Abstract White matter hyperintensities (WMHs) are clinically significant MRI abnormalities often detected in the elderly and early stages of Alzheimer’s Disease. They are indicative of vascular pathology but represent a mixture of microstructural tissue alterations that is highly variable between individuals. To better understand these alterations, we leveraged the signal of different MRI contrasts sampled within WMHs, which have differential sensitivity to microstructural properties. Subsequently, we sought to examine the asso of these WMH signal measures to clinically-relevant measures such as cortical and global brain atrophy, cognitive function, diagnostic and demographic differences, and Alzheimer’s Disease-relevant cardiovascular risk factors. Our sample of 118 subjects was composed of healthy controls ( n =30), high-risk of Alzheimer’s Disease due to familial history ( n =47), mild cognitive impairment ( n =32), and clinical Alzheimer’s Disease ( n =9) as a means of ascertaining a spectrum of impairment. We sampled the median signal within WMHs on weighted MRI images that are commonly acquired (T1-weighted [T1w], T2-weighted [T2w], T1w/T2w ratio, Fluid-Attenuated Inversion Recovery [FLAIR]), and the relaxation times from quantitative T1 (qT1) and T2* (qT2*) images. Main analyses were performed with a periventricular/deep/superficial white matter parcellation and were repeated with a lobar white matter parcellation. We demonstrated that the correlations between WMH signal measures were variable, suggesting that they are likely influenced by different microstructural properties. We observed that the WMH qT2* and FLAIR measures displayed different age- and disease-related trends compared to normal-appearing white matter, highlighting sensitivity to WMH-specific tissue deterioration. Further, WMH qT2* particularly in periventricular and occipital white matter regions was consistently associated with several of our clinical variables of interest using both parcellation schemes in univariate analyses, and further showed high contributions to a pattern of brain variables that was associated with age and cognitive variables in multivariate Partial Least Squares Correlation analyses. qT1 and FLAIR measures showed consistent clinical relationships in multivariate analyses only, while T1w, T2w, and T1w/T2w ratio measures were not consistently associated with clinical variables. We observed that the qT2* signal was sensitive to clinically-relevant microstructural tissue alterations specific to WMHs. Combining volumetric and signal measures of WMH, particularly qT2* and to a lesser extent qT1 and FLAIR, should be considered to more precisely characterize the severity of WMHs in vivo. These findings may have implications in determining the reversibility of WMHs and potential efficacy of cardio- and cerebrovascular treatments.

Abstract The study of the hippocampus across the healthy adult lifespan has rendered inconsistent findings. While volumetric measurements have often been a popular technique for analysis, more advanced morphometric techniques have demonstrated compelling results that highlight the importance and improved specificity of shape-based measures. Here, the MAGeT Brain algorithm was applied on 134 healthy individuals aged 18-81 years old to extract hippocampal subfield volumes and hippocampal shape measurements, notably: local surface area (SA) and displacement. We used linear, second or third order natural splines to examine the relationships between hippocampal measures and age. In addition, partial least squares analyses were performed to relate measurements with cognitive and demographic information. Volumetric results indicated a relative preservation of the right cornus ammonis 1 with age and a global volume reduction linked with older age, female sex, lower levels of education and cognitive performance. Vertex-wise analysis demonstrated an SA preservation in the anterior hippocampus with a peak during the sixth decade, while the posterior hippocampal SA gradually decreased across lifespan. Overall, SA decrease was linked to older age, female sex and, to a lesser extent lower levels of education and cognitive performance. Outward displacement in the lateral hippocampus and inward displacement in the medial hippocampus were enlarged with older age, lower levels of cognition and education, indicating an accentuation of the hippocampal “C” shape with age. Taken together, our findings suggest that vertex-wise analyses have higher spatial specifity and that sex, education and cognition are implicated in the differential impact of age on hippocampal subregions throughout its antero-posterior and medial-lateral axes.

