Chronic stress impairs learning and memory in humans and rodents and disrupts long-term potentiation (LTP) in animal models. These effects are associated with structural changes in hippocampal neurons, including reduced dendritic arborization. Unlike the generally reversible effects of chronic stress on adult rat hippocampus, we have previously found that the effects of early-life stress endure and worsen during adulthood, yet the mechanisms for these clinically important sequelae are poorly understood. Stress promotes secretion of the neuropeptide corticotropin-releasing hormone (CRH) from hippocampal interneurons, activating receptors (CRF 1 ) located on pyramidal cell dendrites. Additionally, chronic CRF 1 occupancy negatively affects dendritic arborization in mouse organotypic slice cultures, similar to the pattern observed in middle-aged, early-stressed (CES) rats. Here we found that CRH expression is augmented in hippocampus of middle-aged CES rats, and then tested whether the morphological defects and poor memory performance in these animals involve excessive activation of CRF 1 receptors. Central or peripheral administration of a CRF 1 blocker following the stress period improved memory performance of CES rats in novel-object recognition tests and in the Morris water maze. Consonant with these effects, the antagonist also prevented dendritic atrophy and LTP attenuation in CA1 Schaffer collateral synapses. Together, these data suggest that persistently elevated hippocampal CRH–CRF 1 interaction contributes importantly to the structural and cognitive impairments associated with early-life stress. Reducing CRF 1 occupancy post hoc normalized hippocampal function during middle age, thus offering potential mechanism-based therapeutic interventions for children affected by chronic stress.

For more than 16 years, we have selectively bred rats for either high or low levels of exploratory activity within a novel environment. These bred high-responder (bHR) and bred low-responder (bLR) rats model temperamental extremes, exhibiting large differences in internalizing and externalizing behaviors relevant to mood and substance use disorders.We characterized persistent differences in gene expression related to bHR/bLR phenotype across development and adulthood in the hippocampus, a region critical for emotional regulation, by meta-analyzing 8 transcriptional profiling datasets (microarray and RNA sequencing) spanning 43 generations of selective breeding (postnatal day 7: n = 22; postnatal day 14: n = 49; postnatal day 21: n = 21; adult: n = 46; all male). We cross-referenced expression differences with exome sequencing within our colony to pinpoint candidates likely to mediate the effect of selective breeding on behavioral phenotype. The results were compared with hippocampal profiling from other bred rat models.Genetic and transcriptional profiling results converged to implicate multiple candidate genes, including two previously associated with metabolism and mood: Trhr and Ucp2. Results also highlighted bHR/bLR functional differences in the hippocampus, including a network essential for neurodevelopmental programming, proliferation, and differentiation, centering on Bmp4 and Mki67. Finally, we observed differential expression related to microglial activation, which is important for synaptic pruning, including 2 genes within implicated chromosomal regions: C1qa and Mfge8.These candidate genes and functional pathways may direct bHR/bLR rats along divergent developmental trajectories and promote a widely different reactivity to the environment.

In previous studies, early-life fibroblast growth factor-2 (FGF2) administration conferred resilience to developing anxiety-like behavior in vulnerable animals in adulthood. To follow up on this work, we administered FGF2 the day after birth to animals that differ in emotional behavior and further explored its long-term effects on affective behavior and circuitry. Selectively-bred "high responder" rats (bHRs) exhibit low levels of anxiety-like and depression-like behavior, whereas selectively-bred "low responders" (bLRs) display high levels of anxiety-like and depression-like behavior. We found that early-life administration of FGF2 decreased negative affect in bLRs during the early post-natal period, as indexed by 40 kHz ultrasonic vocalizations (USVs) in response to a brief maternal separation on PND11. FGF2 also increased positive affect during the juvenile period, as measured by 50 kHz USVs in response to heterospecific hand play ("tickling") after weaning. In general, we found that bHRs produced more 50 kHz USVs than bLRs. In adulthood, we measured opioid ligand and receptor expression in brain regions implicated in USV production and affect regulation by mRNA in situ hybridization. Within multiple affective brain regions, bHRs had greater expression of the mu opioid receptor than bLRs. FGF2 increased mu opioid expression in bLRs. The bLRs had more kappa and less delta receptor expression than bHRs, and FGF2 increased prodynorphin in bLRs. Our results provide support for further investigations into the role of growth factors and endogenous opioids in the treatment of disorders characterized by altered affect, such as anxiety and depression.

