Oligodendrocytes make myelin and support axons metabolically with lactate. However, it is unknown how glucose utilization and glycolysis are adapted to the different axonal energy demands. Spiking axons release glutamate and oligodendrocytes express NMDA receptors of unknown function. Here we show that the stimulation of oligodendroglial NMDA receptors mobilizes glucose transporter GLUT1, leading to its incorporation into the myelin compartment in vivo. When myelinated optic nerves from conditional NMDA receptor mutants are challenged with transient oxygen-glucose deprivation, they show a reduced functional recovery when returned to oxygen-glucose but are indistinguishable from wild-type when provided with oxygen-lactate. Moreover, the functional integrity of isolated optic nerves, which are electrically silent, is extended by preincubation with NMDA, mimicking axonal activity, and shortened by NMDA receptor blockers. This reveals a novel aspect of neuronal energy metabolism in which activity-dependent glutamate release enhances oligodendroglial glucose uptake and glycolytic support of fast spiking axons.

Oligodendrocyte death and demyelination are hallmarks of multiple sclerosis (MS). Here we show that ATP signaling can trigger oligodendrocyte excitotoxicity via activation of calcium-permeable P2X 7 purinergic receptors expressed by these cells. Sustained activation of P2X 7 receptors in vivo causes lesions that are reminiscent of the major features of MS plaques, i.e., demyelination, oligodendrocyte death, and axonal damage. In addition, treatment with P2X 7 antagonists of chronic experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a model of MS, reduces demyelination and ameliorates the associated neurological symptoms. Together, these results indicate that ATP can kill oligodendrocytes via P2X 7 activation and that this cell death process contributes to EAE. Importantly, P2X 7 expression is elevated in normal-appearing axon tracts in MS patients, suggesting that signaling through this receptor in oligodendrocytes may be enhanced in this disease. Thus, P2X 7 receptor antagonists may be beneficial for the treatment of MS.

Amyloid beta (Abeta) oligomers accumulate in brain tissue of Alzheimer disease patients and are related to pathogenesis. The precise mechanisms by which Abeta oligomers cause neurotoxicity remain unresolved. In this study, we investigated the role of ionotropic glutamate receptors on the intracellular Ca2+ overload caused by Abeta. Using rat cortical neurons in culture and entorhinal-hippocampal organotypic slices, we found that Abeta oligomers significantly induced inward currents, intracellular Ca2+ increases and apoptotic cell death through a mechanism requiring NMDA and AMPA receptor activation. The massive entry of Ca2+ through NMDA and AMPA receptors induced by Abeta oligomers caused mitochondrial dysfunction as indicated by mitochondrial Ca2+ overload, oxidative stress and mitochondrial membrane depolarization. Importantly, chronic treatment with nanomolar concentration of Abeta oligomers also induced NMDA- and AMPA receptor-dependent cell death in entorhinal cortex and hippocampal slice cultures. Together, these results indicate that overactivation of NMDA and AMPA receptor, mitochondrial Ca2+ overload and mitochondrial damage underlie the neurotoxicity induced by Abeta oligomers. Hence, drugs that modulate these events can prevent from Abeta damage to neurons in Alzheimer's disease.

Associative memory is the main type of learning wherein complex organisms endowed with evolved nervous systems respond efficiently to determined environmental stimuli. This fundamental cognitive property has been evidenced in different multicellular species, from cephalopods to Humans, but never in individual cells. Here, following Pavlov's experiments with dogs that founded the principles of classical conditioning, we have observed the development of an associative memory in Amoeba proteus, which corresponds to the emergence of a new systemic motility pattern. In our cellular version of this conditioning behavior, we have used a controlled direct current electric field as the conditioned stimulus and a specific chemotactic peptide as the non-conditioned stimulus. Our study allowed us to demonstrate that Amoeba proteus are capable of linking two independent past events, and the induced associative memory can be recorded for up to at least four hours. For the first time, it has been observed that a systemic response to a specific stimulus can be modified by learning in unicellular organisms. This finding opens up a new framework in the understanding of the mechanisms underlying the complex systemic behavior involved in the cellular migration and the adaptive capacity of cells to the external medium.

How motile, free unicellular organisms maximize the rate at which they encounter resources and develop optimal search strategies remains largely unknown. In fact, cell foraging is a very complex activity in which unicellular organisms integrate a diversity of external cues and develop efficient systemic movements to localize nourishment. These foraging strategies are critical when cells face conditions of scarce resources or they don't possess information on where food is located. Here, in order to determine whether nuclear activity is directly involved in cell migration, we placed single, well-isolated, enucleated and non-enucleated starved Amoeba proteus on nutrient-free petri dishes, and we then analyzed their trajectories of movement using non-linear dynamic tools. We found that despite being enucleated, the systemic responses of the protoplasm exhibited typical biological behaviors, moving with apparent normality, creeping along the substrate, developing pseudopodia and gobbling up prey. Our quantitative studies show that both the non-enucleated and enucleated amoebas display a similar migration structure, characterized by super-diffusivity, non-trivial long-term correlations and move-step fluctuations with scale invariant properties. In conclusion, the nuclear activity does not seem to directly control the systemic cellular movements involved in locating sparse resources.

