Abstract Introduction Longitudinal imaging of neurodegenerative disorders is a potentially powerful biomarker for use in clinical trials. In Alzheimer's disease, studies have demonstrated that empirically derived regions of interest ( ROI s) can provide more reliable measurement of disease progression compared with anatomically defined ROI s. Methods We set out to derive ROI s with optimal effect size for quantifying longitudinal change in a hypothetical clinical trial by comparing atrophy rates in 44 patients with behavioral variant of frontotemporal dementia (bv FTD ), 30 with the semantic variant primary progressive aphasia (sv PPA ), and 26 with the nonfluent variant PPA (nfv PPA ) to atrophy in 97 cognitively healthy controls. Results The regions identified for each variant were generally what would be expected from prior studies of frontotemporal lobar degeneration ( FTLD ). Sample size estimates for detecting a 40% reduction in annual rate of ROI atrophy varied substantially across groups, being 103 per arm in bv FTD , 31 in nfv PPA , and 10 in sv PPA , but in all groups were less than those estimated for a priori ROI s and clinical measures. The variability in location of peak regions of atrophy across individuals was highest in bv FTD and lowest in sv PPA , likely relating to the differences in effect size. Conclusions These findings suggest that, while cross‐validated maps of change can improve sensitivity to change in FTLD compared with a priori regions, the reliability of these maps differs considerably across syndromes. Future studies can utilize these maps to design clinical trials, and should try to identify factors accounting for the variability in patterns of atrophy across individuals, particularly those with bv FTD .

Abstract Hexanucleotide repeat expansion (HRE) within C9orf72 is the most common genetic cause of frontotemporal dementia (FTD). Thalamic atrophy occurs in both sporadic and familial FTD but is thought to distinctly affect HRE carriers. Separately, emerging evidence suggests widespread de-repression of transposable elements (TEs) in the brain in several neurodegenerative diseases, including C9orf72 HRE-mediated FTD (C9-FTD). Whether TE activation can be measured in peripheral blood and how the reduction in peripheral C9orf72 expression observed in HRE carriers relates to atrophy and clinical impairment remain unknown. We used the FreeSurfer pipeline and its extensions to assess the effects of C9orf72 HRE and clinical diagnosis ( n = 78) on atrophy of thalamic nuclei. We also generated a novel, whole-blood RNA-seq dataset to determine the relationships between peripheral C9orf72 expression, TE activation, thalamic atrophy, and clinical severity ( n = 114). We confirmed global thalamic atrophy and reduced C9orf72 expression in HRE carriers. Moreover, we identified disproportionate atrophy of the right mediodorsal lateral nucleus in HRE carriers and showed that C9orf72 expression associated with clinical severity, independent of thalamic atrophy. Strikingly, we found global peripheral activation of TEs, including the human endogenous LINE-1 element, L1HS. L1HS levels were associated with atrophy of multiple pulvinar nuclei, a thalamic region implicated in C9-FTD. Integration of peripheral transcriptomic and neuroimaging data from HRE carriers revealed atrophy of specific thalamic nuclei; demonstrated that C9orf72 levels relate to clinical severity; and identified marked de-repression of TEs, including L1HS , which predicted atrophy of FTD-relevant thalamic nuclei. Significance Statement Pathogenic repeat expansion in C9orf72 is the most frequent genetic cause of frontotemporal dementia and amyotrophic lateral sclerosis (C9-FTD/ALS). The clinical, neuroimaging, and pathological features of C9-FTD/ALS are well-characterized, whereas the intersections of transcriptomic dysregulation and brain structure remain largely unexplored. Herein, we utilized a novel radiogenomic approach to examine the relationship between peripheral blood transcriptomics and thalamic atrophy, a neuroimaging feature disproportionately impacted in C9-FTD/ALS. We confirmed reduction of C9orf72 in blood and found broad dysregulation of transposable elements—genetic elements typically repressed in the human genome—in symptomatic C9orf72 expansion carriers, which associated with atrophy of thalamic nuclei relevant to FTD. C9orf72 expression was also associated with clinical severity, suggesting that peripheral C9orf72 levels capture disease-relevant information.

