Microglia, the resident immune cells of the brain, rapidly change states in response to their environment, but we lack molecular and functional signatures of different microglial populations. Here, we analyzed the RNA expression patterns of more than 76,000 individual microglia in mice during development, in old age, and after brain injury. Our analysis uncovered at least nine transcriptionally distinct microglial states, which expressed unique sets of genes and were localized in the brain using specific markers. The greatest microglial heterogeneity was found at young ages; however, several states-including chemokine-enriched inflammatory microglia-persisted throughout the lifespan or increased in the aged brain. Multiple reactive microglial subtypes were also found following demyelinating injury in mice, at least one of which was also found in human multiple sclerosis lesions. These distinct microglia signatures can be used to better understand microglia function and to identify and manipulate specific subpopulations in health and disease.

Multiple sclerosis (MS) is a neuroinflammatory disease with a relapsing-remitting disease course at early stages, distinct lesion characteristics in cortical grey versus subcortical white matter and neurodegeneration at chronic stages. Here we used single-nucleus RNA sequencing to assess changes in expression in multiple cell lineages in MS lesions and validated the results using multiplex in situ hybridization. We found selective vulnerability and loss of excitatory CUX2-expressing projection neurons in upper-cortical layers underlying meningeal inflammation; such MS neuron populations exhibited upregulation of stress pathway genes and long non-coding RNAs. Signatures of stressed oligodendrocytes, reactive astrocytes and activated microglia mapped most strongly to the rim of MS plaques. Notably, single-nucleus RNA sequencing identified phagocytosing microglia and/or macrophages by their ingestion and perinuclear import of myelin transcripts, confirmed by functional mouse and human culture assays. Our findings indicate lineage- and region-specific transcriptomic changes associated with selective cortical neuron damage and glial activation contributing to progression of MS lesions.

Ageing causes a decline in tissue regeneration owing to a loss of function of adult stem cell and progenitor cell populations1. One example is the deterioration of the regenerative capacity of the widespread and abundant population of central nervous system (CNS) multipotent stem cells known as oligodendrocyte progenitor cells (OPCs)2. A relatively overlooked potential source of this loss of function is the stem cell 'niche'-a set of cell-extrinsic cues that include chemical and mechanical signals3,4. Here we show that the OPC microenvironment stiffens with age, and that this mechanical change is sufficient to cause age-related loss of function of OPCs. Using biological and synthetic scaffolds to mimic the stiffness of young brains, we find that isolated aged OPCs cultured on these scaffolds are molecularly and functionally rejuvenated. When we disrupt mechanical signalling, the proliferation and differentiation rates of OPCs are increased. We identify the mechanoresponsive ion channel PIEZO1 as a key mediator of OPC mechanical signalling. Inhibiting PIEZO1 overrides mechanical signals in vivo and allows OPCs to maintain activity in the ageing CNS. We also show that PIEZO1 is important in regulating cell number during CNS development. Thus we show that tissue stiffness is a crucial regulator of ageing in OPCs, and provide insights into how the function of adult stem and progenitor cells changes with age. Our findings could be important not only for the development of regenerative therapies, but also for understanding the ageing process itself.

Although the cerebral cortex is organized into six excitatory neuronal layers, it is unclear whether glial cells show distinct layering. In the present study, we developed a high-content pipeline, the large-area spatial transcriptomic (LaST) map, which can quantify single-cell gene expression in situ. Screening 46 candidate genes for astrocyte diversity across the mouse cortex, we identified superficial, mid and deep astrocyte identities in gradient layer patterns that were distinct from those of neurons. Astrocyte layer features, established in the early postnatal cortex, mostly persisted in adult mouse and human cortex. Single-cell RNA sequencing and spatial reconstruction analysis further confirmed the presence of astrocyte layers in the adult cortex. Satb2 and Reeler mutations that shifted neuronal post-mitotic development were sufficient to alter glial layering, indicating an instructive role for neuronal cues. Finally, astrocyte layer patterns diverged between mouse cortical regions. These findings indicate that excitatory neurons and astrocytes are organized into distinct lineage-associated laminae. A new spatial transcriptomic approach reveals astrocyte heterogeneity across layers of the mammalian cerebral cortex. Astrocytes diversify into superficial-, mid- and deep-layer subtypes distinct from neuronal laminae, yet instructed by neuronal cues.

Abstract Microglia, the tissue resident macrophages of the CNS, are implicated in a broad range of neurological pathologies, from acute brain injury to dementia. Here, we profiled gene expression variation in primary human microglia isolated from 141 patients undergoing neurosurgery. Using single cell and bulk RNA sequencing, we defined distinct cellular populations of acutely in vivo -activated microglia, and characterised a dramatic switch in microglial population composition in patients suffering from acute brain injury. We mapped expression quantitative trait loci (eQTLs) in human microglia and show that many disease-associated eQTLs in microglia replicate well in a human induced pluripotent stem cell (hIPSC) derived macrophage model system. Using ATAC-seq from 95 individuals in this hIPSC model we fine-map candidate causal variants at risk loci for Alzheimer’s disease, the most prevalent neurodegenerative condition in acute brain injury patients. Our study provides the first population-scale transcriptional map of a critically important cell for neurodegenerative disorders.

