Abstract Background Poor sleep is associated with multiple age-related neurodegenerative and neuropsychiatric conditions. The hippocampus plays a special role in sleep and sleep-dependent cognition, and accelerated hippocampal atrophy is typically seen with higher age. Hence, it is critical to establish how the relationship between sleep and hippocampal volume loss unfolds across the adult lifespan. Methods Self-reported sleep measures and MRI-derived hippocampal volumes were obtained from 3105 cognitively normal participants (18-90 years) from major European brain studies in the Lifebrain consortium. Hippocampal volume change was estimated from 5116 MRIs from 1299 participants, covering up to 11 years. Cross-sectional analyses were repeated in a sample of 21390 participants from the UK Biobank. Results The relationship between self-reported sleep and age differed across sleep items. Sleep duration, efficiency, problems, and use of medication worsened monotonously with age, whereas subjective sleep quality, sleep latency, and daytime tiredness improved. Women reported worse sleep in general than men, but the relationship to age was similar. No cross-sectional sleep – hippocampal volume relationships was found. However, worse sleep quality, efficiency, problems, and daytime tiredness were related to greater hippocampal volume loss over time, with high scorers showing on average 0.22% greater annual loss than low scorers. Simulations showed that longitudinal effects were too small to be detected as age-interactions in cross-sectional analyses. Conclusions Worse self-reported sleep is associated with higher rates of hippocampal decline across the adult lifespan. This suggests that sleep is relevant to understand individual differences in hippocampal atrophy, but limited effect sizes call for cautious interpretation.

Abstract Brain age is a widely used index for quantifying individuals’ brain health as deviation from a normative brain aging trajectory. Higher than expected brain age is thought partially to reflect above-average rate of brain aging. We explicitly tested this assumption in two large datasets and found no association between cross-sectional brain age and steeper brain decline measured longitudinally. Rather, brain age in adulthood was associated with early-life influences indexed by birth weight and polygenic scores. The results call for nuanced interpretations of cross-sectional indices of the aging brain and question their validity as markers of ongoing within-person changes of the aging brain. Longitudinal imaging data should be preferred whenever the goal is to understand individual change trajectories of brain and cognition in aging.

Abstract Socio-economic status (SES) has been proposed to have facilitating and protective effects on brain and cognition. Here we show that relationships between SES, brain volumes and general cognitive ability differ significantly across European and US cohorts (4-97 years, N ≈ 500,000; 54,000 with brain imaging). Education was positively related to intracranial (ICV) and total brain gray matter (GM) volume. Income was related to ICV, but not GM. Relationships varied significantly across samples, and SES was more strongly related to brain and cognition in US than European cohorts. Differences in neuroanatomical volumes explained part of the SES-cognition relationships. SES was more strongly related to ICV than to GM, implying that SES-cognition relations in adulthood are less likely grounded in neuroprotective effects on GM volume in aging. Rather, a relationship may be established early in life. The findings underscore that SES has no uniform association with, or impact on, brain and cognition.

Abstract Normal aging and Alzheimer’s Disease (AD) are accompanied by large-scale alterations in brain organization that undermine brain function. Although hemispheric asymmetry is a global organizing feature of cortex thought to promote brain efficiency, current descriptions of cortical thinning in aging and AD have largely overlooked cortical asymmetry. Consequently, the foundational question of whether and where the cerebral hemispheres change at different rates in aging and AD remains open. First, applying vertex-wise data-driven clustering in a longitudinal discovery sample (aged 20-89; 2577 observations; 1851 longitudinal) we identified cortical regions exhibiting similar age-trajectories of asymmetry across the adult lifespan. Next, we sought replication in 4 independent longitudinal aging cohorts. We show that higher-order regions of cortex that exhibit pronounced asymmetry at age ~20 also show asymmetry change in aging. Results revealed that both leftward and rightward asymmetry is progressively lost on a similar time-scale across adult life. Hence, faster thinning of the (previously) thicker homotopic hemisphere is a feature of aging. This simple organizational principle showed high consistency across multiple aging cohorts in the Lifebrain consortium, and both the topological patterns and temporal dynamics of asymmetry-loss were markedly similar across replicating samples. Finally, we show that regions exhibiting gradual asymmetry-loss over healthy adult life exhibit faster asymmetry-change in AD. Overall, our results suggest a system-wide breakdown in the adaptive asymmetric organization of cortex across adult life which is further accelerated in AD, and may implicate thickness asymmetry as a viable marker for declining hemispheric specialization in aging and AD. Significance The brain becomes progressively disorganized with age, and brain alterations accelerated in Alzheimer’s disease may occur gradually over the lifespan. Although hemispheric asymmetry aids efficient network organization, efforts to identify structural markers of age-related decline have largely overlooked cortical asymmetry. Here we show the hemisphere that is thicker when younger, thins faster. This leads to progressive system-wide loss of regional thickness asymmetry across life. In multiple aging cohorts, asymmetry-loss showed high reproducibility topologically across cortex and similar timing-of-change in aging. Asymmetry-change was further accelerated in AD. Our findings uncover a new principle of brain aging – thicker homotopic cortex thins faster – and suggest we may have unveiled a structural marker for a widely-hypothesized decline in hemispheric specialization in aging and AD.

