Abstract Background/Purpose Multicenter study designs involving a variety of MRI scanners have become increasingly common. However, these present the issue of biases in image-based measures due to scanner or site differences. To assess these biases, we imaged 11 volunteers with multiple sclerosis (MS) with scan and rescan data at 4 sites. Materials and Methods Images were acquired on Siemens or Philips scanners at 3-tesla. Automated white matter lesion detection and whole brain, gray and white matter, and thalamic volumetry were performed, as well as expert manual delineations of T1 and T2 (FLAIR) lesions. Random effect and permutation-based nonparametric modeling was performed to assess differences in estimated volumes within and across sites. Results Random effect modeling demonstrated model assumption violations for most comparisons of interest. Non-parametric modeling indicated that site explained > 50% of the variation for most estimated volumes. This expanded to > 75% when data from both Siemens and Philips scanners were included. Permutation tests revealed significant differences between average inter- and intra-scanner differences in most estimated brain volumes ( P < .05). The automatic activation of spine coil elements during some acquisitions resulted in a shading artifact in these images. Permutation tests revealed significant differences between thalamic volume measurements from acquisitions with and without this artifact. Conclusion Differences in brain volumetry persisted across MR scanners despite protocol harmonization. These differences were not well explained by variance component modeling; however, statistical innovations for mitigating inter-scanner differences show promise in reducing biases in multi-center studies of MS.

Progressive multiple sclerosis (PMS) is an immune-initiated neurodegenerative condition that lacks effective therapies. Although peripheral immune infiltration is a hallmark of relapsing-remitting MS (RRMS), PMS is associated with chronic, tissue-restricted inflammation and disease-associated reactive glial states. The effector functions of disease-associated microglia, astrocytes, and oligodendrocyte lineage cells are beginning to be defined, and recent studies have made significant progress in uncovering their pathologic implications. In this review, we discuss the immune-glia interactions that underlie demyelination, failed remyelination, and neurodegeneration with a focus on PMS. We highlight the common and divergent immune mechanisms by which glial cells acquire disease-associated phenotypes. Finally, we discuss recent advances that have revealed promising novel therapeutic targets for the treatment of PMS and other neurodegenerative diseases.

Preclinical studies of pro-remyelinating therapies for multiple sclerosis tend to neglect the effect of the disease-relevant inflammatory milieu. Interferon-gamma (IFN-γ) is known to suppress oligodendrocyte progenitor cell (OPC) differentiation and induce a recently described immune OPC (iOPC) phenotype characterized by expression of major histocompatibility complex (MHC) molecules. We tested the effects of cladribine (CDB), dimethylfumarate (DMF), and interferon-beta (IFN-β), existing anti-inflammatory therapies for MS, on the IFN-γ-induced iOPC formation and OPC differentiation block. In line with previous reports, we demonstrate that IFN-β and DMF inhibit OPC proliferation, while CDB had no effect. None of the drugs exhibited cytotoxic effects at the physiological concentrations tested in vitro. In a differentiation assay, none of the drugs were able to promote differentiation, under inflammatory or basal conditions. To study drug effects on iOPCs, we monitored MHC expression in vitro with live cell imaging using cells isolated from MHC reporter mice. IFN-β suppressed induction of MHC class II, and DMF led to suppression of both class I and II. CDB had no effect on MHC induction. We conclude that promoting proliferation and differentiation and suppressing iOPC induction under inflammatory conditions may require separate therapeutic strategies and must be balanced for maximal repair. Our in vitro MHC screening assay can be leveraged across cell types to test the effects of drug candidates and disease-related stimuli.

Magnetic resonance imaging (MRI) is crucial for in vivo detection and characterization of white matter lesions (WML) in multiple sclerosis. While these lesions have been studied for over two decades using MRI technology, automated segmentation remains challenging. Although the majority of statistical techniques for the automated segmentation of WML are based on a single imaging modality, recent advances have used multimodal techniques for identifying WML. Complementary imaging modalities emphasize different tissue properties, which can help identify and characterize interrelated features of lesions. However, prior work has ignored relationships between imaging modalities, which may be informative in this clinical context. To harness the coherent changes in these measurements, we utilized inter-modal coupling regression (IMCo) to estimate the covariance structure across modalities. We then used a local logistic regression, MIMoSA, which leverages new covariance features from IMCo regression as well as the mean structure of each imaging modality in order to model the probability that any voxel is part of a lesion. Finally, we introduced a novel thresholding algorithm to fully automate the estimation of the probability maps to generate fully automated segmentations masks for 94 subjects. To evaluate the performance of the automated segmentations generated using MIMoSA we compared results with gold standard manual segmentations. We demonstrate the superiority of MIMoSA to other automated segmentation techniques by comparing it to the OASIS algorithm as well as LesionTOADS. MIMoSA resulted in statistically significant improvement in lesion segmentation.

