Hearing impairment in older adults is independently associated in longitudinal studies with accelerated cognitive decline and incident dementia, and in cross-sectional studies, with reduced volumes in the auditory cortex. Whether peripheral hearing impairment is associated with accelerated rates of brain atrophy is unclear. We analyzed brain volume measurements from magnetic resonance brain scans of individuals with normal hearing versus hearing impairment (speech-frequency pure tone average > 25 dB) followed in the neuroimaging substudy of the Baltimore Longitudinal Study of Aging for a mean of 6.4 years after the baseline scan (n = 126, age 56–86 years). Brain volume measurements were performed with semi-automated region-of-interest (ROI) algorithms, and brain volume trajectories were analyzed with mixed-effect regression models adjusted for demographic and cardiovascular factors. We found that individuals with hearing impairment (n = 51) compared to those with normal hearing (n = 75) had accelerated volume declines in whole brain and regional volumes in the right temporal lobe (superior, middle, and inferior temporal gyri, parahippocampus, p < .05). These results were robust to adjustment for multiple confounders and were consistent with voxel-based analyses, which also implicated right greater than left temporal regions. These findings demonstrate that peripheral hearing impairment is independently associated with accelerated brain atrophy in whole brain and regional volumes concentrated in the right temporal lobe. Further studies investigating the mechanistic basis of the observed associations are needed.

Summary Alzheimer’s disease (AD), the leading cause of dementia, affects millions of people worldwide. With no disease-modifying medication currently available, the human toll and economic costs are rising rapidly. Under current standards, a patient is diagnosed with AD when both cognitive decline and pathology (amyloid plaques and neurofibrillary tangles) are present. Remarkably, some individuals who have AD pathology remain cognitively normal. Uncovering factors that lead to “cognitive resilience” to AD is a promising path to create new targets for therapies. However, technical challenges discovering novel human resilience factors limit testing, validation, and nomination of novel drugs for AD. In this study, we use single-nucleus transcriptional profiles of postmortem cortex from human individuals with high AD pathology who were either cognitively normal (resilient) or cognitively impaired (susceptible) at time of death, as well as mouse strains that parallel these differences in cognition with high amyloid load. Our cross-species discovery approach highlights a novel role for excitatory layer 4/5 cortical neurons in promoting cognitive resilience to AD, and nominates several resilience genes that include ATP1A1 , GRIA3 , KCNMA1 , and STXBP1 . This putative cell type has been implicated in resilience in previous studies on bulk RNA-seq tissue, but our single-nucleus and cross-species approach identifies particular resilience-associated gene signatures in these cells. These novel resilience candidate genes were tested for replication in orthogonal data sets and confirmed to be correlated with cognitive resilience. Based on these gene signatures, we identified several potential mechanisms of resilience, including regulation of synaptic plasticity, axonal and dendritic development, and neurite vesicle transport along microtubules that are potentially targetable by available therapeutics. Because our discovery of resilience-associated genes in layer 4/5 cortical neurons originates from an integrated human and mouse transcriptomic space from susceptible and resilient individuals, we are positioned to test causality and perform mechanistic, validation, and pre-clinical studies in our human-relevant AD-BXD mouse panel.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is associated with heterogeneous atrophy patterns. We employed a semi-supervised clustering technique known as Surreal-GAN, through which we identified two dominant dimensions of brain atrophy in symptomatic mild cognitive impairment (MCI) and AD patients: the “diffuse-AD” (R1) dimension shows widespread brain atrophy, and the “MTL-AD” (R2) dimension displays focal medial temporal lobe (MTL) atrophy. Critically, only R2 was associated with widely known sporadic AD genetic risk factors (e.g., APOE ε4 ) in MCI and AD patients at baseline. We then independently detected the presence of the two dimensions in the early stages by deploying the trained model in the general population and two cognitively unimpaired cohorts of asymptomatic participants. In the general population, genome-wide association studies found 77 genes unrelated to APOE differentially associated with R1 and R2. Functional analyses revealed that these genes were overrepresented in differentially expressed gene sets in organs beyond the brain (R1 and R2), including the heart (R1) and the pituitary gland, muscle, and kidney (R2). These genes were enriched in biological pathways implicated in dendritic cells (R2), macrophage functions (R1), and cancer (R1 and R2). Several of them were “druggable genes” for cancer (R1), inflammation (R1), cardiovascular diseases (R1), and diseases of the nervous system (R2). The longitudinal progression showed that APOE ε4 , amyloid, and tau were associated with R2 at early asymptomatic stages, but this longitudinal association occurs only at late symptomatic stages in R1. Our findings deepen our understanding of the multifaceted pathogenesis of AD beyond the brain. In early asymptomatic stages, the two dimensions are associated with diverse pathological mechanisms, including cardiovascular diseases, inflammation, and hormonal dysfunction – driven by genes different from APOE – which may collectively contribute to the early pathogenesis of AD.

