ABSTRACT BACKGROUND Disentangling the genetic constellation underlying Alzheimer’s disease (AD) is important. Doing so allows us to identify biological pathways underlying AD, point towards novel drug targets and use the variants for individualised risk predictions in disease modifying or prevention trials. In the present work we report on the largest genome-wide association study (GWAS) for AD risk to date and show the combined utility of proven AD loci for precision medicine using polygenic risk scores (PRS). METHODS Three sets of summary statistics were included in our meta-GWAS of AD: an Spanish case-control study (GR@ACE/DEGESCO study, n = 12,386), the case-control study of International Genomics of Alzheimer project (IGAP, n = 82,771) and the UK Biobank (UKB) AD-by-proxy case-control study (n=314,278). Using these resources, we performed a fixed-effects inverse-variance-weighted meta-analysis. Detected loci were confirmed in a replication study of 19,089 AD cases and 39,101 controls from 16 European-ancestry cohorts not previously used. We constructed a weighted PRS based on the 39 AD variants. PRS were generated by multiplying the genotype dosage of each risk allele for each variant by its respective weight, and then summing across all variants. We first validated it for AD in independent data (assessing effects of sub-threshold signal, diagnostic certainty, age at onset and sex) and tested its effect on risk (odds for disease) and age at onset in the GR@ACE/DEGESCO study. FINDINGS Using our meta-GWAS approach and follow-up analysis, we identified novel genome-wide significant associations of six genetic variants with AD risk (rs72835061 -CHRNE , rs2154481 -APP , rs876461 -PRKD3/NDUFAF7 , rs3935877 -PLCG2 and two missense variants: rs34173062/rs34674752 in SHARPIN gene) and confirmed a stop codon mutation in the IL34 gene increasing the risk of AD ( IL34-Tyr213Ter ), and two other variants in PLCG2 and HS3ST1 regions. This brings the total number of genetic variants associated with AD to 39 (excluding APOE ). The PRS based on these variants was associated with AD in an independent clinical AD-case control dataset (OR=1.30, per 1-SD increase in the PRS, 95%CI 1.18-1.44, p = 1.1×10 −7 ), a similar effect to that in the GR@ACE/DEGESCO (OR=1.27, 95%CI 1.23-1.32, p = 7.4×10 −39 ). We then explored the combined effects of these 39 variants in a PRS for AD risk and age-at-onset stratification in GR@ACE/DEGESCO. Excluding APOE , we observed a gradual risk increase over the 2% tiles; when comparing the extremes, those with the 2% highest risk had a 2.98-fold (95% CI 2.12–4.18, p = 3.2×10 −10 ) increased risk compared to those with the 2% lowest risk ( p = 5.9×10 −10 ). Using the PRS we identified APOE ε33 carriers with a similar risk as APOE ε 4 heterozygotes carriers, as well as APOE ε4 heterozygote carriers with a similar risk as APOE ε 4 homozygote. Considering age at onset; there was a 9-year difference between median onset of AD the lowest risk group and the highest risk group (82 vs 73 years; p = 1.6×10 −6 ); a 4-year median onset difference (81 vs 77 years; p = 6.9×10 −5 ) within APOE ε4 heterozygotes and a 5.5-year median onset difference (78.5 vs 73 years; p = 4.6×10 −5 ) within APOE ε4 carriers. INTERPRETATION We identified six novel genetic variants associated with AD-risk, among which one common APP variant. A PRS of all genetic loci reported to date could be a robust tool to predict the risk and age at onset of AD, beyond APOE alone. These properties make PRS instrumental in selecting individuals at risk in order to apply preventative strategies and might have potential use in diagnostic work-up.

Abstract Connections among brain regions allow pathological perturbations to spread from a single source region to multiple regions. Patterns of neurodegeneration in multiple diseases, including behavioral variant of frontotemporal dementia (bvFTD), resemble the large-scale functional systems, but how bvFTD-related atrophy patterns relate to structural network organization remains unknown. Here we investigate whether neurodegeneration patterns in sporadic and genetic bvFTD are conditioned by connectome architecture. Regional atrophy patterns were estimated in both genetic bvFTD (75 patients, 247 controls) and sporadic bvFTD (70 patients, 123 controls). We first identify distributed atrophy patterns in bvFTD, mainly targeting areas associated with the limbic intrinsic network and insular cytoarchitectonic class. Regional atrophy was significantly correlated with atrophy of structurally- and functionally-connected neighbors, demonstrating that network structure shapes atrophy patterns. The anterior insula was identified as the predominant group epicenter of brain atrophy using data-driven and simulation-based methods, with some secondary regions in frontal ventromedial and anteromedial temporal areas. Finally, we find that FTD-related genes, namely C9orf72 and TARDBP, confer local transcriptomic vulnerability to the disease, effectively modulating the propagation of pathology through the connectome. Collectively, our results demonstrate that atrophy patterns in sporadic and genetic bvFTD are jointly shaped by global connectome architecture and local transcriptomic vulnerability.

