The Good Side of Inflammation The zebrafish brain is much more adept than the human brain at recovering after traumatic injury. Kyritsis et al. (p. 1353 , published online 8 November; see the Perspective by Stella ) investigated the cellular events that support regeneration in the zebrafish brain. Although inflammation is part of the response in both settings, the zebrafish brain goes on to initiate proliferation of replacement neurons. By inciting inflammation without neuronal damage, radial glial cells could be pushed into neurogenesis.

ABSTRACT Motile cilia defects impair cerebrospinal fluid (CSF) flow, and can cause brain and spine disorders. To date, the development of ciliated cells, their impact on CSF flow and their function in brain and axial morphogenesis are not fully understood. Here, we have characterized motile ciliated cells within the zebrafish brain ventricles. We show that the ventricular surface undergoes significant restructuring through development, involving a transition from mono- to multiciliated cells (MCCs) driven by gmnc. MCCs are translationally polarized, co-exist with monociliated cells and generate directional flow patterns. Moreover, these ciliated cells have different developmental origins, and are genetically heterogenous with respect to expression of the Foxj1 family of ciliary master regulators. Finally, we show that cilia loss from specific brain regions or global perturbation of multiciliation does not affect overall brain or spine morphogenesis, but results in enlarged ventricles. Our findings establish that motile ciliated cells are generated by complementary and sequential transcriptional programs to support ventricular development.

Abstract Neurogenesis relates to the brain resilience and is reduced in Alzheimer’s disease (AD). Restoring healthy levels of neurogenesis could have beneficial effects for coping with neurodegeneration. However, molecular mechanisms that could enhance neurogenesis from astroglial progenitors in AD pathology are largely unknown. We used lentiviruses to express Ngfr in the hippocampus of the APP/PS1dE9 mouse model of AD, histologically analyzed the changes in proliferation of neural stem cells and neurogenesis; performed single-cell transcriptomics, spatial proteomics, and functional knockdown studies. We found that expression of Ngfr , a neurogenic determinant in pathology-induced neuroregeneration in zebrafish, stimulated proliferative and neurogenic outcome in the APP/PS1dE9 AD mouse model. Ngfr suppressed reactive astrocyte marker Lipocalin-2 (Lcn2) in astroglia. Blockage of Lcn2 receptor, Slc22a17, recapitulated the neurogenic effects of NGFR, and long-term Ngfr expression reduced amyloid plaques and Tau phosphorylation. Furthermore, immunostaining on postmortem human hippocampi with AD or primary age-related Tauopathy and 3D human astroglial cultures showed that elevated LCN2 levels correlate with gliosis. By comparing transcriptional changes in mouse hippocampus, zebrafish brain, and human AD brains in terms of cell intrinsic differential gene expression analyses as well as weighted gene co-expression network analysis, we observed common potential downstream effectors of NGFR signaling, C4B and PFKP , that are relevant to AD. Our study links the regulatory role of an autocrine molecular mechanism in astroglia to the neurogenic ability and modulatory effects on amyloid and tau phosphorylation, opening new research avenues and suggesting that neurogenesis-oriented therapeutic approaches could be a potential clinical intervention for AD.

Alzheimer's disease (AD), a leading cause of dementia, increasingly challenges our healthcare systems and society. Traditional therapies aimed at single targets have fallen short owing to the complex, multifactorial nature of AD that necessitates simultaneous targeting of various disease mechanisms for clinical success. Therefore, targeting multiple pathologies at the same time could provide a synergistic therapeutic effect. The identification of new disease targets beyond the classical hallmarks of AD offers a fertile ground for the design of new multi-target drugs (MTDs), and building on existing compounds have the potential to yield in successful disease modifying therapies. This review discusses the evolving landscape of MTDs, focusing on their potential as AD therapeutics. Analysis of past and current trials of compounds with multi-target activity underscores the capacity of MTDs to offer synergistic therapeutic effects, and the flourishing genetic understanding of AD will inform and inspire the development of MTD-based AD therapies.

Abstract While efforts to identify microglial subtypes have recently accelerated, the relation of transcriptomically defined states to function has been largely limited to in silico annotations. Here, we characterize a set of pharmacological compounds that have been proposed to polarize human microglia towards two distinct states – one enriched for AD and MS genes and another characterized by increased expression of antigen presentation genes. Using different model systems including HMC3 cells, iPSC-derived microglia and cerebral organoids, we characterize the effect of these compounds in mimicking human microglial subtypes in vitro . We show that the Topoisomerase I inhibitor Camptothecin induces a CD74 high /MHC high microglial subtype which is specialized in amyloid beta phagocytosis. Camptothecin suppressed amyloid toxicity and restored microglia back to their homeostatic state in a zebrafish amyloid model. Our work provides avenues to recapitulate human microglial subtypes in vitro , enabling functional characterization and providing a foundation for modulating human microglia in vivo .

Abstract To uncover molecular changes underlying blood-brain-barrier dysfunction in Alzheimer’s disease, we performed single nucleus RNA sequencing in 24 Alzheimer’s disease and control brains and focused on vascular and astrocyte clusters as main cell types of blood-brain-barrier gliovascular-unit. The majority of the vascular transcriptional changes were in pericytes. Of the vascular molecular targets predicted to interact with astrocytic ligands, SMAD3 , upregulated in Alzheimer’s disease pericytes, has the highest number of ligands including VEGFA , downregulated in Alzheimer’s disease astrocytes. We validated these findings with external datasets comprising 4,730 pericyte and 150,664 astrocyte nuclei. Blood SMAD3 levels are associated with Alzheimer’s disease-related neuroimaging outcomes. We determined inverse relationships between pericytic SMAD3 and astrocytic VEGFA in human iPSC and zebrafish models. Here, we detect vast transcriptome changes in Alzheimer’s disease at the gliovascular-unit, prioritize perturbed pericytic SMAD3 -astrocytic VEGFA interactions, and validate these in cross-species models to provide a molecular mechanism of blood-brain-barrier disintegrity in Alzheimer’s disease.

