Abstract Human cognitive abilities decline with increasing chronological age, with decreased explicit memory performance being most strongly affected. However, some older adults show “successful aging”, that is, relatively preserved cognitive ability in old age. One explanation for this could be higher brain structural integrity in these individuals. Alternatively, the brain might recruit existing resources more efficiently or employ compensatory cognitive strategies. Here, we approached this question by testing multiple candidate variables from structural and functional neuroimaging for their ability to predict chronological age and memory performance, respectively. Prediction was performed using support vector machine (SVM) classification and regression across and within two samples of young (N = 106) and older (N = 153) adults. The candidate variables were (i) behavioral response frequencies in an episodic memory test, (ii) recently described fMRI scores reflecting preservation of functional memory networks, (iii) whole-brain fMRI contrasts for novelty processing and subsequent memory, (iv) resting-state fMRI maps quantifying voxel-wise signal fluctuation and (v) gray matter volume estimated from structural MR images. While age group could be reliably decoded from all variables, chronological age within young and older subjects was best predicted from gray matter volume. In contrast, memory performance was best predicted from task-based fMRI contrasts and particularly single-value fMRI scores, whereas gray matter volume has no predictive power with respect to memory performance in healthy adults. Our results suggest that superior memory performance in healthy older adults is better explained by efficient recruitment of memory networks rather than by preserved brain structure.

Abstract Older adults and particularly those at risk for developing dementia typically show a decline in episodic memory performance, which has been associated with altered memory network activity detectable via functional magnetic resonance imaging (fMRI). To quantify the degree of these alterations, a score has been developed as a putative imaging biomarker for successful aging in memory for older adults ( Functional Activity Deviations during Encoding , FADE; Düzel et al., 2011). Here, we introduce and validate a more comprehensive version of the FADE score, termed FADE-SAME ( Similarity of Activations during Memory Encoding ), which differs from the original FADE score by considering not only activations but also deactivations in fMRI contrasts of stimulus novelty and successful encoding, and by taking into account the variance of young adults’ activations. We computed both scores for novelty and subsequent memory contrasts in a cohort of 217 healthy adults, including 106 young and 111 older participants, as well as a replication cohort of 117 young subjects. We further tested the stability and generalizability of both scores by controlling for different MR scanners and gender, as well as by using different data sets of young adults as reference samples. Both scores showed robust age-group-related differences for the subsequent memory contrast, and the FADE-SAME score additionally exhibited age-group-related differences for the novelty contrast. Furthermore, both scores correlate with behavioral measures of cognitive aging, namely memory performance. Taken together, our results suggest that single-value scores of memory-related fMRI responses may constitute promising biomarkers for quantifying neurocognitive aging.

Abstract Dopaminergic neurotransmission plays a pivotal role in appetitively motivated behavior in mammals, including humans. Notably, action and valence are not independent in motivated tasks, and it is particularly difficult for humans to learn the inhibition of an action to obtain a reward. We have previously observed that the carriers of the DRD2/ANKK1 TaqIA A1 allele, that has been associated with reduced striatal dopamine D2 receptor expression, showed a diminished learning performance when required to learn response inhibition to obtain rewards, a finding that was replicated in two independent cohorts. In the present study, we first report a replication of this finding in a third independent cohort of 99 participants. Interestingly, after combining all three cohorts (total N = 281), exploratory analyses regarding the COMT Val108/158Met polymorphism suggest that homozygotes for the Met allele, which has been linked to higher prefrontal dopaminergic tone, show a lower learning bias. Our results corroborate the importance of genetic variability of the dopaminergic system in individual learning differences of action-valence interaction and, furthermore, suggest that motivational learning biases are differentially modulated by genetic determinants of striatal and prefrontal dopamine function.

Abstract Memory-related functional magnetic resonance imaging (fMRI) activations show age-related differences across multiple brain regions that can be captured in summary statistics like single-value scores. Recently, we described two single-value scores reflecting deviations from prototypical whole-brain fMRI activity of young adults during novelty processing and successful encoding. Here, we investigate the brain-behavior associations of these scores with age-related neurocognitive changes in 153 healthy older adults. All scores were associated with episodic recall performance. The memory network scores, but not the novelty network scores, additionally correlated with medial temporal gray matter and a composite measure comprising pro-active inhibition, episodic memory, tonic alertness, flexibility, and working memory. Our results thus suggest that novelty-network-based fMRI scores show high brain-behavior associations with episodic memory and that encoding-network-based fMRI scores additionally capture individual differences in global cognitive function. More generally, our results suggest that single-value scores of memory-related fMRI provide a comprehensive measure of individual differences in network dysfunction that may contribute to age-related cognitive decline.

Abstract Age-related decline in episodic memory performance is a well-replicated finding across numerous studies. Recent studies focusing on aging and individual differences found that the Big Five personality trait Openness to Experience is associated with better episodic memory performance in older adults, but the associated neural mechanisms are largely unclear. Here we investigated the relationship between Openness and memory network function in a sample of 352 participants (143 older adults, 50-80 years; 209 young adults, 18-35 years). Participants underwent functional magnetic resonance imaging (fMRI) during a visual memory encoding task. Functional memory brain-network integrity was assessed using the SAME scores (similarity of activations during memory encoding), which reflect the similarity of a participant’s memory network activity compared to prototypical fMRI activity patterns of young adults. Openness was assessed using the NEO Five Factor Inventory (NEO-FFI). Older vs. young adults showed lower memory performance and higher deviation of fMRI activity patterns (i.e., lower SAME scores). Specifically in older adults, high Openness was associated with better memory performance, and mediation analysis showed that this relationship was partially mediated by higher SAME scores. Our results suggest that trait Openness may constitute a protective factor in cognitive aging by better preservation of the brain’s memory network.

