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.

Abstract Fronto-temporal dementia (FTD) is a neurodegenerative disease characterized by focal atrophy of the gray matter (GM), especially in the frontal and temporal regions. Recent studies suggest a framework where white matter (WM) atrophy plays an important role in FTD pathophysiology. However, these studies often overlook the fact that WM tracts bridging different brain regions may have different vulnerabilities to the disease and the relative contribution of GM atrophy to this WM model, resulting in a less comprehensive understanding of the relationship between clinical symptoms and pathology. Here, by leveraging the sensitivity of advanced diffusion MRI modelling and metrics to precise white matter microstructural properties, we aim to clarify the relative contributions of WM fibers and GM atrophy to the cognitive symptoms typically found in FTD. A total of 155 participant from the Frontotemporal Lobar Degeneration Neuroimaging Initiative (FTLDNI) were analysed, including 68 normal elderly controls (CN), 28 behavioral variants (BV), 26 sematic variants (SV) and 30 progressive non fluent aphasia variants (PNFA) of FTD. Diffusion MRI analysis was performed using two complementary techniques: whole brain fixel-based analysis (FBA) and structural connectivity based on probabilistic tractography. Whole brain GM atrophy was assessed using voxel-based morphometry (VBM). Using a common factor analysis to extract a semantic and an executive factor, we aim to test the relative contribution of WM and GM of specific tracts in predicting cognition. We found that semantic symptoms were mainly dependent on short-range WM fiber disruption, while damage to long-range WM fibers was preferentially associated to executive dysfunction with the GM contribution to cognition being predominant for local processing. Our results support the importance of the disruption of specific WM tracts to the core cognitive symptoms associated with FTD. As large-scale WM tracts, which are particularly vulnerable to vascular disease, were highly associated with executive dysfunction, our findings highlight the importance of controlling for risk factors associated with deep white matter disease, such as vascular risk factors, in patients with FTD in order not to potentiate underlying executive dysfunction.

The heterogeneity of brain degeneration has not been investigated yet for functional brain network connectivity, a promising biomarker of Alzheimer's disease. We coupled cluster analysis with resting-state functional magnetic resonance imaging to discover connectivity subtypes in healthy older adults and patients with cognitive disorders related to Alzheimer's disease, noting associations between subtypes and cognitive symptoms in the default-mode, limbic and salience networks. In an independent asymptomatic cohort with a family history of Alzheimer's dementia, the connectivity subtypes had good test-retest reliability across all tested networks. We found that a limbic subtype was overrepresented in these individuals, which was previously associated with symptoms. Other limbic subtypes showed associations with cerebrospinal fluid Aβ-42 levels and ApoE4 genotype. Our results demonstrate the existence of reliable subtypes of functional brain networks in older adults and support future investigations in limbic connectivity subtypes as early biomarkers of Alzheimer's degeneration.