Although the microglial activation is concomitant to the Alzheimer's disease, its precise role (neuroprotection vs neurodegeneration) has not yet been resolved. Here, we show the existence of an age-dependent phenotypic change of microglial activation in the hippocampus of PS1xAPP model, from an alternative activation state with Aβ phagocytic capabilities (at 6 months) to a classic cytotoxic phenotype (expressing TNF-α and related factors) at 18 months of age. This switch was coincident with high levels of soluble Aβ oligomers and a significant pyramidal neurodegeneration. In vitro assays, using astromicroglial cultures, demonstrated that oligomeric Aβ42 and soluble extracts from 18-month-old PS1xAPP hippocampus produced a potent TNF-α induction whereas monomeric Aβ42 and soluble extract from 6- or 18-month-old control and 6-month-old PS1xAPP hippocampi produced no stimulation. This stimulatory effect was avoided by immunodepletion using 6E10 or A11. In conclusion, our results show evidence of a switch in the activated microglia phenotype from alternative, at the beginning of Aβ pathology, to a classical at advanced stage of the disease in this model. This change was induced, at least in part, by the age-dependent accumulation of extracellular soluble Aβ oligomers. Finally, these cytotoxic activated microglial cells could participate in the neuronal lost observed in AD.

Microglial activation has been considered a crucial player in the pathological process of multiple human neurodegenerative diseases. In some of these pathologies, such as Amyotrophic Lateral Sclerosis or Multiple Sclerosis, the immune system and microglial cells (as part of the cerebral immunity) play a central role. In other degenerative processes, such as Alzheimer's disease (AD), the role of microglia is far to be elucidated. In this "mini-review" article, we briefly highlight our recent data comparing the microglial response between amyloidogenic transgenic models, such as APP/PS1 and AD patients. Since the AD pathology could display regional heterogeneity, we focus our work at the hippocampal formation. In APP based models a prominent microglial response is triggered around amyloid-beta (Aβ) plaques. These strongly activated microglial cells could drive the AD pathology and, in consequence, could be implicated in the neurodegenerative process observed in models. On the contrary, the microglial response in human samples is, at least, partial or attenuated. This patent difference could simply reflect the lower and probably slower Aβ production observed in human hippocampal samples, in comparison with models, or could reflect the consequence of a chronic long-standing microglial activation. Beside this differential response, we also observed microglial degeneration in Braak V-VI individuals that, indeed, could compromise their normal role of surveying the brain environment and respond to the damage. This microglial degeneration, particularly relevant at the dentate gyrus, might be mediated by the accumulation of toxic soluble phospho-tau species. The consequences of this probably deficient immunological protection, observed in AD patients, are unknown.

A shared hallmark of age-related neurodegenerative diseases is the chronic activation of innate immune cells, which actively contributes to the neurodegenerative process. In Alzheimer’s disease, this inflammatory milieu exacerbates both amyloid and tau pathology. A similar abnormal inflammatory response has been reported in Parkinson’s disease, with elevated levels of cytokines and other inflammatory intermediates derived from activated glial cells, which promote the progressive loss of nigral dopaminergic neurons. Understanding the causes that support this aberrant inflammatory response has become a topic of growing interest and research in neurodegeneration, with high translational potential. It has been postulated that the phenotypic shift of immune cells towards a proinflammatory state combined with the presence of immunogenic cell death fuels a vicious cycle in which mitochondrial dysfunction plays a central role. Mitochondria and mitochondria-generated reactive oxygen species are downstream effectors of different inflammatory signaling pathways, including inflammasomes. Dysfunctional mitochondria are also recognized as important producers of damage-associated molecular patterns, which can amplify the immune response. Here, we review the major findings highlighting the role of mitochondria as a checkpoint of neuroinflammation and immunogenic cell deaths in neurodegenerative diseases. The knowledge of these processes may help to find new druggable targets to modulate the inflammatory response.