Abstract Development of the mammalian brain requires precisely controlled differentiation of neurons, glia, and nonneural cells. To investigate protein-level changes in these diverse cell types and their progenitors, we performed single-cell mass cytometry on whole brain (E11.5/E12.5) and microdissected telencephalon, diencephalon, mesencephalon, and rhombencephalon (E13.5–P4) collected at daily timepoints from C57/BL6 mice. Measuring 24,290,787 cells from 112 sample replicates with a 40-antibody panel, we quantified 85 molecularly distinct cell populations across embryonic and postnatal development, including microglia putatively phagocytosing neurites, neural cells, and myelin. Differentiation trajectory analysis also identified two separate pathways for producing oligodendrocyte precursor cells. Comparison with previous studies revealed considerable discrepancies between protein and mRNA abundances in the developing brain, demonstrating the value of protein-level measurements for identifying functional cell states. Overall, our findings demonstrate the utility of mass cytometry as a high-throughput, scalable platform for single-cell profiling of brain tissue.

Abstract Neuronal derived extracellular vesicles (EVs) have been well described in the central nervous system; however, studies in the peripheral nervous system have largely focused on EVs derived from supporting cell types such as endothelial cells or glia. Here we isolate EVs derived from sympathetic neurons and characterize them using immunoblot assays, nanoparticle tracking analysis and cryo-electron microscopy. Sizing of sympathetic EVs reveal a predominant peak between 45-75 nm as well as a range of larger sizes (90 nm to >350 nm), possibly due to multiple biogenic origins. We identified TrkA, a receptor for nerve growth factor (NGF), as a cargo for sympathetic EVs. Furthermore, TrkA on EVs was phosphorylated, indicating activated TrkA receptor. TrkA binds NGF at the axonal tip and is endocytosed and transported to the soma in signaling endosomes. We therefore examined if TrkA originating in the axon tip was subsequently able to be packaged into EVs and secreted by the somatodendritic domain of neurons. Using a compartmentalized culture system, we found that TrkA derived from endosomes originating in the distal axon can be detected on EVs secreted from the somatodendritic domain. In addition, inhibition of classic TrkA downstream pathways, specifically in somatodendritic compartments greatly decreases TrkA packaging into EVs. Our results suggest a novel trafficking route for TrkA: it can travel long distances to the cell body, be packaged into EVs and secreted. Secretion of TrkA via EVs appears to be regulated by its own downstream effector cascades, raising intriguing future questions about novel functionalities associated with TrkA positive EVs.

Microglia play a critical role in maintaining central nervous system (CNS) homeostasis and display remarkable plasticity in their response to inflammatory stimuli. However, the specific signaling profiles that microglia adopt during such challenges remain incompletely understood. Traditional transcriptomic approaches provide valuable insights, but fail to capture dynamic post-translational changes. In this study, we utilized time-resolved single-cell mass cytometry (CyTOF) to measure distinct signaling pathways activated in microglia upon exposure to bacterial and viral mimetics-lipopolysaccharide (LPS) and polyinosinic-polycytidylic acid (Poly(I:C)), respectively. Furthermore, we evaluated the immunomodulatory role of astrocytes on microglial signaling in mixed cultures. Microglia or mixed cultures derived from neonatal mice were treated with LPS or Poly(I:C) for 48 hrs. Cultures were stained with a panel of 33 metal-conjugated antibodies targeting signaling and identity markers. High-dimensional clustering analysis was used to identify emergent signaling modules. We found that LPS treatment led to more robust early activation of pp38, pERK, pRSK, and pCREB compared to Poly(I:C). Despite these differences, both LPS and Poly(I:C) upregulated the classical activation markers CD40 and CD86 at later time-points. Strikingly, the presence of astrocytes significantly blunted microglial responses to both stimuli, particularly dampening CD40 upregulation. Our studies demonstrate that single-cell mass cytometry effectively captures the dynamic signaling landscape of microglia under pro-inflammatory conditions. This approach may pave the way for targeted therapeutic investigations of various neuroinflammatory disorders. Moreover, our findings underscore the necessity of considering cellular context, such as astrocyte presence, in interpreting microglial behavior during inflammation.

Abstract Depression is a prevalent psychological condition with limited treatment options. While its etiology is multifactorial, both chronic stress and changes in the microbiome are associated with disease pathology. In depression, stress is known to induce microbiome dysbiosis, defined here as a change in microbial composition associated with a pathological condition. This state of dysbiosis is then known to feedback on depressive symptoms. While studies have demonstrated that targeted restoration of the microbiome can alleviate depressive-like symptoms in mice, translating these findings to human patients has proven challenging due to the complexity of the human microbiome. As such, there is an urgent need to identify factors upstream of microbial dysbiosis. Here we investigate the role of mucin 13 as an upstream mediator of microbiome composition changes. Using a model of chronic stress, we show that the mucosal protein, mucin 13, is selectively reduced after psychological stress exposure. We further demonstrate that the reduction of Muc13 is mediated by the Hnf4 transcription factor family. Finally, we determine that deleting Muc13 is sufficient to drive microbiome shifts and despair behaviors. These findings shed light on the mechanisms behind stress-induced microbial changes and reveal a regulator of mucin 13 expression. Summary In this paper, authors identified a pathway by which stress induces microbiome shifts. They found that psychological stress selectively alters a key mucosal protein, mucin 13, which in turn modifies the microbial niche to induce changes in bacterial composition.

ABSTRACT Microglia play a critical role in maintaining central nervous system (CNS) homeostasis and display remarkable plasticity in their response to inflammatory stimuli. However, the specific signaling profiles that microglia adopt during such challenges remain incompletely understood. Traditional transcriptomic approaches provide valuable insights, but fail to capture dynamic post‐translational changes. In this study, we utilized time‐resolved single‐cell mass cytometry (CyTOF) to measure distinct signaling pathways activated in microglia upon exposure to bacterial and viral mimetics—lipopolysaccharide (LPS) and polyinosinic‐polycytidylic acid (Poly(I:C)), respectively. Furthermore, we evaluated the immunomodulatory role of astrocytes on microglial signaling in mixed cultures. Microglia or mixed cultures derived from neonatal mice were treated with LPS or Poly(I:C) for 48 h. Cultures were stained with a panel of 33 metal‐conjugated antibodies targeting signaling and identity markers. High‐dimensional clustering analysis was used to identify emergent signaling modules. We found that LPS treatment led to more robust early activation of pp38, pERK, pRSK, and pCREB compared to Poly(I:C). Despite these differences, both LPS and Poly(I:C) upregulated the classical reactivity markers CD40 and CD86 at later time points. Strikingly, the presence of astrocytes significantly blunted microglial responses to both stimuli, particularly dampening CD40 upregulation. Our studies demonstrate that single‐cell mass cytometry effectively captures the dynamic signaling landscape of microglia under pro‐inflammatory conditions. This approach may pave the way for targeted therapeutic investigations of various neuroinflammatory disorders. Moreover, our findings underscore the necessity of considering cellular context, such as astrocyte presence, in interpreting microglial behavior during inflammation.