Parkinson's disease (PD) and Dementia with Lewy bodies (DLB) are characterized by neuronal α-synuclein (α-syn) inclusions termed Lewy Pathology, which are abundant in the amygdala. The basolateral amygdala (BLA), in particular, receives projections from the thalamus and cortex. These projections play a role in cognition and emotional processing, behaviors which are impaired in α-synucleinopathies. To understand if and how pathologic α-syn impacts the BLA requires animal models of α-syn aggregation. Injection of α-synuclein pre-formed fibrils (PFFs) into the striatum induces robust α-synuclein aggregation in excitatory neurons in the BLA that corresponds with reduced contextual fear conditioning. At early time points after aggregate formation, cortico-amygdala excitatory transmission is abolished. The goal of this project was to determine if α-syn inclusions in the BLA induce synaptic degeneration and/or morphological changes. In this study, we used C57BL/6J mice injected bilaterally with PFFs in the dorsal striatum to induce α-syn aggregate formation in the BLA. A method was developed using immunofluorescence and three-dimensional reconstruction to analyze excitatory cortico-amygdala and thalamo-amygdala presynaptic terminals closely juxtaposed to postsynaptic densities. The abundance and morphology of synapses were analyzed at 6- or 12-weeks post-injection of PFFs. α-Syn aggregate formation in the BLA did not cause a significant loss of synapses, but cortico-amygdala and thalamo-amygdala presynaptic terminals and postsynaptic densities with aggregates of α-synuclein show increased volumes, similar to previous findings in human DLB cortex, and in non-human primate models of PD. Transmission electron microscopy showed that PFF-injected mice showed reduced intervesicular distances similar to a recent study showing phospho-serine-129 α-synuclein increases synaptic vesicle clustering. Thus, pathologic α-synuclein causes major alterations to synaptic architecture in the BLA, potentially contributing to behavioral impairment and amygdala dysfunction observed in synucleinopathies.

Abstract Pathologic inclusions composed of α-synuclein called Lewy pathology are hallmarks of Parkinson’s Disease (PD). Dominant inherited mutations in leucine rich repeat kinase 2 (LRRK2) are the most common genetic cause of PD. Lewy pathology is found in the majority of individuals with LRRK2-PD, particularly those with the G2019S-LRRK2 mutation. Lewy pathology in LRRK2-PD associates with increased non-motor symptoms such as cognitive deficits, anxiety, and orthostatic hypotension. Thus, understanding the relationship between LRRK2 and α-synuclein could be important for determining the mechanisms of non-motor symptoms. In PD models, expression of mutant LRRK2 reduces membrane localization of α- synuclein, and enhances formation of pathologic α-synuclein, particularly when synaptic activity is increased. α-Synuclein and LRRK2 both localize to the presynaptic terminal. LRRK2 plays a role in membrane traffic, including axonal transport, and therefore may influence α-synuclein synaptic localization. This study shows that LRRK2 kinase activity influences α-synuclein targeting to the presynaptic terminal. We used the selective LRRK2 kinase inhibitors, MLi-2 and PF-06685360 (PF-360) to determine the impact of reduced LRRK2 kinase activity on presynaptic localization of α-synuclein. Expansion microscopy (ExM) in primary hippocampal cultures and the mouse striatum, in vivo , was used to more precisely resolve the presynaptic localization of α-synuclein. Live imaging of axonal transport of α-synuclein-GFP was used to investigate the impact of LRRK2 kinase inhibition on α-synuclein axonal transport towards the presynaptic terminal. Reduced LRRK2 kinase activity increases α-synuclein overlap with presynaptic markers in primary neurons, and increases anterograde axonal transport of α- synuclein-GFP. In vivo , LRRK2 inhibition increases α-synuclein overlap with glutamatergic, cortico-striatal terminals, and dopaminergic nigral-striatal presynaptic terminals. The findings suggest that LRRK2 kinase activity plays a role in axonal transport, and presynaptic targeting of α-synuclein. These data provide potential mechanisms by which LRRK2-mediated perturbations of α-synuclein localization could cause pathology in both LRRK2-PD, and idiopathic PD.