Abstract The extent of microglial heterogeneity in humans remains a central yet poorly explored question in light of the development of therapies targeting this cell type. Here, we investigate the population structure of live microglia purified from human cerebral cortex samples obtained at autopsy and during neurosurgical procedures. Using single cell RNA sequencing, we find that some subsets are enriched for disease-related genes and RNA signatures. We confirm the presence of four of these microglial subpopulations histologically and illustrate the utility of our data by characterizing further microglial cluster 7, enriched for genes depleted in the cortex of individuals with Alzheimer’s disease (AD). Histologically, these cluster 7 microglia are reduced in frequency in AD tissue, and we validate this observation in an independent set of single nucleus data. Thus, our live human microglia identify a range of subtypes, and we prioritize one of these as being altered in AD.

There is a need for new therapeutic targets with which to prevent Alzheimer’s disease (AD), a major contributor to aging-related cognitive decline. Here we report the construction and validation of a molecular network of the aging human frontal cortex. Using RNA sequence data from 478 individuals, we first build a molecular network using modules of coexpressed genes and then relate these modules to AD and its neuropathologic and cognitive endophenotypes. We confirm these associations in two independent AD datasets. We also illustrate the use of the network in prioritizing amyloid- and cognition-associated genes for in vitro validation in human neurons and astrocytes. These analyses based on unique cohorts enable us to resolve the role of distinct cortical modules that have a direct effect on the accumulation of AD pathology from those that have a direct effect on cognitive decline, exemplifying a network approach to complex diseases. The authors constructed and validated a molecular network of the aging human cortex from RNA sequencing data from 478 individuals and identified genes that affect cognitive decline or neuropathology in Alzheimer’s disease.

Abstract The role of different cell types and their interactions in Alzheimer’s disease (AD) is an open question. Here we pursued it by assembling a high-resolution cellular map of the aging frontal cortex by single nucleus RNA-seq of 24 individuals with different clinicopathologic characteristics. We used the map to infer the neocortical cellular architecture of 638 individuals profiled by bulk RNA-seq, providing the sample size necessary for identifying statistically robust associations. We uncovered diverse cell populations associated with AD, including inhibitory neuronal subtypes and oligodendroglial states. We further recovered a network of multicellular communities, each composed of coordinated subpopulations of neuronal, glial and endothelial cells, and found that two of these communities are altered in AD. Finally, we used mediation analyses to prioritize cellular changes that might contribute to cognitive decline. Thus, our deconstruction of the aging neocortex provides a roadmap for evaluating the cellular microenvironments underlying AD and dementia.

Abstract Recent studies of bulk microglia have provided insights into the role of this immune cell type in central nervous system development, homeostasis and dysfunction. Nonetheless, our understanding of the diversity of human microglial cell states remains limited; microglia are highly plastic and have multiple different roles, making the extent of phenotypic heterogeneity a central question, especially in light of the development of therapies targeting this cell type. Here, we investigated the population structure of human microglia by single-cell RNA-sequencing. Using surgical- and autopsy-derived cortical brain samples, we identified 14 human microglial subpopulations and noted substantial intra- and inter-individual heterogeneity. These putative subpopulations display divergent associations with Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, and other diseases. Several states show enrichment for genes found in disease-associated mouse microglial states, suggesting additional diversity among human microglia. Overall, human microglia appear to exist in different functional states with varying levels of involvement in different brain pathologies.

Abstract Human microglia play a pivotal role in neurological diseases, but few targeted therapies that directly modulate microglial state or function exist due to an incomplete understanding of microglial heterogeneity. We use single-cell RNA sequencing to profile live human microglia from autopsies or surgical resections across diverse neurological diseases and central nervous system regions. We observe a central divide between oxidative and heterocyclic metabolism and identify subsets associated with antigen presentation, motility, and proliferation. Specific subsets are enriched in susceptibility genes for neurodegenerative diseases or the disease-associated microglial signature. We validate subtypes in situ with an RNAscope-immunofluorescence pipeline and leverage our dataset as a classification resource, finding that iPSC model systems recapitulate substantial in vivo heterogeneity. Finally, we identify and validate candidates for chemically inducing subtype-specific states in vitro , showing that Camptothecin downregulates the transcriptional signature of disease-enriched subsets and upregulates a signature previously shown to be depleted in Alzheimer’s.

Abstract Recent investigations of cell type changes in Multiple Sclerosis (MS) using single-cell profiling methods have focused on active lesional and peri-lesional brain tissue, and have implicated a number of peripheral and central nervous system cell types. However, an important question is the extent to which so-called “normal-appearing” non-lesional tissue in individuals with MS accumulate changes over the lifespan. Here, we compared post-mortem non-lesional brain tissue from donors with a pathological or clinical diagnosis of MS from the Religious Orders Study or Rush Memory and Aging Project (ROSMAP) cohorts to age– and sex-matched brains from persons without MS (controls). We profiled three brain regions using single-nucleus RNA-seq: dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), normal appearing white matter (NAWM) and the pulvinar in thalamus (PULV), from 15 control individuals, 8 individuals with MS, and 5 individuals with other detrimental pathologies accompanied by demyelination, resulting in a total of 78 samples. We identified region– and cell type-specific differences in non-lesional samples from individuals diagnosed with MS and/or exhibiting secondary demyelination with other neurological conditions, as compared to control donors. These differences included lower proportions of oligodendrocytes with expression of myelination related genes MOBP, MBP, PLP1, as well as higher proportions of CRYAB+ oligodendrocytes in all three brain regions. Among microglial signatures, we identified subgroups that were higher in both demyelination (TMEM163+/ERC2+), as well as those that were specifically higher in MS donors (HIF1A+/SPP1+) and specifically in donors with secondary demyelination (SOCS6+/MYO1E+), in both white and grey matter. To validate our findings, we generated Visium spatial transcriptomics data on matched tissue from 13 donors, and recapitulated our observations of gene expression differences in oligodendrocytes and microglia. Finally, we show that some of the differences observed between control and MS donors in NAWM mirror those previously reported between control WM and active lesions in MS donors. Overall, our investigation sheds additional light on cell type– and disease-specific differences present even in non-lesional white and grey matter tissue, highlighting widespread cellular signatures that may be associated with downstream pathological changes.