Abstract INTRODUCTION Early‐onset Alzheimer's disease (EOAD) shows a higher burden of neuropsychiatric symptoms than late‐onset Alzheimer's disease (LOAD). We aim to determine the differences in the severity of neuropsychiatric symptoms and locus coeruleus (LC) integrity between EOAD and LOAD accounting for disease stage. METHODS One hundred four subjects with AD diagnosis and 32 healthy controls were included. Participants underwent magnetic resonance imaging (MRI) to measure LC integrity, measures of noradrenaline levels in cerebrospinal fluid (CSF) and Neuropsychiatric Inventory (NPI). We analyzed LC‐noradrenaline measurements and clinical and Alzheimer's disease (AD) biomarker associations. RESULTS EOAD showed higher NPI scores, lower LC integrity, and similar levels of CSF noradrenaline compared to LOAD. Notably, EOAD exhibited lower LC integrity independently of disease stage. LC integrity negatively correlated with neuropsychiatric symptoms. Noradrenaline levels were increased in AD correlating with AD biomarkers. DISCUSSION Decreased LC integrity negatively contributes to neuropsychiatric symptoms. The higher LC degeneration in EOAD compared to LOAD could explain the more severe neuropsychiatric symptoms in EOAD. Highlights LC degeneration is greater in early‐onset AD (EOAD) compared to late‐onset AD. Tau‐derived LC degeneration drives a higher severity of neuropsychiatric symptoms. EOAD harbors a more profound selective vulnerability of the LC system. LC degeneration is associated with an increase of cerebrospinal fluid noradrenaline levels in AD.

INTRODUCTION: Brain structural imaging is paramount for the diagnosis of behavioral variant of frontotemporal dementia (bvFTD), but it has low sensitivity leading to erroneous or late diagnosis. METHODS: A total of 515 subjects from two different bvFTD databases (training and validation cohorts) were included to perform voxel-wise deformation-based morphometry analysis to identify regions with significant differences between bvFTD and controls. A random forest classifier was used to individually predict bvFTD from morphometric differences in isolation and together with bedside cognitive scores. RESULTS: Average ten-fold cross-validation accuracy was 89% (82% sensitivity, 93% specificity) using only MRI and 94% (89% sensitivity, 98% specificity) with the addition of semantic fluency. In a separate validation cohort of genetically confirmed bvFTD, accuracy was 88% (81% sensitivity, 92% specificity) with MRI and 91% (79% sensitivity, 96% specificity) with added cognitive scores. DISCUSSION: The random forest classifier developed can accurately predict bvFTD at the individual subject level.

Background: Mechanisms of functional compensation throughout the progression of Alzheimer's disease (AD) remain largely underspecified. By investigating functional connectomics in relation to cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers across the pathophysiological continuum of AD, we identify disease-stage-specific patterns of functional degradation and functional compensation. Methods: Data from a sample of 96 participants, comprised of 49 controls, 11 preclinical AD subjects, 21 patients with mild cognitive impairment (MCI) due to AD and 15 patients with mild dementia due to AD, were analyzed. CSF ratio of phosphorylated tau protein over amyloid beta peptide 42 (p-tau/Aβ42) was computed and used as a marker of progression along the AD continuum. Whole-brain, voxel-wise eigenvector centrality mapping (ECM) was computed from resting-state fMRI and regression against p-tau/Aβ42 was performed. Surviving clusters were used as data-derived seeds in functional connectivity analyses and investigated in relation to memory performance scores (delayed free recall and memory alteration) via complementary regression models. To investigate disease-stage-specific effects, the whole-brain connectivity maps of each cluster were compared between progressive groups. Results: Decreasing centrality in the inferior parietal lobule (IPL) is significantly correlated with the p-tau/Aβ42 ratio and associated to memory function impairment across the AD continuum. The thalamus, anterior cingulate (ACC), midcingulate (MCC) and posterior cingulate cortex (PCC) show the opposite effect. The MCC shows the highest increase in centrality as memory performance decays. In the asymptomatic preclinical group, MCC shows reduced functional connectivity (FC) with the left hippocampus and stronger FC with the precuneus (PCu). Additionally, IPL shows reduced FC with the cerebellum, compensated by stronger FC between cerebellum and PCC. In the MCI group, PCC shows reduced FC with PCu, compensated by stronger FC with the left pars orbitalis, insula and temporal pole, as well as by stronger FC of MCC with its anterior and ventral neighboring areas and the cerebellum. In the mild dementia group, extensive functional decoupling occurs across the entire autobiographical memory network and functional resilience ensues in posterior regions and the cerebellum. Conclusions: Functional decoupling in preclinical AD occurs predominantly in AD-vulnerable regions (e.g. hippocampus, cerebellar lobule VI / Crus I, visual cortex, frontal pole) and coupling between MCC and PCu, as well as between PCC and cerebellum, emerge as intrinsic mechanisms of functional compensation. At the MCI stage, the PCu can no longer compensate for hippocampal decoupling, but the compensatory role of the MCC and PCC ensue into the stage of dementia. These findings shed light on the neural mechanisms of functional compensation across the pathophysiological continuum of AD, highlighting the compensatory roles of several key brain areas.

