Abstract Individuals with Alzheimer’s Disease (AD) experience circadian rhythm disorder. The circadian rhythm is synchronized by a master clock, the suprachiasmatic nucleus (SCN), which is a tiny hypothalamic nucleus. Little is known about the molecular and pathological changes that occur in the SCN during AD progression. We examined postmortem brains of 12 controls without AD neuropathological changes (Braak stage 0) and 36 subjects at progressive Braak stages (I, II, and VI). To investigate potential AD-specific changes, we measured the neuronal counts of arginine vasopressin (AVP) and vasoactive intestinal peptide (VIP) positive neurons, along with the Braak stages in the SCN. We investigated in adjacent hypothalamic nuclei which are also composed of AVP+ neurons but show more resilience to AD: paraventricular nucleus (PVN) and supraoptic nucleus (SON). To understand the dysregulated proteins associated to AD progression, we performed in-situ proteomics, investigating 57 proteins, including commonly dysregulated in AD, using GeoMx Digital Spatial Profiling (DSP) in the three nuclei (total of 703 area of interests). Neurofibrillary tangles (NFTs) and tau fibrils were found selectively in SCN. We failed to detect NFTs in SON, only a mild dysregulation of p-tau at Braak VI in PVN and SON. Amyloid plaque was absent in the SCN and SON. Additionally, the SCN showed increased glial proteins already at Braak stage I, whereas the level of these proteins sustained in the other nuclei. The SCN is exclusively vulnerable to AD-tau pathology and show immune dysregulation even at Braak I but is protected against amyloid plaque. This finding revealed selectively in amnestic AD, showing more resilience in AD variant. This tau-related molecular dysregulation in the SCN contributes to circadian rhythm disturbances in AD, a phenomenon observed before the onset of cognitive disorder.

Background Sleep-wake dysfunction is an early and common event in Alzheimer’s disease (AD). The lateral hypothalamic area (LHA) regulates the sleep and wake cycle through wake-promoting orexinergic neurons (Orx N ) and sleep-promoting melanin-concentrating hormone or MCHergic neurons (MCH N ). These neurons share close anatomical proximity with functional reciprocity. This study investigated LHA Orx N and MCH N loss patterns in AD individuals. Understanding the degeneration pattern of these neurons will be instrumental in designing potential therapeutics to slow down the disease progression and remediate the sleep-wake dysfunction in AD. Methods Postmortem human brain tissue from donors with AD (across progressive stages) and controls were examined using unbiased stereology. Formalin-fixed, celloidin-embedded hypothalamic sections were stained with Orx-A/MCH, p-tau (CP13), and counterstained with gallocyanin. Orx or MCH-positive neurons with or without CP13 inclusions and gallocyanin-stained neurons were considered for stereology counting. Additionally, we extracted RNA from the LHA using conventional techniques. We used customized Neuropathology and Glia nCounter ® (Nanostring) panels to study gene expression. Wald statistical test was used to compare the groups, and the genes were considered differentially expressed when the p-value was <.05. Results We observed a progressive decline in Orx N alongside a relative preservation of MCH N . Orx N decreased by 58% (p=.03) by Braak stages (BB) 1-2 and further declined to 81% (p=.03) by BB 5-6. Conversely, MCH N demonstrated a non-statistical significant decline (27%, p=.1088) by BB 6. We observed a progressive increase in differentially expressed genes (DEGs), starting with glial profile changes in BB2. While Orx N loss was observed, Orx-related genes showed upregulation in BB 3-4 compared to BB 0-1. GO and KEGG terms related to neuroinflammatory pathways were mainly enriched. Conclusions To date, Orx N loss in the LHA represents the first neuronal population to die preceding the loss of LC neurons. Conversely, MCHN shows resilience to AD p-tau accumulation across Braak stages. The initial loss of Orx N correlates with specific neuroinflammation, glial profile changes, and overexpression of HCRT, possibly due to hyperexcitation following compensation mechanisms. Interventions preventing Orx N loss and inhibiting p-tau accumulation in the LHA could prevent neuronal loss in AD and, perhaps, the progression of the disease.