Microglia and macrophages accumulate at the sites of active demyelination and neurodegeneration in the multiple sclerosis brain and are thought to play a central role in the disease process. We used recently described markers to characterize the origin and functional states of microglia/macrophages in acute, relapsing and progressive multiple sclerosis. We found microglia activation in normal white matter of controls and that the degree of activation increased with age. This microglia activation was more pronounced in the normal-appearing white matter of patients in comparison to controls and increased with disease duration. In contrast to controls, the normal-appearing white matter of patients with multiple sclerosis showed a significant reduction of P2RY12, a marker expressed in homeostatic microglia in rodents, which was completely lost in active and slowly expanding lesions. Early stages of demyelination and neurodegeneration in active lesions contained microglia with a pro-inflammatory phenotype, which expressed molecules involved in phagocytosis, oxidative injury, antigen presentation and T cell co-stimulation. In later stages, the microglia and macrophages in active lesions changed to a phenotype that was intermediate between pro- and anti-inflammatory activation. In inactive lesions, the density of microglia/macrophages was significantly reduced and microglia in part converted to a P2RY12+ phenotype. Analysis of TMEM119, which is expressed on microglia but not on recruited macrophages, demonstrated that on average 45% of the macrophage-like cells in active lesions were derived from the resident microglia pool. Our study demonstrates the loss of the homeostatic microglial signature in active multiple sclerosis with restoration associated with disease inactivity.

Objective Iron may contribute to the pathogenesis and progression of multiple sclerosis (MS) due to its accumulation in the human brain with age. Our study focused on nonheme iron distribution and the expression of the iron‐related proteins ferritin, hephaestin, and ceruloplasmin in relation to oxidative damage in the brain tissue of 33 MS and 30 control cases. Methods We performed (1) whole‐genome microarrays including 4 MS and 3 control cases to analyze the expression of iron‐related genes, (2) nonheme iron histochemistry, (3) immunohistochemistry for proteins of iron metabolism, and (4) quantitative analysis by digital densitometry and cell counting in regions representing different stages of lesion maturation. Results We found an age‐related increase of iron in the white matter of controls as well as in patients with short disease duration. In chronic MS, however, there was a significant decrease of iron in the normal‐appearing white matter (NAWM) corresponding with disease duration, when corrected for age. This decrease of iron in oligodendrocytes and myelin was associated with an upregulation of iron‐exporting ferroxidases. In active MS lesions, iron was apparently released from dying oligodendrocytes, resulting in extracellular accumulation of iron and uptake into microglia and macrophages. Iron‐containing microglia showed signs of cell degeneration. At lesion edges and within centers of lesions, iron accumulated in astrocytes and axons. Interpretation Iron decreases in the NAWM of MS patients with increasing disease duration. Cellular degeneration in MS lesions leads to waves of iron liberation, which may propagate neurodegeneration together with inflammatory oxidative burst. Ann Neurol 2013;74:848–861

In multiple sclerosis (MS), iron accumulates inside activated microglia/macrophages at edges of some chronic demyelinated lesions, forming rims. In susceptibility-based magnetic resonance imaging at 7 T, iron-laden microglia/macrophages induce a rim of decreased signal at lesion edges and have been associated with slowly expanding lesions. We aimed to determine (1) what lesion types and stages are associated with iron accumulation at their edges, (2) what cells at the lesion edges accumulate iron and what is their activation status, (3) how reliably can iron accumulation at the lesion edge be detected by 7 T magnetic resonance imaging (MRI), and (4) if lesions with rims enlarge over time in vivo, when compared to lesions without rims. Double-hemispheric brain sections of 28 MS cases were stained for iron, myelin, and microglia/macrophages. Prior to histology, 4 of these 28 cases were imaged at 7 T using post-mortem susceptibility-weighted imaging. In vivo, seven MS patients underwent annual neurological examinations and 7 T MRI for 3.5 years, using a fluid attenuated inversion recovery/susceptibility-weighted imaging fusion sequence. Pathologically, we found iron rims around slowly expanding and some inactive lesions but hardly around remyelinated shadow plaques. Iron in rims was mainly present in microglia/macrophages with a pro-inflammatory activation status, but only very rarely in astrocytes. Histological validation of post-mortem susceptibility-weighted imaging revealed a quantitative threshold of iron-laden microglia when a rim was visible. Slowly expanding lesions significantly exceeded this threshold, when compared with inactive lesions (p = 0.003). We show for the first time that rim lesions significantly expanded in vivo after 3.5 years, compared to lesions without rims (p = 0.003). Thus, slow expansion of MS lesions with rims, which reflects chronic lesion activity, may, in the future, become an MRI marker for disease activity in MS.