Summary Identifying genes that modify symptoms of Alzheimer’s disease (AD) will provide novel therapeutic strategies to prevent, cure or delay AD. To discover genetic modifiers of AD, we combined a mouse model of AD with a genetically diverse reference panel to generate F1 mice harboring identical ‘high-risk’ human AD mutations but which differ across the remainder of their genome. We first show that genetic variation profoundly modifies the impact of causal human AD mutations and validate this panel as an AD model by demonstrating a high degree of phenotypic, transcriptomic, and genetic overlap with human AD. Genetic mapping was used to identify candidate modifiers of cognitive deficits and amyloid pathology, and viral-mediated knockdown was used to functionally validate Trpc3 as a modifier of AD. Overall, work here introduces a ‘humanized’ mouse population as an innovative and reproducible resource for the study of AD and identifies Trpc3 as a novel therapeutic target. Highlights New transgenic mouse population enables mapping of AD risk and resilience factors Transcriptomic and phenotypic profiles in diverse AD mice parallel those in humans Apoe genotype and expression correlate with cognitive symptoms in mice Trpc3 is a novel target to reduce amyloid load and cognitive symptoms in AD

Abstract Quantifying the microstructural and macrostructural geometrical features of the human brain’s connections is necessary for understanding normal aging and disease. Here, we examine brain white matter diffusion magnetic resonance imaging data from one cross-sectional and two longitudinal datasets totaling in 1184 subjects and 2236 sessions of people aged 50-97 years. Data was drawn from well-established cohorts, including the Baltimore Longitudinal Study of Aging dataset, Cambridge Centre for Ageing Neuroscience dataset, and the Vanderbilt Memory & Aging Project. Quantifying 4 microstructural features and, for the first time, 11 macrostructure-based features of volume, area, and length across 120 white matter pathways, we apply linear mixed effect modeling to investigate changes in pathway-specific features over time, and document large age associations within white matter. Conventional diffusion tensor microstructure indices are the most age-sensitive measures, with positive age associations for diffusivities and negative age associations with anisotropies, with similar patterns observed across all pathways. Similarly, pathway shape measures also change with age, with negative age associations for most length, surface area, and volume-based features. A particularly novel finding of this study is that while trends were homogeneous throughout the brain for microstructure features, macrostructural features demonstrated heterogeneity across pathways, whereby several projection, thalamic, and commissural tracts exhibited more decline with age compared to association and limbic tracts. The findings from this large-scale study provide a comprehensive overview of the age-related decline in white matter and demonstrate that macrostructural features may be more sensitive to heterogeneous white matter decline. Therefore, leveraging macrostructural features may be useful for studying aging and could have widespread implications for a variety of neurodegenerative disorders.

While immune function is known to play a mechanistic role in Alzheimer's disease (AD), whether immune proteins in peripheral circulation influence the rate of amyloid-β (Aβ) progression – a central feature of AD – remains unknown. In the Baltimore Longitudinal Study of Aging, we quantified 942 immunological proteins in plasma and identified 32 (including CAT [catalase], CD36 [CD36 antigen], and KRT19 [keratin 19]) associated with rates of cortical Aβ accumulation measured with positron emission tomography (PET). Longitudinal changes in a subset of candidate proteins also predicted Aβ progression, and the mid- to late-life (20-year) trajectory of one protein, CAT, was associated with late-life Aβ-positive status in the Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) study. Genetic variation that influenced plasma levels of CAT, CD36 and KRT19 predicted rates of Aβ accumulation, including causal relationships with Aβ PET levels identified with two-sample Mendelian randomization. In addition to associations with tau PET and plasma AD biomarker changes, as well as expression patterns in human microglia subtypes and neurovascular cells in AD brain tissue, we showed that 31 % of candidate proteins were related to mid-life (20-year) or late-life (8-year) dementia risk in ARIC. Our findings reveal plasma proteins associated with longitudinal Aβ accumulation, and identify specific peripheral immune mediators that may contribute to the progression of AD pathophysiology.

