Defective brain hormonal signaling has been associated with Alzheimer's disease (AD), a disorder characterized by synapse and memory failure. Irisin is an exercise-induced myokine released on cleavage of the membrane-bound precursor protein fibronectin type III domain-containing protein 5 (FNDC5), also expressed in the hippocampus. Here we show that FNDC5/irisin levels are reduced in AD hippocampi and cerebrospinal fluid, and in experimental AD models. Knockdown of brain FNDC5/irisin impairs long-term potentiation and novel object recognition memory in mice. Conversely, boosting brain levels of FNDC5/irisin rescues synaptic plasticity and memory in AD mouse models. Peripheral overexpression of FNDC5/irisin rescues memory impairment, whereas blockade of either peripheral or brain FNDC5/irisin attenuates the neuroprotective actions of physical exercise on synaptic plasticity and memory in AD mice. By showing that FNDC5/irisin is an important mediator of the beneficial effects of exercise in AD models, our findings place FNDC5/irisin as a novel agent capable of opposing synapse failure and memory impairment in AD.

The ability to directly measure acetylcholine (ACh) release is an essential first step towards understanding its physiological function. Here we optimized the GRAB ACh ( G PC R - A ctivation– B ased- ACh ) sensor with significantly improved sensitivity and minimal downstream coupling. Using this sensor, we measured in-vivo cholinergic activity in both Drosophila and mice, revealing compartmental ACh signals in fly olfactory center and single-trial ACh dynamics in multiple regions of the mice brain under a variety of different behaviors

Abstract Protein misfolding is a central feature of most neurodegenerative diseases. Molecular chaperones can modulate the toxicity associated with protein misfolding, but it remains elusive which molecular chaperones and co-chaperones interact with specific misfolded proteins. TDP-43 misfolding and inclusion formation is a hallmark of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and other neurodegenerative diseases. Using yeast and mammalian neuronal cells we find that Hsp90 and its co-chaperones have a strong capacity to alter TDP-43 misfolding, inclusion formation, aggregation, and cellular toxicity. Our data also demonstrate that impaired Hsp90 function sensitizes cells to TDP-43 toxicity. We further show that the co-chaperone Sti1 specifically interacts with and modulates TDP-43 toxicity in a dose-dependent manner. Our study thus uncovers a previously unrecognized tie between Hsp90, Sti1, TDP-43 misfolding, and its cellular toxicity.

Chaperone networks are dysregulated with aging and neurodegenerative disease, but whether compromised Hsp70/Hsp90 chaperone function directly contributes to neuronal degeneration is unknown. Stress-inducible phosphoprotein-1 (STI1; STIP1; HOP) is a co-chaperone that simultaneously interacts with Hsp70 and Hsp90, but whose function in vivo remains poorly understood. To investigate the requirement of STI1-mediated regulation of the chaperone machinery in aging we combined analysis of a mouse line with a hypomorphic Stip1 allele, with a neuronal cell line lacking STI1 and in-depth analyses of chaperone genes in human datasets. Loss of STI1 function severely disturbed the Hsp70/Hsp90 machinery in vivo, and all client proteins tested and a subset of cochaperones presented decreased levels. Importantly, mice expressing a hypomorphic STI1 allele showed spontaneous age-dependent hippocampal neurodegeneration, with consequent spatial memory deficits. STI1 is a critical node for the chaperone network and it can contribute to age-dependent hippocampal neurodegeneration.

Abstract Alpha-synuclein (aSyn) pathology has been extensively studied in mouse models harbouring human mutations. In spite of the known sex differences in age of onset, prevalence and disease presentation in human synucleinopathies, the impact of sex on aSyn propagation has received very little attention. To address this need, we examined sex differences in whole brain signatures of neurodegeneration due to aSyn toxicity in the M83 mouse model using longitudinal magnetic resonance imaging (MRI; T1-weighted; 100 μm 3 isotropic voxel; acquired −7, 30, 90 and 120 days post-injection [dpi]; n≥8 mice/group/sex/time point). To initiate aSyn spreading, M83 mice were inoculated with recombinant human aSyn preformed fibrils (Hu-PFF) or phosphate buffered saline (PBS) injected in the right dorsal striatum. We observed more aggressive neurodegenerative profiles over time for male M83 Hu-PFF-injected mice when examining voxel-wise trajectories. However, at 90 dpi, we observed widespread patterns of neurodegeneration in the female Hu-PFF-injected mice. These differences were not accompanied with any differences in motor symptom onset between the male and female Hu-PFF-injected mice. However, male Hu-PFF-injected mice reached their humane endpoint sooner. These findings suggest that post-motor symptom onset, even though more accelerated disease trajectories were observed for male Hu-PFF-injected mice, neurodegeneration may appear sooner in female Hu-PFF-injected mice (prior to motor symptomatology). These findings suggest that sex-specific synucleinopathy phenotypes urgently need to be considered to improve our understanding of neuroprotective and neurodegenerative mechanisms.

