Perineuronal nets (PNNs), components of the extracellular matrix, preferentially coat parvalbumin-positive interneurons and constrain critical-period plasticity in the adult cerebral cortex. Current strategies to remove PNN are long-lasting, invasive, and trigger neuropsychiatric symptoms. Here, we apply repeated anesthetic ketamine as a method with minimal behavioral effect. We find that this paradigm strongly reduces PNN coating in the healthy adult brain and promotes juvenile-like plasticity. Microglia are critically involved in PNN loss because they engage with parvalbumin-positive neurons in their defined cortical layer. We identify external 60-Hz light-flickering entrainment to recapitulate microglia-mediated PNN removal. Importantly, 40-Hz frequency, which is known to remove amyloid plaques, does not induce PNN loss, suggesting microglia might functionally tune to distinct brain frequencies. Thus, our 60-Hz light-entrainment strategy provides an alternative form of PNN intervention in the healthy adult brain.

Abstract Microglia contribute to tissue homeostasis in physiological conditions with environmental cues influencing their ever-changing morphology. Strategies to identify these changes usually involve user-selected morphometric features, which, however, have proved ineffective in establishing a spectrum of context-dependent morphological phenotypes. Here, we have developed MorphOMICs, a topological data analysis approach to overcome feature-selection-based biases and biological variability. We extracted a spatially heterogeneous and sexually-dimorphic morphological phenotype for seven adult brain regions, with ovariectomized females forming their own distinct cluster. This sex-specific phenotype declines with maturation but increases over the disease trajectories in two neurodegeneration models, 5xFAD and CK-p25. Females show an earlier morphological shift in the immediately-affected brain regions. Finally, we demonstrate that both the primary- and the short terminal processes provide distinct insights to morphological phenotypes. MorphOMICs maps microglial morphology into a spectrum of cue-dependent phenotypes in a minimally-biased and semi-automatic way.

Abstract Brain organoids differentiated from human induced pluripotent stem cells provide a unique opportunity to investigate the development, organization and connectivity of neurons in a complex cellular environment. However, organoids usually lack microglia, brain-resident immune cells which are both present in the early human embryonic brain and participate in neuronal circuit development. Here, we find that microglia innately develop in unguided retinal organoid differentiation between week 3 and 4 in 2.5D culture and appear later in floating, non-pigmented, 3D-cystic compartments. We enriched for cystic structures using a low-dosed BMP4 application and performed mass spectrometry, thus defining the protein composition of microglia-containing compartments. We found that cystic compartments expressed both mesenchymal and epithelial markers with microglia enriched in the mesenchymal region. Interestingly, microglia-like cells started to express the border-associated macrophage marker CD163. The preferential localization of human microglia to a mesenchymal compartment provides insight into the behavior and migration of microglia. The model will ultimately allow detailed study of these enigmatic cells and how they enter and distribute within the human brain.

We propose a metric - called Multi-Scale Relevance (MSR) - to score neurons for their prominence in encoding for the animal's behaviour that is being observed in a multi-electrode array recording experiment. The MSR assumes that relevant neurons exhibit a wide variability in their dynamical state, in response to the external stimulus, across different time scales. It is a non-parametric, fully featureless indicator, in that it uses only the time stamps of the firing activity, without resorting to any a priori covariate or invoking any specific tuning curve for neural activity. We test the method on data from freely moving rodents, where we found that neurons having low MSR tend to have low mutual information and low firing sparsity across the correlates that are believed to be encoded by the region of the brain where the recordings were made. In addition, neurons with high MSR contain significant information on spatial navigation and allow to decode spatial position or head direction as efficiently as those neurons whose firing activity has high mutual information with the covariate to be decoded.

The posterior parietal cortex (PPC), along with anatomically linked frontal areas, form a cortical network which mediates several functions that support goal-directed behavior, including sensorimotor transformations and decision making. In primates, this network also links performed and observed actions via mirror neurons, which fire both when an individual performs an action and when they observe the same action performed by a conspecific. Mirror neurons are thought to be important for social learning and imitation, but it is not known whether mirror-like neurons occur in similar networks in other species that can learn socially, such as rodents. We therefore imaged Ca2+ responses in large neural ensembles in PPC and secondary motor cortex (M2) while mice performed and observed several actions in pellet reaching and wheel running tasks. In all animals, we found spatially overlapping neural ensembles in PPC and M2 that robustly encoded a variety of naturalistic behaviors, and that subsets of cells could stably encode multiple actions. However, neural responses to the same set of observed actions were absent in both brain areas, and across animals. Statistical modeling analyses also showed that performed actions, especially those that were task-specific, outperformed observed actions in predicting neural responses. Overall, these findings show that performed and observed actions do not drive the same cells in the parieto-frontal network in mice, and suggest that sensorimotor mirroring in the mammalian cortex may have evolved more recently, and only in certain species.

Myocardial regeneration is restricted to early postnatal life, when mammalian cardiomyocytes still retain the ability to proliferate. The molecular cues that induce cell cycle arrest of neonatal cardiomyocytes towards terminally differentiated adult heart muscle cells remain obscure. Here we report that the miR-106b∼25 cluster is higher expressed in the early postnatal myocardium and decreases in expression towards adulthood, especially under conditions of overload, and orchestrates the transition of cardiomyocyte hyperplasia towards cell cycle arrest and hypertrophy by virtue of its targetome. In line, gene delivery of miR-106b∼25 to the mouse heart provokes cardiomyocyte proliferation by targeting a network of negative cell cycle regulators including E2f5, Cdkn1c, Ccne1 and Wee1. Conversely, gene-targeted miR-106b∼25 null mice display spontaneous hypertrophic remodeling and exaggerated remodeling to overload by derepression of the prohypertrophic transcription factors Hand2 and Mef2d. Taking advantage of the regulatory function of miR-106b∼ 25 on cardiomyocyte hyperplasia and hypertrophy, viral gene delivery of miR-106b∼25 provokes nearly complete regeneration of the adult myocardium after ischemic injury. Our data demonstrate that exploitation of conserved molecular programs can enhance the regenerative capacity of the injured heart.