Although SARS-CoV-2 primarily targets the respiratory system, patients with and survivors of COVID-19 can suffer neurological symptoms1–3. However, an unbiased understanding of the cellular and molecular processes that are affected in the brains of patients with COVID-19 is missing. Here we profile 65,309 single-nucleus transcriptomes from 30 frontal cortex and choroid plexus samples across 14 control individuals (including 1 patient with terminal influenza) and 8 patients with COVID-19. Although our systematic analysis yields no molecular traces of SARS-CoV-2 in the brain, we observe broad cellular perturbations indicating that barrier cells of the choroid plexus sense and relay peripheral inflammation into the brain and show that peripheral T cells infiltrate the parenchyma. We discover microglia and astrocyte subpopulations associated with COVID-19 that share features with pathological cell states that have previously been reported in human neurodegenerative disease4–6. Synaptic signalling of upper-layer excitatory neurons—which are evolutionarily expanded in humans7 and linked to cognitive function8—is preferentially affected in COVID-19. Across cell types, perturbations associated with COVID-19 overlap with those found in chronic brain disorders and reside in genetic variants associated with cognition, schizophrenia and depression. Our findings and public dataset provide a molecular framework to understand current observations of COVID-19-related neurological disease, and any such disease that may emerge at a later date. Single-nucleus transcriptomes of frontal cortex and choroid plexus samples from patients with COVID-19 reveal pathological cell states that are similar to those associated with human neurodegenerative diseases and chronic brain disorders.

The human brain vasculature is of great medical importance: its dysfunction causes disability and death1, and the specialized structure it forms—the blood–brain barrier—impedes the treatment of nearly all brain disorders2,3. Yet so far, we have no molecular map of the human brain vasculature. Here we develop vessel isolation and nuclei extraction for sequencing (VINE-seq) to profile the major vascular and perivascular cell types of the human brain through 143,793 single-nucleus transcriptomes from 25 hippocampus and cortex samples of 9 individuals with Alzheimer’s disease and 8 individuals with no cognitive impairment. We identify brain-region- and species-enriched genes and pathways. We reveal molecular principles of human arteriovenous organization, recapitulating a gradual endothelial and punctuated mural cell continuum. We discover two subtypes of human pericytes, marked by solute transport and extracellular matrix (ECM) organization; and define perivascular versus meningeal fibroblast specialization. In Alzheimer’s disease, we observe selective vulnerability of ECM-maintaining pericytes and gene expression patterns that implicate dysregulated blood flow. With an expanded survey of brain cell types, we find that 30 of the top 45 genes that have been linked to Alzheimer’s disease risk by genome-wide association studies (GWASs) are expressed in the human brain vasculature, and we confirm this by immunostaining. Vascular GWAS genes map to endothelial protein transport, adaptive immune and ECM pathways. Many are microglia-specific in mice, suggesting a partial evolutionary transfer of Alzheimer’s disease risk. Our work uncovers the molecular basis of the human brain vasculature, which will inform our understanding of overall brain health, disease and therapy. A method called vessel isolation and nuclei extraction for sequencing (VINE-seq) produces a molecular map of vascular and perivascular cell types in the human brain and reveals their contributions to Alzheimer’s disease risk.

The vascular interface of the brain, known as the blood-brain barrier (BBB), is understood to maintain brain function in part via its low transcellular permeability1-3. Yet, recent studies have demonstrated that brain ageing is sensitive to circulatory proteins4,5. Thus, it is unclear whether permeability to individually injected exogenous tracers-as is standard in BBB studies-fully represents blood-to-brain transport. Here we label hundreds of proteins constituting the mouse blood plasma proteome, and upon their systemic administration, study the BBB with its physiological ligand. We find that plasma proteins readily permeate the healthy brain parenchyma, with transport maintained by BBB-specific transcriptional programmes. Unlike IgG antibody, plasma protein uptake diminishes in the aged brain, driven by an age-related shift in transport from ligand-specific receptor-mediated to non-specific caveolar transcytosis. This age-related shift occurs alongside a specific loss of pericyte coverage. Pharmacological inhibition of the age-upregulated phosphatase ALPL, a predicted negative regulator of transport, enhances brain uptake of therapeutically relevant transferrin, transferrin receptor antibody and plasma. These findings reveal the extent of physiological protein transcytosis to the healthy brain, a mechanism of widespread BBB dysfunction with age and a strategy for enhanced drug delivery.

