Attentional effort relates to the allocation of limited-capacity attentional resources to meet current task demands and involves the activation of top-down attentional systems in the brain. Pupillometry is a sensitive measure of this intensity aspect of top-down attentional control. Studies relate pupillary changes in response to cognitive processing to activity in the locus coeruleus (LC), which is the main hub of the brain's noradrenergic system and it is thought to modulate the operations of the brain's attentional systems. In the present study, participants performed a visual divided attention task known as multiple object tracking (MOT) while their pupil sizes were recorded by use of an infrared eye tracker and then were tested again with the same paradigm while brain activity was recorded using fMRI. We hypothesized that the individual pupil dilations, as an index of individual differences in mental effort, as originally proposed by Kahneman (1973), would be a better predictor of LC activity than the number of tracked objects during MOT. The current results support our hypothesis, since we observed pupil-related activity in the LC. Moreover, the changes in the pupil correlated with activity in the superior colliculus and the right thalamus, as well as cortical activity in the dorsal attention network, which previous studies have shown to be strongly activated during visual tracking of multiple targets. Follow-up pupillometric analyses of the MOT task in the same individuals also revealed that individual differences to cognitive load can be remarkably stable over a lag of several years. To our knowledge this is the first study using pupil dilations as an index of attentional effort in the MOT task and also relating these to functional changes in the brain that directly implicate the LC-NE system in the allocation of processing resources.

Abstract There is evidence for a hippocampal long axis anterior-posterior (AP) differentiation in memory processing, which may have implications for the changes in episodic memory performance typically seen across development and aging. The hippocampal formation shows substantial structural changes with age, but the lifespan trajectories of hippocampal sub-regions along the AP axis are not established. The aim of the present study was to test whether the micro- and macro-structural age-trajectories of the anterior (aHC) and posterior (pHC) hippocampus are different. In a single-center longitudinal study, 1790 cognitively healthy participants, 4.1-93.4 years of age, underwent a total of 3367 MRI examinations and 3033 memory tests sessions over 1-6 time points, spanning an interval up to 11.1 years. T1-weighted scans were used to estimate the volume of aHC and pHC, and diffusion tensor imaging to measure mean diffusion (MD) within each region. We found that the macro- and microstructural lifespan-trajectories of aHC and pHC were clearly distinguishable, with partly common and partly unique variance shared with age. aHC showed a protracted period of microstructural development, while pHC microstructural development as indexed by MD was more or less completed in early childhood. In contrast, pHC showed larger unique aging-related changes. A similar aHC – pHC difference was observed for volume, although not as evident as for microstructure. All sub-regions showed age-dependent relationships to episodic memory function. For aHC micro- and macrostructure, the relationships to verbal memory performance varied significantly with age, being stronger among the older participants. Future research should disentangle the relationship between these structural properties and different memory processes – encoding vs. retrieval in particular – across the lifespan.

Abstract Cortical asymmetry is a ubiquitous feature of brain organization that is subtly altered in some neurodevelopmental disorders, yet we lack knowledge of how its development proceeds across life in health. Achieving consensus on the precise cortical asymmetries in humans is necessary to uncover the genetic and later influences that shape them, such as age. Here, we delineate population-level asymmetry in cortical thickness and surface area vertex-wise in 7 datasets and chart asymmetry trajectories longitudinally across life (4-89 years; observations = 3937; 70% longitudinal). We find replicable asymmetry interrelationships, heritability maps, and test asymmetry associations in large-scale data. Cortical asymmetry was robust across datasets. Whereas areal asymmetry is predominantly stable across life, thickness asymmetry grows in childhood and peaks in early adulthood. Areal asymmetry correlates phenotypically and genetically in specific regions, and is low-moderately heritable (max h 2 SNP ∼19%). In contrast, thickness asymmetry is globally interrelated across the cortex in a pattern suggesting highly left-lateralized individuals tend towards left-lateralization also in population-level right-asymmetric regions (and vice versa), and exhibits low or absent heritability. We find less areal asymmetry in the most consistently lateralized region in humans associates with subtly lower cognitive ability, and confirm small handedness and sex effects. Results suggest areal asymmetry is developmentally stable and arises in early life through genetic but mainly subject-specific stochastic effects, whereas childhood developmental growth shapes thickness asymmetry and may lead to directional variability of global thickness lateralization in the population.