Abstract Recent studies have suggested that cerebellar and subcortical structures are impacted early in the disease progression of genetic frontotemporal dementia (FTD) due to microtubule-associated protein tau ( MAPT ), progranulin ( GRN ) and chromosome 9 open reading frame 72 ( C9orf72 ). However, the clinical contribution of the structures involved in the cerebello-subcortical circuitry has been understudied in FTD given their potentially central role in cognition and behaviour processes. The present study aims to investigate whether there is an association between the atrophy of the cerebellar and subcortical structures, and neuropsychiatric symptoms (using the revised version of the Cambridge Behavioral Inventory, CBI-R) across genetic mutations and whether this association starts during the preclinical phase of the disease. Our study included 983 participants from the Genetic Frontotemporal dementia Initiative (GENFI) including mutation carriers (n=608) and non-carrier first-degree relatives of known symptomatic carriers (n= 375). Voxel-wise analysis of the thalamus, striatum, globus pallidus, amygdala, and the cerebellum was performed using deformation based morphometry (DBM) and partial least squares analyses (PLS) were used to link morphometry and behavioural symptoms. Our univariate results suggest that in this group of primarily presymptomatic subjects, volume loss in subcortical and cerebellar structure was primarily a function of aging, with only the C9orf72 group showing more pronounced volume loss in the thalamus compared to the non-carrier individuals. PLS analyses demonstrated that the cerebello-subcortical circuitry is related to all neuropsychiatric symptoms from the CBI-R, with significant overlap in brain/behaviour patterns, but also specificity for each genetic group. The biggest differences were in the extent of the cerebellar involvement (larger extent in C9orf72 group) and more prominent amygdalar contribution in the MAPT group. Finally, our findings demonstrated that C9orf72 and MAPT brain scores were related to estimated years before the age of symptom onset (EYO) in a second order relationship highlighting a steeper brain score decline 20 years before expected symptom onset, while GRN brain scores were related to age and not EYO. Overall, these results demonstrated the important role of the subcortical structures and especially of the cerebellum in genetic FTD symptom expression.

Abstract One of the potential and promising adjuvant therapies for Alzheimer’s disease is that of non-invasive transcranial neurostimulation to potentiate cognitive training interventions. Conceptually, this is achieved by driving brain dynamics towards an optimal state for an effective facilitation of cognitive training interventions. However, current neurostimulation protocols rely on experimental trial-and-error approaches that result in variability of symptom improvements and suboptimal progress. Here, we leveraged whole-brain computational modelling by assessing the regional susceptibility towards optimal brain dynamics from Alzheimer’s disease. In practice, we followed the three-part concept of Dynamic Sensitivity Analysis by first understanding empirical differences between healthy controls and patients with mild cognitive impairment and mild dementia due to Alzheimer’s Disease; secondly, by building computational models for all individuals in the mild cognitive impairment and mild dementia cohorts; and thirdly, by perturbing brain regions and assessing the impact on the recovery of brain dynamics to the healthy state (here defined in functional terms, summarised by a measure of metastability for the healthy group). By doing so, we show the importance of key regions, along the anterior-posterior medial line, in driving in-silico improvement of mild dementia and mild cognitive impairment groups. Moreover, this subset consists mainly of regions with high structural nodal degree. Overall, this in-silico perturbational approach could inform the design of stimulation strategies for re-establishing healthy brain dynamics, putatively facilitating effective cognitive interventions targeting the cognitive decline in Alzheimer’s disease.

Frontotemporal dementia (FTD) is a heterogeneous neurodegenerative disorder characterized by neuronal loss in the frontal and temporal lobes. Despite progress in understanding which genes are associated with the aetiology of FTD (C9orf72, GRN and MAPT), the biological basis of how mutations in these genes lead to cell loss in specific cortical regions remains unclear. In this work we combined gene expression data for 16,912 genes from the Allen Institute for Brain Science atlas with brain maps of gray matter atrophy in symptomatic C9orf72, GRN and MAPT carriers obtained from the Genetic FTD Initiative study. A set of 405 and 250 genes showed significant positive and negative correlation, respectively, with atrophy patterns in all three maps. The gene set with increased expression in spared cortical regions, i.e., signaling regional resilience to atrophy, is enriched for neuronal genes, while the gene set with increased expression in atrophied regions, i.e., signaling regional vulnerability, is enriched for astrocyte genes. Notably, these results extend earlier findings from proteomic analyses in the same cortical regions of interest comparing healthy controls and patients with FTD. Thus, our analysis indicates that cortical regions showing the most severe atrophy in genetic FTD are those with the highest astrocyte density in healthy subjects. Therefore, astrocytes may play a more active role in the onset of neurodegeneration in FTD than previously assumed, e.g., through emergence of neurotoxic (A1) astrocytes.