Multiple sclerosis is a chronic inflammatory disease with primary demyelination and neurodegeneration in the central nervous system. In our study we analysed demyelination and neurodegeneration in a large series of multiple sclerosis brains and provide a map that displays the frequency of different brain areas to be affected by these processes. Demyelination in the cerebral cortex was related to inflammatory infiltrates in the meninges, which was pronounced in invaginations of the brain surface (sulci) and possibly promoted by low flow of the cerebrospinal fluid in these areas. Focal demyelinated lesions in the white matter occurred at sites with high venous density and additionally accumulated in watershed areas of low arterial blood supply. Two different patterns of neurodegeneration in the cortex were identified: oxidative injury of cortical neurons and retrograde neurodegeneration due to axonal injury in the white matter. While oxidative injury was related to the inflammatory process in the meninges and pronounced in actively demyelinating cortical lesions, retrograde degeneration was mainly related to demyelinated lesions and axonal loss in the white matter. Our data show that accumulation of lesions and neurodegeneration in the multiple sclerosis brain does not affect all brain regions equally and provides the pathological basis for the selection of brain areas for monitoring regional injury and atrophy development in future magnetic resonance imaging studies.

Previous authors have shown that the transverse relaxivity R2* and frequency shifts that characterize gradient echo signal decay in magnetic resonance imaging are closely associated with the distribution of iron and myelin in the brain's white matter. In multiple sclerosis, iron accumulation in brain tissue may reflect a multiplicity of pathological processes. Hence, iron may have the unique potential to serve as an in vivo magnetic resonance imaging tracer of disease pathology. To investigate the ability of iron in tracking multiple sclerosis-induced pathology by magnetic resonance imaging, we performed qualitative histopathological analysis of white matter lesions and normal-appearing white matter regions with variable appearance on gradient echo magnetic resonance imaging at 7 Tesla. The samples used for this study derive from two patients with multiple sclerosis and one non-multiple sclerosis donor. Magnetic resonance images were acquired using a whole body 7 Tesla magnetic resonance imaging scanner equipped with a 24-channel receive-only array designed for tissue imaging. A 3D multi-gradient echo sequence was obtained and quantitative R2* and phase maps were reconstructed. Immunohistochemical stainings for myelin and oligodendrocytes, microglia and macrophages, ferritin and ferritin light polypeptide were performed on 3- to 5-µm thick paraffin sections. Iron was detected with Perl's staining and 3,3′-diaminobenzidine-tetrahydrochloride enhanced Turnbull blue staining. In multiple sclerosis tissue, iron presence invariably matched with an increase in R2*. Conversely, R2* increase was not always associated with the presence of iron on histochemical staining. We interpret this finding as the effect of embedding, sectioning and staining procedures. These processes likely affected the histopathological analysis results but not the magnetic resonance imaging that was obtained before tissue manipulations. Several cellular sources of iron were identified. These sources included oligodendrocytes in normal-appearing white matter and activated macrophages/microglia at the edges of white matter lesions. Additionally, in white matter lesions, iron precipitation in aggregates typical of microbleeds was shown by the Perl's staining. Our combined imaging and pathological study shows that multi-gradient echo magnetic resonance imaging is a sensitive technique for the identification of iron in the brain tissue of patients with multiple sclerosis. However, magnetic resonance imaging-identified iron does not necessarily reflect pathology and may also be seen in apparently normal tissue. Iron identification by multi-gradient echo magnetic resonance imaging in diseased tissues can shed light on the pathological processes when coupled with topographical information and patient disease history.

In multiple sclerosis (MS), diffuse degenerative processes in the deep grey matter have been associated with clinical disabilities. We performed a systematic study in MS deep grey matter with a focus on the incidence and topographical distribution of lesions in relation to white matter and cortex in a total sample of 75 MS autopsy patients and 12 controls. In addition, detailed analyses of inflammation, acute axonal injury, iron deposition and oxidative stress were performed. MS deep grey matter was affected by two different processes: the formation of focal demyelinating lesions and diffuse neurodegeneration. Deep grey matter demyelination was most prominent in the caudate nucleus and hypothalamus and could already be seen in early MS stages. Lesions developed on the background of inflammation. Deep grey matter inflammation was intermediate between low inflammatory cortical lesions and active white matter lesions. Demyelination and neurodegeneration were associated with oxidative injury. Iron was stored primarily within oligodendrocytes and myelin fibres and released upon demyelination. In addition to focal demyelinated plaques, the MS deep grey matter also showed diffuse and global neurodegeneration. This was reflected by a global reduction of neuronal density, the presence of acutely injured axons, and the accumulation of oxidised phospholipids and DNA in neurons, oligodendrocytes and axons. Neurodegeneration was associated with T cell infiltration, expression of inducible nitric oxide synthase in microglia and profound accumulation of iron. Thus, both focal lesions as well as diffuse neurodegeneration in the deep grey matter appeared to contribute to the neurological disabilities of MS patients.

