In the human disorder multiple sclerosis (MS) and in the model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), macrophages predominate in demyelinated areas and their numbers correlate to tissue damage. Macrophages may be derived from infiltrating monocytes or resident microglia, yet are indistinguishable by light microscopy and surface phenotype. It is axiomatic that T cell–mediated macrophage activation is critical for inflammatory demyelination in EAE, yet the precise details by which tissue injury takes place remain poorly understood. In the present study, we addressed the cellular basis of autoimmune demyelination by discriminating microglial versus monocyte origins of effector macrophages. Using serial block-face scanning electron microscopy (SBF-SEM), we show that monocyte-derived macrophages associate with nodes of Ranvier and initiate demyelination, whereas microglia appear to clear debris. Gene expression profiles confirm that monocyte-derived macrophages are highly phagocytic and inflammatory, whereas those arising from microglia demonstrate an unexpected signature of globally suppressed cellular metabolism at disease onset. Distinguishing tissue-resident macrophages from infiltrating monocytes will point toward new strategies to treat disease and promote repair in diverse inflammatory pathologies in varied organs.

Abstract Microglia survey brain parenchyma, responding to injury and infections. Microglia also respond to systemic disease, but the role of blood–brain barrier (BBB) integrity in this process remains unclear. Using simultaneous in vivo imaging, we demonstrated that systemic inflammation induces CCR5-dependent migration of brain resident microglia to the cerebral vasculature. Vessel-associated microglia initially maintain BBB integrity via expression of the tight-junction protein Claudin-5 and make physical contact with endothelial cells. During sustained inflammation, microglia phagocytose astrocytic end-feet and impair BBB function. Our results show microglia play a dual role in maintaining BBB integrity with implications for elucidating how systemic immune-activation impacts neural functions.

Astrocytes become reactive following various brain insults; however, the functions of reactive astrocytes are poorly understood. Here, we show that reactive astrocytes function as phagocytes after transient ischemic injury and appear in a limited spatiotemporal pattern. Following transient brain ischemia, phagocytic astrocytes are observed within the ischemic penumbra region during the later stage of ischemia. However, phagocytic microglia are mainly observed within the ischemic core region during the earlier stage of ischemia. Phagocytic astrocytes upregulate ABCA1 and its pathway molecules, MEGF10 and GULP1, which are required for phagocytosis, and upregulation of ABCA1 alone is sufficient for enhancement of phagocytosis in vitro. Disrupting ABCA1 in reactive astrocytes result in fewer phagocytic inclusions after ischemia. Together, these findings suggest that astrocytes are transformed into a phagocytic phenotype as a result of increase in ABCA1 and its pathway molecules and contribute to remodeling of damaged tissues and penumbra networks.Astrocytic phagocytosis has been shown to play a role in synaptic pruning during development, but whether adult astrocytes possess phagocytic ability is unclear. Here the authors show that following brain ischemia, reactive astrocytes become phagocytic and engulf debris via the ABCA1 pathway.

