Abstract Neuroinflammation is a key part of the etio-pathogenesis of Alzheimer’s disease. We test the relationship between neuroinflammation and the disruption of functional connectivity in large-scale networks, and their joint influence on cognitive impairment. We combined [ 11 C]PK11195 positron emission tomography (PET) and resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) in 28 humans (13 females/15 males) with clinical diagnosis of probable Alzheimer’s disease or mild cognitive impairment with positive PET biomarker for amyloid, and 14 age-, sex-, and education-matched healthy humans (8 females/6 males). Source-based ‘inflammetry’ was used to extract principal components of [ 11 C]PK11195 PET signal variance across all participants. rs-fMRI data were pre-processed via independent component analyses to classify neuronal and non-neuronal signals. Multiple linear regression models identified sources of signal co-variance between neuroinflammation and brain connectivity profiles, in relation to group and cognitive status. Patients showed significantly higher [ 11 C]PK11195 binding relative to controls, in a distributed spatial pattern including the hippocampus, medial, and inferior temporal cortex. Patients with enhanced loading on this [ 11 C]PK11195 binding distribution displayed diffuse abnormal functional connectivity. The expression of a stronger association between such abnormal connectivity and higher levels of neuroinflammation correlated with worse cognitive deficits. Our study suggests that neuroinflammation relates to the pathophysiological changes in network function that underlie cognitive deficits in Alzheimer’s disease. Neuroinflammation, and its association with functionally-relevant reorganisation of brain networks, is proposed as a target for emerging immuno-therapeutic strategies aimed at preventing or slowing the emergence of dementia. Significance Statement Neuroinflammation is an important aspect of Alzheimer’s disease (AD), but it was not known whether the influence of neuroinflammation on brain network function in humans was important for cognitive deficit. Our study provides clear evidence that in vivo neuroinflammation in AD impairs large-scale network connectivity; and that the link between inflammation and functional network connectivity is relevant to cognitive impairment. We suggest that future studies should address how neuroinflammation relates to network function as AD progresses; and whether the neuroinflammation in AD is reversible, as the basis of immunotherapeutic strategies to slow the progression of AD.

Abstract Neuroinflammation is an important pathogenic mechanism in many neurodegenerative diseases, including those caused by frontotemporal lobar degeneration (FTLD). Postmortem and in vivo imaging studies have shown brain inflammation early in these conditions, proportionate to symptom severity and rate of progression. However, evidence for corresponding blood markers of inflammation and their relationship with central inflammation and clinical outcome are limited. There is a pressing need for such scalable, accessible and mechanistically relevant blood markers as these will reduce the time, risk, and costs of experimental medicine trials. We therefore assessed inflammatory patterns of serum cytokines from 214 patients with clinical syndromes associated with FTLD as compared to healthy controls, including their correlation with brain regional microglial activation and disease progression. Serum assays used the MesoScale Discovery V-Plex-Human Cytokine 36 plex panel plus five additional cytokine assays. A sub-group of patients underwent 11C-PK11195 TSPO PET imaging, as an index of microglial activation. A Principal Component Analysis (PCA) was used to reduce the dimensionality of cytokine data, excluding cytokines that were undetectable in >50% of participants. Frequentist and Bayesian analyses were performed on the principal components, to compare each patient cohort to controls, and test for associations with central inflammation, neurodegeneration-related plasma markers and survival. The first component identified by the PCA (explaining 21.5% variance) was strongly loaded by pro-inflammatory cytokines, including TNF-α, TNF-R1, M-CSF, IL-17A, IL-12, IP-10 and IL-6. Individual scores of the component showed significant differences between each patient cohort and controls. The degree to which a patient expressed this peripheral inflammatory profile at baseline correlated negatively with survival (higher inflammation, shorter survival), even when correcting for baseline clinical severity. Higher pro-inflammatory profile scores were associated with higher microglial activation in frontal and brainstem regions, as quantified with 11C-PK11195 TSPO PET. A permutation-based Canonical Correlation Analysis confirmed the association between the same cytokine-derived pattern and central inflammation across brain regions in a fully data-based manner. This data-driven approach identified a pro-inflammatory profile across the FTLD clinical spectrum, which is associated with central neuroinflammation and worse clinical outcome. Blood-based markers of inflammation could increase the scalability and access to neuroinflammatory assessment of people with dementia, to facilitate clinical trials and experimental medicine studies.