Abstract Abnormalities in myelination are associated to behavioral and cognitive dysfunction in neurodevelopmental psychiatric disorders. Thus, therapies to promote or accelerate myelination could potentially ameliorate symptoms in autism. Clemastine, a histamine H1 antagonist with anticholinergic properties against muscarinic M1 receptor, is the most promising drug with promyelinating properties (Mei et al., 2014). Clemastine penetrates the blood brain barrier efficiently and promotes remyelination in different animal models of neurodegeneration including multiple sclerosis, ischemia and Alzheimer’s disease. However, its role in myelination during development is unknown. We showed that clemastine treatment during development increase oligodendrocyte differentiation in both white and gray matter. However, despite the increase in the number of oligodendrocytes, conduction velocity of myelinated fibers of corpus callosum decreased in clemastine treated mice. Confocal and electron microscopy showed a reduction in the number of myelinated axons and nodes of Ranvier and a reduction of myelin thickness in corpus callosum . To understand the mechanisms leading to myelin formation impairment in the presence of an excess of myelinating oligodendrocytes, we focused on microglial cells which also express muscarinic M1 receptors. Importantly, the population of CD11c + microglia cells, necessary for myelination, as well as the levels of insulin growth factor-1 decrease in clemastine-treated mice. Altogether, these data suggest that clemastine impact on myelin development is more complex than previously thought and could be dependent on microglia-oligodendrocyte crosstalk. Further studies are needed to clarify the role of microglia cells on developmental myelination.

Multiple sclerosis (MS) is characterized by neuroinflammation and demyelination of the central nervous system (CNS), leading to disablility. Genetic variants that confer MS risk implicate genes involved in immune function, while variants related to severity of the disease are associated with genes preferentially expressed within the CNS. Current MS therapies decrease relapse rates by preventing immune-mediated damage of myelin, but they ultimately fail to slow long-term disease progression, which apparently depends on CNS intrinsic processes. The molecular events that trigger progressive MS are still unknown. Here we report that the C-terminal region of TAF1 (the scaffolding subunit of the general transcription factor TFIID) is underrepresented in postmortem brain tissue from individuals with MS. Furthermore, we demonstrate in vivo, in genetically modified mice, that C-terminal alteration of TAF1 suffices to induce an RNA polymerase II (RNAPII)-elongation deficit that particularly affects oligodendroglial myelination-related genes and results in an MS-like brain transcriptomic signature, including increased expression of proinflammatory genes. This transcriptional profile is accompanied by CNS-resident inflammation, robust demyelination and MS-like motor phenotypes. We also identify numerous interactors of C-terminal TAF1 that participate in RNAPII-promoter escape, of which two show evidence for genetic association to MS. Our study reveals that TAF1 dysfunction converges with genetic susceptibility to cause transcriptional dysregulation in CNS cell types, such as oligodendrocytes, to ultimately trigger MS.

Summary Multiple sclerosis (MS) affects almost 3 million people globally who suffer demyelination as a series of relapses and remissions that tend towards progressive deterioration over time. The proximate cause is auto-immune attack by the adaptive immune system; therapies directed against this are effective during the relapsing-remitting phase but are less effective or ineffective during progression where other injury mechanisms may be significant. LPS- and cuprizone-induced experimental demyelination share features of progressive demyelination in MS but the underlying mechanisms are not well understood. We show here that these demyelination models can be reproduced ex vivo using short protocols, revealing that combined antagonism of two types of glutamate receptor, NMDA and AMPA, using clinically approved antagonists at sub-clinical doses, can protect against these forms of demyelination. Combined low dose therapy was subsequently shown to be effective in vivo against dietary cuprizone and experimental autoimmune-encephalomyelitis (EAE) models of demyelination and, in particular, protected the smaller myelinated axons that are the main substrate of the function loss in progressive MS.

Directional motility is an essential property of cells. Despite its enormous relevance in many fundamental physiological and pathological processes, how cells control their locomotion movements remains an unresolved question. Here we have addressed the systemic processes driving the directed locomotion of cells. Specifically, we have performed an exhaustive study analyzing the trajectories of 700 individual cells belonging to three different species (Amoeba proteus, Metamoeba leningradensis and Amoeba borokensis) in four different scenarios: in absence of stimuli, under an electric field (galvanotaxis), in a chemotactic gradient (chemotaxis), and under simultaneous galvanotactic and chemotactic stimuli. All movements were analyzed using advanced quantitative tools. The results show that the trajectories are mainly characterized by coherent integrative responses that operate at the global cellular scale. These systemic migratory movements depend on the cooperative non-linear interaction of most, if not all, molecular components of cells.