Abstract Subsequent memory paradigms allow to identify neural correlates of successful encoding by separating brain responses as a function of memory performance during later retrieval. In functional magnetic resonance imaging (fMRI), the paradigm typically elicits activations of medial temporal lobe, prefrontal and parietal cortical structures in young, healthy participants. This categorical approach is, however, limited by insufficient memory performance in older and particularly memory-impaired individuals. A parametric modulation of encoding-related activations with memory confidence could overcome this limitation. Here, we applied cross-validated Bayesian model selection (cvBMS) for first-level fMRI models to a visual subsequent memory paradigm in young (18-35 years) and older (51-80 years) adults. Nested cvBMS revealed that parametric models, especially with non-linear transformations of memory confidence ratings, outperformed categorical models in explaining the fMRI signal variance during encoding. We thereby provide a framework for improving the modeling of encoding-related activations and for applying subsequent memory paradigms to memory-impaired individuals.

Abstract Human cognitive abilities, and particularly hippocampus-dependent memory performance typically decline with increasing age. Immunosenescence, the age-related disintegration of the immune system, is increasingly coming into the focus of research as a considerable factor contributing to cognitive decline. In the present study, we investigated potential associations between plasma levels of pro- and anti-inflammatory cytokines and learning and memory performance as well as hippocampal anatomy in young and older adults. Plasma concentrations of the inflammation marker CRP as well as the pro-inflammatory cytokines IL-6 and TNF-α and the anti-inflammatory cytokine TGF-β 1 were measured in 142 healthy adults (57 young, 24.47 ± 4.48 years; 85 older, 63.66 ± 7.32 years) who performed tests of explicit memory (Verbal Learning and Memory Test, VLMT; Wechsler Memory Scale, Logical Memory, WMS) with an additional delayed recall test after 24 hours. Hippocampal volumetry and hippocampal subfield segmentation were performed using FreeSurfer, based on T1-weighted and high-resolution T2-weighted MR images. When investigating the relationship between memory performance, hippocampal structure, and plasma cytokine levels, we found that TGF- β 1 concentrations were positively correlated with the volumes of the hippocampal CA4-dentate gyrus region in older adults. These volumes were in turn positively associated with better performance in the WMS, particularly in the delayed memory test. Our results support the notion that endogenous anti-inflammatory mechanisms may act as protective factors in neurocognitive aging.

Abstract Episodic memory performance declines with increasing age, and older adults typically show reduced activation of inferior temporo-parietal cortices in functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies of episodic memory formation. Given the age-related cortical volume loss, it is conceivable that age-related reduction of memory-related fMRI activity may be partially attributable to reduced grey matter volume (GMV). We performed a voxel-wise multimodal neuroimaging analysis of fMRI correlates of successful memory encoding, using regional GMV as covariate. In a large cohort of healthy adults (106 young, 111 older), older adults showed reduced GMV across the entire neocortex and reduced encoding-related activation of inferior temporal and parieto-occipital cortices compared to young adults. Importantly, these reduced fMRI activations during successful encoding in older adults could in part be attributed to lower regional GMV. Our results highlight the importance of controlling for structural MRI differences in fMRI studies in older adults but also demonstrate that age-related differences in memory-related fMRI activity cannot be attributed to structural variability alone.

Pavlovian biases influence the interaction between action and valence by coupling reward seeking to action invigoration and punishment avoidance to action suppression. In this study we used an orthogonalised go/no-go task to investigate learning in 247 individuals across the human lifespan (7-80 years) to demonstrate that all participants, independently of age, demonstrated an influence of Pavlovian control. Computational modeling revealed peak performance in young adults was attributable to greater sensitivity to both rewards and punishment. However in children and adolescents an increased bias towards action but not reward sensitivity was observed. In contrast, reduced learning in midlife and older adults was accompanied with decreased reward sensitivity and especially punishment sensitivity. These findings reveal distinct learning capabilities across the human lifespan that cannot be probed using conventional go/reward no-go/punishment style paradigms that have important implications in life-long education.

Abstract Cognitive flexibility, the ability to adapt one’s behaviour in changing environments, declines during aging. Electroencephalography (EEG) studies demonstrate that the P300 and midfrontal theta oscillations are sensitive to attentional set-shifting – a measure of cognitive flexibility. Few is known about the electrocortical modulations underlying set-shifting in healthy older adults. Here, we investigated aging effects on set-shifting performance by analysing the P300 and theta power in 20 young (mean age: 22.5 ± 2.9 years) and 19 older (mean age: 69.4 ± 6.1 years) adults. While increasing shift difficulty (e.g. intra- vs. extra-dimensional shifts) led to increased reaction times (RTs) and higher error rates in both age groups, older adults showed an additional increase in RT variability. Older adults showed higher P300 latencies and P300 amplitude decreased during set-shifting in both groups. Young adults exhibited amplified midfrontal theta power with increasing shift difficulty whereas older adults showed an overall decrease. This study suggests that set-shifting in healthy older adults occurs without midfrontal theta modulation indicating that different neural substrates are recruited compared to young adults.