SEE SARAZIN ET AL DOI101093/BRAIN/AWW041 FOR A SCIENTIFIC COMMENTARY ON THIS ARTICLE: The advent of the positron emission tomography tracer (18)F-AV1451 provides the unique opportunity to visualize the regional distribution of tau pathology in the living human brain. In this study, we tested the hypothesis that tau pathology is closely linked to symptomatology and patterns of glucose hypometabolism in Alzheimer's disease, in contrast to the more diffuse distribution of amyloid-β pathology. We included 20 patients meeting criteria for probable Alzheimer's disease dementia or mild cognitive impairment due to Alzheimer's disease, presenting with a variety of clinical phenotypes, and 15 amyloid-β-negative cognitively normal individuals, who underwent (18)F-AV1451 (tau), (11)C-PiB (amyloid-β) and (18)F-FDG (glucose metabolism) positron emission tomography, apolipoprotein E (APOE) genotyping and neuropsychological testing. Voxel-wise contrasts against controls (at P < 0.05 family-wise error corrected) showed that (18)F-AV1451 and (18)F-FDG patterns in patients with posterior cortical atrophy ('visual variant of Alzheimer's disease', n = 7) specifically targeted the clinically affected posterior brain regions, while (11)C-PiB bound diffusely throughout the neocortex. Patients with an amnestic-predominant presentation (n = 5) showed highest (18)F-AV1451 retention in medial temporal and lateral temporoparietal regions. Patients with logopenic variant primary progressive aphasia ('language variant of Alzheimer's disease', n = 5) demonstrated asymmetric left greater than right hemisphere (18)F-AV1451 uptake in three of five patients. Across 30 FreeSurfer-defined regions of interest in 16 Alzheimer's disease patients with all three positron emission tomography scans available, there was a strong negative association between (18)F-AV1451 and (18)F-FDG uptake (Pearson's r = -0.49 ± 0.07, P < 0.001) and less pronounced positive associations between (11)C-PiB and (18)F-FDG (Pearson's r = 0.16 ± 0.09, P < 0.001) and (18)F-AV1451 and (11)C-PiB (Pearson's r = 0.18 ± 0.09, P < 0.001). Voxel-wise linear regressions thresholded at P < 0.05 (uncorrected) showed that, across all patients, younger age was associated with greater (18)F-AV1451 uptake in wide regions of the neocortex, while older age was associated with increased (18)F-AV1451 in the medial temporal lobe. APOE ϵ4 carriers showed greater temporal and parietal (18)F-AV1451 uptake than non-carriers. Finally, worse performance on domain-specific neuropsychological tests was associated with greater (18)F-AV1451 uptake in key regions implicated in memory (medial temporal lobes), visuospatial function (occipital, right temporoparietal cortex) and language (left > right temporoparietal cortex). In conclusion, tau imaging-contrary to amyloid-β imaging-shows a strong regional association with clinical and anatomical heterogeneity in Alzheimer's disease. Although preliminary, these results are consistent with and expand upon findings from post-mortem, animal and cerebrospinal fluid studies, and suggest that the pathological aggregation of tau is closely linked to patterns of neurodegeneration and clinical manifestations of Alzheimer's disease.

