A vast set of neurological disorders is associated with impaired synaptic connectivity. Therefore, modulation of synapse formation could have therapeutic relevance. However, the high density and small size of synapses make their quantification a challenging task. To improve the reliability of synapse-oriented drug screens, we evaluated a panel of synapse-targeting antibodies for their labeling specificity on hippocampal and cortical cell cultures using quantitative immunofluorescence microscopy. For those antibodies that passed multiparametric validation, we assessed pairwise colocalization, an often-used readout for established synapses. We found that even when two pan-synaptic markers were used, the overlap was incomplete, and the presence of spurious signals limited the dynamic range. To circumvent this problem, we implemented a proximity ligation-based approach, that only leads to a signal when two pre- and postsynaptic markers are sufficiently close. We demonstrate that this approach can be applied to different synaptic marker combinations and can be successfully used for quantification of synapse density in cultures of different maturity stage in healthy or pathological conditions. Thus, the unbiased analysis of synapse labeling and exploitation of resident protein proximity, allows increasing the sensitivity of synapse quantifications in neuronal culture and therefore represents a valuable extension of the analytical toolset for in vitro synapse screens.

Background: Therapeutic developments for neurodegenerative disorders are redirecting their focus to the mechanisms that contribute to synaptic plasticity and the loss thereof. Identification of novel regulators requires a method to quantify neuronal network connectivity with high accuracy and throughput. To meet this demand, we have established a microscopy-based pipeline that integrates morphological and functional correlates of connectivity in primary neuronal culture. Results: We unveiled a connectivity signature that was specific to the cell type and culture age. We defined a connectivity score that accurately reports on the degree of neuronal connectivity and we validated this score using targeted perturbation of microtubule stability and by selective depletion of anti-oxidants. With a focused compound screen, we discovered that inhibition of dual leucine zipper kinase activity increased neuronal connectivity in otherwise unperturbed cultures and exerted neuroprotective effects in cultures grown under sub-optimal conditions. Conclusions: Our results illustrate that profiling microscopy images with deep coverage enables sensitive interrogation of neuronal connectivity and allows exposing a dose and time window for pharmacological interventions. Therefore, the current approach holds promise for identifying pathways and compounds that preserve or rescue neuronal connectivity in neurodegenerative disorders.

Abstract Mounting evidence suggests a role for the microbiome-gut-brain axis in amyloid-associated neurodegeneration, but the pathogenic changes induced by amyloids in the gastro-intestinal tract remain elusive. To scrutinize the early response to amyloids of human and bacterial origin, we challenged primary murine myenteric networks with Aβ 1-42 (vs a scrambled version of Aβ 1-42 ) and curli (vs culture medium), respectively, and performed shotgun RNA sequencing. Both amyloid types induced a transcriptional signature of DNA damage and cell cycle dysregulation. Using in vitro neurosphere-derived cultures and in vivo amyloid injections we found that enteric glia and smooth muscle cells were the most responsive cell types, showing increased proliferation, γH2AX burden and SOD2 levels after amyloid challenge. Consistent with this activated state, we identified a pro-inflammatory hub in the transcriptional profile of amyloid-stimulated myenteric networks. Enteric glia were the principal source of the associated cytokines, and in vivo , this was accompanied by an influx of immune cells. Together, these results shed new light on the intrinsic vulnerability of ENS cells to both amyloid species and position enteric glial cell activation as an early driver of neurodegenerative disease progression. Significance statement The increasing socio-economic impact of Alzheimer’s disease (AD), long sub-clinical disease progression window, and failure of drug candidates demand mechanistic insight into the early stages of disease development. Epidemiological associations and experimental studies in rodents suggest that the gut may be vulnerable to amyloids and mediate their transfer to the brain. However, whether and how amyloids induce local pathology in the gastro-intestinal wall is not known. We identified a pathogenic program that becomes activated in the gastro-intestinal tract after exposure to amyloid β and curli (the main bacterial amyloid), and show that enteric glia are responsible for creating an amyloid-induced pro-inflammatory environment. This insight of an early response in a distant, more accessible organ than the brain, may have important implications for both disease diagnosis and therapy.

Huntington's disease (HD) is a neurological disorder characterized by motor disturbances. HD pathology is most prominent in the striatum, the central hub of basal ganglia. The cortex is the main striatal afference and progressive cortico-striatal disconnection characterizes HD. We mapped cortico-striatal dysfunction in HD mice to ultimately modulate the activity of selected cortico-striatal circuits to ameliorate motor symptoms and recover synaptic plasticity. Multimodal MRI in vivo suggested prominent functional network deficits in fronto-striatal compared to motor-striatal pathways, which were accompanied by reduced glutamate levels in the striatum of HD mice. Moreover, optogenetically-stimulated glutamate release from fronto-striatal terminals was reduced in HD mice and electrophysiological responses in striatal neurons were blunted. Remarkably, repeated M2 Cortex-dorsolateral striatum optogenetic stimulation normalized motor behavior in HD mice and evoked a sustained increase of synaptic plasticity. Overall, these results reveal that the selective stimulation of fronto-striatal pathways can become an effective therapeutic strategy in HD.### Competing Interest Statement