Physical exercise is generally beneficial to all aspects of human and animal health, slowing cognitive ageing and neurodegeneration1. The cognitive benefits of physical exercise are tied to an increased plasticity and reduced inflammation within the hippocampus2-4, yet little is known about the factors and mechanisms that mediate these effects. Here we show that 'runner plasma', collected from voluntarily running mice and infused into sedentary mice, reduces baseline neuroinflammatory gene expression and experimentally induced brain inflammation. Plasma proteomic analysis revealed a concerted increase in complement cascade inhibitors including clusterin (CLU). Intravenously injected CLU binds to brain endothelial cells and reduces neuroinflammatory gene expression in a mouse model of acute brain inflammation and a mouse model of Alzheimer's disease. Patients with cognitive impairment who participated in structured exercise for 6 months had higher plasma levels of CLU. These findings demonstrate the existence of anti-inflammatory exercise factors that are transferrable, target the cerebrovasculature and benefit the brain, and are present in humans who engage in exercise.

Abstract The human brain vasculature is of vast medical importance: its dysfunction causes disability and death, and the specialized structure it forms—the blood-brain barrier—impedes treatment of nearly all brain disorders. Yet, no molecular atlas of the human brain vasculature exists. Here, we develop Vessel Isolation and Nuclei Extraction for Sequencing (VINE-seq) to profile the major human brain vascular and perivascular cell types through 143,793 single-nucleus transcriptomes from 25 hippocampus and cortex samples of 17 control and Alzheimer’s disease (AD) patients. We identify brain region-enriched pathways and genes divergent between humans and mice, including those involved in disease. We describe the principles of human arteriovenous organization, recapitulating a gradual endothelial and punctuated mural cell continuum; but discover that many zonation and cell-type markers differ between species. We discover two subtypes of human pericytes, marked by solute transport and extracellular matrix (ECM) organization; and define perivascular versus meningeal fibroblast specialization. In AD, we observe a selective vulnerability of ECM-maintaining pericytes and gene expression patterns implicating dysregulated blood flow. With an expanded survey of brain cell types, we find that 30 of the top 45 AD GWAS genes are expressed in the human brain vasculature, confirmed in situ . Vascular GWAS genes map to endothelial protein transport, adaptive immune, and ECM pathways. Many are microglia-specific in mice, suggesting an evolutionary transfer of AD risk to human vascular cells. Our work unravels the molecular basis of the human brain vasculature, informing our understanding of overall brain health, disease, and therapy.

Abstract Though SARS-CoV-2 primarily targets the respiratory system, it is increasingly appreciated that patients may suffer neurological symptoms of varied severity 1–3 . However, an unbiased understanding of the molecular processes across brain cell types that could contribute to these symptoms in COVID-19 patients is still missing. Here, we profile 47,678 droplet-based single-nucleus transcriptomes from the frontal cortex and choroid plexus across 10 non-viral, 4 COVID-19, and 1 influenza patient. We complement transcriptomic data with immunohistochemical staining for the presence of SARS-CoV-2. We find that all major cortex parenchymal and choroid plexus cell types are affected transcriptionally with COVID-19. This arises, in part, from SARS-CoV-2 infection of the cortical brain vasculature, meninges, and choroid plexus, stimulating increased inflammatory signaling into the brain. In parallel, peripheral immune cells infiltrate the brain, microglia activate programs mediating the phagocytosis of live neurons, and astrocytes dysregulate genes involved in neurotransmitter homeostasis. Among neurons, layer 2/3 excitatory neurons—evolutionarily expanded in humans 4 —show a specific downregulation of genes encoding major SNARE and synaptic vesicle components, predicting compromised synaptic transmission. These perturbations are not observed in terminal influenza. Many COVID-19 gene expression changes are shared with those in chronic brain disorders and reside in genetic variants associated with cognitive function, schizophrenia, and depression. Our findings and public dataset provide a molecular framework and new opportunities to understand COVID-19 related neurological disease.

Summary The role of proteostasis and organelle homeostasis dysfunction in human aging and Alzheimer’s disease (AD) remains unclear. Analyzing proteome-wide changes in human donor fibroblasts and their corresponding transdifferentiated neurons (tNeurons), we find aging and AD synergistically impair multiple proteostasis pathways, most notably lysosomal quality control (LQC). In particular, we show that ESCRT-mediated lysosomal repair defects are associated with both sporadic and PSEN1 familial AD. Aging- and AD-linked defects are detected in fibroblasts but highly exacerbated in tNeurons, leading to enhanced neuronal vulnerability, unrepaired lysosomal damage, inflammatory factor secretion and cytotoxicity. Surprisingly, tNeurons from aged and AD donors spontaneously develop amyloid-β inclusions co-localizing with LQC markers, LAMP1/2-positive lysosomes and proteostasis factors; we observe similar inclusions in brain tissue from AD patients and APP-transgenic mice. Importantly, compounds enhancing lysosomal function broadly ameliorate these AD-associated pathologies. Our findings establish cell-autonomous LQC dysfunction in neurons as a central vulnerability in aging and AD pathogenesis.