Neuropathological and in vivo studies have revealed a tight relationship between tau pathology and cognitive impairment across the Alzheimer’s disease spectrum. However, tau pathology is also intimately associated with neurodegeneration and amyloid pathology. The aim of the present study was therefore to assess whether grey matter atrophy and amyloid pathology contribute to the relationship between tau pathology, as measured with 18F-AV-1451-PET imaging, and cognitive deficits in Alzheimer’s disease. We included 40 amyloid-positive patients meeting criteria for mild cognitive impairment due to Alzheimer’s disease (n = 5) or probable Alzheimer’s disease dementia (n = 35). Twelve patients additionally fulfilled the diagnostic criteria for posterior cortical atrophy and eight for logopenic variant primary progressive aphasia. All participants underwent 3 T magnetic resonance imaging, amyloid (11C-PiB) positron emission tomography and tau (18F-AV-1451) positron emission tomography, and episodic and semantic memory, language, executive and visuospatial functions assessment. Raw cognitive scores were converted to age-adjusted Z-scores (W-scores) and averaged to compute composite scores for each cognitive domain. Independent regressions were performed between 18F-AV-1451 binding and each cognitive domain, and we used the Biological Parametric Mapping toolbox to further control for local grey matter volumes, 11C-PiB uptake, or both. Partial correlations and causal mediation analyses (mediation R package) were then performed in brain regions showing an association between cognition and both 18F-AV-1451 uptake and grey matter volume. Our results showed that decreased cognitive performance in each domain was related to increased 18F-AV-1451 binding in specific brain regions conforming to established brain-behaviour relationships (i.e. episodic memory: medial temporal lobe and angular gyrus; semantic memory: left anterior temporal regions; language: left posterior superior temporal lobe and supramarginal gyrus; executive functions: bilateral frontoparietal regions; visuospatial functions: right more than left occipitotemporal regions). This pattern of regional associations remained essentially unchanged—although less spatially extended—when grey matter volume or 11C-PiB uptake maps were added as covariates. Mediation analyses revealed both direct and grey matter-mediated effects of 18F-AV-1451 uptake on cognitive performance. Together, these results show that tau pathology is related in a region-specific manner to cognitive impairment in Alzheimer’s disease. These regional relationships are weakly related to amyloid burden, but are in part mediated by grey matter volumes. This suggests that tau pathology may lead to cognitive deficits through a variety of mechanisms, including, but not restricted to, grey matter loss. These results might have implications for future therapeutic trials targeting tau pathology.

Tau imaging with [ 18 F]flortaucipir predicts the severity and topography of subsequent MRI cortical atrophy in patients with Alzheimer’s disease.

Abstract Reading aloud requires mapping an orthographic form to a phonological one. The mapping process relies on sub-lexical statistical regularities (e.g., “oo” to |u□|) or on learned lexical associations between a specific visual form and a series of sounds (e.g., yacht to /j□t/). Computational, neuroimaging, and neuropsychological evidence suggest that sub-lexical, phonological and lexico-semantic processes rely on partially distinct neural substrates: a dorsal (occipito-parietal) and a ventral (occipito-temporal) route, respectively. Here, we investigated the spatiotemporal features of orthography-to-phonology mapping, capitalizing on the time resolution of magnetoencephalography and the unique clinical model offered by patients with semantic variant of Primary Progressive Aphasia (svPPA). Behaviorally, svPPA patients manifest marked lexico-semantic impairments including difficulties in reading words with exceptional orthographic to phonological correspondence (irregular words). Moreover, they present with focal neurodegeneration in the anterior temporal lobe (ATL), affecting primarily the ventral, occipito-temporal, lexical route. Therefore, this clinical population allows for testing of specific hypotheses on the neural implementation of the dualroute model for reading, such as whether damage to one route can be compensated by over-reliance on the other. To this end, we reconstructed and analyzed time-resolved whole-brain activity in 12 svPPA patients and 12 healthy age-matched controls while reading irregular words (e.g., yacht ) and pseudowords (e.g., pook ). Consistent with previous findings that the dorsal route is involved in sub-lexical, phonological processes, in control participants we observed enhanced neural activity over dorsal occipito-parietal cortices for pseudowords, when compared to irregular words. This activation was manifested in the beta-band (12-30 Hz), ramping up slowly over 500 ms after stimulus onset and peaking at ∼800 ms, around response selection and production. Consistent with our prediction, svPPA patients did not exhibit this temporal pattern of neural activity observed in controls this contrast. Furthermore, a direct comparison of neural activity between patients and controls revealed a dorsal spatiotemporal cluster during irregular word reading. These findings suggest that the sub-lexical/phonological route is involved in processing both irregular and pseudowords in svPPA. Together these results provide further evidence supporting a dual-route model for reading aloud mediated by the interplay between lexico-semantic and sub-lexical/phonological neuro-cognitive systems. When the ventral route is damaged, as in the case of neurodegeneration affecting the ATL, partial compensation appears to be possible by over-recruitment of the slower, serial attention-dependent, dorsal one. Abbreviated Summary Borghesani et al. investigate brain dynamics during irregular word reading using magnetoencephalographic imaging in patients with semantic variant of primary progressive aphasia. Due to ventral anterior temporal lobe neurodegeneration, patients show greater reliance of dorsal, occipito-parietal brain regions – providing novel evidence for the interplay between ventral and dorsal routes for reading.

