Monoclonal antibodies to choline acetyltransferase and a histochemical method for the concurrent demonstration of acetylcholinesterase and horseradish peroxidase were used to investigate the organization of ascending cholinergic pathways in the central nervous system of the rat. The cortical mantle, the amygdaloid complex, the hippocampal formation, the olfactory bulb and the thalamic nuclei receive their cholinergic innervation principally, from cholinergic projection neurons of the basal forebrain and upper brainstem. On the basis of connectivity patterns, we subdivided these cholinergic neurons into six major sectors. The Ch1 and Ch2 sectors are contained within the medial septal nucleus and the vertical limb nucleus of the diagonal band, respectively. They provide the major cholinergic projections of the hippocampus. The Ch3 sector is contained mostly within the lateral portion of the horizontal limb nucleus of the diagonal band and provides the major cholinergic innervation to the olfactory bulb. The Ch4 sector includes cholinergic neurons in the nucleus basalis, and also within parts of the diagonal band nuclei. Neurons of the Ch4 sector provide the major cholinergic innervation of the cortical mantle and the amygdala. The Ch5-Ch6 sectors are contained mostly within the pedunculopontine nucleus of the pontomesencephalic reticular formation (Ch5) and within the laterodorsal tegmental gray of the periventricular area (Ch6). These sectors provide the major cholinergic innervation of the thalamus. The Ch5-Ch6 neurons also provide a minor component of the corticopetal cholinergic innervation. These central cholinergic pathways have been implicated in a variety of behaviors and especially in memory function. It appears that the age-related changes of memory function as well as some of the behavioral disturbances seen in the dementia of Alzheimer's Disease may be related to pathological alterations along central cholinergic pathways.

Abstract The organization of projections from the cholinergic neurons of the basal forebrain to neocortex and associated structures was investigated in the rhesus monkey with the help of horseradish peroxidase transport, acetyl‐cholinesterase histochemistry, and choline acetyltransferase immunohis‐tochemistry. Four groups of neurons contained cholinergic perikarya and were designated as Chl‐Ch4. The Ch1 group corresponds to the medial septal nucleus; about 10% of its neurons are cholinergic, and it provides a substantial projection to the hippocampus. The Ch2 group corresponds to the vertical nucleus of the diagonal band; at least 70% of its neurons are cholinergic, and it is the major source of innervation that the hippocampus and hypothalamus receive from the Chl‐Ch4 complex. The Ch3 group most closely corresponds to the horizontal nucleus of the diagonal band; only 1% of its neurons can definitely be shown to be cholinergic, and it is the major source of Chl‐Ch4 projections to the olfactory bulb. The Ch4 group most closely corresponds to the nucleus basalis of Meynert; at least 90% of its neurons are cholinergic, and it has projections to widespread areas of cortex and to the amygdala. In fact, the Ch4 group provides the single major source of cholinergic innervation for the entire cortical surface. In this respect, it is analogous to the raphe nuclei and to the nucleus locus coeruleus, which constitute the major sources of widespread cortical serotonergic and nor‐adrenergic innervation, respectively. The extensive Ch4 group can be divided into several subdivisions. Each subdivision has a preferential set of targets for its projections even though the connection patterns contain considerable overlap. The anteromedial subdivision of Ch4 is the major source of cholinergic projections to areas on the medial aspect of the cerebral hemispheres; the anterolateral Ch4 sub‐division is the major source of cholinergic projections to frontoparietal op‐ercular areas and to the amygdala; the intermediate Ch4 subdivision pro‐vides the major cholinergic input for a variety of dorsal prefrontal, insular, posterior parietal, inferotemporal, and peristriate areas; and the posterior subdivision of Ch4 provides the major cholinergic innervation of superior temporal and immediately adjacent areas. The basal forebrain in the human contains a cytoarchitechture analogous to that of the monkey. The Ch4 group (nucleus basalis) of the human is very extensive and can be subdivided into the same components that were identfied in the monkey brain. Pathological changes in Ch4 neurons have been described in a variety of human disease. In Alzheimer's disease, the relatively selective depression of neocortical cholinergic innervation may be closely associated with the neuronal loss in Ch4, which has also been described inthis condition. In the rhesus monkey, all types of cortical areas receive substantial projections from the hippocampus. Virtually all of this hypothalamic input into neocortex arises from acetylcholinesterase‐rich neurons which lack choline acetyltransferase. The hypothalamocortical pathway is therefore acetylcholinesterase‐rich but not cholinergic.