It is estimated that short association fibers, or 'U-shaped' fibers running immediately beneath the cortex, may make up as much as 60% of the total white matter volume. However, these have been understudied relative to the long-range association, projection, and commissural fibers of the brain. This is largely because of limitations of diffusion MRI fiber tractography, which is the primary methodology used to non-invasively study the white matter connections. Inspired by recent anatomical considerations and methodological improvements in U-fiber tractography, we aim to characterize changes in these fiber systems in cognitively normal aging, which provide insight into the biological foundation of age-related cognitive changes, and a better understanding of how age-related pathology differs from healthy aging. To do this, we used three large, longitudinal and cross-sectional datasets (N = 1293 subjects, 2711 sessions) to quantify microstructural features and length/volume features of several U-fiber systems. We find that axial, radial, and mean diffusivities show positive associations with age, while fractional anisotropy has negative associations with age in superficial white matter throughout the entire brain. These associations were most pronounced in the frontal, temporal, and temporoparietal regions. Moreover, measures of U-fiber volume and length decrease with age in a heterogenous manner across the brain, with prominent effects observed for pre- and post-central gyri. These features, and their variations with age, provide the background for characterizing normal aging, and, in combination with larger association pathways and gray matter microstructural features, may provide insight into fundamental mechanisms associated with aging and cognition.

Abstract Changes in high-affinity nicotinic acetylcholine receptors are intricately connected to neuropathology in Alzheimer’s Disease (AD). Protective and cognitive-enhancing roles for the nicotinic α5 subunit have been identified, but this gene has not been closely examined in the context of human aging and dementia. Therefore, we investigate the nicotinic α5 gene CHRNA5 and the impact of relevant single nucleotide polymorphisms (SNPs) in prefrontal cortex from 922 individuals with matched genotypic and post-mortem RNA sequencing in the Religious Orders Study and Memory and Aging Project (ROS/MAP). We find that a genotype robustly linked to increased expression of CHRNA5 (rs1979905A2) predicts significantly reduced cortical β-amyloid load. Intriguingly, co-expression analysis suggests CHRNA5 has a distinct cellular expression profile compared to other nicotinic receptor genes. Consistent with this prediction, single nucleus RNA sequencing from 22 individuals reveals CHRNA5 expression is disproportionately-elevated in chandelier neurons, a distinct subtype of inhibitory neuron known for its role in excitatory/inhibitory (E/I) balance. We show that chandelier neurons are enriched in amyloid-binding proteins compared to basket cells, the other major subtype of PVALB-positive interneurons. Consistent with the hypothesis that nicotinic receptors in chandelier cells normally protect against β-amyloid, cell-type proportion analysis from 549 individuals reveals these neurons show amyloid-associated vulnerability only in individuals with impaired function/trafficking of nicotinic α5-containing receptors due to homozygosity of the missense CHRNA5 SNP (rs16969968A2). Taken together, these findings suggest that CHRNA5 and its nicotinic α5 subunit exert a neuroprotective role in aging and Alzheimer’s disease centered on chandelier interneurons.

Abstract Infections have been associated with the incidence of Alzheimer disease and related dementias, but the mechanisms responsible for these associations remain unclear. Using a multicohort approach, we found that influenza, viral, respiratory, and skin and subcutaneous infections were associated with increased long-term dementia risk. These infections were also associated with region-specific brain volume loss, most commonly in the temporal lobe. We identified 260 out of 942 immunologically relevant proteins in plasma that were differentially expressed in individuals with an infection history. Of the infection-related proteins, 35 predicted volumetric changes in brain regions vulnerable to infection-specific atrophy. Several of these proteins, including PIK3CG, PACSIN2, and PRKCB, were related to cognitive decline and plasma biomarkers of dementia (Aβ 42/40 , GFAP, NfL, pTau-181). Genetic variants that influenced expression of immunologically relevant infection-related proteins, including ITGB6 and TLR5, predicted brain volume loss. Our findings support the role of infections in dementia risk and identify molecular mediators by which infections may contribute to neurodegeneration.

Dense genotype data and thousands of phenotypes from large biobanks, coupled with increasingly accessible summary association statistics from genome-wide association studies (GWAS), provide great opportunities to dissect the complex relationships among human traits and diseases. We introduce BADGERS, a powerful method to perform polygenic score-based biobank-wide scans for disease-trait associations. Compared to traditional regression approaches, BADGERS uses GWAS summary statistics as input and does not require multiple traits to be measured on the same cohort. We applied BADGERS to two independent datasets for Alzheimer's disease (AD; N=61,212). Among the polygenic risk scores (PRS) for 1,738 traits in the UK Biobank, we identified 48 significant trait PRSs associated with AD after adjusting for multiple testing. Family history, high cholesterol, and numerous traits related to intelligence and education showed strong and independent associations with AD. Further, we identified 41 significant PRSs associated with AD endophenotypes. While family history and high cholesterol were strongly associated with neuropathologies and cognitively-defined AD subgroups, only intelligence and education-related traits predicted pre-clinical cognitive phenotypes. These results provide novel insights into the distinct biological processes underlying various risk factors for AD.