For more than 25 years, the amyloid hypothesis-the paradigm that amyloid is the primary cause of Alzheimer’s disease-has dominated the Alzheimer’s community. Now, increasing evidence suggests that tissue atrophy and cognitive decline in Alzheimer’s disease are more closely linked to the amount and location of misfolded tau protein than to amyloid plaques. However, the precise correlation between tau pathology and tissue atrophy remains unknown. Here we integrate multiphysics modeling and Bayesian inference to create personalized tau-atrophy models using longitudinal clinical images from the the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative. For each subject, we infer three personalized parameters, the tau misfolding rate, the tau transport coefficient, and the tau-induced atrophy rate from four consecutive annual tau positron emission tomography scans and structural magnetic resonance images. Strikingly, the tau-induced atrophy coefficient of 0.13/year (95% CI: 0.097-0.189) was fairly consistent across all subjects suggesting a strong correlation between tau pathology and tissue atrophy. Our personalized whole brain atrophy rates of 0.68-1.68%/year (95% CI: 0.5-2.0) are elevated compared to healthy subjects and agree well with the atrophy rates of 1-3%/year reported for Alzheimer’s patients in the literature. Once comprehensively calibrated with a larger set of longitudinal images, our model has the potential to serve as a diagnostic and predictive tool to estimate future atrophy progression from clinical tau images on a personalized basis.

中文翻译：

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从 tau 病理学预测脑萎缩：临床发现总结及其转化为个性化模型

25 年来，淀粉样蛋白假说——淀粉样蛋白是阿尔茨海默病的主要原因的范式——一直主导着阿尔茨海默病社区。现在，越来越多的证据表明，阿尔茨海默病的组织萎缩和认知能力下降与错误折叠 tau 蛋白的数量和位置的关系比与淀粉样斑块的关系更密切。然而，tau 病理学和组织萎缩之间的确切相关性仍然未知。在这里，我们整合了多物理场建模和贝叶斯推理，使用来自阿尔茨海默病神经影像学计划的纵向临床图像创建个性化的 tau-atrophy 模型。对于每个主题，我们推断出三个个性化参数，tau 错误折叠率、tau 运输系数、以及来自连续四次年度 tau 正电子发射断层扫描和结构磁共振图像的 tau 诱导的萎缩率。引人注目的是，tau 诱导的萎缩系数为 0.13/年（95% CI：0.097-0.189）在所有受试者中都相当一致，表明 tau 病理与组织萎缩之间存在很强的相关性。与健康受试者相比，我们个性化的全脑萎缩率为 0.68-1.68%/年（95% CI：0.5-2.0），与文献中报道的阿尔茨海默病患者的 1-3%/年萎缩率非常吻合。一旦使用更大的纵向图像集进行全面校准，我们的模型就有可能作为诊断和预测工具，在个性化的基础上从临床 tau 图像估计未来的萎缩进展。tau 诱导的萎缩系数为 0.13/年（95% CI：0.097-0.189）在所有受试者中相当一致，表明 tau 病理与组织萎缩之间存在很强的相关性。与健康受试者相比，我们个性化的全脑萎缩率为 0.68-1.68%/年（95% CI：0.5-2.0），与文献中报道的阿尔茨海默病患者的 1-3%/年萎缩率非常吻合。一旦使用更大的纵向图像集进行全面校准，我们的模型就有可能作为诊断和预测工具，在个性化的基础上从临床 tau 图像估计未来的萎缩进展。tau 诱导的萎缩系数为 0.13/年（95% CI：0.097-0.189）在所有受试者中相当一致，表明 tau 病理与组织萎缩之间存在很强的相关性。与健康受试者相比，我们个性化的全脑萎缩率为 0.68-1.68%/年（95% CI：0.5-2.0），与文献中报道的阿尔茨海默病患者的 1-3%/年萎缩率非常吻合。一旦使用更大的纵向图像集进行全面校准，我们的模型就有可能作为诊断和预测工具，在个性化的基础上从临床 tau 图像估计未来的萎缩进展。与健康受试者相比，我们个性化的全脑萎缩率为 0.68-1.68%/年（95% CI：0.5-2.0），与文献中报道的阿尔茨海默病患者的 1-3%/年萎缩率非常吻合。一旦使用更大的纵向图像集进行全面校准，我们的模型就有可能作为诊断和预测工具，在个性化的基础上从临床 tau 图像估计未来的萎缩进展。与健康受试者相比，我们个性化的全脑萎缩率为 0.68-1.68%/年（95% CI：0.5-2.0），与文献中报道的阿尔茨海默病患者的 1-3%/年萎缩率非常吻合。一旦使用更大的纵向图像集进行全面校准，我们的模型就有可能作为诊断和预测工具，在个性化的基础上从临床 tau 图像估计未来的萎缩进展。