Abstract The insula sends neural efferents to cortical areas from which it receives reciprocal afferent projections. A collective consideration of afferents and efferents indicates that the insula has connections with principal sensory areas in the olfactory, gustatory, somesthetic (SI and SII), and auditory AI and AII) modalities. There are additional connections with association areas for the visual (TEm), auditory (supratemporal plane), and somesthetic (posterior parietal cortex) modalities; with parameter cortex (area 6 and perhaps MII); with polymodal association cortex; and with a wide range of paralimbic areas in the orbital, temporopolar, and cingulate areas. The topographic distribution of these connections suggests that the posterodorsal insula is specialized for auditory‐somesthetic‐skeletomotor function whereas the anteroventral insula is related to olfactory‐gustatory‐autonomic function. Most of the insula, especially its anteroventral portions, have extensive interconnections with limbic structures. Through its connections with the amygdala, the insula provides a pathway for somatosen‐sory, auditory, gustatory, olfactory, and visceral sensations to reach the limbic system. The cortical areas connected with the granular sector of the insula are also granular in architecture whereas virtually all the connections of the agranular insula arise from allocortical, agranular, or dysgranular areas. Thus, there is a correspondence between the architecture of insular sectors and the areas with which they have connections. The insula is heavily interconnected with temporopolar and lateral orbital areas. Furthermore, many cortical connections of the lateral orbital cortex are quite similar to those of the insula. These common connectivity patterns support the conclusion, based on architectonic observations, that the insulo‐orbito‐tempo‐ropolar component of the paralimbic brain should be considered as an integrated unit of cerebral organization.

One of the major neuropathological findings in the brains of individuals with Alzheimer's disease (AD) is a loss of synaptic contacts in both the neocortex and hippocampus. Here we report, for the first time, an estimate of the total number of synapses in the outer molecular layer (OML) of the human dentate gyrus, in individuals with early Alzheimer's disease (eAD), mild cognitive impairment (MCI), or no cognitive impairment (NCI). An unbiased stereologic sampling scheme coupled with transmission electron microscopy to directly visualize synaptic contacts, was used to estimate the total number of synapses in short postmortem autopsy tissue. Individuals with eAD had significantly fewer synapses than the other two diagnostic groups. Seventy-five percent of the individuals with MCI had synaptic values that were lower than the NCI group mean. The number of synapses showed a significant correlation with the subject's Mini-Mental State score and with cognitive tests involving delayed recall. Synaptic loss showed no relationship to Braak stage or to apoE genotype. The volume of the OML was significantly reduced in eAD compared to the other two diagnositic groups that were not different from each other. These data suggest that a loss of afferents from the entorhinal cortex underlie the synapse loss seen in eAD. This study supports the concept that synapse loss is an early event in the disease process and suggests that MCI may be a transition stage between eAD and NCI with synaptic loss a structural correlate involved in cognitive decline.

Trials are under way to determine whether fetal nigral grafts can improve motor function in patients with Parkinson's disease. Some studies use fluorodopa uptake on positron-emission tomography (PET) as a marker of graft viability, but fluorodopa uptake does not distinguish between host and grafted neurons. There has been no direct evidence that grafts of fetal tissue can survive and innervate the striatum.We studied a 59-year-old man with advanced Parkinson's disease who received bilateral grafts of fetal ventral mesencephalic tissue in the postcommissural putamen. The tissue came from seven embryos between 6 1/2 and 9 weeks after conception. The patient died 18 months later from a massive pulmonary embolism. The brain was studied with the use of tyrosine hydroxylase immunohistochemical methods.After transplantation, the patient had sustained improvement in motor function and a progressive increase in fluorodopa uptake in the putamen on PET scanning. On examination of the brain, each of the large grafts appeared to be viable. Each was integrated into the host striatum and contained dense clusters of dopaminergic neurons. Processes from these neurons had grown out of the grafts and provided extensive dopaminergic reinnervation to the striatum in a patch-matrix pattern. Ungrafted regions of the putamen showed sparse dopaminergic innervation. We could not identify any sprouting of host dopaminergic processes.Grafts of fetal mesencephalic tissue can survive for a long period in the human brain and restore dopaminergic innervation to the striatum in patients with Parkinson's disease. In the patient we studied, clinical improvement and enhanced fluorodopa with uptake on PET scanning were associated the survival of the grafts and dopaminergic reinnervation of the striatum.