ABSTRACT Importance Identifying individuals at risk for developing Alzheimer’s disease (AD) is of utmost importance. Although genetic studies have identified APOE and other AD associated single nucleotide polymorphisms (SNPs), genetic information has not been integrated into an epidemiological framework for personalized risk prediction. Objective To develop, replicate and validate a novel polygenic hazard score for predicting age-specific risk for AD. Setting Multi-center, multi-cohort genetic and clinical data. Participants We assessed genetic data from 17,008 AD patients and 37,154 controls from the International Genetics of Alzheimer’s Project (IGAP), and 6,409 AD patients and 9,386 older controls from Phase 1 Alzheimer’s Disease Genetics Consortium (ADGC). As independent replication and validation cohorts, we also evaluated genetic, neuroimaging, neuropathologic, CSF and clinical data from ADGC Phase 2, National Institute of Aging Alzheimer’s Disease Center (NIA ADC) and Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) (total n = 20,680) Main Outcome(s) and Measure(s) Use the IGAP cohort to first identify AD associated SNPs (at p < 10 -5 ). Next, integrate these AD associated SNPs into a Cox proportional hazards model using ADGC phase 1 genetic data, providing a polygenic hazard score (PHS) for each participant. Combine population based incidence rates, and genotype-derived PHS for each individual to derive estimates of instantaneous risk for developing AD, based on genotype and age. Finally, assess replication and validation of PHS in independent cohorts. Results Individuals in the highest PHS quantiles developed AD at a considerably lower age and had the highest yearly AD incidence rate. Among APOE ε3/3 individuals, PHS modified expected age of AD onset by more than 10 years between the lowest and highest deciles. In independent cohorts, PHS strongly predicted empirical age of AD onset (p = 1.1 x 10 -26 ), longitudinal progression from normal aging to AD (p = 1.54 x 10 -10 ) and associated with markers of AD neurodegeneration. Conclusions We developed, replicated and validated a clinically usable PHS for quantifying individual differences in age-specific risk of AD. Beyond APOE , polygenic architecture plays an important role in modifying AD risk. Precise quantification of AD genetic risk will be useful for early diagnosis and therapeutic strategies.

In frontotemporal lobar degeneration (FTLD), pathological protein aggregation in specific brain regions is associated with declines in human-specialized social-emotional and language functions. In most patients, disease protein aggregates contain either TDP-43 (FTLD-TDP) or tau (FTLD-tau). Here, we explored whether FTLD-associated regional degeneration patterns relate to regional gene expression of human accelerated regions (HARs), conserved sequences that have undergone positive selection during recent human evolution. To this end, we used structural neuroimaging from patients with FTLD and human brain regional transcriptomic data from controls to identify genes expressed in FTLD-targeted brain regions. We then integrated primate comparative genomic data to test our hypothesis that FTLD targets brain regions linked to expression levels of recently evolved genes. In addition, we asked whether genes whose expression correlates with FTLD atrophy are enriched for genes that undergo cryptic splicing when TDP-43 function is impaired. We found that FTLD-TDP and FTLD-tau subtypes target brain regions with overlapping and distinct gene expression correlates, highlighting many genes linked to neuromodulatory functions. FTLD atrophy-correlated genes were strongly enriched for HARs. Atrophy-correlated genes in FTLD-TDP showed greater overlap with TDP-43 cryptic splicing genes and genes with more numerous TDP-43 binding sites compared with atrophy-correlated genes in FTLD-tau. Cryptic splicing genes were enriched for HAR genes, and vice versa, but this effect was due to the confounding influence of gene length. Analyses performed at the individual-patient level revealed that the expression of HAR genes and cryptically spliced genes within putative regions of disease onset differed across FTLD-TDP subtypes.

