Microglia maintain homeostasis in the brain, but whether aberrant microglial activation can cause neurodegeneration remains controversial. Here, we use transcriptome profiling to demonstrate that deficiency in frontotemporal dementia (FTD) gene progranulin (Grn) leads to an age-dependent, progressive upregulation of lysosomal and innate immunity genes, increased complement production, and enhanced synaptic pruning in microglia. During aging, Grn−/− mice show profound microglia infiltration and preferential elimination of inhibitory synapses in the ventral thalamus, which lead to hyperexcitability in the thalamocortical circuits and obsessive-compulsive disorder (OCD)-like grooming behaviors. Remarkably, deleting C1qa gene significantly reduces synaptic pruning by Grn−/− microglia and mitigates neurodegeneration, behavioral phenotypes, and premature mortality in Grn−/− mice. Together, our results uncover a previously unrecognized role of progranulin in suppressing aberrant microglia activation during aging. These results represent an important conceptual advance that complement activation and microglia-mediated synaptic pruning are major drivers, rather than consequences, of neurodegeneration caused by progranulin deficiency.

Recent work examining astrocytic physiology centers on fluorescence imaging approaches, due to development of sensitive fluorescent indicators and observation of spatiotemporally complex calcium and glutamate activity. However, the field remains hindered in fully characterizing these dynamics, both within single cells and at the population-level, because of the insufficiency of current region-of-interest-based approaches to describe activity that is often spatially unfixed, size-varying, and propagative. Here, we present a paradigm-shifting analytical framework that releases astrocyte biologists from ROI-based tools. Astrocyte Quantitative Analysis (AQuA) software enables users to take an event-based approach to accurately capture and quantify the irregular activity observed in astrocyte imaging datasets. We apply AQuA to a range of ex vivo and in vivo imaging data, and uncover previously undescribed physiological phenomena in each. Since AQuA is data-driven and based on machine learning principles, it can be applied across model organisms, fluorescent indicators, experimental modes, and imaging resolutions and speeds, enabling researchers to elucidate fundamental astrocyte physiology.

Norepinephrine (NE) is a critical neuromodulator that mediates a wide range of behavior and neurophysiology, including attention, arousal, plasticity, and memory consolidation. A major source of NE is the brainstem nucleus the locus coeruleus (LC), which sends widespread projections throughout the central nervous system (CNS). Efforts to dissect this complex noradrenergic circuitry have driven the development of many tools that detect endogenous NE or modulate widespread NE release via LC activation and inhibition. While these tools have enabled research that elucidates physiological roles of NE, additional tools to probe these circuits with a higher degree of spatial precision could enable a finer delineation of function. Here, we describe the synthesis and chemical properties of a photo-activatable NE, [Ru(bpy) 2 (PMe 3 )(NE)]PF 6 (RuBi-NE). We validate the one-photon (1P) release of NE using whole-cell patch clamp electrophysiology in acute mouse brain slices containing the LC. We show that a 10 ms pulse of blue light, in the presence of RuBi-NE, briefly modulates the firing rate of LC neurons via α-2 adrenergic receptors. The development of a photo-activatable NE that can be released with light in the visible spectrum provides a new tool for fine-grained mapping of complex noradrenergic circuits, as well as the ability to probe how NE acts on non-neuronal cells in the CNS.

Summary Paragraph Astrocytes—the most abundant non-neuronal cell type in the mammalian brain—are crucial circuit components that respond to and modulate neuronal activity via calcium (Ca 2+ ) signaling 1–8 . Astrocyte Ca 2+ activity is highly heterogeneous and occurs across multiple spatiotemporal scales: from fast, subcellular activity 3,4 to slow, synchronized activity that travels across connected astrocyte networks 9–11 . Furthermore, astrocyte network activity has been shown to influence a wide range of processes 5,8,12 . While astrocyte network activity has important implications for neuronal circuit function, the inputs that drive astrocyte network dynamics remain unclear. Here we used ex vivo and in vivo two-photon Ca 2+ imaging of astrocytes while mimicking neuronal neurotransmitter inputs at multiple spatiotemporal scales. We find that brief, subcellular inputs of GABA and glutamate lead to widespread, long-lasting astrocyte Ca 2+ responses beyond an individual stimulated cell. Further, we find that a key subset of Ca 2+ activity—propagative events—differentiates astrocyte network responses to these two major neurotransmitters, and gates responses to future inputs. Together, our results demonstrate that local, transient neurotransmitter inputs are encoded by broad cortical astrocyte networks over the course of minutes, contributing to accumulating evidence across multiple model organisms that significant astrocyte-neuron communication occurs across slow, network-level spatiotemporal scales 13–15 . We anticipate that this study will be a starting point for future studies investigating the link between specific astrocyte Ca 2+ activity and specific astrocyte functional outputs, which could build a consistent framework for astrocytic modulation of neuronal activity.