Blood-brain-barrier (BBB) dysfunction is a hallmark of aging-related disorders, including cerebral small vessel disease and Alzheimer’s disease. An emerging biomarker of BBB dysfunction is time of exchange (Tex) of water across the BBB as measured by multi-echo arterial spin labeling MRI. We evaluated Tex across the age spectrum in 40 adults from two cohorts of healthy controls, and demonstrated that Tex is higher in gray than in white matter, higher in females than in males, and that Tex decreases with age. These findings suggest that BBB permeability changes over the lifespan can be investigated using arterial spin labeling approaches.

Abstract Brain asymmetry is inherent to cognitive processing and seems to reflect processing efficiency. Lower frontal asymmetry is often observed in older adults during memory retrieval, yet it is unclear whether lower asymmetry implies an age-related increase in contralateral recruitment, whether less asymmetry reflects compensation, is limited to frontal regions, or predicts neurocognitive stability or decline. We assessed age-differences in asymmetry across the entire cerebral cortex, using fMRI data from 89 young and 76 older adults during successful retrieval, and surface-based methods that allowed direct homotopic comparison of activity between hemispheres. An extensive left-asymmetric network facilitated retrieval in both young and older adults, whereas diverse frontal and parietal regions exhibited lower asymmetry in older adults. However, lower asymmetry was not associated with age-related increases in contralateral recruitment, but primarily reflected either less deactivation in contralateral regions reliably signalling retrieval failure in the young, or lower recruitment of the dominant hemisphere—suggesting that functional deficits may drive lower asymmetry in older brains, not compensatory activity. Lower asymmetry neither predicted current memory performance, nor the extent of memory change across the preceding ∼8 years in older adults. Together, these findings are inconsistent with a compensation account for lower asymmetry during retrieval and aging.

Abstract Systems consolidation of new experiences into lasting episodic memories involves interactions between hippocampus and the neocortex. Evidence of this process is seen already during early awake post-encoding rest periods. Functional MRI (fMRI) studies have demonstrated increased hippocampal coupling with task-relevant perceptual regions and reactivation of stimulus-specific encoding patterns following intensive encoding tasks. Here we investigate the spatial and temporal characteristics of these hippocampally anchored post-encoding neocortical modulations. Eighty-nine adults participated in an experiment consisting of interleaved memory task- and resting-state periods. As expected, we observed increased post-encoding functional connectivity between hippocampus and individually localized neocortical regions responsive to stimulus categories encountered during memory encoding. Post-encoding modulations were however not restricted to stimulus-selective cortex, but manifested as a nearly system-wide upregulation in hippocampal coupling with all major functional networks. The spatial configuration of these extensive modulations resembled hippocampal-neocortical interaction patterns estimated from active encoding operations, suggesting hippocampal post-encoding involvement by far exceeds reactivation of perceptual aspects. This reinstatement of encoding patterns during immediate post-encoding rest was not observed in resting-state scans collected 12 hours later, nor in control analyses estimating post-encoding neocortical modulations in functional connectivity using other candidate seed regions. The broad similarity in hippocampal functional coupling between online memory encoding and offline post-encoding rest suggests reactivation in humans may involve a spectrum of cognitive processes engaged during experience of an event. Significance statement Stabilization of newly acquired information into lasting memories occurs through systems consolidation – a process which gradually spreads the locus of memory traces from hippocampus to more distributed neocortical representations. One of the earliest signs of consolidation is the upregulation of hippocampal-neocortical interactions during periods of awake rest following an active encoding task. We here show that these modulations involve much larger parts of the brain than previously reported in humans. Comparing changes in hippocampal coupling during post-encoding rest with those observed under active encoding, we find evidence for encoding-like hippocampal reinstatement throughout cortex during task-free periods. This suggests early systems consolidation of an experience involves reactivating not only core sensory details but multiple additional aspects of the encoding event.