Frontotemporal dementia (FTD) is the most common cause of early-onset dementia with 10-20% of cases caused by mutations in one of three genes: GRN, C9orf72, or MAPT. To effectively develop therapeutics for FTD, the identification and characterization of biomarkers to understand disease pathogenesis and evaluate the impact of specific therapeutic strategies on the target biology as well as the underlying disease pathology are essential. Moreover, tracking the longitudinal changes of these biomarkers throughout disease progression is crucial to discern their correlation with clinical manifestations for potential prognostic usage.We conducted a comprehensive investigation of biomarkers indicative of lysosomal biology, glial cell activation, synaptic and neuronal health in cerebrospinal fluid (CSF) and plasma from non-carrier controls, sporadic FTD (symptomatic non-carriers) and symptomatic carriers of mutations in GRN, C9orf72, or MAPT, as well as asymptomatic GRN mutation carriers. We also assessed the longitudinal changes of biomarkers in GRN mutation carriers. Furthermore, we examined biomarker levels in disease impacted brain regions including middle temporal gyrus (MTG) and superior frontal gyrus (SFG) and disease-unaffected inferior occipital gyrus (IOG) from sporadic FTD and symptomatic GRN carriers.We confirmed glucosylsphingosine (GlcSph), a lysosomal biomarker regulated by progranulin, was elevated in the plasma from GRN mutation carriers, both symptomatic and asymptomatic. GlcSph and other lysosomal biomarkers such as ganglioside GM2 and globoside GB3 were increased in the disease affected SFG and MTG regions from sporadic FTD and symptomatic GRN mutation carriers, but not in the IOG, compared to the same brain regions from controls. The glial biomarkers GFAP in plasma and YKL40 in CSF were elevated in asymptomatic GRN carriers, and all symptomatic groups, except the symptomatic C9orf72 mutation group. YKL40 was also increased in SFG and MTG regions from sporadic FTD and symptomatic GRN mutation carriers. Neuronal injury and degeneration biomarkers NfL in CSF and plasma, and UCHL1 in CSF were elevated in patients with all forms of FTD. Synaptic biomarkers NPTXR, NPTX1/2, and VGF were reduced in CSF from patients with all forms of FTD, with the most pronounced reductions observed in symptomatic MAPT mutation carriers. Furthermore, we demonstrated plasma NfL was significantly positively correlated with disease severity as measured by CDR+NACC FTLD SB in genetic forms of FTD and CSF NPTXR was significantly negatively correlated with CDR+NACC FTLD SB in symptomatic GRN and MAPT mutation carriers.In conclusion, our comprehensive investigation replicated alterations in biofluid biomarkers indicative of lysosomal function, glial activation, synaptic and neuronal health across sporadic and genetic forms of FTD and unveiled novel insights into the dysregulation of these biomarkers within brain tissues from patients with GRN mutations. The observed correlations between biomarkers and disease severity open promising avenues for prognostic applications and for indicators of drug efficacy in clinical trials. Our data also implicated a complicated relationship between biofluid and tissue biomarker changes and future investigations should delve into the mechanistic underpinnings of these biomarkers, which will serve as a foundation for the development of targeted therapeutics for FTD.

Identifying asymptomatic older individuals at elevated risk for developing Alzheimer's disease (AD) is of clinical importance. Among 1,081 asymptomatic older adults, a recently validated polygenic hazard score (PHS) significantly predicted time to AD dementia and steeper longitudinal cognitive decline, even after controlling for APOE e4 carrier status. Older individuals in the highest PHS percentiles showed the highest AD incidence rates. PHS predicted longitudinal clinical decline among older individuals with moderate to high CERAD (amyloid) and Braak (tau) scores at autopsy, even among APOE e4 non-carriers. Beyond APOE, PHS may help identify asymptomatic individuals at highest risk for developing Alzheimer's neurodegeneration.

Abstract Background Emerging evidence from mouse models is beginning to elucidate the brain’s immune response to tau pathology, but little is known about the nature of this response in humans. In addition, it remains unclear to what extent tau pathology and the local inflammatory response within the brain influence the broader immune system. Methods To address these questions, we performed single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from carriers of pathogenic variants in MAPT , the gene encoding tau. Results Analysis of ∼181,000 individual PBMC transcriptomes from MAPT pathogenic variant carriers ( n = 8) and healthy non-carrier controls ( n = 8) demonstrated striking differential expression in monocytes and natural killer (NK) cells. We observed a marked reduction in the expression of CX3CR1 – the gene encoding the fractalkine receptor that is known to modulate tau pathology in mouse models – in monocytes and NK cells. We also observed a significant reduction in the abundance of nonclassical monocytes and dysregulated expression of nonclassical monocyte marker genes, including FCGR3A . Finally, we identified reductions in TMEM176A and TMEM176B , genes thought to be involved in the inflammatory response in human microglia. We confirmed differential expression of select biologically relevant genes dysregulated in our scRNA-seq data using droplet digital PCR as an orthogonal technique for quantitative validation. Conclusions Our results suggest that human peripheral immune cell expression and abundance are modulated by tau-associated pathophysiologic changes. CX3CR1 and nonclassical monocytes in particular will be a focus of future work exploring the role of these peripheral signals in additional tau-associated neurodegenerative diseases.

Abstract Whether activity in the autonomic nervous system differs during distinct emotions remains controversial. We obtained continuous multichannel recordings of autonomic nervous system activity in healthy adults during a video-based emotional reactivity task. Dimensionality reduction revealed five principal components in the autonomic time series data, and these modes of covariation differentiated periods of baseline from those of video-viewing. Unsupervised clustering of the principal component time series data uncovered separable autonomic states that distinguished among the five emotion-inducing trials. These autonomic states were also detected in baseline physiology but were intermittent and of smaller magnitude. Our results suggest the autonomic nervous system assembles dynamic activity patterns during emotions that are similar across people and are present even during undirected moments of rest. One Sentence Summary Dynamic autonomic patterns distinguish among emotions and are evident in resting physiology.

