Summary The brain vasculature supplies neurons with glucose and oxygen, but little is known about how vascular plasticity contributes to brain function. Using longitudinal in vivo imaging, we reported that a substantial proportion of blood vessels in the adult brain sporadically occluded and regressed. Their regression proceeded through sequential stages of blood-flow occlusion, endothelial cell collapse, relocation or loss of pericytes, and retraction of glial endfeet. Regressing vessels were found to be widespread in mouse, monkey and human brains. Both brief occlusions of the middle cerebral artery and lipopolysaccharide-mediated inflammation induced an increase of vessel regression. Blockage of leukocyte adhesion to endothelial cells alleviated LPS-induced vessel regression. We further revealed that blood vessel regression caused a reduction of neuronal activity due to a dysfunction in mitochondrial metabolism and glutamate production. Our results elucidate the mechanism of vessel regression and its role in neuronal function in the adult brain.

Abstract CD8 T cell engagement of brain vasculature is a putative mechanism of neuropathology in human cerebral malaria. To define contributions of brain endothelial cell MHC class I antigen-presentation to CD8 T cells in establishing this pathology, we developed novel H-2K b LoxP and H-2D b LoxP mice crossed with Cdh5-Cre mice to achieve targeted deletion of discrete class I molecules on brain endothelium. Using the Plasmodium berghei ANKA model of experimental cerebral malaria (ECM), we observe that H-2K b and H-2D b regulate distinct patterns of disease onset, CD8 T cell infiltration, targeted cell death, and regional blood-brain barrier (BBB) disruption. Strikingly, ablation of H-2K b or H-2D b from brain endothelial cells resulted in reduced CD8 T cell activation, attenuated T cell interaction with brain vasculature, lessened targeted cell death, preserved BBB integrity, and prevented ECM and the death of the animal. These data demonstrate that interactions of CD8 T cells with discrete MHC class I molecules on brain endothelium regulate development of ECM neuropathology. Therefore, targeting MHC class I interactions therapeutically may hold potential for treatment of cases of severe malaria.

Abstract Microglia are resident immune cells of the central nervous system (CNS) and play key roles in brain homeostasis. During anesthesia, microglia increase their dynamic process surveillance and interact more closely with neurons. However, the functional significance of microglial process dynamics and neuronal interaction has remained unclear. Using in vivo two-photon imaging in awake mice, we discover that microglia enhance neuronal activity after the cessation of general anesthesia. Hyperactive neuron somata are directly contacted by microglial processes, which specifically co-localize with GABAergic boutons. Electron microscopy-based synaptic reconstruction after two-photon imaging reveals that microglial processes enter into the synaptic cleft to shield GABAergic inputs. Microglial ablation or loss of microglial β2-adrenergic receptors prevent post-anesthesia neuronal hyperactivity. Together, our study demonstrates a previously unappreciated function of microglial process dynamics, which allow microglia to transiently boost neuronal activity by physically shielding inhibitory inputs.

ABSTRACT Triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) was recently highlighted as a novel immune suppressive marker in peripheral tumors. The aim of this study was to characterize TREM2 expression in gliomas and investigate its contribution in glioma progression by using Trem2 -/- mouse line. Our results showed that higher TREM2 expression was correlated with poor prognosis in glioma patients. Unexpectedly, TREM2 deficiency did not have a beneficial effect in a pre-clinical model of glioma. The increased TREM2 expression in glioma was likely due to increased myeloid cell infiltration, as evidenced by our single-cell analysis showing that almost all microglia and macrophages in gliomas were TREM2 + . Furthermore, we found that deficiency of TREM2 impaired tumor-myeloid phagocytosis and MHCII presentation, and significantly reduced CD4 + T cells in tumor hemispheres. Our results revealed a previously unrecognized protective role of tumor-myeloid TREM2 in promoting MHCII-associated CD4 + T cell response against gliomas. SUMMARY Authors found that although higher TREM2 expression is correlated with poor prognosis in glioma patients, its absence has no beneficial effect in a pre-clinical model of glioma. Deficiency of TREM2 impairs myeloid cell phagocytosis of tumor debris, leading to a reduction in MHCII-dependent CD4 + anti-glioma immunity.

Microglia are resident immune cells that dynamically survey the brain parenchyma, interacting with neurons in both health and disease. However, it is still unclear how neuronal network activity drives microglial dynamics. Utilizing in vivo two-photon imaging of microglia in awake mice, we found that inhibition of neuronal activity under general anesthesia dramatically increased microglial process surveillance. Accordingly, both sensory deprivation and optogenetic inhibition of local neuronal network activity in awake mice resulted in similar increases in microglial process surveillance. We further determined that reduced norepinephrine signaling is responsible for the observed increase in microglial process surveillance. Our results demonstrate that microglial process dynamics are directly influenced by neural activities through norepinephrine signaling in awake animals and indicate the importance of awake imaging for studying microglia-neuron interactions.