ABSTRACT Generating masks on training data for augmenting machine learning is one of the challenges as it is time-consuming when performed manually. While variable random images can be generated by Generative Adversarial Networks, an image-to-image translation is needed to generate both images and ground truth data. To generate cells and their corresponding masks, we used a new approach to prepare the training data by adding masks on 4 different channels preventing any overlapping between masks on the same channel at an exactly 2-pixel distance. We used GAN to generate nuclei from only two images (415 and 435 nuclei) and tested different GANs with alternating activation functions and kernel sizes. Here, we provide the proof-of-principle application of GAN for image-to-image translation for cell nuclei and tested variable parameters such as kernel and filter sizes and alternating activation functions, which played important roles in GAN learning with small datasets. This approach will decrease the time required to generate versatile training datasets for various cell types and shapes with their corresponding masks for augmenting machine learning-based image segmentation.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) remains a complex challenge characterized by cognitive decline and memory loss. Genetic variations have emerged as crucial players in the etiology of AD, enabling hope for a better understanding of the disease mechanisms; yet the specific mechanism of action for those genetic variants remain uncertain. Animal models with reminiscent disease pathology could uncover previously uncharacterized roles of these genes. Using CRISPR/Cas9 gene editing, we generated a knockout model for abca7, orthologous to human ABCA7 – an established AD-risk gene. The abca7 +/- zebrafish showed reduced astroglial proliferation, synaptic density, and microglial abundance in response to amyloid beta 42 (Aβ42). Single-cell transcriptomics revealed abca7 -dependent neuronal and glial cellular crosstalk through neuropeptide Y (NPY) signaling. The abca7 knockout reduced the expression of npy, bdnf and ngfra , which are required for synaptic integrity and astroglial proliferation. With clinical data in humans, we showed reduced NPY in AD correlates with elevated Braak stage, predicted regulatory interaction between NPY and BDNF , identified genetic variants in NPY associated with AD, found segregation of variants in ABCA7, BDNF and NGFR in AD families, and discovered epigenetic changes in the promoter regions of NPY, NGFR and BDNF in humans with specific single nucleotide polymorphisms in ABCA7 . These results suggest that ABCA7-dependent NPY signaling is required for synaptic integrity, the impairment of which generates a risk factor for AD through compromised brain resilience. Abstract Figure Graphical abstract

SUMMARY Neural development is not just a linear expansion of the brain. Instead, the structure and function of developing brain circuits undergo drastic alterations that have a direct impact on the animals’ expanding behavioural repertoire. Here we investigated the developmental changes in the habenula, a brain region that mediates behavioural flexibility during learning, social interactions and aversive experiences. We showed that developing habenular circuits exhibit multiple alterations, which increase the structural and functional diversity of cell types, inputs and functional modules within habenula. As the neural architecture of habenula develops, it sequentially transforms into a multi-sensory brain region that can process visual and olfactory information. Moreover, we also observed that already at early developmental stages, the habenula exhibits spatio-temporally structured spontaneous neural activity that shows prominent alterations and refinement with age. Interestingly, these alterations in spontaneous activity are accompanied by sequential neurogenesis and integration of distinct neural clusters across development. Finally, by combining an in vivo neuronal birthdating method with functional imaging, we revealed that clusters of habenular neurons with distinct functional properties are born sequentially at distinct developmental time windows. Our results highlight a strong link between the function of habenular neurons and their precise birthdate during development, which supports the idea that sequential neurogenesis leads to an expansion of neural clusters that correspond to distinct functional modules in the brain.

Three-dimensional models of human neural development and neurodegeneration are crucial when exploring stem-cell-based regenerative therapies in a tissue-mimetic manner. However, existing 3D culture systems are not sufficient to model the inherent plasticity of NSCs due to their ill-defined composition and lack of controllability of the physical properties. Adapting a glycosaminoglycan-based, cell-responsive hydrogel platform, we stimulated primary and induced human neural stem cells (NSCs) to manifest neurogenic plasticity and form extensive neuronal networks in vitro. The 3D cultures exhibited neurotransmitter responsiveness, electrophysiological activity, and tissue-specific extracellular matrix (ECM) deposition. By whole transcriptome sequencing, we identified that 3D cultures express mature neuronal markers, and reflect the in vivo make-up of mature cortical neurons compared to 2D cultures. Thus, our data suggest that our established 3D hydrogel culture supports the tissue-mimetic maturation of human neurons. We also exemplarily modeled neurodegenerative conditions by treating the cultures with Aβ42 peptide and observed the known human pathological effects of Alzheimer's disease including reduced NSC proliferation, impaired neuronal network formation, synaptic loss and failure in ECM deposition as well as elevated Tau hyperphosphorylation and formation of neurofibrillary tangles. We determined the changes in transcriptomes of primary and induced NSC-derived neurons after Aβ42, providing a useful resource for further studies. Thus, our hydrogel-based human cortical 3D cell culture is a powerful platform for studying various aspects of neural development and neurodegeneration, as exemplified for Aβ42 toxicity and neurogenic stem cell plasticity.