Abstract Fluency-shaping enhances the speech fluency of persons who stutter, yet underlying conditions and neuroplasticity-related mechanisms are largely unknown. While speech production-related brain activity in stuttering is well studied, it is unclear whether therapy repairs networks of altered sensorimotor integration, imprecise neural timing and sequencing, faulty error monitoring, or insufficient speech planning. Here, we tested the impact of one-year fluency-shaping therapy on resting-state fMRI connectivity within sets of brain regions subserving these speech functions. We analyzed resting-state data of 22 patients who participated in a fluency-shaping program, 18 patients not participating in therapy, and 28 fluent control participants, measured one year apart. Improved fluency was accompanied by an increased synchronization within the sensorimotor integration network. Specifically, two connections were strengthened; the left inferior frontal gyrus showed increased connectivity with the precentral gyrus at the representation of the left laryngeal motor cortex, and the left inferior frontal gyrus showed increased connectivity with the right superior temporal gyrus. Thus, therapy-associated neural remediation was based on a strengthened integration of the command-to-execution pathway together with an increased auditory-to-motor coupling. Since we investigated task-free brain activity, we assume that our findings are not biased to network activity involved in compensation but represent long-term focal neuroplasticity effects.

ABSTRACT Here, we investigated whether fractional anisotropy (FA) of hippocampus-relevant white-matter tracts mediates the association between baseline Mediterranean diet adherence (MeDiAd) and verbal episodic memory over four years. Participants were healthy older adults with and without subjective cognitive decline and patients with amnestic mild cognitive impairment from the DELCODE cohort study ( n = 376; age: 71.47 ± 6.09 years; 48.7% female). MeDiAd and diffusion data were obtained at baseline. Verbal episodic memory was assessed at baseline and four yearly follow-ups. The associations between baseline MeDiAd and white matter, and verbal episodic memory’s mean and rate of change over four years were tested with latent growth curve modeling. Baseline MeDiAd was associated with verbal episodic memory four years later (95% confidence interval, CI [0.01, 0.32]) but not with its rate of change over this period. Baseline Fornix FA mediated – and, thus, explained – that association (95% CI [0.002, 0.09]). Fornix FA may be an appropriate response biomarker of Mediterranean diet interventions on verbal memory in older adults.

Abstract Neuroimaging markers based on Magnetic Resonance Imaging (MRI) combined with various other measures (such as informative covariates, vascular risks, brain activity, neuropsychological test etc.,) might provide useful predictions of clinical outcomes during progression towards Alzheimer’s disease (AD). The Bayesian approach aims to provide a trade-off by employing relevant features combinations to build decision support systems in clinical settings where uncertainties are relevant. We tested the approach in the MRI data across 959 subjects, aged 59-89 years and 453 subjects with available neuropsychological test scores and CSF biomarker status (amyloid-beta ( Aβ )42/40 & and phosphorylated tau (pTau)) from a large sample multi-centric observational cohort (DELCODE). In order to explore the beneficial combinations of information from different sources, we presented a MRI-based predictive modelling of memory performance and CSF biomarker status (positive or negative) in the healthy ageing group as well as subjects at risk of Alzheimer’s disease using a Gaussian process multikernel framework. Furthermore, we systematically evaluated predictive combinations of input feature sets and their model variations, i.e. (A) combinations of brain tissue classes and feature type (modulated vs. unmodulated), choices of filter size of smoothing (ranging from 0 to 15 mm full width at half maximum), and image resolution (1mm, 2mm, 4mm and 8mm); (B) incorporating demography and covariates (C) the impact of the size of the training data set (i.e., number of subjects); (D) the influence of reducing the dimensions of data and (E) choice of kernel types. Finally, the approach was tested to reveal individual cognitive scores at follow-up (up to 4 years) using the baseline features. The highest accuracy for memory performance prediction was obtained for a combination of neuroimaging markers, demographics, genetic information (ApoE4) and CSF-biomarkers explaining 57% of outcome variance in out of sample predictions. The best accuracy for Aβ 42 / 40 status classification was achieved for combination demographics, ApoE4 and memory score while usage of structural MRI improved the classification of individual patient’s pTau status.

The cognitive reserve (CR) hypothesis posits that individuals can differ in how their brain function is disrupted by pathology associated with aging and neurodegeneration. Here, we tested this hypothesis in the Alzheimer9s disease continuum using longitudinal data from 490 participants of the DELCODE multicentric observational study. Brain function was measured using task fMRI of visual memory encoding. Using a multivariate moderation analysis we identified a CR-related activity pattern underlying successful memory encoding that moderated the detrimental effect of AD pathological load on cognitive performance. CR was mainly represented by a more pronounced expression of the task-active network encompassing the default mode network (DMN), anterior cingulate cortex (ACC) and inferior temporal regions including the fusiform gyrus. We devised personalized fMRI-based CR scores that moderated the impact of AD pathology on cognitive performance and were positively associated with years of education. Furthermore, higher CR scores were associated with slower cognitive decline over time. Our findings suggest maintenance of core cognitive circuits including the DMN and ACC as the primary mechanism of CR. Individual brain activity levels of these areas during memory encoding have prognostic value for future cognitive decline.