Hepatic ischemia-reperfusion (I/R) injury is a major problem in liver transplantation (LT). Although hepatocyte cell death is the initial event in hepatic I/R injury, the underlying mechanism remains unclear. In the present study, we retrospectively analyzed the clinical data of 202 pediatric living donor LT and found that a high serum ferritin level, a marker of iron overload, of the donor is an independent risk factor for liver damage after LT. Since ferroptosis has been recently discovered as an iron-dependent cell death that is triggered by a loss of cellular redox homeostasis, we investigated the role of ferroptosis in a murine model of hepatic I/R injury, and found that liver damage, lipid peroxidation, and upregulation of the ferroptosis marker Ptgs2 were induced by I/R, and all of these manifestations were markedly prevented by the ferroptosis-specific inhibitor ferrostatin-1 (Fer-1) or α-tocopherol. Fer-1 also inhibited hepatic I/R-induced inflammatory responses. Furthermore, hepatic I/R injury was attenuated by iron chelation by deferoxamine and exacerbated by iron overload with a high iron diet. These findings demonstrate that iron overload is a novel risk factor for hepatic I/R injury in LT, and ferroptosis contributes to the pathogenesis of hepatic I/R injury. Hepatic ischemia-reperfusion (I/R) injury is a major problem in liver transplantation (LT). Although hepatocyte cell death is the initial event in hepatic I/R injury, the underlying mechanism remains unclear. In the present study, we retrospectively analyzed the clinical data of 202 pediatric living donor LT and found that a high serum ferritin level, a marker of iron overload, of the donor is an independent risk factor for liver damage after LT. Since ferroptosis has been recently discovered as an iron-dependent cell death that is triggered by a loss of cellular redox homeostasis, we investigated the role of ferroptosis in a murine model of hepatic I/R injury, and found that liver damage, lipid peroxidation, and upregulation of the ferroptosis marker Ptgs2 were induced by I/R, and all of these manifestations were markedly prevented by the ferroptosis-specific inhibitor ferrostatin-1 (Fer-1) or α-tocopherol. Fer-1 also inhibited hepatic I/R-induced inflammatory responses. Furthermore, hepatic I/R injury was attenuated by iron chelation by deferoxamine and exacerbated by iron overload with a high iron diet. These findings demonstrate that iron overload is a novel risk factor for hepatic I/R injury in LT, and ferroptosis contributes to the pathogenesis of hepatic I/R injury.

SUMMARY Cerebrospinal fluid-contacting neurons (CSF-cNs) are enigmatic mechano- or chemosensory cells lying along the central canal of the spinal cord. Recent studies in zebrafish larvae and lampreys have shown that CSF-cNs control postures and movements via spinal connections. However, the structures, connectivity, and functions in mammals remain largely unknown. Here we developed a method to genetically target mouse CSF-cNs that highlighted structural connections and functions. We first found that intracerebroventricular injection of adeno-associated virus with a neuron-specific promoter and Pkd2l1 - Cre mice specifically labeled CSF-cNs. Single-cell labeling of 71 CSF-cNs revealed rostral axon extensions of over 1800 μm in unmyelinated bundles in the ventral funiculus and terminated on CSF-cNs to form a recurrent circuitry, which was further determined by serial electron microscopy and electrophysiology. CSF-cNs were also found to connect with axial motor neurons and premotor interneurons around the central canal and within the axon bundles. Chemogenetic CSF-cNs inactivation reduced speed and step frequency during treadmill locomotion. Our data revealed the basic structures and connections of mouse CSF-cNs to control spinal motor circuits for proper locomotion. The versatile methods developed in this study will contribute to further understanding of CSF-cNs functions in mammals.

In the injured brain, new neurons produced from endogenous neural stem cells form chains and migrate to injured areas and contribute to the regeneration of lost neurons. However, this endogenous regenerative capacity of the brain has not yet been leveraged for the treatment of brain injury. Here, we show that in healthy brain chains of migrating new neurons maintain unexpectedly large non-adherent areas between neighboring cells, allowing for efficient migration. In instances of brain injury, neuraminidase reduces polysialic acid levels, which negatively regulates adhesion, leading to increased cell-cell adhesion and reduced migration efficiency. The administration of zanamivir, a neuraminidase inhibitor used for influenza treatment, promotes neuronal migration toward damaged regions, fosters neuronal regeneration, and facilitates functional recovery. Together, these findings shed light on a new mechanism governing efficient neuronal migration in the adult brain under physiological conditions, pinpoint the disruption of this mechanism during brain injury, and propose a promising therapeutic avenue for brain injury through drug repositioning.

