Abstract Monocyte-derived macrophages are key players in tissue homeostasis and disease regulated by a variety of signaling molecules. Recent literature has highlighted the ability for biogenic amines to regulate macrophage functions, but the mechanisms governing biogenic amine signaling on and around immune cells remains nebulous. In the central nervous system, biogenic amine transporters are regarded as the master regulators of neurotransmitter signaling. While we and others have shown macrophages express these transporters, relatively little is known of their function on these cells. To address these knowledge gaps, we interrogated the function of norepinephrine (NET) and dopamine (DAT) transporters on human monocyte-derived macrophages. We found that both NET and DAT are present and can uptake substrate from the extracellular space at baseline. Not only was DAT expressed in cultured macrophages, but it was also detected in a subset of intestinal macrophages in situ. Surprisingly, we discovered a NET-independent, DAT-mediated immuno-modulatory mechanism in response to lipopolysaccharide (LPS). LPS induced reverse transport of dopamine through DAT, engaging autocrine/paracrine signaling loop that regulated the macrophage response. Removing this signaling loop enhanced the pro-inflammatory response to LPS. Finally, we found that this DAT-immune axis was disrupted in disease. Collectively, our data introduce a novel role for DAT in the regulation of innate immunity during health and disease.

Abstract Behavioral time scale plasticity (BTSP), is a form of non-Hebbian plasticity induced by integrating pre- and postsynaptic components separated by behavioral time scale (seconds). BTSP in the hippocampal CA1 neurons underlies place cell formation. However, the molecular mechanisms underlying this behavioral time scale (eligibility trace) and synapse specificity are unknown. CaMKII can be activated in a synapse-specific manner and remain active for a few seconds, making it a compelling candidate for the eligibility trace during BTSP. Here, we show that BTSP can be induced in a single dendritic spine using 2-photon glutamate uncaging paired with postsynaptic current injection temporally separated by behavioral time scale. Using an improved CaMKII sensor, we saw no detectable CaMKII activation during this BTSP induction. Instead, we observed a dendritic, delayed, and stochastic CaMKII activation (DDSC) associated with Ca 2+ influx and plateau 20-40 s after BTSP induction. DDSC requires both pre-and postsynaptic activity, suggesting that CaMKII can integrate these two signals. Also, optogenetically blocking CaMKII 30 s after the BTSP protocol inhibited synaptic potentiation, indicating that DDSC is an essential mechanism of BTSP. IP3-dependent intracellular Ca 2+ release facilitates both DDSC and BTSP. Thus, our study suggests that the non-synapse specific CaMKII activation provides an instructive signal with an extensive time window over tens of seconds during BTSP.

Long-term structural plasticity of dendritic spines plays a key role in synaptic plasticity, the cellular basis for learning and memory. The biochemical step is mediated by a complex network of signaling proteins in spines. Two-photon imaging techniques combined with two-photon glutamate uncaging allows researchers to induce and quantify structural plasticity in single dendritic spines. However, this method is laborious and slow, making it unsuitable for high throughput screening of factors necessary for structural plasticity. Here we introduce a MATLAB-based module built for Scanimage to automatically track, image, and stimulate multiple dendritic spines. We implemented an electrically tunable lens in combination with a drift correction algorithm to rapidly and continuously track targeted spines and correct sample movements. With a straightforward user interface to design custom multi-position experiments, we were able to adequately image and produce targeted plasticity in multiple dendritic spines using glutamate uncaging. Our methods are inexpensive, open source, and provides up to a five-fold increase in throughput for quantifying structural plasticity of dendritic spines.