Summary Alzheimer’s disease (AD), the leading cause of dementia, affects millions of people worldwide. With no disease-modifying medication currently available, the human toll and economic costs are rising rapidly. Under current standards, a patient is diagnosed with AD when both cognitive decline and pathology (amyloid plaques and neurofibrillary tangles) are present. Remarkably, some individuals who have AD pathology remain cognitively normal. Uncovering factors that lead to “cognitive resilience” to AD is a promising path to create new targets for therapies. However, technical challenges discovering novel human resilience factors limit testing, validation, and nomination of novel drugs for AD. In this study, we use single-nucleus transcriptional profiles of postmortem cortex from human individuals with high AD pathology who were either cognitively normal (resilient) or cognitively impaired (susceptible) at time of death, as well as mouse strains that parallel these differences in cognition with high amyloid load. Our cross-species discovery approach highlights a novel role for excitatory layer 4/5 cortical neurons in promoting cognitive resilience to AD, and nominates several resilience genes that include ATP1A1 , GRIA3 , KCNMA1 , and STXBP1 . This putative cell type has been implicated in resilience in previous studies on bulk RNA-seq tissue, but our single-nucleus and cross-species approach identifies particular resilience-associated gene signatures in these cells. These novel resilience candidate genes were tested for replication in orthogonal data sets and confirmed to be correlated with cognitive resilience. Based on these gene signatures, we identified several potential mechanisms of resilience, including regulation of synaptic plasticity, axonal and dendritic development, and neurite vesicle transport along microtubules that are potentially targetable by available therapeutics. Because our discovery of resilience-associated genes in layer 4/5 cortical neurons originates from an integrated human and mouse transcriptomic space from susceptible and resilient individuals, we are positioned to test causality and perform mechanistic, validation, and pre-clinical studies in our human-relevant AD-BXD mouse panel.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is associated with heterogeneous atrophy patterns. We employed a semi-supervised clustering technique known as Surreal-GAN, through which we identified two dominant dimensions of brain atrophy in symptomatic mild cognitive impairment (MCI) and AD patients: the “diffuse-AD” (R1) dimension shows widespread brain atrophy, and the “MTL-AD” (R2) dimension displays focal medial temporal lobe (MTL) atrophy. Critically, only R2 was associated with widely known sporadic AD genetic risk factors (e.g., APOE ε4 ) in MCI and AD patients at baseline. We then independently detected the presence of the two dimensions in the early stages by deploying the trained model in the general population and two cognitively unimpaired cohorts of asymptomatic participants. In the general population, genome-wide association studies found 77 genes unrelated to APOE differentially associated with R1 and R2. Functional analyses revealed that these genes were overrepresented in differentially expressed gene sets in organs beyond the brain (R1 and R2), including the heart (R1) and the pituitary gland, muscle, and kidney (R2). These genes were enriched in biological pathways implicated in dendritic cells (R2), macrophage functions (R1), and cancer (R1 and R2). Several of them were “druggable genes” for cancer (R1), inflammation (R1), cardiovascular diseases (R1), and diseases of the nervous system (R2). The longitudinal progression showed that APOE ε4 , amyloid, and tau were associated with R2 at early asymptomatic stages, but this longitudinal association occurs only at late symptomatic stages in R1. Our findings deepen our understanding of the multifaceted pathogenesis of AD beyond the brain. In early asymptomatic stages, the two dimensions are associated with diverse pathological mechanisms, including cardiovascular diseases, inflammation, and hormonal dysfunction – driven by genes different from APOE – which may collectively contribute to the early pathogenesis of AD.

Abstract Quantifying the microstructural and macrostructural geometrical features of the human brain’s connections is necessary for understanding normal aging and disease. Here, we examine brain white matter diffusion magnetic resonance imaging data from one cross-sectional and two longitudinal datasets totaling in 1184 subjects and 2236 sessions of people aged 50-97 years. Data was drawn from well-established cohorts, including the Baltimore Longitudinal Study of Aging dataset, Cambridge Centre for Ageing Neuroscience dataset, and the Vanderbilt Memory & Aging Project. Quantifying 4 microstructural features and, for the first time, 11 macrostructure-based features of volume, area, and length across 120 white matter pathways, we apply linear mixed effect modeling to investigate changes in pathway-specific features over time, and document large age associations within white matter. Conventional diffusion tensor microstructure indices are the most age-sensitive measures, with positive age associations for diffusivities and negative age associations with anisotropies, with similar patterns observed across all pathways. Similarly, pathway shape measures also change with age, with negative age associations for most length, surface area, and volume-based features. A particularly novel finding of this study is that while trends were homogeneous throughout the brain for microstructure features, macrostructural features demonstrated heterogeneity across pathways, whereby several projection, thalamic, and commissural tracts exhibited more decline with age compared to association and limbic tracts. The findings from this large-scale study provide a comprehensive overview of the age-related decline in white matter and demonstrate that macrostructural features may be more sensitive to heterogeneous white matter decline. Therefore, leveraging macrostructural features may be useful for studying aging and could have widespread implications for a variety of neurodegenerative disorders.