Cortical lesions constitute an important part of multiple sclerosis pathology. Although inflammation appears to play a role in their formation, the mechanisms leading to demyelination and neurodegeneration are poorly understood. We aimed to identify some of these mechanisms by combining gene expression studies with neuropathological analysis. In our study, we showed that the combination of inflammation, plaque-like primary demyelination and neurodegeneration in the cortex is specific for multiple sclerosis and is not seen in other chronic inflammatory diseases mediated by CD8-positive T cells (Rasmussen’s encephalitis), B cells (B cell lymphoma) or complex chronic inflammation (tuberculous meningitis, luetic meningitis or chronic purulent meningitis). In addition, we performed genome-wide microarray analysis comparing micro-dissected active cortical multiple sclerosis lesions with those of tuberculous meningitis (inflammatory control), Alzheimer’s disease (neurodegenerative control) and with cortices of age-matched controls. More than 80% of the identified multiple sclerosis-specific genes were related to T cell-mediated inflammation, microglia activation, oxidative injury, DNA damage and repair, remyelination and regenerative processes. Finally, we confirmed by immunohistochemistry that oxidative damage in cortical multiple sclerosis lesions is associated with oligodendrocyte and neuronal injury, the latter also affecting axons and dendrites. Our study provides new insights into the complex mechanisms of neurodegeneration and regeneration in the cortex of patients with multiple sclerosis.

Abstract Multiple sclerosis (MS) is a prototypic chronic-inflammatory disease of the central nervous system. After initial lesion formation during active demyelination, inflammation is gradually compartmentalized and restricted to specific tissue areas such as the lesion rim in chronic-active lesions. However, the cell type-specific and spatially restricted drivers of chronic tissue damage and lesion expansion are not well understood. Here, we investigated the properties of subcortical white matter lesions by creating a cell type-specific spatial map of gene expression across various inflammatory lesion stages in MS. An integrated analysis of single-nucleus and spatial transcriptomics data enabled us to uncover patterns of glial, immune and stromal cell subtype diversity, as well as to identify cell-cell communication and signaling signatures across lesion and non-lesion tissue areas in MS. Our results provide insights into the conversion of the tissue microenvironment from a ‘homeostatic’ to a pathogenic or ‘dysfunctional’ state underlying lesion progression in MS. We expect that this study will help identify spatially resolved cell type-specific biomarkers and therapeutic targets for future interventional trials in MS.

Motivation: Histological examination of the brain provides precise analyses of brain tissue, but requires ex vivo tissue samples. In vivo MRI offers an alternative but still has limitations. Goal(s): Predict histologic images from in vivo MR images. Approach: Utilize deep learning generative models to create brain histological images from multi contrast MR images. Results: The appropriate combination of MRI contrasts can generate myelin histology images. Impact: Generating myelin histological images significantly impacts brain tissue property research by providing ex vivo information. This adaptable technique extends its applicability to various tissue properties, providing broader insights into histology and beyond.

Neuroglia critically shape the brain´s response to ischemic stroke. However, their phenotypic heterogeneity impedes a holistic understanding of the cellular composition of the early ischemic lesion. Here we present a single cell resolution transcriptomics dataset of the brain´s acute response to infarction. Oligodendrocyte lineage cells and astrocytes range among the most transcriptionally perturbed populations and exhibit infarction- and subtype-specific molecular signatures. Specifically, we find infarction restricted proliferating oligodendrocyte precursor cells (OPCs), mature oligodendrocytes and reactive astrocytes, exhibiting transcriptional commonalities in response to ischemic injury. OPCs and reactive astrocytes are involved in a shared immuno-glial cross talk with stroke-specific myeloid cells. Within the perilesional zone, osteopontin positive myeloid cells accumulate in close proximity to CD44