Aging results in gray and white matter degeneration, but the specific microglial responses are unknown. Using single-cell RNA sequencing from white and gray matter separately, we identified white matter-associated microglia (WAMs), which share parts of the disease-associated microglia (DAM) gene signature and are characterized by activation of genes implicated in phagocytic activity and lipid metabolism. WAMs depend on triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) signaling and are aging dependent. In the aged brain, WAMs form independent of apolipoprotein E (APOE), in contrast to mouse models of Alzheimer's disease, in which microglia with the WAM gene signature are generated prematurely and in an APOE-dependent pathway similar to DAMs. Within the white matter, microglia frequently cluster in nodules, where they are engaged in clearing degenerated myelin. Thus, WAMs may represent a potentially protective response required to clear degenerated myelin accumulating during white matter aging and disease.

SUMMARY The meninges of the brain are an important component of neuroinflammatory response. Diverse immune cells move from the calvaria marrow into the dura mater via recently discovered skull-meninges connections (SMCs). However, how the calvaria bone marrow is different from the other bones and whether and how it contributes to human diseases remain unknown. Using multi-omics approaches and whole mouse transparency we reveal that bone marrow cells are highly heterogeneous across the mouse body. The calvaria harbors the most distinct molecular signature with hundreds of differentially expressed genes and proteins. Acute brain injury induces skull-specific alterations including increased calvaria cell numbers. Moreover, TSPO-positron-emission-tomography imaging of stroke, multiple sclerosis and neurodegenerative disease patients demonstrate disease-associated uptake patterns in the human skull, mirroring the underlying brain inflammation. Our study indicates that the calvaria is more than a physical barrier, and its immune cells may present new ways to control brain pathologies. Graphical Abstract Highlights Bone marrow across the mouse body display heterogeneity in their molecular profile Calvaria cells have a distinct profile that is relevant to brain pathologies Brain native proteins are identified in calvaria in pathological states TSPO-PET imaging of the human skull can be a proxy of neuroinflammation in the brain Supplementary Videos can be seen at: http://discotechnologies.org/Calvaria/

Abstract Current spatial transcriptomics methods identify cell states in a spatial context but lack morphological information. Scanning electron microscopy, in contrast, provides structural details at nanometer resolution but lacks molecular decoding of the diverse cellular states. To address this, we correlated MERFISH spatial transcriptomics with large area volume electron microscopy using adjacent tissue sections. We applied our technology to characterize the damage-associated microglial identities in mouse brain, allowing us, for the first time, to link the morphology of foamy microglia and interferon-response microglia with their transcriptional signatures.

SUMMARY A hallmark of nervous system aging is a decline of white matter volume and function, but the underlying mechanisms leading to white matter pathology are unknown. Here, we found age-related alterations of oligodendrocytes with a reduction of total oligodendrocyte density in the aging murine white matter. Using single-cell RNA sequencing, we identify interferon-responsive oligodendrocytes, which localize in proximity of CD8 + T cells in the aging white matter. Absence of functional lymphocytes decreased oligodendrocyte reactivity and rescued oligodendrocyte loss, while T-cell checkpoint inhibition worsened the aging affect. In summary, we provide evidence that T cells induced interferon-responsive oligodendrocytes are important modifiers of white matter aging.

The medical burden of stroke extends beyond the brain injury itself and is largely determined by chronic comorbidities that develop secondarily. We hypothesized that these comorbidities might share a common immunological cause, yet chronic effects post-stroke on systemic immunity are underexplored. Here, we identify myeloid innate immune memory as a cause of remote organ dysfunction after stroke. Single-cell sequencing revealed persistent pro-inflammatory changes in monocytes/macrophages in multiple organs up to 3 months after brain injury, notably in the heart, leading to cardiac fibrosis and dysfunction in both mice and stroke patients. IL-1β was identified as a key driver of epigenetic changes in innate immune memory. These changes could be transplanted to naive mice, inducing cardiac dysfunction. By neutralizing post-stroke IL-1β or blocking pro-inflammatory monocyte trafficking with a CCR2/5 inhibitor, we prevented post-stroke cardiac dysfunction. Such immune-targeted therapies could potentially prevent various IL-1β-mediated comorbidities, offering a framework for secondary prevention immunotherapy.