Abstract Developmental dyslexia is typically associated with difficulties in basic auditory processing and in manipulating speech sounds. However, the neuroanatomical correlates of auditory difficulties in developmental dyslexia (DD) and their contribution to individual clinical phenotypes are still unknown. Recent intracranial electrocorticography findings associated processing of sound amplitude rises and speech sounds with posterior and middle superior temporal gyrus (STG), respectively. We hypothesize that regional STG anatomy will relate to specific auditory abilities in DD, and that auditory processing abilities will relate to behavioral difficulties with speech and reading. One hundred and ten children (78 DD, 32 typically developing, age 7-15 years) completed amplitude rise time and speech in noise discrimination tasks. They also underwent a battery of cognitive tests. Anatomical MRI scans were used to identify regions in which local cortical gyrification complexity correlated with auditory behavior. Behaviorally, amplitude rise time but not speech in noise performance was impaired in DD. Neurally, amplitude rise time and speech in noise performance correlated with gyrification in posterior and middle STG, respectively. Furthermore, amplitude rise time significantly contributed to reading impairments in DD, while speech in noise only explained variance in phonological awareness. Finally, amplitude rise time and speech in noise performance were not correlated, and each task was correlated with distinct neuropsychological measures, emphasizing their unique contributions to DD. Overall, we provide a direct link between the neurodevelopment of the left STG and individual variability in auditory processing abilities in neurotypical and dyslexic populations.

Abstract Age-associated neurodegenerative disorders demonstrating tau-laden intracellular inclusions, including Alzheimer’s disease (AD), frontotemporal lobar degeneration (FTLD) and progressive supranuclear palsy (PSP), are collectively known as tauopathies. The vast majority of human tauopathies accumulate non-mutant tau rather than mutant forms of the protein, yet cell and animal models for non-mutant tauopathies are lacking. We previously linked a monoallelic mutation in the TSC1 gene to tau accumulation and FTLD. Now, we have identified new variants in TSC1 that predisposed to other tauopathies such as AD and PSP. These new TSC1 risk variants significantly decreased the half-life of TSC1/hamartin in vitro . Cellular and murine models of TSC1 haploinsufficiency ( TSC1 +/-) accumulated tau protein that exhibited aberrant acetylation on six lysine residues. Tau acetylation hindered its lysosomal degradation via chaperone-mediated autophagy leading to neuronal tau accumulation. Enhanced tau acetylation in TSC1 +/- models was achieved through both an increase in p300 acetyltransferase activity and a decrease in SIRT1 deacetylase levels. Pharmacological modulation of either enzyme restored tau levels. Together, these studies substantiate TSC1 as a novel tauopathy risk gene and advance TSC1 haploinsufficiency as a new genetic model for tauopathy. In addition, these results promote acetylated tau as a rational target for diagnostic and therapeutic modalities in multiple tauopathies.

