Abstract To study brain function, preclinical research relies heavily on animal monitoring and the subsequent analyses of behavior. Commercial platforms have enabled semi high-throughput behavioral analyses by providing accurate tracking of animals, yet they often struggle with the analysis of ethologically relevant behaviors and lack the flexibility to adapt to variable testing environments. In the last couple of years, substantial advances in deep learning and machine vision have given researchers the ability to take behavioral analysis entirely into their own hands. Here, we directly compare the performance of commercially available platforms (Ethovision XT14, Noldus; TSE Multi Conditioning System, TSE Systems) to cross-verified human annotation. To this end, we provide a set of videos - carefully annotated by several human raters - of three widely used behavioral tests (open field, elevated plus maze, forced swim test). Using these data, we show that by combining deep learning-based motion tracking (DeepLabCut) with simple post-analysis, we can track animals in a range of classic behavioral tests at similar or even greater accuracy than commercial behavioral solutions. In addition, we integrate the tracking data from DeepLabCut with post analysis supervised machine learning approaches. This combination allows us to score ethologically relevant behaviors with similar accuracy to humans, the current gold standard, thus outperforming commercial solutions. Moreover, the resulting machine learning approach eliminates variation both within and between human annotators. In summary, our approach helps to improve the quality and accuracy of behavioral data, outperforming commercial systems at a fraction of the cost.

Abstract Noradrenaline (NA) release from the brainstem nucleus locus coeruleus (LC) changes activity and connectivity in neuronal networks across the brain, thus modulating multiple behavioural states. NA release is mediated by both tonic and burst-like neuronal LC activity. However, it remains unknown whether the functional changes in downstream projection areas depend on these firing patterns. Using optogenetics, pupillometry, photometry, and functional MRI in mice, we show that tonic and burst LC firing patterns elicit brain responses that are specific to the activation frequency and temporal pattern. Tonic activation of the LC evokes nonlinear responses in prefrontal, limbic, and cerebellar regions, in line with the proposed inverted-U relationship between LC activity and behaviour. We further demonstrate that LC activity enhances network integration and acts as a facilitator of brain state transitions, hence increasing brain flexibility. Together, these findings reveal how the LC-NA system achieves a nuanced regulation of global circuit operations.

Abstract An essential feature of neurons is their ability to centrally integrate information from their dendrites. The activity of astrocytes, in contrast, has been described as mostly uncoordinated across cellular compartments without clear central integration. Here, we describe conditional centripetal integration as a principle of how astrocytes integrate calcium signals from their distal processes to induce somatic activation. We found in mouse hippocampus that global astrocytic activity, as recorded with population calcium imaging, is well explained as a leaky integration of past neuronal and behavioral events on a timescale of seconds. Salient past events, indicated by pupil dilations, facilitated propagation of calcium signals from distal processes to the soma on this slow timescale. Centripetal propagation was reproduced by optogenetic activation of the locus coeruleus, a key regulator of arousal, and reduced by pharmacological inhibition of α1-adrenergic receptors. Together, our results establish astrocytes as computational units of the brain that slowly and conditionally integrate calcium signals to activate their somata upon behaviorally relevant events.

Abstract Understanding how the brain’s macroscale dynamics are shaped by underlying microscale mechanisms is a key problem in neuroscience. In animal models, we can now investigate this relationship in unprecedented detail by directly manipulating cellular-level properties while measuring the whole-brain response using resting-state fMRI. Here we focused on understanding how blood-oxygen-level-dependent (BOLD) dynamics, measured within a structurally well-defined striato-thalamo-cortical circuit, are shaped by chemogenetically exciting or inhibiting D1 medium spiny neurons (MSNs) of the right dorsomedial striatum (CPdm). We characterize changes in both the BOLD dynamics of individual cortical and subcortical brain areas, and patterns of inter-regional coupling (functional connectivity) between pairs of areas. Using a classification approach based on a large and diverse set of time-series properties, we found that CPdm neuromodulation alters BOLD dynamics within thalamic subregions that project back to dorsomedial striatum. In the cortex, the strongest changes in local dynamics were observed in unimodal regions, i.e., regions that process information from a single sensory modality, while changes in the local dynamics weakened along a putative cortical hierarchical gradient towards transmodal regions. In contrast, a decrease in functional connectivity was observed only for cortico-striatal connections after D1 excitation. Our results provide a comprehensive understanding of how targeted cellular-level manipulations affect local BOLD dynamics at the macroscale, including the role of a circuit’s structural characteristics and hierarchical cortical level in shaping those dynamics. These findings contribute to ongoing attempts to understand the influence of structure–function relationships in shaping inter-regional communication at subcortical and cortical levels.

Abstract The impact of stress on gene expression in different cell types of the brain remains poorly characterized. Three pioneering studies have recently used translating ribosome affinity purification followed by RNA sequencing (TRAP-seq) to assess the response to stress in CA3 pyramidal neurons of the hippocampus. The results suggest that acute stress alters the translation of thousands of genes in CA3 pyramidal neurons, and that this response is strongly modulated by factors such as sex, genotype and a history of early life stress. However, our reanalysis of these datasets leads to different conclusions. We confirm that acute stress induces robust translational changes in a small set of genes. However, we found no evidence that either early life stress or sex have an effect on gene translation induced by acute stress. Our findings highlight the need for additional studies with adequate sample sizes and proper methods of analysis to assess the impact of stress across cell types in the brain.