Oligodendrocyte precursor cells (OPCs) are abundant in the adult CNS and can be recruited to form new oligodendrocytes and myelin in response to injury or disease. However, in multiple sclerosis (MS), oligodendrocyte regeneration and remyelination are often incomplete, suggesting that recruitment and maturation of OPCs is impaired. MS and the rodent model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) are characterized by infiltration of activated T-cells into the CNS. To investigate the mechanisms by which this neuroinflammatory process influences OPC mobilization, we performed in vivo fate tracing in an inflammatory demyelinating animal model. Results of our studies showed that the OPC differentiation and myelin production are inhibited by either adoptive transfer of CNS infiltrating cytokine producing effector T-cells or CNS production of interferon gamma (IFNγ), using an astrocyte specific IFNγ transgene model. In both systems, IFNγ changes the profile of OPCs by inducing functional expression of the immunoproteasome and upregulation of MHC class I. OPCs exposed to IFNγ are shown to cross present exogenous antigen to cytotoxic CD8 T-cells, which then produce proteases and FasL that results in subsequent caspase 3/7 activation and OPC death, both in vitro and in vivo. Cross presentation by OPCs is dependent on the cytosolic processing pathway and can be inhibited by small molecules targeting MHC class I antigen processing and the immunoproteasome subunits. Finally, the immunoproteasome subunit, PSMB8, is shown to be markedly increased on Sox10+ oligodendrocyte lineage cells only in the demyelinated white matter lesions from patients with MS. These findings support the notion that OPCs have multiple functions beyond differentiation into myelinating cells and adapt to their microenvironment by responding to local cues. In MS, OPCs may be co-opted by the immune system to perpetuate the autoimmune response. Strategies aimed at inhibiting the aberrant immune activation pathways in OPCs may allow more efficient remyelination in MS.

Multiple sclerosis (MS) is an inflammatory demyelinating disorder of the CNS. Bile acids are cholesterol metabolites that can signal through receptors on cells throughout the body, including the CNS and immune system. Whether bile acid metabolism is abnormal in MS is unknown. Using global and targeted metabolomic profiling, we identified lower levels of circulating bile acid metabolites in multiple cohorts of adult and pediatric MS patients compared to controls. In white matter lesions from MS brain tissue, we noted the presence of bile acid receptors on immune and glial cells. To mechanistically examine the implications of lower levels of bile acids in MS, we studied the in vitro effects of an endogenous bile acid - tauroursodeoxycholic acid (TUDCA) on astrocyte and microglial polarization. TUDCA prevented neurotoxic (A1) polarization of astrocytes and pro-inflammatory polarization of microglia in a dose-dependent manner. TUDCA supplementation in experimental autoimmune encephalomyelitis reduced severity of disease, based on behavioral and pathological measures. We demonstrate that bile acid metabolism is altered in MS; bile acid supplementation prevents polarization of astrocytes and microglia to neurotoxic phenotypes and ameliorates neuropathology in an animal model of MS. These findings identify dysregulated bile acid metabolism as a potential therapeutic target in MS.

Multiple sclerosis is a common, complex neurological disease, where almost 20% of risk heritability can be attributed to common genetic variants, including >230 identified by genome-wide association studies (Patsopoulos et al., 2017). Multiple strands of evidence suggest that the majority of the remaining heritability is also due to the additive effects of individual variants, rather than epistatic interactions between these variants, or mutations exclusive to individual families. Here, we show in 68,379 cases and controls that as much as 5% of this heritability is explained by low-frequency variation in gene coding sequence. We identify four novel genes driving MS risk independently of common variant signals, which highlight a key role for regulatory T cell homeostasis and regulation, IFNγ biology and NFκB signaling in MS pathogenesis. As low-frequency variants do not show substantial linkage disequilibrium with other variants, and as coding variants are more interpretable and experimentally tractable than non-coding variation, our discoveries constitute a rich resource for dissecting the pathobiology of MS.

Dimension reduction tools preserving similarity and graph structure such as t-SNE and UMAP can capture complex biological patterns in high-dimensional data. However, these tools typically are not designed to separate effects of interest from unwanted effects due to confounders. We introduce the partial embedding (PARE) framework, which enables removal of confounders from any distance-based dimension reduction method. We then develop partial t-SNE and partial UMAP and apply these methods to genomic and neuroimaging data. Our results show that the PARE framework can remove batch effects in single-cell sequencing data as well as separate clinical and technical variability in neuroimaging measures. We demonstrate that the PARE framework extends dimension reduction methods to highlight biological patterns of interest while effectively removing confounding effects.

We assembled and analyzed genetic data of 47,351 multiple sclerosis (MS) subjects and 68,284 control subjects and establish a reference map of the genetic architecture of MS that includes 200 autosomal susceptibility variants outside the major histocompatibility complex (MHC), one chromosome X variant, and 32 independent associations within the extended MHC. We used an ensemble of methods to prioritize up to 551 potentially associated MS susceptibility genes, that implicate multiple innate and adaptive pathways distributed across the cellular components of the immune system. Using expression profiles from purified human microglia, we do find enrichment for MS genes in these brain-resident immune cells. Thus, while MS is most likely initially triggered by perturbation of peripheral immune responses the functional responses of microglia and other brain cells are also altered and may have a role in targeting an autoimmune process to the central nervous system.

Destruction of oligodendrocytes and myelin sheaths in cortical gray matter profoundly alters neural activity and is associated with cognitive disability in multiple sclerosis (MS). Myelin can be restored by regenerating oligodendrocytes from resident progenitors; however, it is not known whether regeneration restores the complex myelination patterns in cortical circuits. Here we performed time lapse in vivo two photon imaging in somatosensory cortex of adult mice to define the kinetics and specificity of myelin regeneration after acute oligodendrocyte ablation. These longitudinal studies revealed that the pattern of myelination in cortex changed dramatically after regeneration, as new oligodendrocytes were formed in different locations and new sheaths were often established along axon segments previously lacking myelin. Despite the dramatic increase in axonal territory available, oligodendrogenesis was persistently impaired in deeper cortical layers that experienced higher gliosis. The repeated reorganization of myelin patterns in MS may alter circuit function and contribute to cognitive decline.