Scars formed in response to damage to the central nervous system show unexpected complexity.

Summary

 Several distinct cell types in the adult central nervous system have been suggested to act as stem or progenitor cells generating new cells under physiological or pathological conditions. We have assessed the origin of new cells in the adult mouse spinal cord by genetic fate mapping. Oligodendrocyte progenitors self-renew, give rise to new mature oligodendrocytes, and constitute the dominating proliferating cell population in the intact adult spinal cord. In contrast, astrocytes and ependymal cells, which are restricted to limited self-duplication in the intact spinal cord, generate the largest number of cells after spinal cord injury. Only ependymal cells generate progeny of multiple fates, and neural stem cell activity in the intact and injured adult spinal cord is confined to this cell population. We provide an integrated view of how several distinct cell types contribute in complementary ways to cell maintenance and the reaction to injury.

Neurogenesis is restricted in the adult mammalian brain; most neurons are neither exchanged during normal life nor replaced in pathological situations. We report that stroke elicits a latent neurogenic program in striatal astrocytes in mice. Notch1 signaling is reduced in astrocytes after stroke, and attenuated Notch1 signaling is necessary for neurogenesis by striatal astrocytes. Blocking Notch signaling triggers astrocytes in the striatum and the medial cortex to enter a neurogenic program, even in the absence of stroke, resulting in 850 ± 210 (mean ± SEM) new neurons in a mouse striatum. Thus, under Notch signaling regulation, astrocytes in the adult mouse brain parenchyma carry a latent neurogenic program that may potentially be useful for neuronal replacement strategies.

CNS injury often severs axons. Scar tissue that forms locally at the lesion site is thought to block axonal regeneration, resulting in permanent functional deficits. We report that inhibiting the generation of progeny by a subclass of pericytes led to decreased fibrosis and extracellular matrix deposition after spinal cord injury in mice. Regeneration of raphespinal and corticospinal tract axons was enhanced and sensorimotor function recovery improved following spinal cord injury in animals with attenuated pericyte-derived scarring. Using optogenetic stimulation, we demonstrate that regenerated corticospinal tract axons integrated into the local spinal cord circuitry below the lesion site. The number of regenerated axons correlated with improved sensorimotor function recovery. In conclusion, attenuation of pericyte-derived fibrosis represents a promising therapeutic approach to facilitate recovery following CNS injury.

The generation of new neurons from neural stem cells in the adult hippocampal dentate gyrus contributes to learning and mood regulation. To sustain hippocampal neurogenesis throughout life, maintenance of the neural stem cell pool has to be tightly controlled. We found that the Notch/RBPJκ-signaling pathway is highly active in neural stem cells of the adult mouse hippocampus. Conditional inactivation of RBPJκ in neural stem cells in vivo resulted in increased neuronal differentiation of neural stem cells in the adult hippocampus at an early time point and depletion of the Sox2-positive neural stem cell pool and suppression of hippocampal neurogenesis at a later time point. Moreover, RBPJκ-deficient neural stem cells displayed impaired self-renewal in vitro and loss of expression of the transcription factor Sox2. Interestingly, we found that Notch signaling increases Sox2 promoter activity and Sox2 expression in adult neural stem cells. In addition, activated Notch and RBPJκ were highly enriched on the Sox2 promoter in adult hippocampal neural stem cells, thus identifying Sox2 as a direct target of Notch/RBPJκ signaling. Finally, we found that overexpression of Sox2 can rescue the self-renewal defect in RBPJκ-deficient neural stem cells. These results identify RBPJκ-dependent pathways as essential regulators of adult neural stem cell maintenance and suggest that the actions of RBPJκ are, at least in part, mediated by control of Sox2 expression.

Central nervous system injuries are accompanied by scar formation. It has been difficult to delineate the precise role of the scar, as it is made by several different cell types, which may limit the damage but also inhibit axonal regrowth. We show that scarring by neural stem cell-derived astrocytes is required to restrict secondary enlargement of the lesion and further axonal loss after spinal cord injury. Moreover, neural stem cell progeny exerts a neurotrophic effect required for survival of neurons adjacent to the lesion. One distinct component of the glial scar, deriving from resident neural stem cells, is required for maintaining the integrity of the injured spinal cord.

The activity of adult stem cells is regulated by signals emanating from the surrounding tissue. Many niche signals have been identified, but it is unclear how they influence the choice of stem cells to remain quiescent or divide. Here we show that when stem cells of the adult hippocampus receive activating signals, they first induce the expression of the transcription factor Ascl1 and only subsequently exit quiescence. Moreover, lowering Ascl1 expression reduces the proliferation rate of hippocampal stem cells, and inactivating Ascl1 blocks quiescence exit completely, rendering them unresponsive to activating stimuli. Ascl1 promotes the proliferation of hippocampal stem cells by directly regulating the expression of cell-cycle regulatory genes. Ascl1 is similarly required for stem cell activation in the adult subventricular zone. Our results support a model whereby Ascl1 integrates inputs from both stimulatory and inhibitory signals and converts them into a transcriptional program activating adult neural stem cells.

Abstract Fibrotic scar tissue limits central nervous system regeneration in adult mammals. The extent of fibrotic tissue generation and distribution of stromal cells across different lesions in the brain and spinal cord has not been systematically investigated in mice and humans. Furthermore, it is unknown whether scar-forming stromal cells have the same origin throughout the central nervous system and in different types of lesions. In the current study, we compared fibrotic scarring in human pathological tissue and corresponding mouse models of penetrating and non-penetrating spinal cord injury, traumatic brain injury, ischemic stroke, multiple sclerosis and glioblastoma. We show that the extent and distribution of stromal cells are specific to the type of lesion and, in most cases, similar between mice and humans. Employing in vivo lineage tracing, we report that in all mouse models developing fibrotic tissue, the primary source of scar-forming fibroblasts is a discrete subset of perivascular cells, termed type A pericytes. We uncover pericyte-derived fibrosis as a conserved mechanism that may be explored as a therapeutic target to improve recovery after central nervous system lesions.

Abstract Fibrotic scar tissue formation occurs in humans and mice. The fibrotic scar impairs tissue regeneration and functional recovery. However, the origin of scar-forming fibroblasts is unclear. Here, we show that stromal fibroblasts forming the fibrotic scar derive from two populations of perivascular cells after spinal cord injury (SCI) in adult mice of both sexes. We anatomically and transcriptionally identify the two cell populations as pericytes and perivascular fibroblasts. Fibroblasts and pericytes are enriched in the white and gray matter regions of the spinal cord, respectively. Both cell populations are recruited in response to SCI and inflammation. However, their contribution to fibrotic scar tissue depends on the location of the lesion. Upon injury, pericytes and perivascular fibroblasts become activated and transcriptionally converge on the generation of stromal myofibroblasts. Our results show that pericytes and perivascular fibroblasts contribute to the fibrotic scar in a region-dependent manner.