The precise regulation of cerebral blood flow is critical for normal brain function, and its disruption underlies many neuropathologies. The extent to which smooth muscle-covered arterioles or pericyte-covered capillaries control vasomotion during neurovascular coupling remains controversial. We found that capillary pericytes in mice and humans do not express smooth muscle actin and are morphologically and functionally distinct from adjacent precapillary smooth muscle cells (SMCs). Using optical imaging we investigated blood flow regulation at various sites on the vascular tree in living mice. Optogenetic, whisker stimulation, or cortical spreading depolarization caused microvascular diameter or flow changes in SMC but not pericyte-covered microvessels. During early stages of brain ischemia, transient SMC but not pericyte constrictions were a major cause of hypoperfusion leading to thrombosis and distal microvascular occlusions. Thus, capillary pericytes are not contractile, and regulation of cerebral blood flow in physiological and pathological conditions is mediated by arteriolar SMCs.

Triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) is a microglial receptor that recognizes changes in the lipid microenvironment, which may occur during amyloid β (Aβ) accumulation and neuronal degeneration in Alzheimer’s disease (AD). Rare TREM2 variants that affect TREM2 function lead to an increased risk of developing AD. In murine models of AD, TREM2 deficiency prevents microglial clustering around Aβ deposits. However, the origin of myeloid cells surrounding amyloid and the impact of TREM2 on Aβ accumulation are a matter of debate. Using parabiosis, we found that amyloid-associated myeloid cells derive from brain-resident microglia rather than from recruitment of peripheral blood monocytes. To determine the impact of TREM2 deficiency on Aβ accumulation, we examined Aβ plaques in the 5XFAD model of AD at the onset of Aβ-related pathology. At this early time point, Aβ accumulation was similar in TREM2-deficient and -sufficient 5XFAD mice. However, in the absence of TREM2, Aβ plaques were not fully enclosed by microglia; they were more diffuse, less dense, and were associated with significantly greater neuritic damage. Thus, TREM2 protects from AD by enabling microglia to surround and alter Aβ plaque structure, thereby limiting neuritic damage.

Haplodeficiency of the microglia gene TREM2 increases risk for late-onset Alzheimer’s disease (AD) but the mechanisms remain uncertain. To investigate this, we used high-resolution confocal and super-resolution (STORM) microscopy in AD-like mice and human AD tissue. We found that microglia processes, rich in TREM2, tightly surround early amyloid fibrils and plaques promoting their compaction and insulation. In Trem2- or DAP12-haplodeficient mice and in humans with R47H TREM2 mutations, microglia had a markedly reduced ability to envelop amyloid deposits. This led to an increase in less compact plaques with longer and branched amyloid fibrils resulting in greater surface exposure to adjacent neurites. This was associated with more severe neuritic tau hyperphosphorylation and axonal dystrophy around amyloid deposits. Thus, TREM2 deficiency may disrupt the formation of a neuroprotective microglia barrier that regulates amyloid compaction and insulation. Pharmacological modulation of this barrier could be a novel therapeutic strategy for AD.

In Alzheimer’s disease (AD), β-amyloid (Aβ) plaques are tightly enveloped by microglia processes, but the significance of this phenomenon is unknown. Here we show that microglia constitute a barrier with profound impact on plaque composition and toxicity. Using high-resolution confocal and in vivo two-photon imaging in AD mouse models, we demonstrate that this barrier prevents outward plaque expansion and leads to compact plaque microregions with low Aβ42 affinity. Areas uncovered by microglia are less compact but have high Aβ42 affinity, leading to the formation of protofibrillar Aβ42 hotspots that are associated with more severe axonal dystrophy. In ageing, microglia coverage is reduced leading to enlarged protofibrillar Aβ42 hotspots and more severe neuritic dystrophy. CX3CR1 gene deletion or anti-Aβ immunotherapy causes expansion of microglia coverage and reduced neuritic dystrophy. Failure of the microglia barrier and the accumulation of neurotoxic protofibrillar Aβ hotspots may constitute novel therapeutic and clinical imaging targets for AD. In Alzheimer’s disease (AD), β-amyloid plaques are tightly enveloped by microglia but the significance of this phenomenon is unknown. Here the authors used confocal and in vivotwo-photon imaging in AD mouse models and revealed that microglia constitute a barrier that seems to prevent the formation of neurotoxic hotspots of protofibrillar β-amyloid.

Imaging neurons, glia and vasculature in the living brain has become an important experimental tool for understanding how the brain works. Here we describe in detail a protocol for imaging cortical structures at high optical resolution through a thinned-skull cranial window in live mice using two-photon laser scanning microscopy (TPLSM). Surgery can be performed within 30–45 min and images can be acquired immediately thereafter. The procedure can be repeated multiple times allowing longitudinal imaging of the cortex over intervals ranging from days to years. Imaging through a thinned-skull cranial window avoids exposure of the meninges and the cortex, thus providing a minimally invasive approach for studying structural and functional changes of cells under normal and pathological conditions in the living brain.

Significance Amyloid plaques, a key feature of Alzheimer’s disease brain pathology, comprise an extracellular β-amyloid core surrounded by tissue enriched in lysosome-like organelles. As a foundation for understanding the mechanisms that drive amyloid plaque formation, we have elucidated the cellular origins and molecular composition of such organelles. The majority of the lysosomes at amyloid plaques reside within swollen neuronal axons. Interestingly, these organelles contain low levels of multiple luminal lysosomal proteases and closely resemble a lysosome subpopulation that naturally occurs in distal neuronal processes. These results suggest that extracellular β-amyloid deposits cause a local impairment in retrograde axonal transport, leading to the accumulation of lysosome precursors and a blockade in their further maturation that has implications for both β-amyloid production and clearance.