Abstract The hippocampus has been extensively studied in various neuropsychiatric disorders throughout the lifespan. However, inconsistent results have been reported with respect to which subfield volumes are most related to age. Here, we investigate whether these discrepancies may be explained by experimental design differences that exist between studies. Multiple datasets were used to collect 1690 magnetic resonance scans from healthy individuals aged 18-95 years old. Standard T1-weighted (T1w; MPRAGE sequence, 1 mm 3 voxels), high-resolution T2-weighted (T2w; SPACE sequence, 0.64 mm 3 voxels) and slab T2-weighted (Slab; 2D turbo spin echo, 0.4 x 0.4 x 2 mm 3 voxels) images were acquired. The MAGeT Brain algorithm was used for segmentation of the hippocampal grey matter (GM) subfields and peri-hippocampal white matter (WM) subregions. Linear mixed-effect models and Akaike information criterion were used to examine linear, second or third order natural splines relationship between hippocampal volumes and age. We demonstrated that stratum radiatum/lacunosum/moleculare and fornix subregions expressed the highest relative volumetric decrease, while the cornus ammonis 1 presented a relative volumetric preservation of its volume with age. We also found that volumes extracted from slab images were often underestimated and demonstrated different age-related relationships compared to volumes extracted from T1w and T2w images. The current work suggests that although T1w, T2w and slab derived subfield volumetric outputs are largely homologous, modality choice plays a meaningful role in the volumetric estimation of the hippocampal subfields.

Abstract Cortical thickness (CT), gray-white matter contrast (GWC), boundary sharpness coefficient (BSC), and T1-weighted/T2-weighted ratio (T1w/T2w) are cortical metrics derived from standard T1- and T2-weighted magnetic resonance imaging (MRI) images that are often interpreted as representing or being influenced by intracortical myelin content. However, there is little empirical evidence to justify these interpretations nor have the homologies or differences between these measures been examined. We examined differences and similarities in group mean and age-related trends with the underlying hypothesis that different measures sensitive to similar changes in underlying myelo- and microstructural processes should be highly related. We further probe their sensitivity to cellular organization using the BigBrain, a high-resolution digitized volume stemming from a whole human brain histologically stained for cell bodies with the Merker stain. The measures were generated on both the MRI-derived images of 127 healthy subjects, aged 18 to 81, and on the BigBrain volume using cortical surfaces that were generated with the CIVET 2.1.0 pipeline. Comparing MRI markers between themselves, our results revealed generally high overlap in spatial distribution (i.e., group mean), but mostly divergent age trajectories in the shape, direction, and spatial distribution of the linear age effect. Significant spatial relationships were found between the BSC and GWC and their BigBrain equivalent, as well as a correlation approaching significance between the BigBrain intensities and the T1w/T2w ratio in gray matter (GM) both sampled at half cortical depth. We conclude that the microstructural properties at the source of spatial distributions of MRI cortical markers (e.g. GM myelin) can be different from microstructural changes that affect these markers in aging. While our findings highlight a discrepancy in the interpretation of the biological underpinnings of the cortical markers, they also highlight their potential complementarity, as they are largely independent in aging. Our BigBrain results indicate a general trend of GM T1w signal and myelin being spatially related to the density of cells, which is possibly more pronounced in superficial cortical layers. Highlights – Different MRI cortical markers aim to represent myelin and microstructure – These markers show high spatial overlap, but mostly divergent age trajectories – It is unlikely that myelin changes are the source of the age effect for all markers – Trend of MRI signal being related to cell density in more superficial cortical layers

Alzheimer's disease (AD) is primarily characterized by the accumulation of amyloid and tau pathologies. However, alterations in the detailed organization and composition of neural tissue also contribute to the disease's early stages. Here, we sought to explore whether hippocampal and cortical microstructural changes, such as myelin alterations and inflammation-mediated increases in iron, could serve as indices of AD-related pathophysiology. In this study, we included 158 participants across the AD spectrum: from individuals without cognitive impairment, at high risk for AD, in the prodromal phase with mild cognitive impairment, and suffering from clinical dementia. We measured atrophy using structural magnetic resonance imaging (MRI) and estimated myelin and iron content using quantitative MRI (qMRI) metrics derived from T1 and T2* relaxation, times respectively. We integrated these contrasts to estimate a joint multivariate signature of tissue alterations across the cortex and hippocampus using non-negative matrix factorization. The relevance of these signatures to AD-spectrum measures of medical history, lifestyle, and cognition were further explored using partial least squares correlation. Our results reveal lower disease-related cortical thickness over large areas of the cortex while T2* provided specific variation across the brain (lower in dorsomedial and superior temporal areas, superior frontal cortex, and premotor cortex, and higher in the occipital lobe). Additionally, we observed longer T1 and T2* times in the hippocampus associated with specific lifestyle risk factors like past smoking, high blood pressure, high cholesterol levels, and higher anxiety. These patterns were significantly related to older age, associated with AD progression, being female, and being an APOE-ϵ4 carrier. Taken together, our results suggest that qMRI metrics could serve as a valuable non-invasive tool for exploring the role of myelin and inflammation in AD-related pathophysiology and could be sensitive to modifiable risk factors related to lifestyle and medical history. Future studies may use these signatures to investigate their relationship in investigations related to lifestyle interventions or novel therapeutics.