Parkinson's disease, the most common age-related movement disorder, is a progressive neurodegenerative disease with unclear etiology. Key neuropathological hallmarks are Lewy bodies and Lewy neurites: neuronal inclusions immunopositive for the protein α-synuclein. In-depth ultrastructural analysis of Lewy pathology is crucial to understanding pathogenesis of this disease. Using correlative light and electron microscopy and tomography on postmortem human brain tissue from Parkinson's disease brain donors, we identified α-synuclein immunopositive Lewy pathology and show a crowded environment of membranes therein, including vesicular structures and dysmorphic organelles. Filaments interspersed between the membranes and organelles were identifiable in many but not all α-synuclein inclusions. Crowding of organellar components was confirmed by stimulated emission depletion (STED)-based super-resolution microscopy, and high lipid content within α-synuclein immunopositive inclusions was corroborated by confocal imaging, Fourier-transform coherent anti-Stokes Raman scattering infrared imaging and lipidomics. Applying such correlative high-resolution imaging and biophysical approaches, we discovered an aggregated protein-lipid compartmentalization not previously described in the Parkinsons' disease brain.

Next to α-synuclein deposition, microglial activation is a prominent pathological feature in the substantia nigra (SN) of Parkinson's disease (PD) patients. Little is known, however, about the different phenotypes of microglia and how they change during disease progression, in the SN or in another brain region, like the hippocampus (HC), which is implicated in dementia and depression, important non-motor symptoms in PD. We studied phenotypes and activation of microglia in the SN and HC of established PD patients (Braak PD stage 4–6), matched controls (Braak PD stage 0) and of incidental Lewy Body disease (iLBD) cases (Braak PD stage 1–3) that are considered a prodromal state of PD. As recent experimental studies suggested that toll-like receptor 2 (TLR2) mediates α-synuclein triggered microglial activation, we also studied whether TLR2 expression is indeed related to pathology in iLBD and PD patients. A clear α-synuclein pathology-related increase in amoeboid microglia was present in the HC and SN in PD. Also, morphologically primed/reactive microglial cells, and a profound increase in microglial TLR2 expression were apparent in iLBD, but not PD, cases, indicative of an early activational response to PD pathology. Moreover, TLR2 was differentially expressed between the SN and HC, consistent with a region-specific pattern of microglial activation. In conclusion, the regional changes in microglial phenotype and TLR2 expression in primed/reactive microglia in the SN and HC of iLBD cases indicate that TLR2 may play a prominent role in the microglial-mediated responses that could be important for PD progression.

Despite decades of intensive research, to date, there is no accepted diagnosis for Parkinson's disease (PD) based on biochemical analysis of blood or CSF. However, neurodegeneration in the brains of PD patients begins several years before the manifestation of the clinical symptoms, pointing to serious flaw/limitations in this approach. To explore the potential use of alpha-synuclein (α-syn) species as candidate biomarkers for PD, we generated specific antibodies directed against wide array of α-syn species, namely total-, oligomeric- and phosphorylated-Ser129-α-syn (t-, o- and p-S129-α-syn). Next we sought to employ our antibodies to develop highly specific ELISA assays to quantify α-syn species in biological samples. Finally we verified the usefulness of our assays in CSF samples from 46 PD patients and 48 age-matched healthy controls. We also assessed the discriminating power of combining multiple CSF α-syn species with classical Alzheimer's disease biomarkers. The combination of CSF o-/t-α-syn, p-S129-α-syn and p-tau provided the best fitting predictive model for discriminating PD patients from controls. Moreover, CSF o-α-syn levels correlated significantly with the severity of PD motor symptoms (r = -0.37). Our new ELISA assays can serve as research tools to address the unmet need for reliable CSF biomarkers for PD and related disorders.

Abstract Cognitive deficits in Alzheimer’s disease, specifically amnestic (memory dominant) deficits, are associated with cholinergic degeneration in the basal forebrain. The cholinergic nucleus within the basal forebrain, the nucleus basalis of Meynert, exhibits local atrophy and reduced cortical tract integrity on MRI, and reveals amyloid-β and phosphorylated-tau pathology at autopsy. To better understand the pathophysiology of nucleus basalis of Meynert atrophy and its neocortical projections in Alzheimer’s disease, we utilized a combined post-mortem in-situ MRI and histopathology approach. A total of 19 Alzheimer’s disease (10 amnestic and 9 non-amnestic) and 9 non-neurological control donors underwent 3T T1-weighted MRI for anatomical delineation and volume assessment of the nucleus basalis of Meynert, and diffusion-weighted imaging for microstructural assessment of the nucleus and its projections. At subsequent brain autopsy, tissue dissection and immunohistochemistry were performed for amyloid-β, phosphorylated-tau and choline acetyltransferase. Compared to controls, we observed an MRI-derived volume reduction and altered microstructural integrity of the nucleus basalis of Meynert in Alzheimer’s disease donors. Furthermore, decreased cholinergic cell density was associated with reduced integrity of the nucleus and its tracts to the temporal lobe, specifically to the temporal pole of the superior temporal gyrus, and the parahippocampal gyrus. The association between cholinergic cell density and alteration to cortical tracts was specific for amnestic, compared to non-amnestic Alzheimer’s disease donors. Our study illustrates that the nucleus basalis of Meynert is severely affected in amnestic Alzheimer’s disease, both in terms of pathology within the nucleus, but also in terms of damage to its cortical projections, specifically to the temporal lobe, which may contribute to the observed cognitive deterioration.

