ABSTRACT Tau pathology is a diagnostic feature of Alzheimer’s disease (AD) but is also a prominent feature of Parkinson’s disease (PD), including genetic forms of PD with mutations in leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ). In both diseases, tau pathology is progressive and correlates with cognitive decline. Neuropathological staging studies in humans and mouse models have suggested that tau spreads through the brain, but it is unclear how neuroanatomical connections, spatial proximity, and regional vulnerability contribute to pathology spread. Further, it is unknown how mutations in the LRRK2 gene may modulate susceptibility to tau pathology’s initiation or spread. In this study, we used seed-based models of tauopathy to capture spatiotemporal patterns of pathology in mice. Following the injection of AD brain-derived tau into the brains of non-transgenic mice, tau pathology spreads progressively through the brain in a spatiotemporal pattern that is well-explained by anatomical connectivity. We validated and compared network models based on diffusion along anatomical connections to predict tau spread, estimate regional vulnerability to tau pathology, and investigate gene expression patterns related to regional vulnerability. We further investigated tau pathology spread in mice harboring a mutation in LRRK2 and found that while tau pathology spread is still constrained by anatomical connectivity, it spreads preferentially in a retrograde direction to regions that are otherwise resilient in wildtype mice. This study provides a quantitative demonstration that tau pathology spreads along anatomical connections, explores the kinetics of this spread, and provides a platform for investigating the effect of genetic risk factors and treatments on the progression of tauopathies.

Chronic high-fat feeding triggers widespread metabolic dysfunction including obesity, insulin resistance, and diabetes. While these ultimate pathological states are relatively well understood, we have a limited understanding of how high-fat intake first triggers physiological changes. Here, we identify an acute microglial metabolic response that rapidly translates intake of high-fat diet (HFD) to a surprisingly beneficial effect on spatial and learning memory. Acute high-fat intake increases palmitate levels in cerebrospinal fluid and triggers a wave of microglial metabolic activation characterized by mitochondrial membrane activation, fission and metabolic skewing towards aerobic glycolysis. These effects are generalized, detectable in the hypothalamus, hippocampus, and cortex all within 1-3 days of HFD exposure. In vivo microglial ablation and conditional DRP1 deletion experiments show that the microglial metabolic response is necessary for the acute effects of HFD. 13C-tracing experiments reveal that in addition to processing via β-oxidation, microglia shunt a substantial fraction of palmitate towards anaplerosis and re-release of bioenergetic carbons into the extracellular milieu in the form of lactate, glutamate, succinate, and intriguingly, the neuro-protective metabolite itaconate. Together, these data identify microglial cells as a critical nutrient regulatory node in the brain, metabolizing away harmful fatty acids and liberating the same carbons instead as alternate bioenergetic and protective substrates. The data identify a surprisingly beneficial effect of short-term HFD on learning and memory.

Parkinson's disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease worldwide and presents pathologically with Lewy pathology and dopaminergic neuron loss. Lewy pathology contains aggregated αSynuclein (αSyn), a protein encoded by the SNCA gene which is also mutated or duplicated in a subset of familial PD cases. Due to its predominant presynaptic localization, immunostaining for the protein results in diffuse signal, providing little insight into the types of cells expressing αSyn. As a result, insight into αSyn expression-driven cellular vulnerability has been difficult to ascertain. Using a combination of knock-in mice that target αSyn to the nucleus of cells ( Snca NLS ) and in situ hybridization of Snca in wild-type mice, we systematically map the topography and cell types expressing αSyn in the mouse brain, spinal cord, retina, and gut. We find a high degree of correlation between αSyn protein and RNA levels across multiple brain regions and further identify cell types with low and high αSyn. We found that αSyn is highly expressed in neurons, particularly those involved in PD and to a lower extent in non-neuronal cell types, notably those of oligodendrocyte lineage. We also find that αSyn is devoid in certain neuron types (e.g. ChAT-positive motor neurons), and that all enteric neurons express αSyn to a certain degree. Taken together, this atlas provides much-needed insight into the cellular topography of αSyn, and provides a quantitative map to test assumptions about the role of αSyn in network vulnerability in PD and other αSynucleinopathies.

Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are the most common cause of familial Parkinson's disease (PD). These mutations elevate LRRK2 kinase activity, making LRRK2 kinase inhibitors an attractive therapeutic target. LRRK2 kinase activity has been consistently linked to specific cell signaling pathways, mostly related to organelle trafficking and homeostasis, but its relationship to PD pathogenesis has been more difficult to define. LRRK2-PD patients consistently present with loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra but show variable development of Lewy body or tau tangle pathology. Animal models carrying LRRK2 mutations do not develop robust PD-related phenotypes spontaneously, hampering the assessment of LRRK2 inhibitors' efficacy against disease processes. We hypothesized that mutations in LRRK2 may not be directly related to a single disease pathway, but instead may elevate susceptibility to multiple disease processes, depending on the disease trigger. To test this hypothesis, we have previously evaluated progression of alpha-synuclein and tau pathologies following injection of proteopathic seeds. We demonstrated that transgenic mice overexpressing mutant LRRK2 show alterations in the brain-wide progression of pathology, especially at older ages. Here, we assess tau pathology progression in relation to long-term LRRK2 kinase inhibition. Wildtype or LRRK2-G2019S knock-in mice were injected with tau fibrils and treated with control diet or diet containing LRRK2 kinase inhibitor MLi-2 targeting the IC50 or IC90 of LRRK2 for 3 to 6 months. Mice were evaluated for tau pathology by brain-wide quantitative pathology in 665 brain regions and subsequent linear diffusion modeling of progression. Consistent with our previous work, we found systemic alterations in the progression of tau pathology in LRRK2-G2019S mice that were most pronounced at 6 months. Importantly, LRRK2 kinase inhibition reversed these effects in LRRK2G2019S mice, but had minimal effect in wildtype mice, suggesting that LRRK2 kinase inhibition is likely to reverse specific disease processes in G2019S mutation carriers, but additional work may be necessary to determine the potential effect in non-carriers. This work supports a protective role of LRRK2 kinase inhibition in G2019S carriers and provides a rational workflow for systematic evaluation of brain-wide phenotypes in therapeutic development.

Parkinson9s disease (PD) is a progressive, debilitating neurodegenerative disease that afflicts approximately every 1000th individual. Recently, activation of genomic transposable elements (TE) has been suggested as a potential driver of PD onset. However, it is unclear where, when, and to what extent TEs are dysregulated in PD. Here, we performed a multi-tissue transcriptional analysis of multiple patient cohorts and identified TE transcriptional activation as a hallmark of PD. We find that PD patients exhibit up-regulation primarily of human endogenous retrovirus (HERV) transcripts in prefrontal cortex tissue, prefrontal neurons as well as in blood, and we demonstrate that TE activation in the blood is highest at the time of PD diagnosis. Supporting a potentially causal association between ERV dysregulation and PD heterogeneity, reduced gene dosage of the TE repressor Trim28 triggers transcriptional changes highly correlated to those measured in animal models of synucleinopathy (PFF-injection), and importantly, to those exhibited by patients themselves. These data identify ERV up-regulation as a common feature of central and peripheral PD etiology, and highlight potential roles for Trim28-dependent TEs in stratifying and monitoring PD and treatment compliance.

Abstract The presynaptic protein α-synuclein (αSyn) has been suggested to be involved in the pathogenesis of Parkinson’s disease (PD). In PD, the amygdala is prone to develop insoluble αSyn aggregates, and it has been suggested that circuit dysfunction involving the amygdala contributes to the psychiatric symptoms. Yet, how αSyn aggregates affect amygdala function is unknown. In this study, we examined αSyn in glutamatergic axon terminals and the impact of its aggregation on glutamatergic transmission in the basolateral amygdala (BLA). We found that αSyn is primarily present in the vesicular glutamate transporter 1-expressing (vGluT1 + ) terminals in mouse BLA, which is consistent with higher levels of αSyn expression in vGluT1 + glutamatergic neurons in the cerebral cortex relative to the vGluT2 + glutamatergic neurons in the thalamus. We found that αSyn aggregation selectively decreased the cortico-BLA, but not the thalamo-BLA, transmission; and that cortico-BLA synapses displayed enhanced short-term depression upon repetitive stimulation. In addition, using confocal microscopy, we found that vGluT1 + axon terminals exhibited decreased levels of soluble αSyn, which suggests that lower levels of soluble αSyn might underlie the enhanced short-term depression of cortico-BLA synapses. In agreement with this idea, we found that cortico-BLA synaptic depression was also enhanced in αSyn knockout mice. In conclusion, both basal and dynamic cortico-BLA transmission were disrupted by abnormal aggregation of αSyn and these changes might be relevant to the perturbed cortical control of the amygdala that has been suggested to play a role in psychiatric symptoms in PD.