Abstract Persistent sensorimotor impairments after stroke can negatively impact quality of life. The hippocampus is involved in sensorimotor behavior but has not been widely studied within the context of post-stroke upper limb sensorimotor impairment. The hippocampus is vulnerable to secondary degeneration after stroke, and damage to this region could further weaken sensorimotor circuits, leading to greater chronic sensorimotor impairment. The purpose of this study was to investigate the cross-sectional association between non-lesioned hippocampal volume and upper limb sensorimotor impairment in people with chronic stroke. We hypothesized that smaller ipsilesional hippocampal volumes would be associated with worse upper-limb sensorimotor impairment. Cross-sectional T1-weighted brain MRIs were pooled from 357 participants at the chronic stage after stroke (>180 days post-stroke) compiled from 18 research cohorts worldwide in the ENIGMA Stroke Recovery Working Group (age: median = 61 years, interquartile range = 18, range = 23-93; 135 women and 222 men). Sensorimotor impairment was estimated from the Fugl-Meyer Assessment of Upper Extremity scores. Robust mixed-effects linear models were used to test associations between post-stroke sensorimotor impairment and hippocampal volumes (ipsilesional and contralesional separately; Bonferroni-corrected, p - value < 0.025), controlling for age, sex, lesion volume, and lesioned hemisphere. We also performed an exploratory analysis to test whether sex differences influence the relationship between sensorimotor impairment and hippocampal volume. Upper limb sensorimotor impairment was positively associated with ipsilesional ( p = 0.005; d = 0.33) but not contralesional ( p = 0.96; d = 0.01) hippocampal volume, such that impairment was worse for participants with smaller ipsilesional hippocampal volume. This association remained significant independent of lesion volume or other covariates ( p = 0.001; d = 0.36). Evidence indicates an interaction between sensorimotor impairment and sex for both ipsilesional ( p = 0.008; d = −0.29) and contralesional ( p = 0.006; d = −0.30) hippocampal volumes, whereby women showed progressively worsening sensorimotor impairment with smaller hippocampal volumes compared to men. The present study has identified a novel association between chronic post-stroke sensorimotor impairment and ipsilesional, but not contralesional, hippocampal volume. This finding was not due to lesion size and may be stronger in women. We also provide supporting evidence that smaller hippocampal volume post-stroke is likely a consequence of ipsilesional damage, which could provide a link between vascular disease and other disorders, such as dementia.

Microglial dysfunction has been proposed as one of the many cellular mechanisms that can contribute to the development of Alzheimer's disease (AD). Here, using a transcriptional network map of the human frontal cortex, we identify five gene modules of coexpressed genes related to microglia and assess their role in the neuropathologic features of AD in 541 subjects from two cohort studies of brain aging. Two of these transcriptional programs - modules 113 and 114 - relate to the accumulation of β-amyloid, while module 5 relates to tau pathology. These modules are also detectable in the human brain's epigenome, where we replicate these associations. In terms of tau, we propose that module 5, a marker of activated microglia, may lead to tau accumulation and subsequent cognitive decline. We validate our model further by showing that VASP, a representative module 5 gene, encodes a protein that is upregulated in activated microglia in AD.

Identified as an Alzheimer's disease (AD) susceptibility gene by genome wide-association studies, BIN1 has 10 isoforms that are expressed in the Central Nervous System (CNS). The distribution of these isoforms in different cell types, as well as their role in AD pathology still remains unclear. Utilizing antibodies targeting specific BIN1 epitopes in human post-mortem tissue and analyzing RNA expression data from purified microglia, we identified three isoforms expressed specifically in neurons (isoforms 1, 2 and 3) and four isoforms expressed in microglia (isoforms 6, 9, 10 and 12). The abundance of selected peptides, which correspond to groups of BIN1 protein isoforms, was measured in dorsolateral prefrontal cortex, and their relation to neuropathological features of AD was assessed. Peptides contained in exon 7 of BIN1's N-BAR domain were found to be significantly associated with AD-related traits and, particularly, tau pathology. Since only isoforms 1, 2 and 3 contain exon 7, it appears that decreased protein expression of the N-BAR domain of BIN1 is associated with greater accumulation of tau pathology and subsequent cognitive decline, with astrocytic rather than neuronal BIN1 being the more likely culprit. These effects are independent of the BIN1 AD risk variant, suggesting that targeting specific BIN1 isoforms might be a novel therapeutic approach to prevent the accumulation of tau pathology.

The fact that only symptomatic therapies of small effect are available for Alzheimer's disease (AD) today highlights the need for new therapeutic targets with which to prevent a major contributor to aging-related cognitive decline. Here, we report the construction and validation of a molecular network of the aging human frontal cortex. Using RNA sequence data from 478 individuals, we first identify the role of modules of coexpressed genes, and then confirm them in independent AD datasets. Then, we prioritize influential genes in AD-related modules and test our predictions in human model systems. We functionally validate two putative regulator genes in human astrocytes: INPPL1 and PLXNB1, whose activity in AD may be related to semaphorin signalling and type II diabetes, which have both been implicated in AD. This arc of network identification followed by statistical and experimental validation provides specific new targets for therapeutic development and illustrates a network approach to a complex disease.