Shifts in brain regions with brain size Brain size among normal humans varies as much as twofold. Reardon et al. surveyed the cortical and subcortical structure of more than 3000 human brains by noninvasive imaging (see the Perspective by Van Essen). They found that the scaling of different regions across the range of brain sizes is not consistent: Some brain regions are metabolically costly and are favored in larger brains. This shifts the balance between associative and sensorimotor brain systems in a brain size–dependent way. Science , this issue p. 1222 ; see also p. 1184

Abstract Episodic memory impairment is a consistent, pronounced deficit in pre-clinical stages of late-onset Alzheimer’s disease (AD). Individuals with risk factors for AD exhibit altered brain function several decades prior to the onset of AD-related symptoms. In the current event-related fMRI study of spatial context memory we tested the hypothesis that middle-aged adults (MA; 40-58yrs) with a family history of late onset AD (MA +FH ), or a combined +FH and apolipoprotein E ε4 allele risk factors for AD (MA +FH+APOE4 ), will exhibit differences in encoding and retrieval-related brain activity, compared to – FH –APOE4 MA controls. We also hypothesized that the two at-risk MA groups will exhibit distinct patterns of correlation between brain activity and memory performance, compared to controls. To test these hypotheses we conducted multivariate task, and behavior, partial least squares analysis of fMRI data obtained during successful context encoding and retrieval. Our results indicate that even though there were no significant group differences in context memory performance, there were significant differences in brain activity and brain-behavior correlations involving hippocampus, inferior parietal cortex, cingulate, and precuneus in MA with AD risk factors, compared to controls. In addition, we observed that brain activity and brain-behavior correlations in anterior-medial PFC and in ventral visual cortex differentiated the two MA risk groups from each other, and from MA controls . Our results indicate that functional differences in episodic memory-related regions are present by early midlife in adults with +FH and +APOE-4 risk factors for late onset AD, compared to middle-aged controls.

Abstract Many magnetic resonance imaging (MRI) indices are being studied longitudinally to explore topics such as biomarker detection and clinical staging. A pertinent concern to longitudinal work is MRI scanner upgrades. When upgrades occur during the course of a longitudinal MRI neuroimaging investigation, there may be an impact on the compatibility of pre- and post-upgrade measures. Similarly, subject motion is another issue that may be detrimental to longitudinal MRI work; however, embedding volumetric navigators (vNavs) within acquisition sequences has emerged as a technique that allows for prospective motion correction. Our research group recently implemented an upgrade from a Siemens MAGNETOM 3T Trio system to a Siemens MAGNETOM 3T Prisma Fit system. The goals of the current work were to: 1) investigate the impact of this upgrade on commonly used structural imaging measures and proton magnetic resonance spectroscopy indices (“Prisma Upgrade protocol”) and 2) examine structural imaging measures in a sequence with vNavs alongside a standard acquisition sequence (“vNav protocol”). In both protocols, while high reliability was observed for most of the investigated MRI outputs, suboptimal reliability was observed for certain indices. Across the scanner upgrade, increases in frontal, temporal, and cingulate cortical thickness (CT) and thalamus volume, along with decreases in parietal CT, amygdala, globus pallidus, hippocampus, and striatum volumes were observed across the Prisma upgrade, and were linked to increases in signal-to-noise ratios. No significant impact of the upgrade was found in 1 H-MRS analyses. Further, CT estimates were found to be larger in MPRAGE acquisitions compared to vNav-MPRAGE acquisitions mainly within temporal areas, while the opposite was found mostly in parietal brain regions. The results from this work should be considered in longitudinal study designs and comparable prospective motion correction investigations are warranted in cases of marked head movement.

Abstract The sources of inter- and intra-individual variability in age-related cognitive decline remain poorly understood. We examined the association between 20-year trajectories of cognitive decline and multimodal brain structure and morphology in older age. We used the Whitehall II Study, an extensively characterised cohort with 3T brain magnetic resonance images acquired at older age (mean age = 69.52± 4.9) and 5 repeated cognitive performance assessments between mid-life (mean age = 53.2 ±4.9 years) and late-life (mean age = 67.7 ±4.9). Using non-negative matrix factorization, we identified 10 brain components integrating cortical thickness, surface area, fractional anisotropy, and mean and radial diffusivities. We observed two latent variables describing distinct brain-cognition associations. The first describes variations in 5 structural components associated with low mid-life performance across multiple cognitive domains, decline in reasoning, but maintenance of fluency abilities. The second describes variations in 6 structural components associated with low mid-life performance in fluency and memory, but retention of multiple abilities. Expression of latent variables predicts future cognition 3.2 years later (mean age = 70.87 ±4.9). This data-driven approach highlights brain-cognition relationships wherein individuals degrees of cognitive decline and maintenance across diverse cognitive functions that are both positively and negatively associated with cortical structure.