1 A bstract Regular musical activity as a highly-stimulating lifestyle activity is proposed to be protective against age-related cognitive decline and Alzheimer’s disease (AD). This study investigated associations between lifelong regular musical instrument playing, late-life cognitive abilities and brain morphology in older adults. We show that musical activity over the life course is associated with better global cognition, working memory, executive functions, language, and visuospatial abilities accounting for reserve proxies. Playing music is not significantly associated with gray matter volume in regions most affected by aging and AD. Selectively in the musically active participants, multi-domain cognitive abilities were enhanced with preserved gray matter volume in frontal and temporal regions. Our correlational findings suggest that playing a musical instrument may improve the recruitment of existing brain resources to facilitate late-life cognitive capacities. We propose that engaging in regular musical activity could serve as a low-threshold multimodal enrichment strategy that may promote cognitive resilience in advanced age.

Understanding the mechanisms by which transcranial magnetic stimulation protocols exert changes in the default mode network (DMN) is paramount to develop therapeutically more effective approaches in the future. A full session (3000 pulses) of 10 Hz repetitive transcranial magnetic stimulation (HF-rTMS) reduces the functional connectivity (FC) of the DMN and the subgenual anterior cingulate cortex but current understanding of the effects of a single session of intermittent theta burst stimulation (iTBS) on the DMN in healthy subjects is limited. To reduce the effects of inter-individual variability in functional architectures, we used a novel personalized target selection approach based on each subject's resting state fMRI for an unprecedented investigation into the effects of a single session (1800 pulses) of iTBS over the DMN in healthy controls. 26 healthy subjects participated in a double-blind, crossover, sham-controlled study. After iTBS to the personalized left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) targets, we investigated the time lapse of effects in the DMN and its relationship to the harm avoidance (HA) personality trait measure (Temperament and Character Inventory/TCI). Approx. 25-30 minutes after stimulation, we observed reduced FC between the DMN and the rostral anterior cingulate cortex (rACC). About 45 minutes after stimulation the FC of rACC strongly decreased further, as did the FC of right anterior insula (rAI) with the DMN. We also report a positive correlation between the FC decrease in the rACC and the HA domain of TCI. Our results show how iTBS at personalized left-DLPFC targets reduces the FC between DMN and the rACC and rAI, regions typically described as nodes of the salience network. We find that HA scores can potentially predict iTBS response, as has been observed for HF-rTMS.

Abstract Recent studies have identified two distinct cortical representations of voice control in humans, the ventral and the dorsal laryngeal motor cortex. Strikingly, while persistent developmental stuttering has been linked to a white matter deficit in the ventral laryngeal motor cortex, intensive fluency shaping intervention modulated the functional connectivity of the dorsal laryngeal motor cortical network. Currently, it is unknown whether the underlying structural network organization of these two laryngeal representations is distinct or differently shaped by stuttering intervention. Using probabilistic diffusion tractography in 22 individuals who stutter and participated in a fluency shaping intervention, in 18 individuals who stutter and did not participate in the intervention, and in 28 control participants, we here compare structural networks of the dorsal laryngeal motor cortex and the ventral laryngeal motor cortex and test intervention-related white matter changes. We show (i) that all participants have weaker ventral laryngeal motor cortex connections compared to the dorsal laryngeal motor cortex network, regardless of speech fluency, (ii) connections of the ventral laryngeal motor cortex were stronger in fluent speakers, (iii) the connectivity profile of the ventral laryngeal motor cortex predicted stuttering severity, (iv) but the ventral laryngeal motor cortex network is resistant to a fluency shaping intervention. Our findings substantiate a weaker structural organization of the ventral laryngeal motor cortical network in developmental stuttering and imply that assisted recovery supports neural compensation rather than normalization. Moreover, the resulting dissociation provides evidence for functionally segregated roles of the ventral laryngeal motor cortical and dorsal laryngeal motor cortical networks.

Research on the impairment of episodic memory in Alzheimer9s disease often focuses on the processes of memory rather than the content of the specific images being remembered. We recently showed that patients with mild cognitive impairment (MCI), Stage 3 of Alzheimer9s disease, can memorize certain images quite well, suggesting that episodic memory is not uniformly impaired. Certain images, on the other hand, could not be memorized by MCI patients and were instead diagnostic for distinguishing MCI from healthy older adults. In this study, we investigate whether poor memory for diagnostic images is related to impaired neural processing in specific brain regions due to Alzheimer9s biomarker pathology. 64 healthy controls and 48 MCI participants in the DELCODE dataset performed a visual scene memory task during fMRI, with CSF Alzheimer9s disease biomarker data collected (i.e., amyloid and tau biomarkers). We found that diagnostic images have larger behavior-biomarker correlations for total tau, phospho-tau, Aβ42/Aβ40, Aβ42/phospho-tau compared to non-diagnostic images, suggesting that memory for these specific images are more affected by Alzheimer9s disease pathology. The fMRI data revealed an interaction effect between group membership (healthy control / MCI) and image diagnosticity (diagnostic / non-diagnostic scene images), with MCI participants having higher activation in scene processing regions (parahippocampal place area, retrosplenial cortex and occipital place area) for diagnostic images than non-diagnostic images. In contrast, healthy controls showed no differences in processing between diagnostic and non-diagnostic images. These results suggest that MCI individuals may engage in inefficiently heightened encoding activation for these diagnostic images. Our results show that special "diagnostic" images exist that can reveal amyloid and tau pathology and differences in neural activity in scene regions.