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 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 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 Successful explicit memory encoding is associated with inferior temporal activations and medial parietal deactivations, which are attenuated in aging. Here we used Dynamic Causal Modeling (DCM) of functional magnetic resonance imaging data to elucidate effective connectivity patterns between hippocampus, parahippocampal place area (PPA) and precuneus during encoding of novel visual scenes. In 117 young adults, DCM revealed pronounced activating input from the PPA to the hippocampus and inhibitory connectivity from the PPA to the precuneus during novelty processing, with both being enhanced during successful encoding. This pattern could be replicated in two cohorts (N = 141 and 148) of young and older adults. In both cohorts, older adults selectively exhibited attenuated inhibitory PPA-precuneus connectivity, which correlated negatively with memory performance. Our results provide insight into network dynamics underlying explicit memory encoding and suggest that age-related differences in memory-related network activity are, at least partly, attributable to altered temporo-parietal neocortical connectivity.

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.