Compelling experimental evidence suggests that microglial activation is involved in the spread of tau tangles over the neocortex in Alzheimer's disease (AD). We tested the hypothesis that the spatial propagation of microglial activation and tau accumulation colocalize in a Braak-like pattern in the living human brain. We studied 130 individuals across the aging and AD clinical spectrum with positron emission tomography brain imaging for microglial activation ([11C]PBR28), amyloid-β (Aβ) ([18F]AZD4694) and tau ([18F]MK-6240) pathologies. We further assessed microglial triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) cerebrospinal fluid (CSF) concentrations and brain gene expression patterns. We found that [11C]PBR28 correlated with CSF soluble TREM2 and showed regional distribution resembling TREM2 gene expression. Network analysis revealed that microglial activation and tau correlated hierarchically with each other following Braak-like stages. Regression analysis revealed that the longitudinal tau propagation pathways depended on the baseline microglia network rather than the tau network circuits. The co-occurrence of Aβ, tau and microglia abnormalities was the strongest predictor of cognitive impairment in our study population. Our findings support a model where an interaction between Aβ and activated microglia sets the pace for tau spread across Braak stages.

Gold-standard diagnosis of Alzheimer's disease (AD) relies on histopathological staging systems. Using the topographical information from [18F]MK6240 tau positron-emission tomography (PET), we applied the Braak tau staging system to 324 living individuals. We used PET-based Braak stage to model the trajectories of amyloid-β, phosphorylated tau (pTau) in cerebrospinal fluid (pTau181, pTau217, pTau231 and pTau235) and plasma (pTau181 and pTau231), neurodegeneration and cognitive symptoms. We identified nonlinear AD biomarker trajectories corresponding to the spatial extent of tau-PET, with modest biomarker changes detectable by Braak stage II and significant changes occurring at stages III-IV, followed by plateaus. Early Braak stages were associated with isolated memory impairment, whereas Braak stages V-VI were incompatible with normal cognition. In 159 individuals with follow-up tau-PET, progression beyond stage III took place uniquely in the presence of amyloid-β positivity. Our findings support PET-based Braak staging as a framework to model the natural history of AD and monitor AD severity in living humans.

Until recently, bioinformatics, an important discipline in the biological sciences, was largely limited to countries with advanced scientific resources. Nonetheless, several developing countries have lately been making progress in bioinformatics training and applications. In Africa, leading countries in the discipline include South Africa, Nigeria, and Kenya. However, one country that is less known when it comes to bioinformatics is Ghana. Here, I provide a first description of the development of bioinformatics activities in Ghana and how these activities contribute to the overall development of the discipline in Africa. Over the past decade, scientists in Ghana have been involved in publications incorporating bioinformatics analyses, aimed at addressing research questions in biomedical science and agriculture. Scarce research funding and inadequate training opportunities are some of the challenges that need to be addressed for Ghanaian scientists to continue developing their expertise in bioinformatics.

Abstract/Summary Neuronal cell loss is a defining feature of Alzheimer’s disease (AD), but it remains unclear how neurons die and how this relates to other defining characteristics of the disease 1 . Existing in vivo AD models only partially recapitulate the neuropathology of AD with very mild or no neuronal cell loss. Here we demonstrate that human neurons xenografted in mouse brain exposed to amyloid pathology develop sarkosyl-insoluble tau filaments, positive Gallyas silver staining, release phosphorylated tau (P-tau181) into the blood, and display considerable neuronal cell loss, providing a model for the induction of full Tau pathology by simple exposure to amyloid pathology in AD. The alterations are specific to human neurons and contrast with the mild effects exhibited in mouse neurons. A core transcriptional program in the human neurons is characterized by strong upregulation of MEG3, a neuron-specific long noncoding RNA . MEG3 is also strongly upregulated in neurons from AD patients in situ . MEG3 expression alone is sufficient to induce necroptosis in human neurons in vitro . Orally administered small molecule receptor-interacting protein (RIP) kinase -1 and -3 inhibitors rescued the neuronal cell loss in this novel AD model. Thus, xenografted human neurons are uniquely sensitive to amyloid pathology, recapitulate all the defining neuropathological features of AD, and ultimately die by necroptosis.

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.

Abstract Tau protein is involved in maintaining neuronal structure. In Alzheimer’s disease, small numbers of tau molecules can aggregate to forms oligomers. However, how these oligomers produce changes in neuronal function remains unclear. Previously, oligomers made from full-length human tau were found to have multiple effects on neuronal properties. Here we have cut the tau molecule into two parts: the first 123 amino acids and the remaining 124-441 amino acids. These truncated tau molecules had specific effects on neuronal properties, allowing us to assign the actions of full-length tau to different regions of the molecule. We identified one key target for the effects of tau, the voltage gated sodium channel, which could account for the effects of tau on the action potential. By truncating the tau molecule, we have probed the mechanisms that underlie tau dysfunction, and this increased understanding of tau’s pathological actions, will build towards developing future tau-targeting therapies.