It is estimated that short association fibers, or 'U-shaped' fibers running immediately beneath the cortex, may make up as much as 60% of the total white matter volume. However, these have been understudied relative to the long-range association, projection, and commissural fibers of the brain. This is largely because of limitations of diffusion MRI fiber tractography, which is the primary methodology used to non-invasively study the white matter connections. Inspired by recent anatomical considerations and methodological improvements in U-fiber tractography, we aim to characterize changes in these fiber systems in cognitively normal aging, which provide insight into the biological foundation of age-related cognitive changes, and a better understanding of how age-related pathology differs from healthy aging. To do this, we used three large, longitudinal and cross-sectional datasets (N = 1293 subjects, 2711 sessions) to quantify microstructural features and length/volume features of several U-fiber systems. We find that axial, radial, and mean diffusivities show positive associations with age, while fractional anisotropy has negative associations with age in superficial white matter throughout the entire brain. These associations were most pronounced in the frontal, temporal, and temporoparietal regions. Moreover, measures of U-fiber volume and length decrease with age in a heterogenous manner across the brain, with prominent effects observed for pre- and post-central gyri. These features, and their variations with age, provide the background for characterizing normal aging, and, in combination with larger association pathways and gray matter microstructural features, may provide insight into fundamental mechanisms associated with aging and cognition.

Abstract Changes in high-affinity nicotinic acetylcholine receptors are intricately connected to neuropathology in Alzheimer’s Disease (AD). Protective and cognitive-enhancing roles for the nicotinic α5 subunit have been identified, but this gene has not been closely examined in the context of human aging and dementia. Therefore, we investigate the nicotinic α5 gene CHRNA5 and the impact of relevant single nucleotide polymorphisms (SNPs) in prefrontal cortex from 922 individuals with matched genotypic and post-mortem RNA sequencing in the Religious Orders Study and Memory and Aging Project (ROS/MAP). We find that a genotype robustly linked to increased expression of CHRNA5 (rs1979905A2) predicts significantly reduced cortical β-amyloid load. Intriguingly, co-expression analysis suggests CHRNA5 has a distinct cellular expression profile compared to other nicotinic receptor genes. Consistent with this prediction, single nucleus RNA sequencing from 22 individuals reveals CHRNA5 expression is disproportionately-elevated in chandelier neurons, a distinct subtype of inhibitory neuron known for its role in excitatory/inhibitory (E/I) balance. We show that chandelier neurons are enriched in amyloid-binding proteins compared to basket cells, the other major subtype of PVALB-positive interneurons. Consistent with the hypothesis that nicotinic receptors in chandelier cells normally protect against β-amyloid, cell-type proportion analysis from 549 individuals reveals these neurons show amyloid-associated vulnerability only in individuals with impaired function/trafficking of nicotinic α5-containing receptors due to homozygosity of the missense CHRNA5 SNP (rs16969968A2). Taken together, these findings suggest that CHRNA5 and its nicotinic α5 subunit exert a neuroprotective role in aging and Alzheimer’s disease centered on chandelier interneurons.

Dense genotype data and thousands of phenotypes from large biobanks, coupled with increasingly accessible summary association statistics from genome-wide association studies (GWAS), provide great opportunities to dissect the complex relationships among human traits and diseases. We introduce BADGERS, a powerful method to perform polygenic score-based biobank-wide scans for disease-trait associations. Compared to traditional regression approaches, BADGERS uses GWAS summary statistics as input and does not require multiple traits to be measured on the same cohort. We applied BADGERS to two independent datasets for Alzheimer's disease (AD; N=61,212). Among the polygenic risk scores (PRS) for 1,738 traits in the UK Biobank, we identified 48 significant trait PRSs associated with AD after adjusting for multiple testing. Family history, high cholesterol, and numerous traits related to intelligence and education showed strong and independent associations with AD. Further, we identified 41 significant PRSs associated with AD endophenotypes. While family history and high cholesterol were strongly associated with neuropathologies and cognitively-defined AD subgroups, only intelligence and education-related traits predicted pre-clinical cognitive phenotypes. These results provide novel insights into the distinct biological processes underlying various risk factors for AD.