Summary ADAMs ( a d isintegrin a nd m etalloproteinase) are transmembrane proteins with cell adhesion and protease activities that contain disintegrin and metalloproteinase domains. ADAM10, a member of the ADAM family, is widely expressed in the brain. There are >40 substrates reported for ADAM10, including Notch, Delta-like ligand-1 (Dll1), and N-cadherin. To date, however, its function in the brain has been largely unknown. We used genetic manipulation to delete Adam10 specifically from glial progenitors in developing brains and observed that conditional knockout mice showed locomotor abnormalities. They all died within 4 months with apparent defects in the cerebellum. By comprehensively analyzing data from bulk RNA sequencing, single-cell RNA sequencing, and staining of the cerebellum, we found that ADAM10 promoted astrocyte generation under physiological conditions. Upon the removal of Adam10 in glial progenitors, the production of oligodendrocytes vastly increased, whereas the generation of astrocytes was substantially inhibited. Our results showed that ADAM10 plays a critical role in macroglial cell fate decisions during brain development.

Abstract Microglia are key players in maintaining brain homeostasis and exhibit phenotypic alterations in response to epileptic stimuli. However, it is still relatively unknown if these alterations are pro- or anti-epileptic. To unravel this dilemma, we employed chemogenetic manipulation of microglia via of the artificial Gi-Dreadd receptor within a kainic acid (KA) induced murine seizure model. Our results indicate that Gi-Dreadd activation can reduce seizure severity. Additionally, we observed increased interaction between microglia and neuronal soma, which correlated with reduced neuronal hyperactivity. Interestingly, prolonged activation of microglial Gi-Dreadds by repeated doses over 3 days, arrested microglia in a less active, homeostatic-like state, which associated with increased neuronal loss after KA induced seizures. RNAseq analysis revealed that prolonged activation of Gi-Dreadd interferes with interferon β signaling and microglia proliferation. Thus, our findings highlight the importance of microglial activation not only during status epilepticus (SE) but also within later seizure induced pathology.

Neuronal hyperexcitability is a hallmark of seizures. It has been recently shown in rodent models of seizures that microglia, the brain9s resident immune cells, can respond to and modulate neuronal excitability. However, how human microglia interacts with human neurons to regulate hyperexcitability mediated by epilepsy-causing genetic mutation found in human patients remains unknown. The SCN2A genetic locus is responsible for encoding the voltage-gated sodium channel Nav1.2, recognized as one of the leading contributors to monogenic epilepsies. Previously, we demonstrated that the recurring Nav1.2-L1342P mutation identified in patients with epilepsy leads to hyperexcitability in a hiPSC-derived cortical neuron model from a male donor. While microglia play an important role in the brain, these cells originate from a different lineage (yolk sac) and thus are not naturally present in hiPSCs-derived neuronal culture. To study how microglia respond to diseased neurons and influence neuronal excitability, we established a co-culture model comprising hiPSC-derived neurons and microglia. We found that microglia display altered morphology with increased branch length and enhanced calcium signal when co-cultured with neurons carrying the Nav1.2-L1342P mutation. Moreover, the presence of microglia significantly lowers the action potential firing of neurons carrying the mutation. Interestingly, we further demonstrated that the current density of sodium channels in neurons carrying the epilepsy-associated mutation was reduced in the presence of microglia. Taken together, our work reveals a critical role of human iPSCs-derived microglia in sensing and dampening hyperexcitability mediated by an epilepsy-causing mutation present in human neurons, highlighting the importance of neuron-microglia interactions in human pathophysiology.

Microglial calcium signaling underlies a number of key physiological processes in situ, but has not been studied in vivo in an awake animal where neuronal function is preserved. Using multiple GCaMP6 variants targeted to microglia, we assessed how microglial calcium signaling responds to alterations in neuronal activity across a wide physiological range. We find that only a small subset of microglial somata and processes exhibited spontaneous calcium transients. However, hyperactive and hypoactive shifts in neuronal activity trigger increased microglial process calcium signaling, often concomitant with process extension. On the other hand, changes in somatic calcium activity are only observed days after severe seizures. Our work reveals that microglia have highly distinct microdomain signaling, and that processes specifically respond to bi-directional shifts in neuronal activity through calcium signaling.

Microglia are highly dynamic immune cells of the central nervous system (CNS). Microglial processes interact with neuronal elements constantly on the order of minutes. The functional significance of this acute microglia-neuron interaction and its potential role in the context of pain is still largely unknown. Here, we found that spinal microglia increased their process motility and electrophysiological reactivity within an hour after the insult in a mouse model of formalin-induced acute, sustained, inflammatory pain. Using an ablation strategy to specifically deplete resident microglia in the CNS, we demonstrate that microglia participate in formalin-induced acute sustained pain behaviors by amplifying neuronal activity in the spinal dorsal horn. Moreover, we identified that the P2Y12 receptor, which is specifically expressed in microglia in the CNS, was required for microglial function in formalin-induced pain. Taken together, our study provides a novel insight into the contribution of microglia and the P2Y12 receptor in acute, sustained, inflammatory pain that could be used for potential therapeutic strategies.