Microglia, the resident immune cells of the brain, rapidly change states in response to their environment, but we lack molecular and functional signatures of different microglial populations. Here, we analyzed the RNA expression patterns of more than 76,000 individual microglia in mice during development, in old age, and after brain injury. Our analysis uncovered at least nine transcriptionally distinct microglial states, which expressed unique sets of genes and were localized in the brain using specific markers. The greatest microglial heterogeneity was found at young ages; however, several states-including chemokine-enriched inflammatory microglia-persisted throughout the lifespan or increased in the aged brain. Multiple reactive microglial subtypes were also found following demyelinating injury in mice, at least one of which was also found in human multiple sclerosis lesions. These distinct microglia signatures can be used to better understand microglia function and to identify and manipulate specific subpopulations in health and disease.

Microglia are morphologically dynamic cells that rapidly extend their processes in response to various stimuli including extracellular ATP. In this study, we tested the hypothesis that stimulation of neuronal NMDARs trigger ATP release leading to communication with microglia. We used acute mouse hippocampal brain slices and two-photon laser scanning microscopy to study microglial dynamics and developed a novel protocol for fixation and immunolabeling of microglia processes. Similar to direct topical ATP application in vivo, short multiple applications of NMDA triggered transient microglia process outgrowth that was reversible and repeatable indicating that this was not due to excitotoxic damage. Stimulation of NMDAR was required as NMDAR antagonists, but not blockers of AMPA/kainate receptors or voltage-gated sodium channels, prevented microglial outgrowth. We report that ATP release, secondary to NMDAR activation, was the key mediator of this neuron–microglia communication as both blocking purinergic receptors and inhibiting hydrolysis of ATP to prevent locally generated gradients abolished outgrowth. Pharmacological and genetic analyses showed that the NMDA-triggered microglia process extension was independent of Pannexin 1, the ATP releasing channels, ATP release from astrocytes via connexins, and nitric oxide generation. Finally, using whole-cell patch clamping we demonstrate that activation of dendritic NMDAR on single neurons is sufficient to trigger microglia process outgrowth. Our results suggest that dendritic neuronal NMDAR activation triggers ATP release via a Pannexin 1-independent manner that induces outgrowth of microglia processes. This represents a novel uncharacterized form of neuron–microglial communication mediated by ATP.

Microglia, the resident immune cells of the brain, rapidly change states in response to their environment, but we lack molecular and functional signatures of different microglial populations. In this study, we analyzed the RNA expression patterns of more than 76,000 individual microglia during development, old age and after brain injury. Analysis uncovered at least nine transcriptionally distinct microglial states, which expressed unique sets of genes and were localized in the brain using specific markers. The greatest microglial heterogeneity was found at young ages; however, several states including chemokine-enriched inflammatory microglia persisted throughout the lifespan or increased in the aged brain. Multiple reactive microglial subtypes were also found following demyelinating injury in mice, at least one of which was also found in human MS lesions. These unique microglia signatures can be used to better understand microglia function and to identify and manipulate specific subpopulations in health and disease.

Abstract A key aspect of nearly all single cell experiments is the necessity to dissociate intact tissues into single cell suspensions for processing. While many protocols have been optimized for optimal cell yield, they have often overlooked the effects that dissociation can have on ex vivo gene expression changes during this process. Microglia, the brain’s resident macrophages, are a highly dynamic population that are extremely sensitive to their microenvironment and have been shown to dramatically alter their transcriptome upon stimulation. We demonstrate that use of enzymatic dissociation methods on mouse central nervous system (CNS) tissue induces an aberrant gene expression signature in microglia that can significantly confound downstream analysis. To minimize this issue, we developed a flexible protocol, that can be used with existing enzymatic protocols for fresh tissue, to eliminate artifactual gene expression while allowing for increased cell type diversity and yield. We demonstrate efficacy of this protocol in analysis of diverse CNS cell types and sorted myeloid populations while using enzymatic dissociation. Generation of new and reanalysis of previously published human brain single nucleus RNAseq (snRNA-seq) datasets reveal that a similar signature is also present in post-mortem tissue. Through novel snRNA-seq analysis of acutely-resected neurosurgical tissue we demonstrate that this signature can be induced in human tissue due to technical differences in sample processing. These results provide key insight into the potential confounds of enzymatic digestion and provide a solution to allow for enzymatic digestion for scRNA-seq while avoiding ex vivo transcriptional artifacts. Analysis of human tissue reveals potential for artifacts in current and future snRNA-seq datasets that will require deeper analysis and careful consideration to separate true biology from artifacts related to post-mortem processes.

Microglia play key roles in regulating synapse development and refinement in the developing brain, but it is unknown whether they are similarly involved during adult neurogenesis. By transiently ablating microglia from the healthy adult mouse brain, we show that microglia are necessary for the normal functional development of adult-born granule cells (abGCs) in the olfactory bulb. Microglia ablation reduces the odor responses of developing, but not preexisting GCs in vivo in both awake and anesthetized mice. Microglia preferentially target their motile processes to interact with mushroom spines on abGCs, and when microglia are absent, abGCs develop smaller spines and receive weaker excitatory synaptic inputs. These results suggest that microglia promote the development of excitatory synapses onto developing abGCs, which may impact the function of these cells in the olfactory circuit.