The recently developed ultrasensitive bio-barcode assay was used to measure the concentration of amyloid-β-derived diffusible ligands (ADDLs), a potential soluble pathogenic Alzheimer's disease (AD) marker, in the cerebrospinal fluid (CSF) of 30 individuals. ADDL concentrations for the subjects diagnosed with AD were consistently higher than the levels in the CSF taken from nondemented age-matched controls. Studies of ADDLs or for any other potential pathogenic AD markers in CSF have not been possible because of their low concentration in CSF (<1 pM). This study is a step toward a diagnostic tool, based on soluble pathogenic markers for the debilitating disease.

To evaluate the total number of synapses in the stratum radiatum (str rad) of the human hippocampal CA1 subfield in individuals with mild Alzheimer disease (mAD), mild cognitive impairment (MCI), or no cognitive impairment (NCI) and determine if synapse loss is an early event in the progression of the disease.Short postmortem autopsy tissue was obtained, and an unbiased stereologic sampling scheme coupled with transmission electron microscopy was used to directly visualize synaptic contacts.Individuals with mAD had fewer synapses (55%) than the other two diagnostic groups. Individuals with MCI had a mean synaptic value that was 18% lower than the NCI group mean. The total number of synapses showed a correlation with several cognitive tests including those involving both immediate and delayed recall. Total synaptic numbers showed no relationship to the subject's Braak stage or to APOE genotype. The volume of the str rad was reduced in mAD vs the other two diagnostic groups that were not different from each other.These results strongly support the concept that synapse loss is a structural correlate involved very early in cognitive decline in mild Alzheimer disease (mAD) and supports mild cognitive impairment as a transitional stage between mAD and no cognitive impairment.

Abstract

 The neurochemical identity of ascending putative cholinergic pathways from the rat basal forebrain was investigated employing a method for simultaneouly visualizing choline acetyltransferase immunoreactivity and retrogradely transported horseradish peroxidase-conjugated wheatgerm agglutinin. This histochemical procedure revealed three distinct populations of neurons: (1) cells which stained only for choline acetyltransferase immunoreactivity; (2) cells which stained only for retrograde tracer and (3) cells which stained simultaneously for choline acetyltransferase immunoreactivity and retrograde tracer. The results demonstrated that this projection is topographically organized and consists of both cholinergic and noncholinergic components. The relative contribution of each component varied with the telencephalic target area as follows: the olfactory bulb receives a projection from cells of the horizontal limb nucleus, 10–20% of which are cholinergic (Ch3); the hippocampal formation receives afferents from cells of the medial septal and vertical limb nuclei, 35–45% of which are cholinergic (Chl and Ch2); and the cortical mantle receives afferents primarily from cells within the substantia innominata-nucleus basalis complex, 80–90% of which are cholinergic (Ch4). The topographical organization of Ch4 projections is not as completely differentiated as we have previously observed in the primate.

Abstract In Alzheimer's disease (AD), loss of cortical and hippocampal choline acetyltransferase (ChAT) activity has been correlated with dementia severity and disease duration, and it forms the basis for current therapies. However, the extent to which reductions in ChAT activity are associated with early cognitive decline has not been well established. We quantified ChAT activity in the hippocampus and four cortical regions (superior frontal, inferior parietal, superior temporal, and anterior cingulate) of 58 individuals diagnosed with no cognitive impairment (NCI; n = 26; mean age 81.4 ± 7.3 years), mild cognitive impairment (MCI; n = 18; mean age 84.5 ± 5.7), or mild AD (n =14; mean age 86.3 ± 6.6). Inferior parietal cortex ChAT activity was also assessed in 12 subjects with end‐stage AD (mean age 81.4 ± 4.3 years) and compared to inferior parietal cortex ChAT levels of the other three groups. Only the end‐stage AD group had ChAT levels reduced below normal. In individuals with MCI and mild AD, ChAT activity was unchanged in the inferior parietal, superior temporal, and anterior cingulate cortices compared to NCI. In contrast, ChAT activity in the superior frontal cortex was significantly elevated above normal controls in MCI subjects, whereas the mild AD group was not different from NCI or MCI. Hippocampal ChAT activity was significantly higher in MCI subjects than in either NCI or AD. Our results suggest that cognitive deficits in MCI and early AD are not associated with the loss of ChAT and occur despite regionally specific upregulation. Thus, the earliest cognitive deficits in AD involve brain changes other than simply cholinergic system loss. Of importance, the cholinergic system is capable of compensatory responses during the early stage of dementia. The upregulation in frontal cortex and hippocampal ChAT activity could be an important factor in preventing the transition of MCI subjects to AD.