To bridge the gap between preclinical cellular models of disease and in vivo imaging of human cognitive network dynamics, there is a pressing need for informative biophysical models. Here we assess dynamic causal models (DCM) of cortical network responses, inverted to magnetoencephalographic observations during an auditory oddball roving paradigm in healthy adults. This paradigm induces robust perturbations that permeate frontotemporal networks, including an evoked mismatch negativity response and transiently induced oscillations. Here, we probe GABAergic influences of the networks using double-blind placebo-controlled randomised crossover administration of the GABA re-uptake inhibitor, tiagabine (oral, 10mg) in healthy older adults. We demonstrate the facility of conductance-based neural mass mean-field models, incorporating local synaptic connectivity, to investigate laminar-specific and GABAergic mechanisms of the auditory response. The neuronal model accurately recapitulated the observed magnetoencephalographic data. Using parametric empirical Bayes for optimal model inversion across both sessions, we identify the effect of tiagabine on GABAergic modulation of deep pyramidal and interneuronal cell populations. Moreover, in keeping with the hierarchical coding of beliefs and sensory evidence, we found a transition of the main GABAergic drug effects from auditory cortex in standard trials to prefrontal cortex in deviant trials. The successful integration of pharmaco-magnetoencephalography with dynamic causal models of frontotemporal networks provides a potential platform on which to evaluate the effects of disease and pharmacological interventions.

Dementia with Lewy bodies (DLB) is the second-leading degenerative dementia after Alzheimer's disase. Neuropathologically, it is characterized by alpha-synuclein protein deposition with variable degree of concurrent Alzheimer pathology. Neuroinflammation is increasingly recognized as a significant contributor of degeneration. Objective: to examine the relationship between microglial activation as measured with [11C]-PK11195 brain PET and MR diffusion tensor imaging (DTI) in DLB. Methods: nineteen clinically probable DLB and 20 similarly aged controls underwent structural MRI with T1-weighted and 3T DTI sequences. Eighteen DLB subjects also underwent [11C]-PK11195 PET imaging. Tract-Based Spatial Statistics (TBSS) were performed to compare DTI parameters in DLB relative to controls and identify associations of [11C]-PK11195 binding with white matter integrity. Results: TBSS showed widespread changes in all DTI parameters in the DLB group compared to controls (Threshold Free Cluster Enhancement (TFCE) p < 0.05). [11C]-PK11195 binding in parietal cortices also correlated with widespread lower mean and radial diffusivity (TFCE p < 0.05). Conclusion: Our study demonstrates that higher PK11195 binding is associated with a relative preservation of white matter, positioning neuroinflammation as a potential early marker in the DLB pathogenic cascade.

The clinical syndromes of frontotemporal dementia are clinically and neuropathologically heterogeneous, but processes such as neuroinflammation may be common across the disease spectrum. We investigated how neuroinflammation relates to the aggregation of Tau and TDP-43 in frontotemporal dementia, and to the heterogeneity of clinical disease. We used positron emission tomography in vivo with (a) [11C]PK-11195, a marker of activated microglia and a proxy index of neuroinflammation, and (b) [18F]AV-1451, a radioligand with increased binding to pathologically affected regions in tauopathies and diseases associated with TDP-43 protein aggregation, and which is used as a surrogate marker of non-β-amyloid protein aggregation. We assessed 31 patients with frontotemporal dementia (10 with behavioural variant frontotemporal dementia, 11 with the semantic variant of primary progressive aphasia and 10 with the non-fluent variant of primary progressive aphasia), 28 of whom underwent both [18F]AV-1451 and [11C]PK-11195 PET, and matched controls (14 for [18F]AV-1451 and 15 for [11C]PK-11195). We used univariate region-of-interest analyses, and multivariate analysis of the distribution of binding that explicitly control for individual differences in ligand affinity for TDP-43 and different Tau isoforms. We found differences between patients and controls in frontotemporal regions for both neuroinflammation and protein aggregation, and a strong positive correlation between these two processes in all disease groups. Despite this regional co-localisation, the multivariate distribution of [11C]PK-11195 binding related better to clinical heterogeneity than did the distribution of [18F]AV-1451: distinct spatial modes of neuroinflammation were associated with different frontotemporal dementia syndromes and supported accurate group classification of participants. These in vivo findings indicate a close association between neuroinflammation and protein aggregation in frontotemporal dementia. The inflammatory component may be important in shaping the clinical and neuropathological patterns of the diverse clinical syndromes of frontotemporal dementia.