Cognitive reserve (CR) prevents cognitive decline and delays neurodegeneration. Recent epidemiological evidence suggests that lifelong bilingualism may act as CR delaying the onset of dementia by ∼4.5 y. Much controversy surrounds the issue of bilingualism and its putative neuroprotective effects. We studied brain metabolism, a direct index of synaptic function and density, and neural connectivity to shed light on the effects of bilingualism in vivo in Alzheimer's dementia (AD). Eighty-five patients with probable AD and matched for disease duration (45 German-Italian bilingual speakers and 40 monolingual speakers) were included. Notably, bilingual individuals were on average 5 y older than their monolingual peers. In agreement with our predictions and with models of CR, cerebral hypometabolism was more severe in the group of bilingual individuals with AD. The metabolic connectivity analyses crucially supported the neuroprotective effect of bilingualism by showing an increased connectivity in the executive control and the default mode networks in the bilingual, compared with the monolingual, AD patients. Furthermore, the degree of lifelong bilingualism (i.e., high, moderate, or low use) was significantly correlated to functional modulations in crucial neural networks, suggesting both neural reserve and compensatory mechanisms. These findings indicate that lifelong bilingualism acts as a powerful CR proxy in dementia and exerts neuroprotective effects against neurodegeneration. Delaying the onset of dementia is a top priority of modern societies, and the present in vivo neurobiological evidence should stimulate social programs and interventions to support bilingual or multilingual education and the maintenance of the second language among senior citizens.

Abstract The thickness and surface area of cortex are genetically distinct aspects of brain structure, and may be affected differently by age. However, their potential to differentially predict age and cognitive abilities has been largely overlooked, likely because they are typically aggregated into the commonly used measure of volume . In a large sample of healthy adults (N=647, aged 18-88), we investigated the brain-age and brain-cognition relationships of thickness, surface area, and volume, plus five additional morphological shape metrics. Cortical thickness was the metric most strongly associated with age cross-sectionally, as well as exhibiting the steepest longitudinal change over time (subsample N=261, aged 25-84). In contrast, surface area was the best single predictor of age-residualized cognitive abilities (fluid intelligence), and changes in surface area were most strongly associated with cognitive change over time. These findings were replicated in an independent dataset (N=1345, aged 18-93). Our results suggest that cortical thickness and surface area make complementary contributions the age-brain-cognition triangle, and highlight the importance of considering these volumetric components separately.

Abstract Four-repeat (4R) tauopathies are neurodegenerative diseases characterized by cerebral accumulation of 4R tau pathology. The most prominent 4R tauopathies are progressive supranuclear palsy (PSP) and corticobasal degeneration characterized by subcortical tau accumulation and cortical neuronal dysfunction, as shown by PET-assessed hypoperfusion and glucose hypometabolism. Yet, there is a spatial mismatch between subcortical tau deposition patterns and cortical neuronal dysfunction, and it is unclear how these two pathological brain changes are interrelated. Here, we hypothesized that subcortical tau pathology induces remote neuronal dysfunction in functionally connected cortical regions to test a pathophysiological model that mechanistically links subcortical tau accumulation to cortical neuronal dysfunction in 4R tauopathies. We included 51 Aβ-negative patients with clinically diagnosed PSP variants (n = 26) or corticobasal syndrome (n = 25) who underwent structural MRI and 18F-PI-2620 tau-PET. 18F-PI-2620 tau-PET was recorded using a dynamic one-stop-shop acquisition protocol to determine an early 0.5–2.5 min post tracer-injection perfusion window for assessing cortical neuronal dysfunction, as well as a 20–40 min post tracer-injection window to determine 4R-tau load. Perfusion-PET (i.e. early window) was assessed in 200 cortical regions, and tau-PET was assessed in 32 subcortical regions of established functional brain atlases. We determined tau epicentres as subcortical regions with the highest 18F-PI-2620 tau-PET signal and assessed the connectivity of tau epicentres to cortical regions of interest using a resting-state functional MRI-based functional connectivity template derived from 69 healthy elderly controls from the ADNI cohort. Using linear regression, we assessed whether: (i) higher subcortical tau-PET was associated with reduced cortical perfusion; and (ii) cortical perfusion reductions were observed preferentially in regions closely connected to subcortical tau epicentres. As hypothesized, higher subcortical tau-PET was associated with overall lower cortical perfusion, which remained consistent when controlling for cortical tau-PET. Using group-average and subject-level PET data, we found that the seed-based connectivity pattern of subcortical tau epicentres aligned with cortical perfusion patterns, where cortical regions that were more closely connected to the tau epicentre showed lower perfusion. Together, subcortical tau-accumulation is associated with remote perfusion reductions indicative of neuronal dysfunction in functionally connected cortical regions in 4R-tauopathies. This suggests that subcortical tau pathology may induce cortical dysfunction, which may contribute to clinical disease manifestation and clinical heterogeneity.