Abstract Axonal growth cones mediate axonal guidance and growth regulation. We show that migrating neurons in mice possess a growth cone at the tip of their leading process, similar to that of axons, in terms of the cytoskeletal dynamics and functional responsivity through protein tyrosine phosphatase receptor type sigma (PTPσ). Migrating-neuron growth cones respond to chondroitin sulfate (CS) through PTPσ and collapse, which leads to inhibition of neuronal migration. In the presence of CS, the growth cones can revert to their extended morphology when their leading filopodia interact with heparan sulfate (HS), thus re-enabling neuronal migration. Implantation of an HS-containing biomaterial in the CS-rich injured cortex promotes the extension of the growth cone and improve the migration and regeneration of neurons, thereby enabling functional recovery. Thus, the growth cone of migrating neurons is responsive to extracellular environments and acts as a primary regulator of neuronal migration.

Molecular cloning techniques enabling contemporaneous expression of two or more protein-coding sequences provide an invaluable tool for understanding the molecular regulation of cellular functions. The Cre-lox system is used for inducing the expression of recombinant proteins encoded within a bi-/poly-cistronic cassette. However, leak expression of transgenes is often observed in the absence of Cre recombinase activity, compromising the utility of this approach. To investigate the mechanism of leak expression, we generated Cre-inducible bi-cistronic vectors to monitor the expression of transgenes positioned either 5' or 3' of a 2A peptide or internal ribosomal entry site (IRES) sequence. Cells transfected with these bi-cistronic vectors exhibited Cre-independent leak expression specifically of transgenes positioned 3' of the 2A peptide or IRES sequence. Similarly, AAV-

Summary Dyskinesia is involuntary movement caused by long-term medication with dopamine-related agents: the dopamine agonist, L-DOPA, to treat Parkinson’s disease (L-DOPA-induced dyskinesia [LID]) or dopamine antagonists to treat schizophrenia (tardive dyskinesia [TD]). However, it remains unknown why distinct types of medications for distinct neuropsychiatric disorders induce similar involuntary movements. Here, we searched for a shared structural footprint using magnetic resonance imaging-based macroscopic screening and super-resolution microscopy-based microscopic identification. We identified the enlarged axon terminals of striatal medium spiny neurons in both LID and TD model mice. The striatal overexpression of vesicular gamma-aminobutyric acid transporter (VGAT) was necessary and sufficient for modeling these structural changes; VGAT levels gated the functional and behavioral alterations in dyskinesia models. Our findings indicate that lowered type 2 dopamine receptor signaling with repetitive dopamine fluctuations is a common cause of VGAT overexpression and late-onset dyskinesia formation, and that reducing dopamine fluctuation rescues dyskinesia pathology via VGAT downregulation. Highlights Enhancement of GABAergic transmission is a shared mechanism between LID and TD. VGAT levels in MSNs govern the structure and function of MSN presynaptic terminals. Gain and loss of VGAT function in MSNs exacerbates and ameliorates dyskinesia. Lowered D2 signaling with repetitive DA fluctuations causes VGAT overexpression. Graphical abstract

Single oligodendrocytes produce myelin sheath around multiple axons in the central nervous system. Interfascicular oligodendrocytes (IOs) in the white matter are aligned in rows and facilitate nerve conduction, but their detailed morphologies remain largely unknown. In the present study, we three-dimensionally reconstructed seven IOs in a row in the murine corpus callosum using serial block face-scanning electron microscopy (SBF-SEM). These morphologically polarized IOs extended a thick process with numerous branches from the cytoplasm-rich part of the cell and formed myelin sheaths preferentially around distant axons. The multiple branched processes of each IO myelinated multiple axons having similar diameters with restricted myelin thicknesses, indicating that individual IOs have their own myelination profiles even on distinct target neurons. Consistent with the finding, the IOs transduced and visualized with the rabies viral vector expressing GFP showed statistically significant variations in the myelination patterns. We further reconstructed the sheath immediately adjacent to those derived from the seven IOs; the thicknesses of both sheaths were significantly correlated despite emanating from different IOs. These results proposed a rule that myelination by individual IOs, regulated by interaction with ensheathed axons, is selective in specific axons and at the same time orchestrated at the whole cell level.