Background: Converging evidence suggests that immune-mediated dysfunction plays an important role in the pathogenesis of frontotemporal dementia (FTD). Although genetic studies have shown that immune-associated loci are associated with increased FTD risk, a systematic investigation of genetic overlap between immune-mediated diseases and the spectrum of FTD-related disorders has not been performed. Methods and findings: Using large genome-wide association studies (GWAS) (total n = 192,886 cases and controls) and recently developed tools to quantify genetic overlap/pleiotropy, we systematically identified single nucleotide polymorphisms (SNPs) jointly associated with 'FTD-related disorders' namely FTD, corticobasal degeneration (CBD), progressive supranuclear palsy (PSP), and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) - and one or more immune-mediated diseases including Crohn's disease (CD), ulcerative colitis (UC), rheumatoid arthritis (RA), type 1 diabetes (T1D), celiac disease (CeD), and psoriasis (PSOR). We found up to 270-fold genetic enrichment between FTD and RA and comparable enrichment between FTD and UC, T1D, and CeD. In contrast, we found only modest genetic enrichment between any of the immune-mediated diseases and CBD, PSP or ALS. At a conjunction false discovery rate (FDR) < 0.05, we identified numerous FTD-immune pleiotropic SNPs within the human leukocyte antigen (HLA) region on chromosome 6. By leveraging the immune diseases, we also found novel FTD susceptibility loci within LRRK2 (Leucine Rich Repeat Kinase 2), TBKBP1 (TANK-binding kinase 1 Binding Protein 1), and PGBD5 (PiggyBac Transposable Element Derived 5). Functionally, we found that expression of FTD-immune pleiotropic genes (particularly within the HLA region) is altered in postmortem brain tissue from patients with frontotemporal dementia and is enriched in microglia compared to other central nervous system (CNS) cell types. Conclusions: We show considerable immune-mediated genetic enrichment specifically in FTD, particularly within the HLA region. Our genetic results suggest that for a subset of patients, immune dysfunction may contribute to risk for FTD. These findings have potential implications for clinical trials targeting immune dysfunction in patients with FTD.

Abstract Background and Objectives Enlarged perivascular spaces (ePVS) have been previously reported in Cerebral Autosomal Dominant Arteriopathy with Subcortical Infarcts and Leucoencephalopathy (CADASIL), but their significance and pathophysiology remains unclear. We investigated associations of ePVS with classical imaging measures, cognitive measures and plasma proteins to better understand what ePVS represents in CADASIL and whether radiographic measures of ePVS would be of value in future therapeutic discovery studies for CADASIL. Methods 24 individuals with CADASIL and 24 age and sex matched controls were included. Disease status was determined based on presence of NOTCH3 mutation. Brain imaging measures of white matter hyperintensity (WMH), brain parenchymal fraction (BPF), ePVS volumes, clinical, and cognitive measures, as well as plasma proteomics were used in models. Global ePVS volumes were calculated via a novel, semi-automated pipeline and levels of 7363 proteins were quantified in plasma using the SomaScan assay. The relationship of ePVS with global burden of WMH, brain atrophy, functional status, neurocognitive measures, and plasma proteins were modelled with linear regression models. Results CADASIL and control groups did not exhibit differences in mean ePVS volumes. However, increased ePVS volumes in CADASIL were associated with increased WMH volume (β=0.57, p=0.05), Clinical Dementia Rating (CDR) Sum-of-Boxes score (β=0.49, p=0.04), and decreased brain parenchymal fraction (BPF) (β=-0.03, p=0.10). In interaction term models, the interaction term between CADASIL disease status and ePVS volume was associated with increased WMH volume (β=0.57, p=0.02), Clinical Dementia Rating (CDR) Sum-of-Boxes score (β=0.52, p=0.02), decreased BPF (β=-0.03, p=0.07) and Mini Mental State Examination (MMSE) score (β=-1.49, p=0.03). Proteins positively associated with ePVS volumes were found to be related to leukocyte migration and inflammation, while negatively associated proteins were related to lipid metabolism. Two central hub proteins were identified in protein networks associated with ePVS volumes: CXCL8/IL-8, and CCL2/MCP-1. The levels of CXCL8/IL8 were also associated with increased WMH volume (β=2.44, p < 0.01), and levels of CCL2/MCP-1 were further associated with decreased BPF (β=-0.0007, p < 0.01), MMSE score (β=-0.02, p < 0.01), and increased Trail Making Test B (TRAILB) completion time (β=0.76, p < 0.01). No protein was associated with all 3 studied imaging measures of pathology (BPF,ePVS,WMH). Discussion Based on associations uncovered between ePVS volumes and cognitive functions, imaging and plasma proteins, we conclude that ePVS volumes capture pathologies contributing to chronic brain dysfunction and degeneration in CADASIL, with relevance to future clinical trials for novel therapeutic discoveries to prevent decline and injury in individuals carrying NOTCH3 mutations.