Abstract Incomplete reperfusion of the microvasculature (“no-reflow”) after ischemic stroke damages salvageable brain tissue. Previous ex-vivo studies suggest pericytes are vulnerable to ischemia and may exacerbate no-reflow, but the viability of pericytes and their association with no-reflow remains underexplored in vivo. Using longitudinal in vivo 2-photon single-cell imaging over seven days we show 87% of pericytes constrict during cerebral ischemia, remain constricted post-reperfusion and 50% of the pericyte population are acutely damaged. Moreover, we reveal ischemic pericytes are fundamentally implicated in capillary no-reflow by limiting and arresting blood flow within the first 24 hours post-stroke. Despite sustaining acute membrane damage, we observe up to 80% of cortical pericytes survive ischemia, upregulate unique transcriptomic profiles and replicate. Finally, we demonstrate delayed recovery of capillary diameter by ischemic pericytes after reperfusion predicts vessel reconstriction in the sub-acute phase of stroke. Cumulatively, these findings demonstrate surviving cortical pericytes remain both viable and promising therapeutic targets to counteract no-reflow after ischemic stroke.

The enormous medical burden of stroke is not only due to the brain injury itself and the acute systemic effects, but is largely determined by chronic comorbidities that develop secondarily after stroke. We hypothesized that the high rate of comorbidity developing after a stroke might have a shared immunological cause, however, the chronic effects of brain injury on systemic immunity have so far been barely investigated. Here, we identified myeloid innate immune memory as a cause of remote organ dysfunction after stroke. Using single-cell sequencing, we identified persistent pro-inflammatory transcriptomic changes in resident monocytes/macrophages in multiple organs one month after experimental ischemic brain injury, which was particularly abundant in the heart and associated with the development of cardiac fibrosis and diastolic dysfunction. A similar phenotype was seen in myocardial autopsy samples from stroke versus control patients. We observed chronic functional changes in myeloid hematopoiesis driven by post-stroke IL-1beta-mediated epigenetic changes. These alterations could be transplanted to naive recipient mice and were sufficient to induce cardiac dysfunction. By effectively blocking the trafficking of pro-inflammatory monocytes from the bone marrow to the heart using a dual CCR2/5 inhibitor, we successfully prevented post-stroke cardiac dysfunction. This approach holds promising potential as a novel immune-targeted secondary prevention therapy. We anticipate that the epigenetic immune reprogramming mechanisms detailed here for the brain-heart axis could be generalized to provide a novel framework for explaining the development of various comorbidities after acute tissue injury in remote organs.

Abstract Neuroinflammation after stroke is characterized by the activation of resident microglia and the invasion of circulating leukocytes into the brain. Although lymphocytes infiltrate the brain in small number, they have been consistently demonstrated to be the most potent leukocyte subpopulation contributing to secondary inflammatory brain injury. However, the exact mechanism how this minimal number of lymphocytes can profoundly affect stroke outcome is still largely elusive. Here, using a mouse model for ischemic stroke, we demonstrated that early activation of microglia in response to stroke is differentially regulated by distinct T cell subpopulations. Acute treatment with engineered T cells overexpressing IL-10 administered into the cisterna magna after stroke induces a switch of microglial gene expression to a profile associated with pro-regenerative functions. These findings substantiate the role of T cells in stroke with large impact on the cerebral inflammatory milieu by polarizing the microglial phenotype. Targeting T cell-microglia interactions can have direct translational relevance for further development of immune-targeted therapies for stroke and other neuroinflammatory conditions. Summary The crosstalk between brain infiltrating T cells and microglia in response to stroke remains elusive. Benakis et al. report that transcriptional signature of the stroke-associated microglia is reprogrammed by distinct T cell subpopulations. Engineered T cells overexpressing IL-10 administered four hours after stroke reinitiate microglial function inducing a pro-regenerative environment.