Major Histocompatibility Complex I (MHC-I) CNS cellular localization and function is still being determined after previously being thought to be absent from the brain. MHC-I expression has been reported to increase with brain aging in mouse, rat, and human whole tissue analyses but the cellular localization was undetermined. Neuronal MHC-I is proposed to regulate developmental synapse elimination and tau pathology in Alzheimer's disease (AD). Here we report that across newly generated and publicly available ribosomal profiling, cell sorting, and single-cell data, microglia are the primary source of classical and non-classical MHC-I in mice and humans. Translating Ribosome Affinity Purification-qPCR analysis of 3-6 and 18-22 month old (m.o.) mice revealed significant age-related microglial induction of MHC-I pathway genes B2m, H2-D1, H2-K1, H2-M3, H2-Q6, and Tap1 but not in astrocytes and neurons. Across a timecourse (12-23 m.o.), microglial MHC-I gradually increased until 21 m.o. and then accelerated. MHC-I protein was enriched in microglia and increased with aging. Microglial expression, and absence in astrocytes and neurons, of MHC-I binding Leukocyte Immunoglobulin-like (Lilrs) and Paired immunoglobin-like type 2 (Pilrs) receptor families could enable cell-autonomous MHC-I signaling and increased with aging in mice and humans. Increased microglial MHC-I, Lilrs, and Pilrs were observed in multiple AD mouse models and human AD data across methods and studies. MHC-I expression correlated with p16INK4A, suggesting an association with cellular senescence. Conserved induction of MHC-I, Lilrs, and Pilrs with aging and AD opens the possibility of cell-autonomous MHC-I signaling to regulate microglial reactivation with aging and neurodegeneration.

Alzheimer9s disease (AD) patients exhibit neuropsychiatric symptoms that extend beyond classical cognitive deficits, suggesting involvement of subcortical areas. Here, we investigated the role of midbrain dopamine (DA) neurons in AD using the amyloid + tau-driven 3xTg-AD mouse model. We found deficits in reward-based operant learning in AD mice, suggesting possible VTA DA neuron dysregulation. Physiological assessment revealed hyperexcitability and disrupted firing in DA neurons caused by reduced activity of small-conductance calcium-activated potassium (SK) channels. RNA sequencing from contents of single patch-clamped DA neurons (Patch-seq) identified up-regulation of the SK channel modulator casein kinase 2 (CK2). Pharmacological inhibition of CK2 restored SK channel activity and normal firing patterns in 3xTg-AD mice. These findings shed light on a complex interplay between neuropsychiatric symptoms and subcortical circuits in AD, paving the way for novel treatment strategies.

Dopamine neurons in the substantia nigra (SN) and ventral tegmental area (VTA) play a crucial role in the reinforcing properties of abused drugs including methamphetamine and cocaine. Evidence also suggests the involvement of non-dopaminergic transmitters, including glutamate and the stress-related peptide corticotropin-releasing factor (CRF), on the chronic effects of psychostimulants in the SN/VTA. Astrocytes express a variety of membrane-bound neurotransmitter receptors and transporters which influence neurotransmission in the SN/VTA. CRF2 activity in the VTA is important for stress-induced relapse and drug-seeking behavior, but the localization of its effects are not completely understood. Here we used immunofluorescence to identify the effect of methamphetamine and cocaine administration on astrocytes, the glial glutamate transporter GLAST, and CRF2 in the SN/VTA. We treated adult male mice with i.p. injections of methamphetamine (3 mg/kg), cocaine (10 mg/kg), or saline for 12 days. Coronal brain sections were processed for immunofluorescence using S100beta (marker for astrocytes), glial-specific glutamate/aspartate transporters (GLAST), and CRF2. The results showed a significant decrease in GLAST immunofluorescence in brains of mice treated with cocaine or methamphetamine compared to saline. In addition, we observed increased labelling of CRF2 in drug treated groups, a decrease in the number of S100beta positive cells, and an increase in co-staining of these two markers. Our results suggest that administration of either methamphetamine or cocaine decreases astrocytic markers and increases immunoreactivity for CRF2 in the VTA, an effect that is most pronounced in S100beta positive cells.

Midbrain dopamine neurons play central roles in reward learning and motivated behavior, and inhibition at somatodendritic dopamine D2 receptor (D2R) synapses blunts psychostimulant reinforcement. Release of the neuropeptide neurotensin in the midbrain increases following methamphetamine exposure and induces long-term depression of D2R synaptic currents (LTDDA), however the source of neurotensin that drives LTDDA is not known. Here we show that LTDDA is driven by neurotensin released by dopamine neurons. Optogenetic stimulation of dopamine neurons was sufficient to induce LTDDA in the substantia nigra, but not the ventral tegmental area, and was dependent on neurotensin receptors, postsynaptic calcium, and vacuolar-type H+-ATPase activity in the postsynaptic cell. Further, LTDDA was enhanced in mice that had self-administered methamphetamine. These findings reveal a novel form of signaling between dopamine neurons involving release of the peptide neurotensin, which may act as a feed forward mechanism to increase dopamine neuron excitability and methamphetamine self-administration.

