With the discovery of missense mutations (A53T and A30P) in α-synuclein (α-Syn) in several families with early onset familial Parkinson's disease, α-Syn aggregation and fibril formation have been thought to play a role in the pathogenesis of α-synucleinopathies, such as Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies, and multiple system atrophy. As previous reports have suggested that α-Syn plays a role in lipid transport and synaptic membrane biogenesis, we investigated whether α-Syn binds to a specific lipid ligand using thin layer chromatography overlay and examined the changes in its secondary structure using circular dichroism spectroscopy. α-Syn was found to bind to acidic phospholipid vesicles and this binding was significantly augmented by the presence of phosphatidylethanolamine, a neutral phospholipid. We further examined the interaction of α-Syn with lipids by in situ atomic force microscopy. The association of soluble wild-type α-Syn with planar lipid bilayers resulted in extensive bilayer disruption and the formation of amorphous aggregates and small fibrils. The A53T mutant α-Syn disrupted the lipid bilayers in a similar fashion but at a slower rate. These results suggest that α-Syn membrane interactions are physiologically important and the lipid composition of the cellular membranes may affect these interactions in vivo.

Immunotherapy for Alzheimer's disease (AD) relies on antibodies directed against toxic amyloid-beta peptide (Aβ), which circulate in the bloodstream and remove Aβ from the brain [1], [2]. In mouse models of AD, the administration of anti-Aβ antibodies directly into the brain, in comparison to the bloodstream, was shown to be more efficient at reducing Aβ plaque pathology [3], [4]. Therefore, delivering anti-Aβ antibodies to the brain of AD patients may also improve treatment efficiency. Transcranial focused ultrasound (FUS) is known to transiently-enhance the permeability of the blood-brain barrier (BBB) [5], allowing intravenously administered therapeutics to enter the brain [6]–[8]. Our goal was to establish that anti-Aβ antibodies delivered to the brain using magnetic resonance imaging-guided FUS (MRIgFUS) [9] can reduce plaque pathology. To test this, TgCRND8 mice [10] received intravenous injections of MRI and FUS contrast agents, as well as anti-Aβ antibody, BAM-10. MRIgFUS was then applied transcranially. Within minutes, the MRI contrast agent entered the brain, and BAM-10 was later found bound to Aβ plaques in targeted cortical areas. Four days post-treatment, Aβ pathology was significantly reduced in TgCRND8 mice. In conclusion, this is the first report to demonstrate that MRIgFUS delivery of anti-Aβ antibodies provides the combined advantages of using a low dose of antibody and rapidly reducing plaque pathology.

Cerebral amyloid angiopathy (CAA), the deposition of β-amyloid (Aβ) peptides in leptomeningeal and cortical blood vessels, affects the majority of patients with Alzheimer's disease (AD). Evidence suggests that vascular amyloid deposits may result from impaired clearance of neuronal Aβ along perivascular spaces. We investigated the role of perivascular macrophages in regulating CAA severity in the TgCRND8 mouse model of AD. Depletion of perivascular macrophages significantly increased the number of thioflavin S-positive cortical blood vessels. ELISA confirmed that this increase was underscored by elevations in total vascular Aβ 42 levels. Conversely, stimulation of perivascular macrophage turnover reduced cerebral CAA load, an effect that was not mediated through clearance by microglia or astrocytes. These results highlight a function for the physiological role of perivascular macrophages in the regulation of CAA and suggest that selective targeting of perivascular macrophage activation might constitute a therapeutic strategy to clear vascular amyloid.

Noninvasive, targeted drug delivery to the brain can be achieved using transcranial focused ultrasound (FUS), which transiently increases the permeability of the blood–brain barrier (BBB) for localized delivery of therapeutics from the blood to the brain. Previously, we have demonstrated that FUS can deliver intravenously-administered antibodies to the brain of a mouse model of Alzheimer's disease (AD) and rapidly reduce plaques composed of amyloid-β peptides (Aβ). Here, we investigated two potential effects of transcranial FUS itself that could contribute to a reduction of plaque pathology, namely the delivery of endogenous antibodies to the brain and the activation of glial cells. We demonstrate that transcranial FUS application leads to a significant reduction in plaque burden four days after a single treatment in the TgCRND8 mouse model of AD and that endogenous antibodies are found bound to Aβ plaques. Immunohistochemical and western blot analyses showed an increase in endogenous immunoglobulins within the FUS-targeted cortex. Subsequently, microglia and astrocytes in FUS-treated cortical regions show signs of activation through increases in protein expression and changes in glial size, without changes in glial cell numbers. Enhanced activation of glia correlated with increased internalization of Aβ in microglia and astrocytes. Together these data demonstrate that FUS improved the bioavailability of endogenous antibodies and led to a temporal activation of glial cells, providing evidence towards antibody- and glia-dependent mechanisms of FUS-mediated plaque reduction.