It is unclear how rates of white matter microstructural decline differ between normal aging and abnormal aging.Diffusion MRI data from several well-established longitudinal cohorts of aging [Alzheimer's Neuroimaging Initiative (ADNI), Baltimore Longitudinal Study of Aging (BLSA), Vanderbilt Memory & Aging Project (VMAP)] was free-water corrected and harmonized. This dataset included 1,723 participants (age at baseline: 72.8±8.87 years, 49.5% male) and 4,605 imaging sessions (follow-up time: 2.97±2.09 years, follow-up range: 1-13 years, mean number of visits: 4.42±1.98). Differences in white matter microstructural decline in normal and abnormal agers was assessed.While we found global decline in white matter in normal/abnormal aging, we found that several white matter tracts (e.g., cingulum bundle) were vulnerable to abnormal aging.There is a prevalent role of white matter microstructural decline in aging, and future large-scale studies in this area may further refine our understanding of the underlying neurodegenerative processes.Longitudinal data was free-water corrected and harmonizedGlobal effects of white matter decline were seen in normal and abnormal agingThe free-water metric was most vulnerable to abnormal agingCingulum free-water was the most vulnerable to abnormal aging.

Data harmonization is necessary for removing confounding effects in multi-site diffusion image analysis. One such harmonization method, LinearRISH, scales rotationally invariant spherical harmonic (RISH) features from one site ("target") to the second ("reference") to reduce confounding scanner effects. However, reference and target site designations are not arbitrary and resultant diffusion metrics (fractional anisotropy, mean diffusivity) are biased by this choice. In this work we propose MidRISH: rather than scaling reference RISH features to target RISH features, we project both sites to a mid-space.We validate MidRISH with the following experiments: harmonizing scanner differences from 37 matched patients free of cognitive impairment, and harmonizing acquisition and study differences on 117 matched patients free of cognitive impairment.MidRISH reduces bias of reference selection while preserving harmonization efficacy of LinearRISH.Users should be cautious when performing LinearRISH harmonization. To select a reference site is to choose diffusion metric effect-size. Our proposed method eliminates the bias-inducing site selection step.

Abstract The cell-type specific role of the vascular endothelial growth factors (VEGFs) in the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) is not well characterized. In this study, we utilized a single-nucleus RNA sequencing dataset from Dorsolateral Prefrontal Cortex (DLFPC) of 424 donors from the Religious Orders Study and Memory and Aging Project (ROS/MAP) to investigate the effect of 10 VEGF genes ( VEGFA, VEGFB, VEGFC, VEGFD, PGF, FLT1, FLT4, KDR, NRP1 , and NRP2 ) on AD endophenotypes. Mean age of death was 89 years, among which 68% were females, and 52% has AD dementia. Negative binomial mixed models were used for differential expression analysis and for association analysis with β-amyloid load, PHF tau tangle density, and both cross-sectional and longitudinal global cognitive function. Intercellular VEGF-associated signaling was profiled using CellChat. We discovered prefrontal cortical FLT1 expression was upregulated in AD brains in both endothelial and microglial cells. Higher FLT1 expression was also associated with worse cross-sectional global cognitive function, longitudinal cognitive trajectories, and β-amyloid load. Similarly, higher endothelial FLT4 expression was associated with more β-amyloid load. In contrast to the receptors, VEGFB showed opposing effects on β-amyloid load whereby higher levels in oligodendrocytes was associated with high amyloid burden, while higher levels in inhibitory neurons was associated with lower amyloid burden. Finally, AD cells showed significant reduction in overall VEGF signaling comparing to those from cognitive normal participants. Our results highlight key changes in VEGF receptor expression in endothelial and microglial cells during AD, and the potential protective role of VEGFB in neurons.

Alzheimer's disease (AD) is a prevalent and costly age-related dementia. Heritable factors account for 58-79% of variation in late-onset AD, but substantial variation remains in age-of-onset, disease severity, and whether those with high-risk genotypes acquire AD. To emulate the diversity seen in human populations, we utilized the AD-BXD mouse panel. This genetically diverse resource combines AD genotypes with multiple BXD strains to discover new genetic drivers of AD resilience. By comparing AD-BXD carriers to noncarrier littermates, we computed a novel quantitative metric for resilience to cognitive decline in the AD-BXD. Our quantitative AD resilience trait was heritable and genetic mapping identified a locus on chr8 associated with resilience to AD. Using a hippocampus proteomics dataset, we nominated the mitochondrial glutathione S reductase protein (GR or GSHR) as a resilience factor, finding that the DBA/2J genotype was associated with a substantially higher level of GR expression. By mapping protein QTLs (pQTLs), we identified synaptic organization and mitochondrial proteins coregulated in trans with a cis-pQTL for GR. Using the paraclique enrichment method, we found four coexpression modules related to cell structure, protein folding, and postsynaptic densities that correlated with the quantitative resilience score in aged 5XFAD mice. Finally, we found significant positive associations between human GSR transcript abundance in the brain and better outcomes on AD-related cognitive and pathology traits in the Religious Orders Study/Memory and Aging project (ROSMAP). Taken together, these data support a framework for resilience in which neuronal antioxidant pathway activity provides for stability of synapses within the hippocampus.