Abstract Cortical thickness, surface area and volumes (MRI cortical measures) vary with age and cognitive function, and in neurological and psychiatric diseases. We examined heritability, genetic correlations and genome-wide associations of cortical measures across the whole cortex, and in 34 anatomically predefined regions. Our discovery sample comprised 22,822 individuals from 20 cohorts within the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the United Kingdom Biobank. Significant associations were replicated in the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-analysis (ENIGMA) consortium, and their biological implications explored using bioinformatic annotation and pathway analyses. We identified genetic heterogeneity between cortical measures and brain regions, and 161 genome-wide significant associations pointing to wnt/β-catenin, TGF-β and sonic hedgehog pathways. There was enrichment for genes involved in anthropometric traits, hindbrain development, vascular and neurodegenerative disease and psychiatric conditions. These data are a rich resource for studies of the biological mechanisms behind cortical development and aging.

Abstract Large-scale data obtained from aggregation of already collected multi-site neuroimaging datasets has brought benefits such as higher statistical power, reliability, and robustness to the studies. Despite these promises from growth in sample size, substantial technical variability stemming from differences in scanner specifications exists in the aggregated data and could inadvertently bias any downstream analyses on it. Such a challenge calls for data normalization and/or harmonization frameworks, in addition to comprehensive criteria to estimate the scanner-related variability and evaluate the harmonization frameworks. In this study, we propose MISPEL (Multi-scanner Image harmonization via Structure Preserving Embedding Learning), a supervised multi-scanner harmonization method that is naturally extendable to more than two scanners. We also designed a set of criteria to investigate the scanner-related technical variability and evaluate the harmonization techniques. As an essential requirement of our criteria, we introduced a multi-scanner matched dataset of 3T T1 images across four scanners, which, to the best of our knowledge is one of the few datasets of this kind. We also investigated our evaluations using two popular segmentation frameworks: FSL and segmentation in statistical parametric mapping (SPM). Lastly, we compared MISPEL to popular methods of normalization and harmonization, namely White Stripe, RAVEL, and CALAMITI. MISPEL outperformed these methods and is promising for many other neuroimaging modalities.

We test the hypothesis that endothelial cells take on an inflammatory phenotype in functionally intact human subjects with radiographic evidence of white matter injury. Markers within all three complement effector pathways and regulatory proteins were quantified from endothelial-derived exosomes (EDE) of subjects (age 70-82) with (n=11) and without (n=16) evidence of white matter hyperintensity on MRI. Group differences and associations with systemic markers of immune activation (IL6, ICAM1), cognition and neuroimaging were calculated via regression modelling. EDE complement factors within the alternative and classical pathways were found to be higher and regulatory proteins lower in subjects with WMH. EDE levels of several factors demonstrated significant associations with cognitive slowing and systolic blood pressure. The inhibitor of the membrane attack complex, CD46, showed a significant positive association with cerebral grey matter volume. Systemic inflammatory markers, IL6 and ICAM1, were positively associated with EDE levels of several factors. These findings provide the first in vivo evidence of the association of endothelial cell inflammation with white matter injury, cognition, and brain degeneration in functionally normal older individuals, and form the basis for future biomarker development in early or preclinical stages of vascular cognitive impairment and dementia.

Cerebrovascular disease (CVD) and Alzheimer's disease (AD) often co-occur and may impact specific cognitive domains. This study's goal was to determine effects of CVD and AD burden on cross-sectional and longitudinal executive function (EF) and memory in older adults. Longitudinally followed participants from the National Alzheimer Coordinating Center database (n = 3342) were included. Cognitive outcomes were EF and memory composite scores. Baseline CVD presence was defined by moderate-to-severe white matter hyperintensities or lacunar infarct on MRI. Baseline AD pathology was defined by amyloid positivity via PET or CSF. Linear mixed models examined effects of CVD, AD, and time on cognitive outcomes, controlling for sex, education, baseline age, MoCA score, and total number of study visits. At baseline, CVD associated with lower EF (p < 0.001), while AD associated with lower EF and memory (ps < 0.001). Longitudinally only AD associated with faster declines in memory and EF (ps < 0.001). These results extend our understanding of CVD and AD pathology, highlighting that CVD does not necessarily indicate accelerated decline.