Appropriate risk evaluation is essential for survival in complex, uncertain environments. Confronted with choosing between certain (safe) and uncertain (risky) options, animals show strong preference for either option consistently across extended time periods. How such risk preference is encoded in the brain remains elusive. A candidate region is the lateral habenula (LHb), which is prominently involved in value-guided behavior. Here, using a balanced two-alternative choice task and longitudinal two-photon calcium imaging, we identify LHb neurons with risk-preference-selective activity reflecting individual risk preference prior to action selection. By employing whole-brain anatomical tracing, multi-fiber photometry, and projection- and cell-type-specific optogenetics, we find that glutamatergic LHb projections from the medial (MH) but not lateral (LH) hypothalamus provide behavior-relevant synaptic input before action selection. Optogenetic stimulation of MH→LHb axons evoked excitatory and inhibitory postsynaptic responses, whereas LH→LHb projections were excitatory. We thus reveal functionally distinct hypothalamus-habenula circuits for risk preference in habitual economic decision-making.

Abstract Neural circuit development in the human cortex is considerably prolonged in comparison to non-human primates, a trait that contributes to the remarkable cognitive capacity of modern humans. Here, we explore the regulatory role of non-coding RNAs, which dramatically expanded during brain evolution, in synapse development of human-induced pluripotent stem-cell derived neurons. Inhibition of a human-specific microRNA, miR-1229-3p, results in accelerated formation of excitatory synapses and enhanced synaptic transmission. Mechanistically, miR-1229-3p controls mitochondrial homeostasis by targeting important regulators of mitochondrial autophagy and fission, such as Pink1. Stimulation of mitochondrial metabolism rescues decreased calcium buffering in miR-1229-3p depleted neurons. Our findings reveal an important function of human-specific miR-1229-3p in developmental timing of human synaptogenesis and generally implicate non-coding RNAs in the control of human connectivity and cognition. One-Sentence Summary A human-specific microRNA slows down the formation and maturation of neuronal synapses by reducing mitochondrial metabolism and renewal.

Abstract The molecular mechanisms of angiogenesis have been intensely studied, but many genes that control endothelial behavior and fate still need to be described. Here, we characterize the role of Apold1 (Apolipoprotein L domain containing 1) in angiogenesis in vivo and in vitro . Single-cell analyses reveal that - across tissues - the expression of Apold1 is restricted to the vasculature, and that Apold1 expression in endothelial cells (ECs) is highly sensitive to environmental factors. Using Apold1 -/- mice, we find that Apold1 is dispensable for development and does not affect postnatal retinal angiogenesis nor alters the vascular network in adult brain and muscle. However, when exposed to ischemic conditions following photothrombotic stroke as well as femoral artery ligation, Apold1 -/- mice display dramatic impairments in recovery and revascularization. We also find that human tumor endothelial cells express strikingly higher levels of Apold1, and that Apold1 deletion in mice stunts the growth of subcutaneous B16 melanoma tumors, which have smaller and poorly perfused vessels. Mechanistically, Apold1 is activated in ECs upon growth factor stimulation as well as in hypoxia, and Apold1 intrinsically controls EC proliferation but not migration. Our data demonstrate that Apold1 is a key regulator of angiogenesis in pathological settings, whereas it does not affect developmental angiogenesis, thus making it a promising candidate for clinical investigation.

Abstract Synaptic scaling is a form of homeostatic plasticity which allows neurons to adjust their action potential firing rate in response to chronic alterations in neural activity. Synaptic scaling requires profound changes in gene expression, but the relative contribution of local and cell-wide mechanisms is controversial. Here we performed a comprehensive multi-omics characterization of the somatic and process compartments of primary rat hippocampal neurons during synaptic scaling. Thereby, we uncovered both highly compartment-specific and correlated changes in the neuronal transcriptome and proteome. Whereas downregulation of crucial regulators of neuronal excitability occurred primarily in the somatic compartment, structural components of excitatory postsynapses were mostly downregulated in processes. Motif analysis further suggests an important role for trans-acting post-transcriptional regulators, including RNA-binding proteins and microRNAs, in the local regulation of the corresponding mRNAs. Altogether, our study indicates that compartmentalized gene expression changes are widespread in synaptic scaling and might co-exist with neuron-wide mechanisms to allow synaptic computation and homeostasis.

Summary Single traumatic events that elicit an exaggerated stress response can lead to the development of neuropsychiatric conditions. Studies in mice suggests germline RNA as a mediator of effects of chronic environmental exposures to the progeny. The effects of an acute paternal stress exposure on the germline and their potential consequences on offspring remain unknown. We find that acute administration of an agonist for the stress- sensitive Glucocorticoid receptor, using the common corticosteroid Dexamethasone, affects the RNA payload of post-meiotic transcriptionally silent, mature sperm as soon as 3 hours post exposure. It further impacts early embryonic transcriptional trajectories, as determined by single embryo sequencing, and metabolism in the offspring. Importantly, we show persistent regulation of tRNA fragments in sperm and the descendant 2-cell- embryos, suggesting actual transmission from sperm to embryo. Lastly, we unravel environmentally induced alterations in the previously underconsidered class of sperm circRNAs, and their targets in the early embryo, highlighting this class as a novel candidate in RNA-mediated inheritance.