In the human disorder multiple sclerosis (MS) and in the model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), macrophages predominate in demyelinated areas and their numbers correlate to tissue damage. Macrophages may be derived from infiltrating monocytes or resident microglia, yet are indistinguishable by light microscopy and surface phenotype. It is axiomatic that T cell–mediated macrophage activation is critical for inflammatory demyelination in EAE, yet the precise details by which tissue injury takes place remain poorly understood. In the present study, we addressed the cellular basis of autoimmune demyelination by discriminating microglial versus monocyte origins of effector macrophages. Using serial block-face scanning electron microscopy (SBF-SEM), we show that monocyte-derived macrophages associate with nodes of Ranvier and initiate demyelination, whereas microglia appear to clear debris. Gene expression profiles confirm that monocyte-derived macrophages are highly phagocytic and inflammatory, whereas those arising from microglia demonstrate an unexpected signature of globally suppressed cellular metabolism at disease onset. Distinguishing tissue-resident macrophages from infiltrating monocytes will point toward new strategies to treat disease and promote repair in diverse inflammatory pathologies in varied organs.

Axonal degeneration has been proposed as a cause of irreversible neurological disability in multiple sclerosis (MS) patients. The purpose of this study was to quantify axonal loss in spinal cord lesions from 5 paralyzed (Expanded Disability Status Scale score > or =7.5) MS patients and to determine if axonal number or volume correlated with levels of the neuronal marker N-acetyl aspartate (NAA). Axonal loss in MS lesions ranged from 45 to 84% and averaged 68%. NAA levels were significantly reduced (>50%) in cross sections of spinal cords containing MS lesions. Reduced NAA correlated with reduced axonal numbers within lesion areas. In addition, NAA levels per axonal volume were significantly reduced in demyelinated axons (42%) and in myelinated axons in normal-appearing white matter (30%). The data support axonal loss as a major cause of irreversible neurological disability in paralyzed MS patients and indicate that reduced NAA as measured by magnetic resonance spectroscopy can reflect axonal loss and reduced NAA levels in demyelinated and myelinated axons.

A new rapid method for fractionation of crude synaptosomes (postmitochondrial pellet, P2) on a discontinuous 4-step Percoll gradient is described. The homogeneity and integrity of the 5 major subcellular fractions were determined by analysis of the distribution of protein, lactate dehydrogenase, cytochrome oxidase, pyruvate dehydrogenase, synapsin I (a synaptic vesicle marker) and the myelin basic proteins. The biochemical results were substantiated by quantitative electron microscopy. Fractions 3, 4 and 5 were enriched in synaptosomes and contained 19.7, 40.6 and 19.5% of the intact, identifiable synaptosomes in P2, respectively. Fraction 1 was enriched in membranous material, fraction 2 in myelin and fraction 5 in extrasynaptosomal mitochondria. The synaptosomes in fractions 3, 4 and 5 differed in their size, and their content of mitochondria, synapsin I and neurotransmitters. These results suggest that partial separation of different pools of synaptosomes has been achieved. The synaptosomes in fractions 3, 4 and 5 are viable, as they take up calcium, phosphate and noradrenaline; they are metabolically normal as judged by their ability to perform protein phosphorylation and they respond normally to depolarization by increasing calcium uptake, protein phosphorylation and neurotransmitter release. The synaptosomes in fraction 4 are relatively homogeneous and appear to be free of contamination from lysed synaptosomes and synaptic plasma membranes. This constitutes a major advantage of the Percoll method over traditional procedures which involve centrifugation to equilibrium. We have therefore confirmed (J. Neurochem., 43 (1984) 1114–1123) the advantages of Percoll use over traditional procedures, while further reducing the time taken, and extended our analysis to show that the present procedure provides a fractionation of synaptosomes into different pools of viable synaptosomes.

Intraperitoneal injection of the Gram-negative bacterial endotoxin lipopolysaccharide (LPS) elicits a rapid innate immune response. While this systemic inflammatory response can be destructive, tolerable low doses of LPS render the brain transiently resistant to subsequent injuries. However, the mechanism by which microglia respond to LPS stimulation and participate in subsequent neuroprotection has not been documented. In this study, we first established a novel LPS treatment paradigm where mice were injected intraperitoneally with 1.0 mg/kg LPS for four consecutive days to globally activate CNS microglia. By using a reciprocal bone marrow transplantation procedure between wild-type and Toll-like receptor 4 (TLR4) mutant mice, we demonstrated that the presence of LPS receptor (TLR4) is not required on hematogenous immune cells but is required on cells that are not replaced by bone marrow transplantation, such as vascular endothelia and microglia, to transduce microglial activation and neuroprotection. Furthermore, we showed that activated microglia physically ensheathe cortical projection neurons, which have reduced axosomatic inhibitory synapses from the neuronal perikarya. In line with previous reports that inhibitory synapse reduction protects neurons from degeneration and injury, we show here that neuronal cell death and lesion volumes are significantly reduced in LPS-treated animals following experimental brain injury. Together, our results suggest that activated microglia participate in neuroprotection and that this neuroprotection is likely achieved through reduction of inhibitory axosomatic synapses. The therapeutic significance of these findings rests not only in identifying neuroprotective functions of microglia, but also in establishing the CNS location of TLR4 activation.

