Abstract Purpose Atrophy of the hippocampus is an early biomarker of Alzheimer’s disease (AD) and a main contributor to the patients’ mnemonic degeneration. While previous research has mostly focused on how hippocampal atrophy impaired long-term memory performance, its relation to short-term memory impairment, which was also found among patients with AD, remains largely uninvestigated. Filling this gap, the current study examined how atrophy in the hippocampus and its subfields may have influenced visual short-term memory (VSTM) in patients with amnestic mild cognitive impairment (aMCI), a common precursor of AD. Methods Fifty-eight aMCI patients and 69 healthy controls (HC) matched in age were included in the current study. VSTM was assessed using an adapted change detection task with a memory load of 2 or 4 items. Hippocampal subfields were automatically segmented in T1-weighted image using FreeSurfer and were manually inspected for errors. Volumes of the subfields were extracted and compared between aMCI and HC subjects using ANCOVA with age, gender and education as covariates. Furthermore, we also examined the partial correlation between VSTM performances and hippocampal subfield volumes with age, gender and education as covariates. Results Compared to HC subjects, aMCI subjects had lower response accuracy (ACC) and lower memory capacity under both load conditions and had longer reaction time (RT) in the 2-load condition. Left hippocampus volume was significantly smaller in aMCI and was positively correlated with ACC and capacity in HC but not in aMCI. Among the hippocampal subfields, left hippocampal tail, left molecular layer, left dentate gyrus (DG), left CA4, bilateral subiculum, bilateral presubiculum, bilateral fimbria, were significantly smaller while right hippocampal fissure was significantly widened in aMCI compared to HC. Volumes of the left subiculum, left molecular layer, left DG and left CA4 were positively correlated with ACC and capacity in HC but not in aMCI. Bilateral fimbria volume was negatively correlated with RT under the 2-load condition in HC but not in aMCI. Conclusion The results of this study suggested that hippocampal deterioration, especially in subfields related to information input and output (e.g. molecular layer, DG, subiculum), may have contributed to VSTM impairment in aMCI by disrupting hippocampal-cortical communications. This finding adds to increasing evidence of hippocampal engagement in short-term memory processes and points to VSTM impairment as a potential neuropsychological indicator for MCI and AD.

Abstract Amnestic mild cognitive impairment (aMCI) is considered to carry a high risk of progression to Alzheimer’s Disease (AD) and it has been characterized by deficits in visual short-term memory (VSTM). However, the relationship between VSTM deficits and pathological brain damage in individuals with MCI has remained unknown. In the current study, we examined a group of 123 elder adults, including 55 with aMCI and 68 age-matched controls. Participants performed color change-detection VSTM tasks, and structural and functional magnetic resonance images were acquired during rest. Compared to the normal control (NC) group, individuals with aMCI exhibited poorer accuracy and longer reaction time in VSTM tasks, along with reduced VSTM capacity. Additionally, structural atrophy was observed in aMCI participants in several brain regions, including the left medial temporal lobe (MTL), the left thalamus, the right frontal pole (FP) and the right postcentral gyrus (postCG). Interestingly, VSTM accuracy and capacity were found to be associated with the volume of the left MTL in the NC group but not in the aMCI group, suggesting alterations in the relationship between VSTM and brain regions in aMCI. However, VSTM capacity was correlated with the volume of the right FP in both groups, suggesting potential compensatory mechanisms involving the prefrontal cortex in aMCI. Moreover, using the atrophic left MTL as a seed, functional connectivity to the right FP was significantly higher in aMCI compared to NC. Notably, this FP area showed overlap with the atrophic frontal areas in terms of structural abnormalities. Furthermore, for individuals with aMCI who had a larger left MTL, the compensatory involvement of the right FP in VSTM, as assessed by brain-behavior correlations, was diminished. In summary, the present study uncovered a mechanism involving MTL dysfunction and prefrontal compensation in aMCI when performing VSTM tasks. These findings may offer valuable insights into potential intervention targets for individuals with aMCI.