Epigenetic regulation of gene expression occurs in a cell type-specific manner. Current cell-type specific neuroepigenetic studies rely on cell sorting methods that can alter cell phenotype and introduce potential confounds. Here we demonstrate and validate a Nuclear Tagging and Translating Ribosome Affinity Purification (NuTRAP) approach for temporally controlled labeling and isolation of ribosomes and nuclei, and thus RNA and DNA, from specific CNS cell types. Paired analysis of the transcriptome and DNA modifications in astrocytes and microglia demonstrates differential usage of DNA methylation and hydroxymethylation in CG and non-CG contexts that corresponds to cell type-specific gene expression. Application of this approach in LPS treated mice uncovers microglia-specific transcriptome and epigenome changes in inflammatory pathways that cannot be detected with tissue-level analysis. The NuTRAP model and the validation approaches presented can be applied to any CNS cell type for which a cell type-specific cre is available.

Although opioid abuse is more prevalent in young individuals, opioid use, overdose, and use disorders continue to climb at a rapid rate among the elderly. Little is known about abuse potential in a healthy aged population, in part due to technical and logistical difficulties testing intravenous self-administration in aged rodents. The goal of this study was to address the critical gap in the literature regarding age-dependent differences in opioid (remifentanil and fentanyl) self-administration between old and young mice. Male and female mice were grouped into young (mean: 19 weeks) and old (mean: 101 weeks), and were trained to self-administer intravenous fentanyl or remifentanil in daily sessions. In both old and young mice, acquisition, intake, and cue-responding after forced abstinence were measured for both drugs, and a dose-response curve (remifentanil) and dose-escalation (fentanyl) were conducted. Surprisingly, old mice learned to self-administer both remifentanil and fentanyl faster and more accurately than young mice. Baseline intake of remifentanil was also substantially greater in old mice compared to their young counterparts; however, we did not see increased intake of fentanyl with age at either dose tested. Further, compared to young mice, the old mice showed a greater incubation of responding for cues previously associated with remifentanil after a forced abstinence, but again this was not observed with fentanyl. Together these data suggest that an aged population may have an increased drug-abuse vulnerability for opioids compared to young counterparts and underscore the importance of future work on mechanisms responsible for this increased vulnerability.

ABSTRACT Rationale . Obesity is a major health problem worldwide. An understanding of the factors that drive feeding behaviors is key to the development of pharmaceuticals to decrease appetite and consumption. Proopiomelanocortin (POMC), the melanocortin peptide precursor, is essential in the regulation of body weight and ingestive behaviors. Deletion of POMC or impairment of melanocortin signaling in the brain results in hyperphagic obesity. Neurons in the hypothalamic arcuate nucleus produce POMC and project to many areas including the nucleus accumbens (NAcc), which is well established in the rewarding and reinforcing effects of both food and drugs of abuse. Objective These studies sought to determine the role of melanocortins in the NAcc on consumption of and motivation to obtain access to standard rodent chow. Methods Male, C57BL/6J mice were microinjected bilaterally into the NAcc (100 nl/side) with the melanocortin receptor 3/4 agonist melanotan-II (MT-II; 0.1, 0.3, and 1 nmol), and ingestive behaviors were examined in both home cage and operant food self-administration experiments. In addition, the ability of MT-II in the NAcc to produce aversive properties or affect metabolic rate were tested. Results MT-II injected into the NAcc significantly decreased consumption in both home cage and operant paradigms, and furthermore decreased appetitive responding to gain access to food. There was no development of conditioned taste avoidance or change in metabolic parameters following anorexic doses of MT-II. Conclusions . MT-II in the NAcc decreased both the motivation to eat and the amount of food consumed without inducing an aversive state or affecting metabolic rate, suggesting a role for melanocortin signaling in the ventral striatum that is selective for appetite and satiety without affecting metabolism or producing an aversive state.

ABSTRACT World-wide, nearly 40% of the adult population is classified as clinically obese. Central inflammation is highly correlated with obesity and increases morbidity and deterioration of health. The hypothalamus is a brain region that governs many facets of energy homeostasis, and melanocortins in the hypothalamus both decrease feeding and increase metabolism via melanocortin-4 receptors (MC4Rs). Although MC4Rs are present on neurons and astrocytes (aMC4R) previous work has focused almost exclusively on the neuronal population with the contribution of aMC4R on these processes largely unknown. Our objective was to determine the effects of hypothalamic aMC4R deletion on central and peripheral inflammation, as well as feeding and body weight homeostasis. Adult MC4R fl/fl mice were microinjected with an astrocyte-specific promoter driving Cre-expression (AAV-GFAP-GFP-Cre) or AAV-control (AAV-GFAP-GFP; n=4-7/group/sex) to produce a hypothalamic knock-down of aMC4R (KD). Body weight and composition were monitored throughout the study, and indirect calorimetry was conducted at 1 and 4 weeks after AAV injection. Acquisition of operant self-administration of palatable food was also examined. Mice were euthanized 7-8 weeks post AAV injection and brain and tissue samples were collected. We observed a significant increase in body weight, feeding, and energy balance in the KD group compared to control group. Inflammation was significantly increased centrally in KD mice within the hypothalamus, but not peripherally within serum. Additionally, aMC4R KD mice trended towards an increased reward learning for palatable food. This is the first demonstration that hypothalamic aMC4R, independent of neuronal MC4R, is important in modulating inflammation as well as contributing to energy balance. These results provide an integral understanding of the aMC4R system that will provide the foundation for future studies investigating the role of aMC4R in various disease states.