Energy use, mainly to reverse ion movements in neurons, is a fundamental constraint on brain information processing. Trafficking of mitochondria to locations in neurons where there are large ion fluxes is essential for powering neural function. Mitochondrial trafficking is regulated by Ca2+ entry through ionotropic glutamate receptors, but the underlying mechanism is unknown. We show that the protein Miro1 links mitochondria to KIF5 motor proteins, allowing mitochondria to move along microtubules. This linkage is inhibited by micromolar levels of Ca2+ binding to Miro1. With the EF hand domains of Miro1 mutated to prevent Ca2+ binding, Miro1 could still facilitate mitochondrial motility, but mitochondrial stopping induced by glutamate or neuronal activity was blocked. Activating neuronal NMDA receptors with exogenous or synaptically released glutamate led to Miro1 positioning mitochondria at the postsynaptic side of synapses. Thus, Miro1 is a key determinant of how energy supply is matched to energy usage in neurons.

Microglia exhibit two modes of motility: they constantly extend and retract their processes to survey the brain, but they also send out targeted processes to envelop sites of tissue damage. We now show that these motility modes differ mechanistically. We identify the two-pore domain channel THIK-1 as the main K+ channel expressed in microglia in situ. THIK-1 is tonically active, and its activity is potentiated by P2Y12 receptors. Inhibiting THIK-1 function pharmacologically or by gene knockout depolarizes microglia, which decreases microglial ramification and thus reduces surveillance, whereas blocking P2Y12 receptors does not affect membrane potential, ramification, or surveillance. In contrast, process outgrowth to damaged tissue requires P2Y12 receptor activation but is unaffected by blocking THIK-1. Block of THIK-1 function also inhibits release of the pro-inflammatory cytokine interleukin-1β from activated microglia, consistent with K+ loss being needed for inflammasome assembly. Thus, microglial immune surveillance and cytokine release require THIK-1 channel activity.

Abstract Microglia use a highly complex and dynamic network of processes to sense and respond to their surroundings. Microglial dynamics differ throughout development and in neurological and neuropsychiatric disease, though mechanistic insight into these changes is lacking. Here we identify novel roles for regulators of the actin cytoskeleton in controlling microglial behaviour. We show that the actin branching complex Arp2/3 is critical for maintaining microglial morphology and required for surveillance but not chemotactic motility. Neuropsychiatric disease-associated Cyfip1, a core component of the WAVE regulatory complex that links Rac1 signalling to Arp2/3 activation, is highly expressed in microglia but has unknown function. We report that conditional deletion of Cyfip1 in mouse microglia reduces morphological complexity and surveillance of brain parenchyma, and increases activation state as defined by CD68 expression. Thus, altered actin-dependent microglial dynamics mediated by Cyfip1 and Arp2/3 may contribute to neuropsychiatric disease.

The amyloid plaque niche is a pivotal hallmark of Alzheimer's disease (AD). Here, we employ two high-resolution spatial transcriptomics (ST) platforms, CosMx and Spatial Enhanced Resolution Omics-sequencing (Stereo-seq), to characterize the transcriptomic alterations, cellular compositions, and signaling perturbations in the amyloid plaque niche in an AD mouse model. We discover heterogeneity in the cellular composition of plaque niches, marked by an increase in microglial accumulation. We profile the transcriptomic alterations of glial cells in the vicinity of plaques and conclude that the microglial response to plaques is consistent across different brain regions, while the astrocytic response is more heterogeneous. Meanwhile, as the microglial density of plaque niches increases, astrocytes acquire a more neurotoxic phenotype and play a key role in inducing GABAergic signaling and decreasing glutamatergic signaling in hippocampal neurons. We thus show that the accumulation of microglia around hippocampal plaques disrupts astrocytic signaling, in turn inducing an imbalance in neuronal synaptic signaling.

SUMMARY The spatiotemporal distribution of mitochondria is crucial for precise ATP provision and calcium buffering required to support neuronal signaling. Fast-spiking GABAergic interneurons expressing parvalbumin (PV) have a high mitochondrial content reflecting their large energy utilization. The importance for correct trafficking and precise mitochondrial positioning remains poorly elucidated in inhibitory neurons. Miro1 is a Ca 2+ -sensing adaptor protein that links mitochondria to the trafficking apparatus, for their microtubule-dependent transport along axons and dendrites, in order to meet the metabolic and Ca 2+ -buffering requirements of the cell. Here, we explore the role of Miro1 in parvalbumin interneurons and how changes in mitochondrial trafficking could alter brain network activity. By employing live and fixed imaging, we found that the impairments in Miro1-directed trafficking in PV+ interneurons altered their mitochondrial distribution and axonal arborization. These changes were accompanied by an increase in the ex vivo hippocampal γ-oscillation (30 – 80 Hz) frequency and promoted anxiolysis. Our findings show that precise regulation of mitochondrial dynamics in PV+ interneurons is crucial for proper neuronal signaling and network synchronization.

Abstract The amyloid plaque cell niche is a pivotal hallmark of Alzheimer’s disease (AD). Where early spatial transcriptomics (ST) technologies have provided valuable information on transcriptomic alterations in the small tissue domains overlaying with amyloid plaques, they lacked cellular resolution. Here we compare two novel high-resolution ST platforms, CosMx and Stereo-seq, in their ability to characterize the cellular response in the amyloid plaque niche in an AD mouse model. Combining the results from both techniques empowered us to survey the highly variable microglial-astrocytic response across the amyloid plaque micro-environment and provided a first insight into how these responses could relate to neuronal transcriptomic alterations. This pilot study demonstrates the great potential of high-resolution ST, while simultaneously highlighting limitations that, when addressed, will unleash the full power of these techniques to map the progression of molecular and cellular changes in the brains of AD patients.

Sound is encoded by action potentials in spiral ganglion neurons (SGNs), the auditory afferents from the cochlea. Rapid action potential transmission along SGNs is crucial for quick reactions to sounds, and binaural differences in action potential arrival time at the SGN output synapses enable sound localization based on interaural time or phase differences. SGN myelination increases conduction speed but other cellular changes may contribute. We show that nodes of Ranvier along peripherally and centrally directed SGN neurites form around hearing onset, but peri-somatic nodes mature later. There follows an adjustment of nodal geometry, notably a decrease in length and increase in diameter. Computational modeling predicts this increases conduction speed by >4%, and that four additional myelin wraps would be required on internodes to achieve the same conduction speed increase. We propose that nodal geometry changes optimize signal conduction for mature sound coding and decrease the energy needed for myelination.