Abstract Our main goal was to determine the influence of white matter integrity on the dynamic coupling between brain regions and the individual variability of cognitive performance in older adults. EEG was recorded while participants performed a task specifically designed to engage working memory and inhibitory processes, and the associations among functional activity, structural integrity, and cognitive performance were assessed. We found that the association between white matter microstructural integrity and cognitive functioning with aging is mediated by time-varying alpha and gamma phase-locking value (PLV). Specifically, older individuals with better preservation of the inferior fronto-occipital fasciculus showed greater task-related modulations of alpha and gamma long-range PLV between the inferior frontal gyrus and occipital lobe, lower local phase-amplitude coupling in occipital lobes, and better cognitive control performance. Our results help delineate the role of individual variability of white matter microstructure in dynamic synchrony and cognitive performance during normal aging, and show that even small reductions in white matter integrity can lead to altered communications between brain regions, which in turn can result in reduced efficiency of cognitive functioning. Significance statement Cognitive aging is associated with large individual differences, as some individuals maintain cognitive performance similar to that of young adults while others are significantly impaired. We hypothesized that individual differences in white matter integrity would influence the functional synchrony between frontal and posterior brain regions, and cognitive performance in older adults. We found that the association between reduced tract integrity and worse cognitive performance in older adults was mediated by task-related modulations of coupling synchrony in the alpha and gamma bands. Results offer a mechanistic explanation for the neural basis of the variability of cognitive performance in older adults who do not have any clinically diagnosable neuropathology, and for the association between structural network integrity and cognition in older adults.

Abstract Cognitive trajectories vary greatly across older individuals, and the neural mechanisms underlying these differences remain poorly understood. Here, we propose a mechanistic framework of cognitive variability in older adults, linking the influence of white matter microstructure on fast and effective communications between brain regions. Using diffusion tensor imaging and electroencephalography, we show that individual differences in white matter network organization are associated with network clustering and efficiency in the alpha and high-gamma bands, and that functional network dynamics partly explain individual cognitive control performance in older adults. We show that older individuals with high versus low structural network clustering differ in task-related network dynamics and cognitive performance. These findings were corroborated by investigating magnetoencephalography networks in an independent dataset. This multimodal brain connectivity framework of individual differences provides a holistic account of how differences in white matter microstructure underlie age-related variability in dynamic network organization and cognitive performance.

Inquiries into properties of brain structure and function have progressed due to developments in magnetic resonance imaging (MRI). To sustain progress in investigating and quantifying neuroanatomical details in vivo, the reliability and validity of brain measurements are paramount. Quality control (QC) is a set of procedures for mitigating errors and ensuring the validity and reliability of brain measurements. Despite its importance, there is little guidance on best QC practices and reporting procedures. The study of hippocampal subfields in vivo is a critical case for QC because of their small size, inter-dependent boundary definitions, and common artifacts in the MRI data used for subfield measurements. We addressed this gap by surveying the broader scientific community studying hippocampal subfields on their views and approaches to QC. We received responses from 37 investigators spanning 10 countries, covering different career stages, and studying both healthy and pathological development and aging. In this sample, 81% of researchers considered QC to be very important or important, and 19% viewed it as fairly important. Despite this, only 46% of researchers reported on their QC processes in prior publications. In many instances, lack of reporting appeared due to ambiguous guidance on relevant details and guidance for reporting, rather than absence of QC. Here, we provide recommendations for correcting errors to maximize reliability and minimize bias. We also summarize threats to segmentation accuracy, review common QC methods, and make recommendations for best practices and reporting in publications. Implementing the recommended QC practices will collectively improve inferences to the larger population, as well as have implications for clinical practice and public health.

Sleep and circadian rhythm disruption (SCRD) is commonly observed in aging, especially in individuals who experience progressive cognitive decline to mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer9s disease (AD). However, precise molecular mechanisms underlying the association between SCRD and aging are not fully understood. Orexin A is a well-characterized sleep neuropeptide that is expressed in hypothalamic neurons and evokes wake behavior. The importance of Orexin is exemplified in narcolepsy where it is profoundly down-regulated. Interestingly, the synaptic immediate early gene NPTX2 is co-expressed in Orexin neurons and is similarly reduced in narcolepsy. NPTX2 is also down-regulated in CSF of some cognitively normal older individuals and predicts the time of transition from normal cognition to MCI. The association between Orexin and NPTX2 is further evinced here where we observe that Orexin A and NPTX2 are highly correlated in CSF of cognitively normal aged individuals and raises the question of whether SCRD that are typically attributed to Orexin A loss of function may be modified by concomitant NPTX2 down-regulation. Is NPTX2 an effector of sleep or simply a reporter of orexin-dependent SCRD? To address this question, we examined NPTX2 KO mice and found they retain Orexin expression in the brain and so provide an opportunity to examine the specific contribution of NPTX2 to SCRD. Our results reveal that NPTX2 KO mice exhibit a disrupted circadian onset time, coupled with increased activity during the sleep phase, suggesting difficulties in maintaining states. Sleep EEG indicates distinct temporal allocation shifts across vigilance states, characterized by reduced wake and increased NREM time. Evident sleep fragmentation manifests through alterations of event occurrences during Wake and NREM, notably during light transition periods, in conjunction with an increased frequency of sleep transitions in NPTX2 KO mice, particularly between Wake and NREM. EEG spectral analysis indicated significant shifts in power across various frequency bands in the wake, NREM, and REM states, suggestive of disrupted neuronal synchronicity. An intriguing observation is the diminished occurrence of sleep spindles, one of the earliest measures of human sleep disruption, in NPTX2 KO mice. These findings highlight the effector role of NPTX2 loss of function as an instigator of SCRD and a potential mediator of sleep disruption in aging.

Abstract There has been considerable focus on investigating age-related memory changes in cognitively healthy older adults, in the absence of neurodegenerative disorders. Previous studies have reported age-related domain-specific changes in older adults, showing increased difficulty encoding and processing object information but minimal to no impairment in processing spatial information compared to younger adults. However, few of these studies have examined age-related changes in the encoding of concurrently presented object and spatial stimuli, specifically the integration of both spatial and non-spatial (object) information. To more closely resemble real-life memory encoding and the integration of both spatial and non-spatial information, the current study developed a new experimental paradigm with novel environments that allowed for the placement of different objects in different positions within the environment. The current findings show that older adults have decreased performance in recognizing changes of the object position within the spatial context but no significant differences in recognizing changes in the identity of the object within the spatial context compared to younger adults. These findings suggest there may be potential age-related differences in the mechanisms underlying the representations of complex environments and furthermore, the integration of spatial and non-spatial information may be differentially processed relative to independent and isolated representations of object and spatial information.