticated cognitive abilities, and demonstrate the power of our widely applicable information decomposition framework.

Abstract Early and profound pathological changes are evident in the locus coeruleus (LC) in dementia and Parkinson’s disease, with effects on arousal, attention, cognitive and motor control. The LC can be identified in vivo using non-invasive magnetic resonance imaging techniques which have potential as biomarkers for detecting and monitoring disease progression. Technical limitations of existing imaging protocols have impaired the sensitivity to regional contrast variance or the spatial variability on the rostrocaudal extent of the LC, with spatial mapping consistent with post mortem findings. The current study employs a sensitive magnetisation transfer sequence using ultrahigh field 7T MRI to investigate the LC structure in vivo at high-resolution (resolution 0.4×0.4×0.5 mm, duration seven minutes). Magnetisation transfer images from 53 healthy older volunteers (52-84 years) revealed the spatial features of the LC and were used to create a probabilistic LC atlas for older adults, appropriate for clinical research. Consistent rostrocaudal gradients of slice-wise volume, contrast and variance differences of the LC were observed, mirroring distinctive ex vivo spatial distributions of LC cells in its subregions. The contrast-to-noise ratios were calculated for the peak voxels, and for the averaged signals within the atlas, to accommodate the volumetric differences in estimated contrast. The probabilistic atlas is freely available, and the MRI dataset is available for researchers, for replication or to facilitate accurate LC localisation and unbiased contrast extraction in future studies.

Abstract Neuroinflammation is a key part of the etio-pathogenesis of Alzheimer’s disease. We test the relationship between neuroinflammation and the disruption of functional connectivity in large-scale networks, and their joint influence on cognitive impairment. We combined [ 11 C]PK11195 positron emission tomography (PET) and resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) in 28 humans (13 females/15 males) with clinical diagnosis of probable Alzheimer’s disease or mild cognitive impairment with positive PET biomarker for amyloid, and 14 age-, sex-, and education-matched healthy humans (8 females/6 males). Source-based ‘inflammetry’ was used to extract principal components of [ 11 C]PK11195 PET signal variance across all participants. rs-fMRI data were pre-processed via independent component analyses to classify neuronal and non-neuronal signals. Multiple linear regression models identified sources of signal co-variance between neuroinflammation and brain connectivity profiles, in relation to group and cognitive status. Patients showed significantly higher [ 11 C]PK11195 binding relative to controls, in a distributed spatial pattern including the hippocampus, medial, and inferior temporal cortex. Patients with enhanced loading on this [ 11 C]PK11195 binding distribution displayed diffuse abnormal functional connectivity. The expression of a stronger association between such abnormal connectivity and higher levels of neuroinflammation correlated with worse cognitive deficits. Our study suggests that neuroinflammation relates to the pathophysiological changes in network function that underlie cognitive deficits in Alzheimer’s disease. Neuroinflammation, and its association with functionally-relevant reorganisation of brain networks, is proposed as a target for emerging immuno-therapeutic strategies aimed at preventing or slowing the emergence of dementia. Significance Statement Neuroinflammation is an important aspect of Alzheimer’s disease (AD), but it was not known whether the influence of neuroinflammation on brain network function in humans was important for cognitive deficit. Our study provides clear evidence that in vivo neuroinflammation in AD impairs large-scale network connectivity; and that the link between inflammation and functional network connectivity is relevant to cognitive impairment. We suggest that future studies should address how neuroinflammation relates to network function as AD progresses; and whether the neuroinflammation in AD is reversible, as the basis of immunotherapeutic strategies to slow the progression of AD.

Abstract The preservation of cognitive function into old age is a public health priority. Cerebral hypoperfusion is a hallmark of dementia but its impact on maintaining cognitive ability across the lifespan is less clear. We investigated the relationship between baseline cerebral blood flow (CBF) and blood oxygenation level-dependent (BOLD) response during a fluid reasoning task in a population-based adult lifespan cohort (N=227, age 18-88 years). As age differences in baseline CBF could lead to non-neuronal contributions to the BOLD signal, we introduced commonality analysis to neuroimaging, in order to dissociate performance-related CBF effects from the physiological confounding effects of CBF on the BOLD response. Accounting for CBF, we confirmed that performance- and age-related differences in BOLD responses in the multiple-demand network (MDN) implicated in fluid reasoning. Differences in baseline CBF across the lifespan explained not only performance-related BOLD responses, but also performance-independent BOLD responses. Our results suggest that baseline CBF is important for maintaining cognitive function, while its non-neuronal contributions to BOLD signals reflect an age-related confound. Maintaining perfusion into old age may serve to support brain function with behavioural advantage, regulating brain health.

Successful self-control requires the ability to stop unwanted actions or thoughts. Stopping is regarded as a central function of inhibitory control, a mechanism enabling the suppression of diverse mental content, and strongly associated with the prefrontal cortex. A domain-general inhibitory control capacity, however, would require the region or regions implementing it to dynamically shift top-down inhibitory connectivity to diverse target regions in the brain. Here we show that stopping unwanted thoughts and stopping unwanted actions engage common regions in the right anterior dorsolateral and right ventrolateral prefrontal cortex, and that both areas exhibit this dynamic targeting capacity. Within each region, pattern classifiers trained to distinguish stopping actions from making actions also could identify when people were suppressing their thoughts (and vice versa) and could predict which people successfully forgot thoughts after inhibition. Effective connectivity analysis revealed that both regions contributed to action and thought stopping, by dynamically shifting inhibitory connectivity to motor area M1 or to the hippocampus, depending on the goal, suppressing task-specific activity in those regions. These findings support the existence of a domain-general inhibitory control mechanism that contributes to self-control and establish dynamic inhibitory targeting as a key mechanism enabling these abilities.