Abstract There is significant evidence suggesting aggregated misfolded alpha-synuclein, a major component of Lewy bodies, propagates in a prion-like manner contributing to disease progression in Parkinson’s disease (PD) and other synucleinopathies. Animal models are essential for understanding and developing treatments for these diseases. However, despite modelling human pathology, most endpoints studied in mice do not translate to humans. Furthermore, the progression by which alpha-synuclein misfolding affects human-relevant measures such as brain volume and underlying subtle, high-level cognitive deficits is poorly understood. Here we used a mouse model of synucleinopathy; hemizygous M83 human A53T alpha-synuclein transgenic mice inoculated with recombinant human alpha-synuclein preformed fibrils (PFF) injected in the right striatum to initiate alpha-synuclein misfolding and aggregation. We examined alpha-synuclein-induced atrophy at 90 days post-injection using ex vivo magnetic resonance imaging as well as high-level cognition and motor function, as biomarkers of alpha-synuclein toxicity. We observed widespread atrophy in bilateral regions that project to or receive input from the injection site, highlighting a network of regions that are consistent with structural changes observed in humans with PD. Moreover, we detected early deficits in reversal learning with touchscreen testing in PFF-injected mice prior to motor dysfunction, consistent with the pathology observed in cortical-striatal and thalamic loops. We show, using translational approaches in mice, that progression of prion-like spreading of alpha-synuclein causes selective atrophy via connected brain regions leading to high-level cognitive deficits. We propose that precise imaging and cognitive biomarkers can provide a more direct and human-relevant measurement of alpha-synuclein-induced toxicity in pre-clinical testing. Significance Statement The work described in this manuscript showcases the utility of state-of-the-art methodologies (magnetic resonance imaging and touchscreen behavioural tasks) to examine endophenotypes, both in terms of symptomatology and neuroanatomy, of alpha-synuclein propagation in a mouse model of synucleinopathy. Our work further validates the M83-Hu-PFF mouse model of synucleinopathy-associated pathogenesis of neurodegenerative diseases while highlighting precise imaging and cognitive biomarkers of protein misfolding toxicity. Specifically, we identified rapid and translational biomarkers that can serve as a proxy for the direct examination of cellular levels for pathology. We anticipate that these biomarkers can measure progression of toxicity, specifically in the early phases, and may be more reliable than end stage pathology and more useful as endpoints in the examination of novel therapeutics.

Microglia express muscarinic G protein-coupled receptors (GPCRs) that sense cholinergic activity and are activated by acetylcholine to potentially regulate microglial functions. Knowledge about how distinct types of muscarinic GPCR signaling regulate microglia function in vitro and in vivo is still poor, partly due to the fact that some of these receptors are also present in astrocytes and neurons. We generated mice expressing the hM3Dq Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADD) selectively in microglia to investigate the role of muscarinic M3Gq-linked signaling. We show that activation of hM3Dq using clozapine N-oxide (CNO) elevated intracellular calcium levels and increased phagocytosis of FluoSpheres in vitro. Acute treatment with CNO in vivo did not affect male mouse behavior, however chronic CNO treatment decreased sickness behavior triggered by lipopolysaccharide (LPS) treatment. Interestingly, whereas acute treatment with CNO increased synthesis of cytokine mRNA, chronic treatment attenuated LPS-induced cytokine mRNA changes in the brain, likely explaining the improvement in sickness behavior by chronic hM3Dq activation. No effect of CNO was observed in DREADD-negative mice. These results suggest that chronic activation of M3 muscarinic receptors (the hM3Dq progenitor) in microglia, and potentially other Gq-coupled GPCRs, preconditions microglia to decrease their response to further immunological challenges. Our results indicate that hM3Dq can be a useful tool to modulate neuroinflammation and study microglial immunological memory in vivo, which may be applicable for manipulations of neuroinflammation in neurodegenerative and psychiatric diseases.

Motivation: While diffusion MRI has proven to be valuable for studying tissue microstructure, there is a need to develop more sensitive and specific methods to detect microstructural changes at various spatial scales. Goal(s): To develop an acquisition and analysis scheme that can robustly compute frequency-dependent diffusional kurtosis metrics. Approach: Acquisition parameters such as a novel efficient direction scheme were presented along with an analysis pipeline that utilizes axisymmetric modelling, spatial regularization, and maximizes data usage. Results: We demonstrate the advantage of using the efficient scheme over conventional methods, and the analysis pipeline improves diffusional kurtosis map quality compared to conventionally used methods. Impact: We present an acquisition and analysis scheme that generates robust frequency-dependent diffusional kurtosis maps, which may offer increased sensitivity to cytoarchitectural changes that occur at various cellular spatial scales over the course of healthy aging, and due to pathological alterations.

Neurodegenerative disorders, including Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD), represent debilitating conditions with complex, poorly understood pathologies. Epichaperomes, pathologic protein assemblies nucleated on key chaperones, have emerged as critical players in the molecular dysfunction underlying these disorders. In this study, we introduce the synthesis and characterization of clickable epichaperome probes, PU-TCO, positive control, and PU-NTCO, negative control. Through comprehensive in vitro assays and cell-based investigations, we establish the specificity of the PU-TCO probe for epichaperomes. Furthermore, we demonstrate the efficacy of PU-TCO in detecting epichaperomes in brain tissue with a cellular resolution, underscoring its potential as a valuable tool for dissecting single-cell responses in neurodegenerative diseases. This clickable probe is therefore poised to address a critical need in the field, offering unprecedented precision and versatility in studying epichaperomes and opening avenues for novel insights into their role in disease pathology.