In Alzheimer's disease, increased MAOB activity in reactive astrocytes leads to enhanced GABA release, and blockage of this pathway ameliorates memory dysfunction in mouse models. In Alzheimer's disease (AD), memory impairment is the most prominent feature that afflicts patients and their families. Although reactive astrocytes have been observed around amyloid plaques since the disease was first described, their role in memory impairment has been poorly understood. Here, we show that reactive astrocytes aberrantly and abundantly produce the inhibitory gliotransmitter GABA by monoamine oxidase-B (Maob) and abnormally release GABA through the bestrophin 1 channel. In the dentate gyrus of mouse models of AD, the released GABA reduces spike probability of granule cells by acting on presynaptic GABA receptors. Suppressing GABA production or release from reactive astrocytes fully restores the impaired spike probability, synaptic plasticity, and learning and memory in the mice. In the postmortem brain of individuals with AD, astrocytic GABA and MAOB are significantly upregulated. We propose that selective inhibition of astrocytic GABA synthesis or release may serve as an effective therapeutic strategy for treating memory impairment in AD.

Summary Cognitive flexibility is an essential ability to adapt to changing environment and circumstances. NMDAR has long been implicated in cognitive flexibility, but the precise molecular and cellular mechanism is not well understood. Here, we report that astrocytes regulate NMDAR tone through Best1-mediated glutamate and D-serine release, which is critical for cognitive flexibility. Co-release of D-serine and glutamate is required for not only homosynaptic LTD but also heterosynaptic LTD, which is induced at unstimulated synapses upon release of norepinephrine and activation of astrocytic α1-AR during homosynaptic LTP. Remarkably, heterosynaptic LTD at unstimulated synapses during memory acquisition is required for later repotentiation LTP during reversal learning, laying a foundation for flexible memory and cognitive flexibility. Our study sheds light on the pivotal role of astrocytes in orchestrating multiple synapses during memory formation and determining the fate of consolidated memory to be retained as a flexible memory. Highlights Astrocytes regulate NMDAR tone via Best1-mediated glutamate and D-serine release Activation of astrocytic α1-AR induces heterosynaptic LTD via NMDAR tone Heterosynaptic LTD is required for repotentiation LTP and spatial reversal learning Astrocytic regulation of NMDAR tone is critical for metaplasticity and flexible memory

Abstract Astrocytes directly participate in learning and memory. However, the structural association between astrocytes and memory-encoding engram neurons after learning remains to be elucidated. We developed astrocyte-enhanced green fluorescent protein reconstitution across synaptic partners (eGRASP) to examine tripartite synapses between astrocytes and engram neurons. Using astrocyte-eGRASP, we found that astrocytes had increased connections to engram neurons after learning. Dendritic spines with astrocytic contacts showed enhanced morphology. Live-cell imaging of astrocyte-eGRASP revealed that astrocytic connections are stabilized by neuronal activity. These results indicate that astrocytes distinguish contact between engram neurons and generate engram-specific contact patterns during learning.

Abstract Background Astrocytes, one of the most resilient cells in the brain, transform into reactive astrocytes in response to toxic proteins such as amyloid beta (Aβ) in Alzheimer’s disease (AD). However, reactive astrocyte-mediated non-cell autonomous neuropathological mechanism is not fully understood yet. We aimed our study to find out whether Aβ-induced proteotoxic stress affects the expression of autophagy genes and the modulation of autophagic flux in astrocytes, and if yes, how Aβ-induced autophagy-associated genes are involved Aβ clearance in astrocytes of animal model of AD. Methods Whole RNA sequencing (RNA-seq) was performed to detect gene expression patterns in Aβ-treated human astrocytes in a time-dependent manner. To verify the role of astrocytic autophagy in an AD mouse model, we developed AAVs expressing shRNAs for MAP1LC3B/LC3B (LC3B) and Sequestosome1 ( SQSTM1) based on AAV-R-CREon vector, which is a Cre recombinase-dependent gene-silencing system. Also, the effect of astrocyte-specific overexpression of LC3B on the neuropathology in AD (APP/PS1) mice was determined. Neuropathological alterations of AD mice with astrocytic autophagy dysfunction were observed by confocal microscopy and transmission electron microscope (TEM). Behavioral changes of mice were examined through novel object recognition test (NOR) and novel object place recognition test (NOPR). Results Here, we show that astrocytes, unlike neurons, undergo plastic changes in autophagic processes to remove Aβ. Aβ transiently induces expression of LC3B gene and turns on a prolonged transcription of SQSTM1 gene. The Aβ-induced astrocytic autophagy accelerates urea cycle and putrescine degradation pathway. Pharmacological inhibition of autophagy exacerbates mitochondrial dysfunction and oxidative stress in astrocytes. Astrocyte-specific knockdown of LC3B and SQSTM1 significantly increases Aβ plaque formation and GFAP-positive astrocytes in APP/PS1 mice, along with a significant reduction of neuronal marker and cognitive function. In contrast, astrocyte-specific overexpression of LC3B reduced Aβ aggregates in the brain of APP/PS1 mice. An increase of LC3B and SQSTM1 protein is found in astrocytes of the hippocampus in AD patients. Conclusions Taken together, our data indicates that Aβ-induced astrocytic autophagic plasticity is an important cellular event to modulate Aβ clearance and maintain cognitive function in AD mice.