Abstract Primary Progressive Aphasia (PPA) is a clinical syndrome in which patients progressively lose speech and language abilities. The non-fluent variant of PPA (nfvPPA) is characterised by impaired motor speech and agrammatism. To date, no study in nfvPPA patients has either examined speech motor control behaviour or imaged the speech motor control network during vocal production. Here, we did this using a novel structure-function imaging approach integrating magnetoencephalographic imaging of neural oscillations with voxel-based morphometry (VBM). We examined task-induced non-phase-locked neural oscillatory activity during a vocal motor control task, where participants were prompted to phonate the vowel /□/ for ∼2.4s while the pitch of their auditory feedback was shifted either up or down by 100 cents for a period of 400ms mid-utterance. Participants were 18 nfvPPA patients (14 female, mean age = 67.79 ± 8.02 years) and 17 controls (13 female, mean age = 64.81 ± 5.76 years). Patients showed a smaller compensation response to pitch perturbation than controls (p < 0.05). Task-induced neural oscillations across five frequency bands were reconstructed in source space for each subject during pitch feedback perturbation. Patients exhibited reduced task-induced alpha-band (8-12Hz) neural activity unrelated to their atrophy patterns, in the right temporal lobe and the right temporoparietal junction (p < 0.01) from 250ms to 750ms after pitch perturbation onset. Patients also showed increased task-induced beta-band (12-30Hz) activity also unrelated to cortical atrophy in the left dorsal sensorimotor cortex, left premotor cortex and the left supplementary motor area (p < 0.01) from 50ms to 150ms after pitch perturbation onset. Reduced average alpha-band power at the peak voxel in the temporoparietal cluster in the right hemisphere could predict speech motor impairment in patients ( β = 3.41, F = 8.31, p = 0.0128) whereas increased average beta-band power at the peak voxel in the left dorsal sensorimotor cluster could not ( β = -1.75, F = 1.72, p = 0.2123). Collectively, these results suggest significant disruption in sensorimotor integration during vocal production in nfvPPA patients which occurs unrelated to patterns of atrophy. These findings highlight how multimodal structure-function imaging in PPA enhances our understanding of its pathophysiological sequelae.

Abstract Semantic representations are processed along a posterior-to-anterior gradient reflecting a shift from perceptual (e.g., it has eight legs ) to conceptual (e.g., venomous spiders are rare ) information. One critical region is the anterior temporal lobe (ATL): patients with semantic variant primary progressive aphasia (svPPA), a clinical syndrome associated with ATL neurodegeneration, manifest a deep loss of semantic knowledge. We test the hypothesis that svPPA patients perform semantic tasks by over-recruiting areas implicated in perceptual processing. We compared MEG recordings of svPPA patients and healthy controls during a categorization task. While behavioral performance did not differ, svPPA patients showed indications of greater activation over bilateral occipital cortices and superior temporal gyrus, and inconsistent engagement of frontal regions. These findings suggest a pervasive reorganization of brain networks in response to ATL neurodegeneration: the loss of this critical hub leads to a dysregulated (semantic) control system, and defective semantic representations are seemingly compensated via enhanced perceptual processing. Impact Statement Following anterior temporal lobe neurodegeneration, defective semantic representations are compensated via enhanced perceptual processing and associated with a dysregulation of the semantic control system.

The growing link between systemic environment and brain function opens the possibility that cellular communication and composition in blood are correlated with brain health. We tested this concept in frontotemporal dementia with novel, unbiased tools that measure hundreds of soluble signaling proteins or characterize the vast immune cell repertoire in blood. With these tools we discovered complementary abnormalities indicative of abnormal T cell populations and autoimmunity in frontotemporal dementia.

An independent set in a graph G is a set S of pairwise non-adjacent vertices in G . A family \(\mathcal {F}\) of independent sets in G is called a k - independence covering family if for every independent set I in G of size at most k , there exists an \(S \in \mathcal {F}\) such that \(I \subseteq S\) . Lokshtanov et al. (ACM Transactions on Algorithms , 2020) showed that graphs of degeneracy d admit k -independence covering families of size \(\binom{k(d+1)}{k} \cdot 2^{o(kd)} \cdot \log n\) and used this result to design efficient parameterized algorithms for a number of problems, including Stable Odd Cycle Transversal and Stable Multicut . In light of the results of Lokshtanov et al. (ACM Transactions on Algorithms, 2020) it is quite natural to ask whether even more general families of graphs admit k -independence covering families of size \(f(k)n^{O(1)}\) . Graphs that exclude a complete bipartite graph \(K_{d+1,d+1}\) with \(d+1\) vertices on both sides as a subgraph, called \(K_{d+1,d+1}\) - free graphs , are a frequently considered generalization of d -degenerate graphs. This motivates the question of whether \(K_{d,d}\) -free graphs admit k -independence covering families of size \(f(k,d)n^{O(1)}\) . Our main result is a resounding “no” to this question—specifically, we prove that even \(K_{2,2}\) -free graphs (or equivalently \(C_4\) -free graphs) do not admit k -independence covering families of size \(f(k)n^{\frac{k}{4}-\epsilon }\) .