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.

Abstract Background Preclinical, postmortem, and positron emission tomography (PET) imaging studies have pointed to neuroinflammation as a key pathophysiological hallmark in primary 4‐repeat (4R) tauopathies and its role in accelerating disease progression. Objective We tested whether microglial activation (1) progresses in similar spatial patterns as the primary pathology tau spreads across interconnected brain regions, and (2) whether the degree of microglial activation parallels tau pathology spreading. Methods We examined in vivo associations between tau aggregation and microglial activation in 31 patients with clinically diagnosed 4R tauopathies, using 18F‐PI‐2620 PET and 18F‐GE180 (translocator protein [TSPO]) PET. We determined tau epicenters, defined as subcortical brain regions with highest tau PET signal, and assessed the connectivity of tau epicenters to cortical regions of interest using a 3‐T resting‐state functional magnetic resonance imaging template derived from age‐matched healthy elderly controls. Results In 4R tauopathy patients, we found that higher regional tau PET covaries with elevated TSPO‐PET across brain regions that are functionally connected to each other ( β = 0.414, P < 0.001). Microglial activation follows similar distribution patterns as tau and distributes primarily across brain regions strongly connected to patient‐specific tau epicenters ( β = −0.594, P < 0.001). In these regions, microglial activation spatially parallels tau distribution detectable with 18F‐PI‐2620 PET. Conclusions Our findings indicate that the spatial expansion of microglial activation parallels tau distribution across brain regions that are functionally connected to each other, suggesting that tau and inflammation are closely interrelated in patients with 4R tauopathies. The combination of in vivo tau and inflammatory biomarkers could therefore support the development of immunomodulatory strategies for disease‐modifying treatments in these conditions. © 2024 The Author(s). Movement Disorders published by Wiley Periodicals LLC on behalf of International Parkinson and Movement Disorder Society.

Abstract Background Microglial activation is one hallmark of Alzheimer disease (AD) neuropathology but the impact of the regional interplay of microglia cells in the brain is poorly understood. We hypothesized that microglial activation is regionally synchronized in the healthy brain but experiences regional desynchronization with ongoing neurodegenerative disease. We addressed the existence of a microglia connectome and investigated microglial desynchronization as an AD biomarker. Methods To validate the concept, we performed microglia depletion in mice to test whether interregional correlation coefficients (ICCs) of 18 kDa translocator protein (TSPO)-PET change when microglia are cleared. Next, we evaluated the influence of dysfunctional microglia and AD pathophysiology on TSPO-PET ICCs in the mouse brain, followed by translation to a human AD-continuum dataset. We correlated a personalized microglia desynchronization index with cognitive performance. Finally, we performed single-cell radiotracing (scRadiotracing) in mice to ensure the microglial source of the measured desynchronization. Results Microglia-depleted mice showed a strong ICC reduction in all brain compartments, indicating microglia-specific desynchronization. AD mouse models demonstrated significant reductions of microglial synchronicity, associated with increasing variability of cellular radiotracer uptake in pathologically altered brain regions. Humans within the AD-continuum indicated a stage-depended reduction of microglia synchronicity associated with cognitive decline. scRadiotracing in mice showed that the increased TSPO signal was attributed to microglia. Conclusion Using TSPO-PET imaging of mice with depleted microglia and scRadiotracing in an amyloid model, we provide first evidence that a microglia connectome can be assessed in the mouse brain. Microglia synchronicity is closely associated with cognitive decline in AD and could serve as an independent personalized biomarker for disease progression.