Abstract Cerebral microinfarct increases the risk of dementia. But how microscopic cerebrovascular disruption affects the brain tissue in cellular-level are mostly unknown. Herein, with a longitudinal intravital imaging, we serially visualized in vivo dynamic cellular-level changes in astrocyte, pericyte and neuron as well as microvascular integrity after the induction of cerebral microinfarction for 1 month in mice. At day 2-3, it revealed a localized edema with acute astrocyte loss, neuronal death, impaired pericyte-vessel coverage and extravascular leakage indicating blood-brain barrier (BBB) dysfunction. At day 5, edema disappeared with recovery of pericyte-vessel coverage and BBB integrity. But brain tissue continued to shrink with persisted loss of astrocyte and neuron in microinfarct until 30 days, resulting in a collagen-rich fibrous scar surrounding the microinfarct. Notably, reactive astrocytes appeared at the peri-infarct area early at day 2 and thereafter accumulated in the peri-infarct. Oral administration of a reversible monoamine oxidase B inhibitor significantly decreased the astrocyte reactivity and fibrous scar formation. Our result suggests that astrocyte reactivity may be a key target to alleviate the impact of microinfarction.

ABSTRACT How protein signaling networks respond to different input strengths is an important but poorly understood problem in cell biology. For example, the small GTPase RhoA regulates both focal adhesion (FA) growth or disassembly, but whether RhoA serves as a switch selecting between cellular outcomes, or if outcomes are simply modulated by additional factors in the cell, is not clear. Here, we develop a photoswitchable RhoA guanine exchange factor, psRhoGEF, to precisely control endogenous RhoA activity. We also develop a FRET-based biosensor to allow visualization of RhoA activity together with psRhoGEF control. Using these new optical tools, we discover that low levels of RhoA activation preferentially induce FA disassembly in a Src-dependent manner, while high levels induce both FA growth and disassembly in a ROCK-dependent manner. Thus, rheostatic control of RhoA activation with photoswitchable RhoGEF reveals that cells can use signal amplitude to produce multiple responses to a single biochemical signal.

Summary paragraph Hemoglobin (Hb) is well-known for transporting oxygen in red blood cells within blood vessels 1 . Although Hb is also present in the brain 2 , its role remains poorly understood. Here, we show that Hb, found in astrocytes of neurodegenerative animal models and patients, displays significant antioxidant effects through its H 2 O 2 -decomposing peroxidase activity, and a small molecule enhancer boosts this activity, reducing aberrant H 2 O 2 and mitigating H 2 O 2 -induced neurodegeneration. To counteract the harmful effects of aberrant H 2 O 2 -production in Alzheimer’s disease (AD), we developed KDS12025, a blood-brain barrier (BBB)-permeable small molecule that effectively enhances the peroxidase activity of Hb by a hundredfold, especially at a low level of Hb. KDS12025 and its analogs achieve this enhancement through its electron-donating amine group. KDS12025 reduces H 2 O 2 levels in astrocytes, exhibits neuroprotective effects, and reverses memory impairment in AD models. Gene-silencing of Hbβ abrogates KDS12025’s impact in both culture and animal models of AD. Moreover, KDS12025 prevented the death of dopaminergic neurons in a Parkinson’s disease (PD) model without altering the oxygen-transporting function of Hb. KDS12025 extended survival and improved motor function even in the severe amyotrophic lateral sclerosis (ALS) mouse model. Our findings propose Hb as a new therapeutic target for neurodegenerative diseases, with KDS12025 emerging as a first-in-class drug candidate that enhances Hb’s peroxidase activity to reduce H 2 O 2 . Boosting Hb’s peroxidase activity with KDS12025 mitigates oxidative stress and alleviates neurodegeneration in AD, PD, and ALS with broad applicability for numerous oxidative-stress-driven diseases.

Abstract Two years ago, our group reported direct imaging of neuronal activity (DIANA), a functional magnetic resonance imaging (fMRI) technique that directly detects neuronal activity at high spatiotemporal resolution. In this study, we successfully reproduced the DIANA response in medetomidine-anesthetized mice using forelimb electrical stimulation at 11.7 T. More importantly, we showed that multiple neural circuits can be effectively revealed by DIANA fMRI through spatiotemporal activation mapping. The spatiotemporal activation mapping proposed here utilizes the temporal information of the DIANA response, that is, the time when the DIANA response reaches its peak, which is a unique feature that distinguishes it from the activation mapping method used in existing fMRI. Based on DIANA activation areas, we identified several neural circuits involved in forelimb sensory processing in the somatosensory network, which includes multiple brain regions: ventral posterolateral nucleus of the thalamus (VPL), posteromedial thalamic nucleus (POm), forelimb primary somatosensory cortex (S1FL), secondary somatosensory cortex (S2), primary motor cortex (M1), and secondary motor cortex (M2). Additionally, we also identified a pain-related neural circuit involving brain regions of the anterior cingulate cortex (ACC) and mediodorsal nucleus (MD). Interestingly, the spatiotemporal activation mapping also allowed us to identify subregions with different DIANA response times within the same functional region (e.g., VPL, POm, S1FL, and S2). Our study highlights the potential of DIANA fMRI to advance our understanding of sensory information processing throughout the brain and to provide insight into the spatiotemporal dynamics of brain networks at the level of neural circuits.