Episodic memory function improves through childhood and adolescence, in part due to structural maturation of the medial temporal cortex. Although partly different processes support long-term memory over shorter vs. longer intervals, memory is usually assessed after less than an hour. The aim of the present study was to test whether there are unique developmental changes in extended memory, and whether these are related to structural maturation of sub-regions of the hippocampus. 650 children and adolescents from 4.1 to 24.8 years were assessed in total 962 times (mean interval ≈ 1.8 years). Memory was assessed by the California Verbal Learning Test (CVLT) and the Rey Complex Figure Test (CFT). In addition to 30 min recall, an extended delay recall condition was administered ≈ 10 days after encoding. We found unique developmental effects on extended delay memory independently of 30 min recall performance. For visuo-constructive memory, this could be accounted for by visuo-constructive ability levels. Performance was modestly related to anterior and posterior hippocampal volume and mean diffusion. The relationships did not show an anterior-posterior hippocampal axis difference. In conclusion, extended delay memory shows unique development, likely due to changes in encoding depth or efficacy, or improvements of long-term consolidation processes.

Abstract There is a limited understanding of age differences in functional connectivity during memory encoding. In the present study, a sample of cognitively healthy adult participants (n=488), a subsample of whom had longitudinal cognitive and brain structural data spanning 8 years back, underwent fMRI while performing an associative memory encoding task. We investigated 1) age changes in whole-brain connectivity during memory encoding; whether 2) encoding connectivity patterns overlap with the activity signatures of specific cognitive processes and whether 3) connectivity changes associated with memory encoding related to longitudinal brain structural and cognitive changes. Age was associated with decreased intranetwork connectivity and increased connectivity during encoding. Task-connectivity between mediotemporal and posterior parietal regions – which overlapped with areas involved in mental imagery – was related to better memory performance only in older age. The connectivity patterns supporting memory performance in older age reflected preservation of thickness of the medial temporal cortex. These investigations collectively indicate that functional patterns of connectivity should be interpreted in accordance with a maintenance rather than a compensation account.

Older adults who report more sleep problems tend to have elevated levels of the Alzheimer's disease (AD) biomarker beta-amyloid (Ab42), but the mechanisms responsible for this relationship are largely unknown. Molecular markers of sleep problems are now emerging from rodent research, yielding opportunities to generate hypotheses about the causes of the sleep-Ab42 relationship. A major molecular marker of sleep deprivation is Homer1a, a neural protein coded by the HOMER1 gene, involved in control of sleep homeostasis and also implied in Ab42 accumulation. Here, in a sample of 109 cognitively healthy middle-aged and older adults, we tested whether the relationship between cortical Ab42 accumulation and self-reported sleep quality, as well as changes in sleep quality over three years, was stronger in cortical regions with high HOMER1 mRNA expression levels. Ab42 correlated with poorer sleep quality cross-sectionally and longitudinally. This relationship was stronger in the younger (50-67 years) than the older (68-81 years) participants. Effects were mainly found in regions with high expression of HOMER1, suggesting a possible molecular pathway between sleep problems and Ab42 accumulation. The anatomical distribution of the sleep-Ab42 relationships followed closely the Ab42 accumulation pattern in 69 patients with mild cognitive impairment (MCI) or AD. Thus, the results indicate that the relationship between sleep problems and Ab42-accumulation may involve Homer1 activity in the cortical regions that harbor Ab42 in AD. Analysis of cortical gene expression patterns represent a promising avenue to unveil molecular mechanisms behind the relationship between sleep problems and AD risk.

Change in hippocampal function is a major factor in lifespan development and decline of episodic memory. Evidence indicates a long-axis specialization where anterior hippocampus is more engaged during encoding and posterior during retrieval. We tested the lifespan trajectory of hippocampal long-axis episodic memory-related activity and functional connectivity (FC). 496 participants (6.8-80.8 years) were scanned with functional MRI while encoding and retrieving associative memories. We found clear evidence for a long-axis encoding-retrieval specialization. These long-axis effects declined linearly during development and aging, eventually vanishing in the older adults. This was mainly driven by age effects on retrieval. Retrieval was associated with gradually lower activity from childhood to adulthood, followed by positive age-relationships until 70 years. Interestingly, this pattern characterized task engagement regardless of memory success or failure. Children engaged posterior hippocampus more than anterior, while anterior hippocampus was more activated relative to posterior already in teenagers. Intra-hippocampal connectivity increased during task, and this increase declined with age. In sum, the results suggest that hippocampal long-axis differentiation and communication during episodic memory tasks develop rapidly during childhood and adolescence, are markedly different in older compared to younger adults, and are related to task engagement, not the successful completion of the task.