Abstract Connections among brain regions allow pathological perturbations to spread from a single source region to multiple regions. Patterns of neurodegeneration in multiple diseases, including behavioral variant of frontotemporal dementia (bvFTD), resemble the large-scale functional systems, but how bvFTD-related atrophy patterns relate to structural network organization remains unknown. Here we investigate whether neurodegeneration patterns in sporadic and genetic bvFTD are conditioned by connectome architecture. Regional atrophy patterns were estimated in both genetic bvFTD (75 patients, 247 controls) and sporadic bvFTD (70 patients, 123 controls). We first identify distributed atrophy patterns in bvFTD, mainly targeting areas associated with the limbic intrinsic network and insular cytoarchitectonic class. Regional atrophy was significantly correlated with atrophy of structurally- and functionally-connected neighbors, demonstrating that network structure shapes atrophy patterns. The anterior insula was identified as the predominant group epicenter of brain atrophy using data-driven and simulation-based methods, with some secondary regions in frontal ventromedial and anteromedial temporal areas. Finally, we find that FTD-related genes, namely C9orf72 and TARDBP, confer local transcriptomic vulnerability to the disease, effectively modulating the propagation of pathology through the connectome. Collectively, our results demonstrate that atrophy patterns in sporadic and genetic bvFTD are jointly shaped by global connectome architecture and local transcriptomic vulnerability.

ABSTRACT Apathy is a debilitating syndrome that is associated with reduced goal-directed behaviour. Although apathy is common and detrimental to prognosis in many neuropsychiatric diseases, its underlying mechanisms remain controversial. We propose a new model of apathy, in the context of Bayesian theories of brain function, whereby actions require predictions of their outcomes to be held with sufficient precision for ‘explaining away’ differences in sensory inputs. In this active inference model, apathy would result from reduced precision of prior beliefs about action outcomes. Healthy adults ( N =47) performed a visuomotor task that independently manipulated physical effort and reward, and served to estimate the precision of priors. Participants’ perception of their performance was biased towards the target, which was accounted for by precise prior beliefs about action outcomes. Crucially, prior precision was negatively associated with apathy. The results support a Bayesian account of apathy, that could inform future studies of clinical populations.

Abstract Response inhibition is a core executive function enabling adaptive behaviour in dynamic environments. Human and animal models indicate that inhibitory control and control networks are modulated by noradrenaline, arising from the locus coeruleus. The integrity (i.e., cellular density) of the locus coeruleus noradrenergic system can be estimated from magnetization transfer sensitive magnetic resonance imaging, in view of neuromelanin present in noradrenergic neurons of older adults. Noradrenergic psychopharmacological studies indicate noradrenergic modulation of prefrontal and frontostriatal stopping-circuits in association with behavioural change. Here we test the noradrenergic hypothesis of inhibitory control, in healthy adults. We predicted that locus coeruleus integrity is associated with age-adjusted variance in response inhibition, mediated by changes in connectivity between frontal inhibitory control regions. In a preregistered analysis, we used magnetization transfer MRI images from N=63 healthy adults aged above 50 years who performed a stop-signal task, with atlas-based measurement of locus coeruleus contrast. We confirm that better response inhibition is correlated with locus coeruleus integrity and stronger connectivity between pre-supplementary motor area and right inferior frontal gyrus, but not volumes of the cortical regions. We confirmed a significant role of prefrontal connectivity in mediating the effect of individual differences in the locus coeruleus on behaviour, whereby this effect was moderated by age, over and above adjustment for the mean effects of age. Our results support the hypothesis that in normal populations, as in clinical settings, the locus coeruleus noradrenergic system regulates inhibitory control.

Abstract Brain ageing is a complex process which requires a multimodal approach. Neuroimaging can provide insights into brain morphology, functional organization and vascular dynamics. However, most neuroimaging studies of ageing have focused on each imaging modality separately, limiting the understanding of interrelations between processes identified by different modalities and their relevance to cognitive decline in ageing. Here, we used a data-driven multimodal approach, linked independent component analysis (ICA), to jointly analyze magnetic resonance imaging of grey matter volume, cerebrovascular, and functional network topographies in relation to measures of fluid intelligence. Neuroimaging and cognitive data from the Cambridge Centre for Ageing and Neuroscience study were used, with healthy participants aged 18 to 88 years (main dataset n = 215; secondary dataset n = 433). Using linked ICA, functional network activities were characterized in independent components but not captured in the same component as structural and cerebrovascular patterns. Split-sample ( n = 108/107) and out-of-sample ( n = 433) validation analyses using linked ICA were also performed. Global grey matter volume with regional cerebrovascular changes and the right frontoparietal network activity were correlated with age-related and individual differences in fluid intelligence. This study presents the insights from linked ICA to bring together measurements from multiple imaging modalities, with independent and additive information. We propose that integrating multiple neuroimaging modalities allows better characterization of brain pattern variability and changes associated with healthy ageing.

Abstract Both the replication of protein aggregates and their spreading throughout the brain are implicated in the progression of Alzheimer’s disease (AD). However, the rates of these processes are unknown and the identity of the rate-determining process in humans has therefore remained elusive. By bringing together chemical kinetics with measurements of tau seeds and aggregates across brain regions, we are able to quantify their replication rate in human brains. Remarkably, we obtain comparable rates in several different datasets, with 5 different methods of tau quantification, from seed amplification assays in vitro to tau PET studies in living patients. Our results suggest that the overall rate of accumulation of tau in neocortical regions is limited not by spreading between brain regions but by local replication, which doubles the number of seeds every ~5 years. Thus, we propose that limiting local replication constitutes the most promising strategy to control tau accumulation during AD.