Microglia, the resident immune cells of the brain, rapidly change states in response to their environment, but we lack molecular and functional signatures of different microglial populations. In this study, we analyzed the RNA expression patterns of more than 76,000 individual microglia during development, old age and after brain injury. Analysis uncovered at least nine transcriptionally distinct microglial states, which expressed unique sets of genes and were localized in the brain using specific markers. The greatest microglial heterogeneity was found at young ages; however, several states including chemokine-enriched inflammatory microglia persisted throughout the lifespan or increased in the aged brain. Multiple reactive microglial subtypes were also found following demyelinating injury in mice, at least one of which was also found in human MS lesions. These unique microglia signatures can be used to better understand microglia function and to identify and manipulate specific subpopulations in health and disease.

The microbiota is now recognised as a key influence on the host immune response in the central nervous system (CNS). As such, there has been some progress towards therapies that modulate the microbiota with the aim of limiting immune-mediated demyelination, as occurs in multiple sclerosis. However, remyelination, the regeneration of myelin sheaths, also depends upon an immune response, and the effects that such interventions might have on remyelination have not yet been explored. Here, we show that the inflammatory response during CNS remyelination in mice is modulated by antibiotic or probiotic treatment, as well as in germ-free mice. We also explore the effect of these changes on oligodendrocyte progenitor cell differentiation, which is inhibited by antibiotics but unaffected by our other interventions. These results reveal that high combined doses of oral antibiotics negatively influence remyelination and further our understanding of how mammalian regeneration relates to the microbiota.

Abstract A key aspect of nearly all single cell experiments is the necessity to dissociate intact tissues into single cell suspensions for processing. While many protocols have been optimized for optimal cell yield, they have often overlooked the effects that dissociation can have on ex vivo gene expression changes during this process. Microglia, the brain’s resident macrophages, are a highly dynamic population that are extremely sensitive to their microenvironment and have been shown to dramatically alter their transcriptome upon stimulation. We demonstrate that use of enzymatic dissociation methods on mouse central nervous system (CNS) tissue induces an aberrant gene expression signature in microglia that can significantly confound downstream analysis. To minimize this issue, we developed a flexible protocol, that can be used with existing enzymatic protocols for fresh tissue, to eliminate artifactual gene expression while allowing for increased cell type diversity and yield. We demonstrate efficacy of this protocol in analysis of diverse CNS cell types and sorted myeloid populations while using enzymatic dissociation. Generation of new and reanalysis of previously published human brain single nucleus RNAseq (snRNA-seq) datasets reveal that a similar signature is also present in post-mortem tissue. Through novel snRNA-seq analysis of acutely-resected neurosurgical tissue we demonstrate that this signature can be induced in human tissue due to technical differences in sample processing. These results provide key insight into the potential confounds of enzymatic digestion and provide a solution to allow for enzymatic digestion for scRNA-seq while avoiding ex vivo transcriptional artifacts. Analysis of human tissue reveals potential for artifacts in current and future snRNA-seq datasets that will require deeper analysis and careful consideration to separate true biology from artifacts related to post-mortem processes.

During organogenesis, patterns and gradients of gene expression underlie organization and diversified cell specification to generate complex tissue architecture. While the cerebral cortex is organized into six excitatory neuronal layers, it is unclear whether glial cells are diversified to mimic neuronal laminae or show distinct layering. To determine the molecular architecture of the mammalian cortex, we developed a high- content pipeline that can quantify single-cell gene expression in situ. The Large-area Spatial Transcriptomic (LaST) map confirmed expected cortical neuron layer organization and also revealed a novel neuronal identity signature. Screening 46 candidate genes for astrocyte diversity across the cortex, we identified grey matter superficial, mid and deep astrocyte identities in gradient layer patterns that were distinct from neurons. Astrocyte layers formed in early postnatal cortex and mostly persisted in adult mouse and human cortex. Mutations that shifted neuronal post-mitotic identity or organization were sufficient to alter glial layering, indicating an instructive role for neuronal cues. In normal mouse cortex, astrocyte layer patterns showed area diversity between functionally distinct cortical regions. These findings indicate that excitatory neurons and astrocytes cells are organized into distinct lineage-associated laminae, which give rise to higher order neuroglial complexity of cortical architecture.

Anaplastic meningioma is a rare and aggressive brain tumor characterised by intractable recurrences and dismal outcomes. Here, we present an integrated analysis of the whole genome, transcriptome and methylation profiles of primary and recurrent anaplastic meningioma. A key finding was the delineation of two distinct molecular subgroups that were associated with diametrically opposed survival outcomes. Relative to lower grade meningiomas, anaplastic tumors harbored frequent driver mutations in SWI/SNF complex genes, which were confined to the poor prognosis subgroup. Our analyses discern two biologically distinct variants of anaplastic meningioma with potential prognostic and therapeutic significance.