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.

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.

Molecular mechanisms enabling pathology-induced neuronal dysfunction in Alzheimer9s disease (AD) remain elusive. Here, we use mechanistic computational models to infer the combined influence of PET-measured Abeta and tau burdens on fMRI-derived neuronal activity and to subsequently identify the transcriptomic spatial correlates of AD pathophysiology. Our results reveal overrepresented genes and biological processes that participate in synaptic degeneration and interact with Abeta and tau deposits. Furthermore, we confirmed the central role of the immune system and neuroinflammatory pathways within AD pathogenesis; microglia were significantly enriched in the gene set associated with Abeta and tau synergistic influences on neuronal activity. Lastly, our computational approach unveiled drug candidates with the potential to halt or reduce the observed pathological effects on neuronal activity, including existing medication for cancer, immune disorders, and cardiovascular diseases, many currently under clinical evaluation in AD. Overall, these findings support the notion that the AD brain experiences functional changes intricately associated with a diverse spectrum of molecular processes.