# Cell-specific in situ functional and transcriptomic dissection of molecular mechanisms of Alzheimer's disease

> **NIH NIH R21** · BRIGHAM AND WOMEN'S HOSPITAL · 2020 · $510,460

## Abstract

Multiple  pathways  contribute  to  neurodegeneration  in  Alzheimer’s  Disease  (AD). Identification  of  appropriate 
targets effective for inhibiting disease progression remains elusive. Pathways associated with synaptic plasticity 
are  strongly  implicated  in  the  pathophysiology  of  AD  and  the  associated  cognitive  decline.  They  therefore 
represent attractive  targets  for pharmacological  interventions  designed  to  restore  cognitive function.  Here,  we 
propose to profile how plasticity and neurotransmitter receptor pathways malfunction in early AD at a single-­cell-­
specific transcriptomic level, both as a function of the cell’s proximity to b-­amyloid deposits and as a function of 
its level of activity recorded in vivo.  
For cell-­specific transcriptomic profiling, we use a recently developed, high-­throughput, multiplexed, error-­robust 
fluorescence in situ RNA hybridization method (MERFISH), which implements a combinatorial labeling approach 
followed by sequential rounds of single-­molecule fluorescence in situ hybridization (smFISH) to image simultaneously 
hundreds to thousands (up to 10000;; Xia et al., PNAS, 2019) of distinct RNA molecules at ~100nm spatial resolution.  
Aim  1:  Develop  a  pipeline  for  characterizing  Alzheimer’s-­disease  associated  transcriptomic  pathways  in  a 
topographically-­resolved single-­cell specific way. Map transcriptomic dysfunction in pathways associated with neural 
plasticity  and  neurotransmitter  receptor  expression  in  the  5xFAD/PS1  APP  mouse  model  of  Alzheimer’s  disease. 
Determine how cell-­specific malfunction at the transcriptomic level relates to the proximity of b-­amyloid deposits early 
in the disease course. 
Neuronal  hyperactivity  and  failure  of  circuit  homeostasis  (manifesting  as  hypersynchrony)  confer  higher  risk  of 
neurodegeneration, are associated with the presence of b-amyloid, and often precede plaque pathology. We will use 
chronic  large-­field-­of-­view,  “Mesoscopic,”  2-­photon  imaging  to  measure  cellular  response  functions  and  functional 
connectivity (hypersynchrony) profiles in vivo. Aligning in vitro MERFISH images with in vivo recordings allows single-­
cell-­specific transcriptomic pathways to be characterized as a function of neuronal activity levels imaged in vivo.  
Aim  2:  Identify  functional  biomarkers  of  early  neuronal  dysfunction  and  use  MERFISH  to  map  the  transcriptomic 
profile  of  neurons  and  glial  cells  at  the  earliest  stage  of  disease  expression.  Link  transcriptomic  measurements  to 
neuronal profiles of abnormal activity obtained by in vivo 2-­photon imaging and to the location of b-­amyloid deposits. 
Our aims will 1) identify plasticity and neurotransmitter pathways differentially expressed in all neuronal and glial 
cell  types  in  response  to  AD,  2)  describe  the  role  of  b-amyloid  proximity  in  these  modifications,  3)  correlate 
functional  defects...

## Key facts

- **NIH application ID:** 10110739
- **Project number:** 1R21NS120170-01
- **Recipient organization:** BRIGHAM AND WOMEN'S HOSPITAL
- **Principal Investigator:** Stelios Manolis Smirnakis
- **Activity code:** R21 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2020
- **Award amount:** $510,460
- **Award type:** 1
- **Project period:** 2020-09-15 → 2022-05-31

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/10110739

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 10110739, Cell-specific in situ functional and transcriptomic dissection of molecular mechanisms of Alzheimer's disease (1R21NS120170-01). Retrieved via AI Analytics 2026-07-25 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/10110739. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*