The serine/threonine kinase Akt regulates multiple cellular functions. The current studies identify a new role for Akt in CNS myelination. In earlier studies on cultured oligodendrocytes, we showed that neuregulin signals through phosphatidylinositol-3'-OH kinase and Akt to enhance survival of oligodendrocytes. However, when transgenic animals were generated that overexpressed constitutively active Akt in oligodendrocytes and their progenitor cells, no enhanced survival of oligodendrocytes or progenitors was found. No alteration in the proliferation or death of progenitors was noted. In contrast, the major impact of Akt overexpression in oligodendrocytes was enhanced myelination. Most interestingly, oligodendrocytes in these mice continued actively myelinating throughout life. Thus, expression of constitutively active Akt in oligodendrocytes and their progenitor cells generated no more oligodendrocytes, but dramatically more myelin. The increased myelination continued as these mice aged, resulting in enlarged optic nerves and white matter areas. In older animals with enlarged white matter areas, the density of oligodendrocytes was reduced, but because of the increased area, the total number of oligodendrocytes remained comparable with wild-type controls. Interestingly, in these animals, overexpression of Akt in Schwann cells did not impact myelination. Thus, in vivo, constitutively active Akt enhances CNS myelination but not PNS myelination and has no impact developmentally on oligodendrocyte number. Understanding the unique aspects of Akt signal transduction in oligodendrocytes that lead to myelination rather than uncontrolled proliferation of oligodendrocyte progenitor cells may have important implications for understanding remyelination in the adult nervous system.

Recent studies have described significant demyelination and microglial activation in the cerebral cortex of brains from multiple sclerosis patients. To date, however, experimental models of cortical demyelination or cortical inflammation have not been extensively studied. In this report we describe focal cortical inflammation induced by stereotaxic injection of killed bacteria (BCG), followed 1 month later by subcutaneous injection of the same antigen, a protocol that overcomes the immune privilege of the cortex. Intracerebral BCG injection produced focal microglial activation at the injection site (termed acute lesion). Ten days after peripheral challenge (termed immune-mediated lesion), larger areas and higher densities of activated microglia were found near the injection site. In both paradigms, activated microglia and/or their processes closely apposed neuronal perikarya and apical dendrites. In the immune-mediated lesions, approximately 45% of the axosomatic synapses was displaced by activated microglia. Upon activation, therefore, cortical microglial migrate to and strip synapses from neuronal perikarya. Since neuronal pathology was not a feature of either the acute or immune-mediated lesion, synaptic stripping by activated microglia may have neuroprotective consequences.

Multiple Sclerosis (MS) is an inflammatory demyelinating disease of the human central nervous system. Although the clinical impact of gray matter pathology in MS brains is unknown, 30 to 40% of MS patients demonstrate memory impairment. The molecular basis of this memory dysfunction has not yet been investigated in MS patients.To investigate possible mechanisms of memory impairment in MS patients, we compared morphological and molecular changes in myelinated and demyelinated hippocampi from postmortem MS brains.Demyelinated hippocampi had minimal neuronal loss but significant decreases in synaptic density. Neuronal proteins essential for axonal transport, synaptic plasticity, glutamate neurotransmission, glutamate homeostasis, and memory/learning were significantly decreased in demyelinated hippocampi, but not in demyelinated motor cortices from MS brains.Collectively, these data support hippocampal demyelination as a cause of synaptic alterations in MS patients and establish that the neuronal genes regulated by myelination reflect specific functions of neuronal subpopulations.

Abstract Microglia actively survey the brain microenvironment and play essential roles in sculpting synaptic connections during brain development. While microglial functions in the adult brain are less clear, activated microglia can closely appose neuronal cell bodies and displace axosomatic presynaptic terminals. Microglia-mediated stripping of presynaptic terminals is considered neuroprotective, but the cellular and molecular mechanisms are poorly defined. Using 3D electron microscopy, we demonstrate that activated microglia displace inhibitory presynaptic terminals from cortical neurons in adult mice. Electrophysiological recordings further establish that the reduction in inhibitory GABAergic synapses increased synchronized firing of cortical neurons in γ-frequency band. Increased neuronal activity results in the calcium-mediated activation of CaM kinase IV, phosphorylation of CREB, increased expression of antiapoptotic and neurotrophic molecules and reduced apoptosis of cortical neurons following injury. These results indicate that activated microglia can protect the adult brain by migrating to inhibitory synapses and displacing them from cortical neurons.

Programmed necrosis (or necroptosis) is a form of cell death triggered by the activation of receptor interacting protein kinase-3 (RIPK3). Several reports have implicated mitochondria and mitochondrial reactive oxygen species (ROS) generation as effectors of RIPK3-dependent cell death. Here, we directly test this idea by employing a method for the specific removal of mitochondria via mitophagy. Mitochondria-deficient cells were resistant to the mitochondrial pathway of apoptosis, but efficiently died via tumor necrosis factor (TNF)-induced, RIPK3-dependent programmed necrosis or as a result of direct oligomerization of RIPK3. Although the ROS scavenger butylated hydroxyanisole (BHA) delayed TNF-induced necroptosis, it had no effect on necroptosis induced by RIPK3 oligomerization. Furthermore, although TNF-induced ROS production was dependent on mitochondria, the inhibition of TNF-induced necroptosis by BHA was observed in mitochondria-depleted cells. Our data indicate that mitochondrial ROS production accompanies, but does not cause, RIPK3-dependent necroptotic cell death.