We conducted a genome-wide association meta-analysis of two ischemic white matter disease subtypes in the brain, periventricular and deep white matter hyperintensities (PVWMH and DWMH). In 26,654 participants, we found 10 independent genome-wide significant loci only associated with PVWMH, four of which have not been described previously for total WMH burden (16q24.2, 17q21.31, 10q23.1, 7q36.1). Additionally, in both PVWMH and DWMH we observed the previous association of the 17q25.1 locus with total WMH. We found that both phenotypes have shared but also distinct genetic architectures, consistent with both different underlying and related pathophysiology. PVWMH had more extensive genetic overlap with small vessel ischemic stroke, and unique associations with several loci implicated in ischemic stroke. DWMH were characterized by associations with loci previously implicated in vascular as well as astrocytic and neuronal function. Our study confirms the utility of these phenotypes and identifies new candidate genes associated only with PVWMH.

ABSTRACT Aberrant angiogenesis could contribute to cognitive impairment, representing a therapeutic target for preventing dementia. However, most angiogenesis studies focus on model organisms. To test the relevance of angiogenesis to human cognitive aging, we evaluated associations of circulating blood markers of angiogenesis with brain aging trajectories in two deeply phenotyped human cohorts (n=435, age 74 + 9) with longitudinal cognitive assessments, biospecimens, structural brain imaging, and clinical data. Machine learning and traditional statistics revealed sex dimorphic associations of plasma angiogenic growth factors with brain aging outcomes. Specifically, angiogenesis is associated with higher executive function and less brain atrophy in younger women (not men), a directionality of association that reverses around age 75. Higher levels of basic fibroblast growth factor, known for pleiotropic effects on multiple cell types, predicted favorable cognitive trajectories. This work demonstrates the relevance of angiogenesis to brain aging with important therapeutic implications for vascular cognitive impairment and dementia.

Abstract Vascular risk factors contribute to cognitive aging, with one such risk factor being dysfunction of the blood brain barrier (BBB). Studies using non-invasive magnetic resonance imaging (MRI) techniques, such as diffusion prepared arterial spin labeling (DP-ASL), can estimate BBB function by measuring water exchange rate (kw). DP-ASL kw has been associated with cognition, but the directionality and strength of the relationship is still under investigation. An additional variable that measures water in extracellular space and impacts cognition, MRI free water (FW), may help explain prior findings. A total of 94 older adults without dementia (Mean age = 74.17 years, 59.6% female) underwent MRI (DP-ASL, diffusion weighted imaging (DWI)) and cognitive assessment. Mean kw was computed across the whole brain (WB), and mean white matter FW was computed across all white matter. The relationship between kw and three cognitive domains (executive function, processing speed, memory) was tested using multiple linear regression. FW was tested as a mediator of the kw-cognitive relationship using the PROCESS macro. A positive association was found between WB kw and executive function [F(4,85) = 7.81, p &lt; .001, R2= 0.269; β = .245, p = .014]. Further, this effect was qualified by subsequent results showing that FW was a mediator of the WB kw-executive function relationship (indirect effect results: standardized effect = .060, bootstrap confidence interval = .0006 to .1411). Results suggest that lower water exchange rate (kw) may contribute to greater total white matter (WM) FW which, in turn, may disrupt executive function. Taken together, proper fluid clearance at the BBB contributes to higher-order cognitive abilities.

Subcortical brain structures are integral to motion, consciousness, emotions, and learning. We identified common genetic variation related to the volumes of nucleus accumbens, amygdala, brainstem, caudate nucleus, globus pallidus, putamen, and thalamus, using genome-wide association analyses in over 40,000 individuals from CHARGE, ENIGMA and the UK-Biobank. We show that variability in subcortical volumes is heritable, and identify 25 significantly associated loci (20 novel). Annotation of these loci utilizing gene expression, methylation, and neuropathological data identified 62 candidate genes implicated in neurodevelopment, synaptic signaling, axonal transport, apoptosis, and susceptibility to neurological disorders. This set of genes is significantly enriched for Drosophila orthologs associated with neurodevelopmental phenotypes, suggesting evolutionarily conserved mechanisms. Our findings uncover novel biology and potential drug targets underlying brain development and disease.