Abstract Changes in high-affinity nicotinic acetylcholine receptors are intricately connected to neuropathology in Alzheimer’s Disease (AD). Protective and cognitive-enhancing roles for the nicotinic α5 subunit have been identified, but this gene has not been closely examined in the context of human aging and dementia. Therefore, we investigate the nicotinic α5 gene CHRNA5 and the impact of relevant single nucleotide polymorphisms (SNPs) in prefrontal cortex from 922 individuals with matched genotypic and post-mortem RNA sequencing in the Religious Orders Study and Memory and Aging Project (ROS/MAP). We find that a genotype robustly linked to increased expression of CHRNA5 (rs1979905A2) predicts significantly reduced cortical β-amyloid load. Intriguingly, co-expression analysis suggests CHRNA5 has a distinct cellular expression profile compared to other nicotinic receptor genes. Consistent with this prediction, single nucleus RNA sequencing from 22 individuals reveals CHRNA5 expression is disproportionately-elevated in chandelier neurons, a distinct subtype of inhibitory neuron known for its role in excitatory/inhibitory (E/I) balance. We show that chandelier neurons are enriched in amyloid-binding proteins compared to basket cells, the other major subtype of PVALB-positive interneurons. Consistent with the hypothesis that nicotinic receptors in chandelier cells normally protect against β-amyloid, cell-type proportion analysis from 549 individuals reveals these neurons show amyloid-associated vulnerability only in individuals with impaired function/trafficking of nicotinic α5-containing receptors due to homozygosity of the missense CHRNA5 SNP (rs16969968A2). Taken together, these findings suggest that CHRNA5 and its nicotinic α5 subunit exert a neuroprotective role in aging and Alzheimer’s disease centered on chandelier interneurons.

ABSTRACT Obesity reduces or increases the risk of developing Alzheimer’s disease (AD) depending on whether it is assessed in mid-life or late-life. There is currently no consensus on the relationship between obesity and AD or the mechanism or their interaction. Here, we aim to differentiate the cause-and-effect relationship between obesity and AD in a controlled rat model of AD. We induced obesity in 9-month-old TgF344-AD rats, that is pathology-load wise similar to early symptomatic phase of human AD. To more accurately model human obesity, we fed both TgF344-AD and non-transgenic littermates a varied high-carbohydrate-high-fat diet consisting of human food for 3 months. Obesity increased overall glucose metabolism and slowed cognitive decline in TgF344-AD rats, specifically executive function, without affecting non-transgenic rats. Pathological analyses of prefrontal cortex and hippocampus showed that obesity in TgF344-AD rats produced varied effects, with increased density of myelin and oligodendrocytes, lowered density and activation of microglia that we propose contributes to the cognitive improvement. However, obesity also decreased neuronal density, and promoted deposition of amyloid-beta plaques and tau inclusions. After 6 months on the high-carbohydrate-high-fat diet, detrimental effects on density of neurons, amyloid-beta plaques, and tau inclusions persisted while the beneficial effects on myelin, microglia, and cognitive functions remained albeit with a lower effect size. By examining the effect of sex, we found that both beneficial and detrimental effects of obesity were stronger in female TgF344-AD rats indicating that obesity during early symptomatic phase of AD is protective in females.

Abstract Functional hyperaemia is a well-established hallmark of healthy brain function, whereby local brain blood flow adjusts in response to a change in the activity of the surrounding neurons. Although functional hyperemia has been extensively studied at the level of both tissue and individual vessels, vascular network-level coordination remains largely unknown. To bridge this gap, we developed a deep learning-based computational pipeline that uses two-photon fluorescence microscopy images of cerebral microcirculation to enable automated reconstruction and quantification of the geometric changes across the microvascular network, comprising hundreds of interconnected blood vessels, pre and post-activation of the neighbouring neurons. The pipeline’s utility was demonstrated in the Thy1-ChR2 optogenetic mouse model, where we observed network-wide vessel radius changes to depend on the photostimulation intensity, with both dilations and constrictions occurring across the cortical depth, at an average of 16.1±14.3 μm (mean±stddev) away from the most proximal neuron for dilations; and at 21.9±14.6 μm away for constrictions. We observed a significant heterogeneity of the vascular radius changes within vessels, with radius adjustment varying by an average of 24 ± 28% of the resting diameter, likely reflecting the heterogeneity of the distribution of contractile cells on the vessel walls. A graph theory-based network analysis revealed that the assortativity of adjacent blood vessel responses rose by 152 ± 65% at 4.3 mW/mm 2 of blue photostimulation vs. the control, with a 4% median increase in the efficiency of the capillary networks during this level of blue photostimulation in relation to the baseline. Interrogating individual vessels is thus not sufficient to predict how the blood flow is modulated in the network. Our computational pipeline, to be made openly available, enables tracking of the microvascular network geometry over time, relating caliber adjustments to vessel wall-associated cells’ state, and mapping network-level flow distribution impairments in experimental models of disease.

1 Abstract Lifestyle choices leading to obesity, hypertension and diabetes in mid-life contribute directly to the risk of late-life Alzheimer’s disease (AD). However, in late-life or in late-stage AD conditions, obesity reduces the risk of AD and disease progression. To examine the mechanisms underlying this paradox, TgF344-AD rats were fed a varied high-carbohydrate, high-fat (HCHF) diet to induce obesity from nine months of age representing early stages of AD to twelve months of age in which rats exhibit the full spectrum of AD symptomology. We hypothesized regions primarily composed of gray matter, such as the somatosensory cortex (SSC), would be differentially affected compared to regions primarily composed of white matter, such as the striatum. We found increased myelin and oligodendrocytes in the somatosensory cortex of rats fed the HCHF diet with an absence of neuronal loss. We observed decreased inflammation in the somatosensory cortex despite increased AD pathology. Compared to the somatosensory cortex, the striatum had fewer changes. Overall, our results suggest that the interaction between diet and AD progression affects myelination in a brain region specific manner such that regions with a lower density of white matter are preferentially effected. Our results offer a possible mechanistic explanation for the obesity paradox.