Abstract There is growing evidence for the key role of microglial activation in brain pathophysiology. Consequently, there is a need for efficient automated methods to measure the morphological changes distinctive of microglia functional states in research settings. Currently, many commonly used automated methods can be subject to sample representation bias, time consuming imaging, specific hardware requirements, and difficulty in maintaining an accurate comparison across research environments. To overcome these issues, we use commercially available deep learning tools (Aiforia® Cloud (Aifoira Inc., Cambridge, United States) to quantify microglial morphology and cell counts from histopathological slides of Iba1 stained tissue sections. We provide evidence for the effective application of this method across a range of independently collected datasets in mouse models of viral infection and Parkinson’s disease. Additionally, we provide a comprehensive workflow with training details and annotation strategies by feature layer that can be used as a guide to generate new models. In addition, all models described in this work are shared within the Aiforia® platform and are available for study-specific adaptation and validation.

Lewy pathology composed of α-synuclein is the key pathological hallmark of Parkinson's disease (PD), found both in dopaminergic neurons that control motor function, and throughout cortical regions that control cognitive function. Recent work has investigated which dopaminergic neurons are most susceptible to death, but little is known about which neurons are vulnerable to developing Lewy pathology and what molecular changes an aggregate induces. In the current study, we use spatial transcriptomics to selectively capture whole transcriptome signatures from cortical neurons with Lewy pathology compared to those without pathology in the same brains. We find, both in PD and in a mouse model of PD, that there are specific classes of excitatory neurons that are vulnerable to developing Lewy pathology in the cortex. Further, we identify conserved gene expression changes in aggregate-bearing neurons that we designate the Lewy-associated molecular dysfunction from aggregates (LAMDA) signature. This gene signature indicates that neurons with aggregates downregulate synaptic, mitochondrial, ubiquitin-proteasome, endo-lysosomal, and cytoskeletal genes and upregulate DNA repair and complement/cytokine genes. However, beyond DNA repair gene upregulation, we find that neurons also activate apoptotic pathways, suggesting that if DNA repair fails, neurons undergo programmed cell death. Our results identify neurons vulnerable to Lewy pathology in the PD cortex and identify a conserved signature of molecular dysfunction in both mice and humans.

ABSTRACT Parkinson’s disease (PD) and dementia with Lewy bodies (DLB) are progressive neurodegenerative diseases characterized by the accumulation of misfolded α-synuclein in the form of Lewy pathology. While most cases are sporadic, there are rare genetic mutations that cause disease and more common variants that increase incidence of disease. The most prominent genetic mutations for PD and DLB are in the GBA1 and LRRK2 genes. GBA1 mutations are associated with decreased glucocerebrosidase activity and lysosomal accumulation of its lipid substrates, glucosylceramide and glucosylsphingosine. Previous studies have shown a link between this enzyme and lipids even in sporadic PD. However, it is unclear how the protein pathologies of disease are related to enzyme activity and glycosphingolipid levels. To address this gap in knowledge, we examined quantitative protein pathology, glucocerebrosidase activity and lipid substrates in parallel from 4 regions of 91 brains with no neurological disease, idiopathic, GBA1 -linked, or LRRK2 -linked PD and DLB. We find that several biomarkers are altered with respect to mutation and disease severity. We found mild association of glucocerebrosidase activity with disease, but a strong association of glucosylsphingosine with α-synuclein pathology, irrespective of genetic mutation. This association suggests that Lewy pathology precipitates changes in lipid levels related to disease severity.