Abstract Autism spectrum disorder (ASD) is associated with atypical brain development. However, the phenotype of regionally specific increased cortical thickness observed in ASD may be driven by several independent biological processes that influence the gray/white matter boundary, such as synaptic pruning, myelination, or atypical migration. Here, we propose to use the boundary sharpness coefficient (BSC), a proxy for alterations in microstructure at the cortical gray/white matter boundary, to investigate brain differences in individuals with ASD, including factors that may influence ASD-related heterogeneity (age, sex, and intelligence quotient). Using a vertex-based meta-analysis and a large multi-center magnetic resonance structural imaging (MRI) dataset, with a total of 1136 individuals, 415 with ASD (112 female; 303 male) and 721 controls (283 female; 438 male), we observed that individuals with ASD had significantly greater BSC in the bilateral superior temporal gyrus and left inferior frontal gyrus indicating an abrupt transition (high contrast) between white matter and cortical intensities. Increases were observed in different brain regions in males and females, with larger effect sizes in females. Individuals with ASD under 18 had significantly greater BSC in the bilateral superior temporal gyrus and right postcentral gyrus; individuals with ASD over 18 had significantly increased BSC in the bilateral precuneus and superior temporal gyrus. BSC correlated with ADOS-2 CSS in individuals with ASD in the right medial temporal pole. Importantly, there was a significant spatial overlap between maps of the effect of diagnosis on BSC when compared to cortical thickness. These results invite studies to use BSC as a possible new measure of cortical development in ASD and to further examine the microstructural underpinnings of BSC-related differences and their impact on measures of cortical morphology.

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 The striatum is a major subcortical connection hub that has been heavily implicated in a wide array of motor and cognitive functions. Here, we developed a normative multimodal, data-driven microstructural parcellation of the striatum using multiple magnetic resonance imaging-based metrics (mean diffusivity, fractional anisotropy, and the ratio between T1- and T2-weighted structural) from the Human Connectome Project Young Adult dataset (n=329 unrelated participants, age range: 22-35, F/M: 185/144). We further explored the biological and functional relationships of this parcellation by relating our findings to motor and cognitive performance in tasks known to involve the striatum as well as demographics. We identified 5 spatially distinct striatal components, for each hemisphere. We also show the gain in component stability when using multimodal versus unimodal metrics. Our findings suggest distinct microstructural patterns in the human striatum that are largely symmetric and that relate mostly to age and sex. Our work also highlights the putative functional relevance of these striatal components to different designations based on a Neurosynth meta-analysis.

Abstract Dye is one of the major pollutions around the whole world which have adverse effects on the environment and human beings. There is a requirement for an efficient, reliable, sustainable, and eco-friendly approach to the removal of dyes. In the present research, three individual bacterial strains Enterobacter aerogenes (MBX6), Klebsiella pneumoniae (MBC34), and Micrococcus luteus (MBC23) and their consortium was used to remove Methyl Red (MR) dye. The dye removal was observed at different initial concentrations of dye, nutrient media, additives in the nutrient media and sugarcane bagasse extract as a bacterial growth medium. The outcomes of the study showed that the bacterial consortium exhibits better removal efficiencies (63.6%) than individual bacterial strains and the dye removal percentage (75.19%) enhanced with increasing concentration of sucrose (3%) which was used as media additive. The addition of the sugar in nutrient medium resulted in more effective dye removal. The maximum removal of MR dye (98.6%) was achieved when the consortium was grown in a media containing pure sugarcane bagasse extract. The use of sugarcane bagasse extract (agricultural waste product) as a novel growth medium for the cultivation of bacteria possessing dye removal capabilities can offer a sustainable and cost-effective solution for industrial wastewater treatment.

Abstract Understanding the relationship between the structural and functional architecture of the human brain remains a key question in neuroscience. In this regard variation in cortical myelin may provide key insights into the functional organization. Previous findings have demonstrated that regions sharing myeloarchitectonic features are also likely to be structurally and functionally connected. However, this association is not uniform for all regions. For example, the strength of the association, or ‘coupling’, between microstructure and function is regionally heterogeneous, with strong coupling in primary cortices but weaker coupling in higher order transmodal cortices. However, the bases of these observations have been typically made at the group level, leaving much to be understood regarding the individual-level behavioural relevance of microstructural-functional coupling variability. To examine this critical question, we apply a multivariate framework to a combination of high-resolution structural, diffusion, and functional magnetic resonance imaging (MRI) data in a sample of healthy young adults. We identify four distinct patterns of coupling variation that vary across individuals. Remarkably, we find that while microstructural-functional coupling is consistently strong in primary cortices, significant variation in transmodal cortices exists. Importantly, we identified coupling variability maps and their association with behaviour that demonstrate the existence of latent dimensions of variability related to inter-individual performance on cognitive tasks. These findings suggest that the existence of behaviourally relevant coupling variation is a key principle for brain organization.