Abstract The insular cortex is a heterogeneous and widely connected brain region. It plays a role in autonomic, cognitive, emotional and somatosensory functions. Its complex and unique cytoarchitecture includes a periallocortical agranular, pro-isocortical dysgranular, and isocortical granular sub-regions. In Parkinson’s disease (PD), the insula shows α-synuclein inclusions in advanced stages of the disease and its atrophy correlates with cognitive deficits. However, little is known regarding its regional neuropathological characteristics and vulnerability in Lewy body diseases. The aim of this study is to assess the distribution pattern of α-synuclein pathology in the insular sub-regions and the selective vulnerability of its different cell types in PD and dementia with Lewy bodies (DLB). Human post-mortem insular tissues from 10 donors with incidental Lewy body disease (iLBD), PD, DLB, and age-matched controls were immunostained for α-synuclein and glial fibrillary acid protein (GFAP). Results showed that a decreasing gradient of α-synuclein pathology was present from agranular to granular sub-regions in iLBD, PD and PD with dementia (PDD) donors. The agranular insula was heavily inflicted, revealing various α-synuclein immunoreactive morphological structures, predominantly Lewy neurites (LNs), and astroglial synucleinopathy. While dysgranular and granular sub-regions showed a decreasing gradient of inclusions and more Lewy bodies (LBs) in deeper layers. In DLB, this gradient was less pronounced and severe pathology was observed in the granular insula compared to PDD and regardless of disease stage. Protoplasmic astrocytes showed α-synuclein inclusions and severe degenerative changes increasing with disease severity. While few von Economo neurons (VENs) in the fronto-insular region revealed inclusions, particularly in PDD patients. Our study reports novel findings on the differential involvement of the insular sub-regions in PD and particular involvement of the agranular sub-region, VENs and astrocytes. Thus, the differential cellular architecture of the insular sub-regions portrays the topographic variation and vulnerability to α-synuclein pathology in Lewy body diseases.

ABSTRACT INTRODUCTION The aim of this study was to identify the histopathological correlates of MRI cortical atrophy in (a)typical Alzheimer’s disease (AD) donors. METHODS 19 AD and 10 control donors underwent post-mortem in-situ 3T-3DT1-MRI, from which cortical thickness was calculated. Upon subsequent autopsy, 21 cortical brain regions were selected and immunostained for amyloid-beta, phosphorylated-tau, and reactive microglia. MRI-pathology associations were assessed using linear mixed models. Post-mortem MRI was compared to ante-mortem MRI when available. RESULTS Higher amyloid-beta load weakly correlated with a higher cortical thickness globally. Phosphorylated-tau strongly correlated with cortical atrophy in temporo-frontal regions. Reactive microglia load strongly correlated with cortical atrophy in the parietal region. Post-mortem scans showed high concordance with ante-mortem scans acquired <1 year before death. DISCUSSION Distinct histopathological markers differently correlate with cortical atrophy, highlighting their different roles in the neurodegenerative process. This study contributes in understanding the pathological underpinnings of MRI atrophy patterns.

Correlative light and electron microscopy (CLEM) combines light microscopy (LM) for target identification using genetic labels, dyes, antibodies, and morphological features with electron microscopy (EM) for high-resolution subcellular structure analysis. We describe an optimized room-temperature CLEM protocol for ultrastructural investigation of post-mortem human brain tissues, which is adaptable to cell lines and animal tissues. This versatile 8-day protocol encompasses sample fixation for optimal ultrastructural preservation, immunofluorescence staining, imaging, and multi-modal image correlation, and is executable within standard EM laboratories. Serving as a critical tool for characterizing human tissue and disease models, room-temperature CLEM facilitates the identification and quantification of subcellular morphological features across brain regions and can act as a preliminary step to assess sample suitability for cryo-EM studies.

In Parkinson disease (PD), α-synuclein spreading through connected brain regions leads to neuronal loss and brain network disruptions. With diffusion-weighted imaging (DWI), it is possible to capture conventional measures of brain network organization and more advanced measures of brain network resilience. We aimed to investigate which neuropathologic processes contribute to regional network topologic changes and brain network resilience in PD.

Structural covariance networks are able to identify functionally organized brain regions by gray matter volume covariance. In Parkinson's disease, the posterior cingulate network and anterior cingulate network showed decreased gray matter and therefore we examined the underlying molecular processes of these anatomical networks in the healthy brain. Whole brain transcriptomics from post-mortem samples from healthy adults, revealed upregulation of genes associated with serotonin, GPCR, GABA, glutamate, and RAS signaling pathways in these PD-related regions. Our results also suggest involvement of the cholinergic circuit, in which genes NPPA , SOSTDC1 , and TYRP1 may play a protective role. Furthermore, both networks were associated with memory and neuropsychiatric disorders that overlap with Parkinson's disease symptoms. The identified genes and pathways contribute to healthy functions of the posterior and anterior cingulate networks and disruptions to these functions may in turn contribute to the pathological and clinical events observed in Parkinson's disease.

Post-translational modifications of alpha-synuclein (aSyn), particularly phosphorylation at Serine 129 (Ser129-p) and truncation of its C-terminus (CTT), have been implicated in Parkinson’s disease (PD) pathology. To gain more insight in the relevance of Ser129-p and CTT aSyn under physiological and pathological conditions, we investigated their subcellular distribution patterns in normal aged and PD brains using highly-selective antibodies in combination with 3D multicolor STED microscopy. We show that CTT aSyn localizes in mitochondria in PD patients and controls, whereas the organization of Ser129-p in a cytoplasmic network is strongly associated with pathology. Nigral Lewy bodies show an onion skin-like architecture, with a structured framework of Ser129-p aSyn and neurofilaments encapsulating CTT aSyn in their core, which displayed high content of proteins and lipids by label-free CARS microscopy. The subcellular phenotypes of antibody-labeled pathology identified in this study provide evidence for a crucial role of Ser129-p aSyn in Lewy body formation.