Abstract Increased reactivity of microglia and astrocytes is known to be present at various stages of the Alzheimer’s continuum but their relationship with core Alzheimer’s disease pathology in the preclinical stages is less clear. We investigated glial reactivity and β-amyloid pathology in cognitively unimpaired APOE ε4 homozygotes, heterozygotes and non-carriers using 11 C-PK11195 PET (targeting 18-kDa translocator protein), 11 C-PiB PET (targeting β-amyloid), brain MRI, and a preclinical cognitive composite (APCC). Plasma glial fibrillary acidic protein (GFAP) by and plasma Aβ 1-42/1-40 were measured using single molecule array and immunoprecipitation combined with mass spectrometry, respectively. We observed that (i) 11 C-PiB-binding was significantly higher in APOE ε4 homozygotes compared with non-carriers in all evaluated regions, (ii) regional 11 C-PK11195-binding did not differ between the APOE ε4 gene doses or between Aβ-positive and -negative individuals, and (iii) higher 11 C-PK11195-binding and plasma GFAP were associated with lower hippocampal volume, and elevated 11 C-PiB-binding and plasma GFAP concentration with lower APCC scores. Increased glial reactivity might emerge in later stages of preclinical Alzheimer’s disease in parallel with early neurodegenerative changes.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) and other tauopathies are characterized by the aggregation of tau into soluble and insoluble forms (including tangles and neuropil threads). In humans, a fraction of both phosphorylated and non-phosphorylated N-terminal to mid-domain tau species, including the aggregated forms, are secreted into cerebrospinal fluid (CSF). Some of these CSF tau species can be measured as diagnostic and prognostic biomarkers, starting from early stages of disease. While in animal models of AD pathology, soluble tau aggregates have been shown to disrupt neuronal function, it is unclear whether the tau species present in CSF will modulate neural activity. Here, we have developed and applied a novel approach to examine the electrophysiological effects of CSF from patients with a tau-positive biomarker profile. The method involves incubation of acutely-isolated wild-type mouse hippocampal brain slices with small volumes of diluted human CSF, followed by a suite of electrophysiological recording methods to evaluate their effects on neuronal function from single cells through to the network level. Comparison of the toxicity profiles of the same CSF samples, with and without immuno-depletion for tau, has enabled a pioneering demonstration that CSF-tau potently modulates neuronal function. We demonstrate that CSF-tau mediates an increase in neuronal excitability in single cells. We then observed, at the network level, increased input-output responses and enhanced paired-pulse facilitation as well as an increase in long-term potentiation. Finally, we show that CSF-tau modifies the generation and maintenance of hippocampal theta oscillations, which have important roles in learning and memory and are known to be altered in AD patients. Together, we describe a novel method for screening human CSF-tau to understand functional effects on neuron and network activity, which could have far-reaching benefits in understanding tau pathology, thus allowing for the development of better targeted treatments for tauopathies in the future. Graphic Abstract

Abstract Neuronal dysfunction and cognitive deterioration in Alzheimer’s disease (AD) are likely caused by multiple pathophysiological factors. However, evidence in humans remains scarce, necessitating improved non-invasive techniques and integrative mechanistic models. Here, we introduce personalized brain activity models incorporating functional MRI, amyloid-β (Aβ) and tau-PET from AD-related participants (N=132). Within the model assumptions, electrophysiological activity is mediated by toxic protein deposition. Our integrative subject-specific approach uncovers key patho-mechanistic interactions, including synergistic Aβ and tau effects on cognitive impairment and neuronal excitability increases with disease progression. The data-derived neuronal excitability values strongly predict clinically relevant AD plasma biomarker concentrations (p-tau217, p-tau231, p-tau181, GFAP). Furthermore, our results reproduce hallmark AD electrophysiological alterations (theta band activity enhancement and alpha reductions) which occur with Aβ-positivity and after limbic tau involvement. Microglial activation influences on neuronal activity are less definitive, potentially due to neuroimaging limitations in mapping neuroprotective vs detrimental phenotypes. Mechanistic brain activity models can further clarify intricate neurodegenerative processes and accelerate preventive/treatment interventions.

The evolution of infarcts varies widely among patients with acute ischemic stroke (IS) and influences treatment decisions. Neuroimaging is not applicable for frequent monitoring and there is no blood-based biomarker to track ongoing brain injury in acute IS. Here, we examined the utility of plasma brain-derived tau (BD-tau) as a biomarker for brain injury in acute IS. We conducted the prospective, observational Precision Medicine in Stroke [PROMISE] study with serial blood sampling upon hospital admission and at days 2, 3, and 7 in patients with acute ischemic stroke (IS) and for comparison, in patients with stroke mimics (SM). We determined the temporal course of plasma BD-tau, its relation to infarct size and admission imaging-based metrics of brain injury, and its value to predict functional outcome. Upon admission (median time-from-onset, 4.4h), BD-tau levels in IS patients correlated with ASPECTS (ρ=-0.21, P<.0001) and were predictive of final infarct volume (ρ=0.26, P<.0001). In contrast to SM patients, BD-tau levels in IS patients increased from admission (median, 2.9 pg/ml [IQR, 1.8-4.8]) to day 2 (median time-from-onset, 22.7h; median BD-tau, 5.0 pg/ml [IQR, 2.6-10.3]; P<.0001). The rate of change of BD-tau from admission to day 2 was significantly associated with collateral supply (R2=0.10, P<.0001) and infarct progression (ρ=0.58, P<.0001). At day 2, BD-tau was predictive of final infarct volume (ρ=0.59, P<.0001) and showed superior value for predicting the 90-day mRS score compared with final infarct volume. In conclusion, in 502 patients with acute IS, plasma BD-tau was associated with imaging-based metrics of brain injury upon admission, increased within the first 24 hours in correlation with infarct progression, and at 24 hours was superior to final infarct volume in predicting 90-day functional outcome. Further research is needed to determine whether BD-tau assessments can inform decision-making in stroke care.