Abstract Roughly 10% of the human population is left-handed, and this rate is increased in some brain-related disorders. The neuroanatomical correlates of hand preference have remained equivocal. We re-sampled structural brain image data from 28,802 right-handers and 3,062 left-handers (UK Biobank population dataset) to a symmetrical surface template, and mapped asymmetries for each of 8,681 vertices across the cerebral cortex in each individual. Left-handers and right-handers showed average differences of surface area asymmetry within fusiform, anterior insular, anterior-middle-cingulate and precentral cortex. Meta-analyzed functional imaging data implicated these regions in executive functions and language. Polygenic disposition to left-handedness was associated with two of these regional asymmetries, and 18 loci previously linked with left-handedness by genome-wide screening showed associations with one or more of these asymmetries. Implicated genes included six encoding microtubule-related proteins: TUBB, TUBA1B, TUBB3, TUBB4A, MAP2 and NME7 – the latter is mutated in left-right reversal of the visceral organs. There were also two cortical regions where average thickness asymmetry was altered in left-handedness: on the postcentral gyrus and inferior occipital cortex, functionally annotated with hand sensorimotor and visual roles. These cortical thickness asymmetries were not heritable. Heritable surface area asymmetries of language-related regions may link the etiologies of hand preference and language, whereas non-heritable asymmetries of sensorimotor cortex may manifest as consequences of hand preference.

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.

Abstract The human corpus callosum exhibits substantial atrophy in old age, which is stronger than what would be predicted from parallel changes in overall brain anatomy. To date, however, it has not been conclusively established whether this accentuated decline represents a common feature of brain aging across species, or whether it is a specific characteristic of the aging human brain. In the present cross-sectional study, we address this question by comparing age-related difference in corpus callosum morphology of chimpanzees and humans. For this purpose, we measured total midsagittal area and regional thickness of the corpus callosum from T1-weighted MRI data from 213 chimpanzees, aged between 9 and 54 years. The results were compared with data drawn from a large-scale human samples which was age-range matched using two strategies: (a) matching by chronological age (human sample size: n = 562), or (b) matching by accounting for differences in longevity and various maturational events between the species (i.e., adjusted human age range: 13.6 to 80.9 years; n = 664). Using generalized additive modelling to fit and compare aging trajectories, we found significant differences between the two species. The chimpanzee aging trajectory compared to the human trajectory was characterized by a slower increase from adolescence to middle adulthood, and by a lack of substantial decline from middle to old adulthood, which, however, was present in humans. Thus, the accentuated decline of the corpus callosum found in aging humans, is not an universal characteristic of the aging brain, and appears to be human-specific.

Abstract Following a series of seminal studies in the 1980s, left or mixed hand preference is widely considered to be associated with a larger corpus callosum, influencing the interpretation of findings and various theories related to inter-hemispheric processing, brain lateralisation, and hand preference. Recent reviews of the literature, however, report inconsistencies in the literature and cast doubt on the existence of such an association. The aim of the present study was to systematically evaluate and meta-analytically integrate the available data on the effect of hand preference on corpus-callosum morphology. For this purpose, articles were identified via a search in PubMed and Web of Science databases. Studies reporting findings relating handedness (assessed as hand preference) and corpus-callosum morphology in healthy participants were considered eligible. On the basis of a total of k = 25 identified studies, random-effects meta-analyses were conducted considering four different group comparisons found in the literature. That is, studies comparing participants of (a) predominantly right- (dRH) and left-hand preference (dLH), (b) consistent right (cRH) and non-cRH preference, (c) cRH with mixed-hand preference (MH), and (d) cRH with consistent left-hand hand preference (cLH). For none of these meta-analyses did we find a significant effect of hand preference, and narrow confidence intervals suggest that the existence of substantial population effect sizes can be excluded. For example, considering the comparison of dRH and dLH, (summarizing k = 14 studies incorporating 1910 dRH and 646 dLH participants) the estimated mean effect size was g = 0.016 (95% confidence interval: −0.12 to 0.15). Thus, the common practice of assuming an increase in callosal connectivity based on hand preference is likely invalid.

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 The axons forming the corpus callosum enable integration and coordination of cognitive processing between the cerebral hemispheres. In the aging human brain, these functions are affected by progressive axon and myelin deteriorations, which results in a substantial atrophy of the midsagittal corpus callosum in old age. In non-human primates, these degenerative processes are less pronounced as previous morphometric studies on capuchin monkey, rhesus monkeys, and chimpanzees do not find old-age callosal atrophy. The objective of the present study was to extend these previous findings by studying the aging trajectory of the corpus callosum of the olive baboon ( Papio anubis ) across the lifespan. For this purpose, total relative (to forebrain volume) midsagittal area, subsectional area, and regional thickness of the corpus callosum was assessed in 91 male and female animals using non-invasive MRI-based morphometry. The studied age range was 2.5 to 26.6 years, and the sample included 11 old-age animals (above the age of 20 years). Fitting lifespan trajectories using general additive modelling (GAM) we found that the relative area of the total corpus callosum and the anterior subsection follow a positive linear trajectory. That is, both measures increased slowly but continuously from childhood into old age, and no stagnation of growth or decline was observed in old age. Thus, comparable with all other non-human primates studied to-date, baboons do not show callosal atrophy in old age. This observation lends supports to the notion that atrophy of the corpus callosum is a unique characteristic of human brain aging.