Stress is a major influence on mental health status; the ways that individuals respond to or copes with stressors determine whether they are negatively affected in the future. Stress responses are established by an interplay between genetics, environment, and life experiences. Psychosocial stress is particularly impactful during adolescence, a critical period for the development of mood disorders. In this study we compared two established, selectively-bred Sprague Dawley rat lines, the "internalizing" bred Low Responder (bLR) line versus the "externalizing" bred High Responder (bHR) line, to investigate how genetic temperament and adolescent environment impact future responses to social interactions and psychosocial stress, and how these determinants of stress response interact. Male bLR and bHR rats were exposed to social and environmental enrichment in adolescence prior to experiencing social defeat and were then assessed for social interaction and anxiety-like behavior. Adolescent enrichment caused rats to display more social interaction, as well as nominally less social avoidance, less submission during defeat, and resilience to the effects of social stress on corticosterone, in a manner that seemed more notable in bLRs. For bHRs, enrichment also caused greater aggression during a neutral social encounter and nominally during defeat, and decreased anxiety-like behavior. To explore the neurobiology underlying the development of social resilience in the anxious phenotype bLRs, RNA-seq was conducted on the hippocampus and nucleus accumbens, two brain regions that mediate stress regulation and social behavior. Gene sets previously associated with stress, social behavior, aggression and exploratory activity were enriched with differential expression in both regions, with a particularly large effect on gene sets that regulate social behaviors. Our findings provide further evidence that adolescent enrichment can serve as an inoculating experience against future stressors. The ability to induce social resilience in a usually anxious line of animals by manipulating their environment has translational implications, as it underscores the feasibility of intervention strategies targeted at genetically vulnerable adolescent populations.

ABSTRACT Evaluating and coping with stressful social events as they unfold is a critical strategy in overcoming them without long-lasting detrimental effects. Individuals display a wide range of responses to stress, which can manifest in a variety of outcomes for the brain as well as subsequent behavior. Chronic Social Defeat Stress (CSDS) in mice has been widely used to model individual variation following a social stressor. Following a course of repeated intermittent psychological and physical stress, mice diverge into separate populations of social reactivity: resilient (socially interactive) and susceptible (socially avoidant) animals. A rich body of work reveals distinct neurobiological and behavioral consequences of this experience that map onto the resilient and susceptible groups. However, the range of factors that emerge over the course of defeat have not been fully described. Therefore, in the current study, we focused on characterizing behavioral, physiological, and neuroendocrine profiles of mice in three separate phases: before, during, and following CSDS. We found that following CSDS, traditional read-outs of anxiety-like and depression-like behaviors do not map on to the resilient and susceptible groups. By contrast, behavioral coping strategies used during the initial social stress encounter better predict which mice will eventually become resilient or susceptible. In particular, mice that will emerge as susceptible display greater escape behavior on Day 1 of social defeat than those that will emerge as resilient, indicating early differences in coping mechanisms used between the two groups. We further show that the social avoidance phenotype in susceptible mice is specific to the aggressor strain and does not generalize to conspecifics or other strains, indicating that there may be features of threat discrimination that are specific to the susceptible mice. Our findings suggest that there are costs and benefits to both the resilient and susceptible outcomes, reflected in their ability to cope and adapt to the social stressor.

Abstract Common genetic factors likely contribute to multiple psychiatric diseases including mood and substance use disorders. Certain stable, heritable traits reflecting temperament, termed externalizing or internalizing, play a large role in modulating vulnerability to these disorders. To model these heritable tendencies, we selectively bred rats for high and low exploration in a novel environment (bred High Responders (bHR) vs. Low Responders (bLR)). To identify genes underlying the response to selection, we phenotyped and genotyped 558 rats from an F 2 cross between bHR and bLR. Several behavioral traits show high heritability, including the selection trait: exploratory locomotion (EL) in a novel environment. There were significant phenotypic and genetic correlations between tests that capture facets of EL and anxiety. There were also correlations with Pavlovian conditioned approach (PavCA) behavior despite the lower heritability of that trait. Ten significant and conditionally independent loci for six behavioral traits were identified. Five of the six traits reflect different facets of EL that were captured by three behavioral tests. Distance traveled measures from the open field and the elevated plus maze map onto different loci, thus may represent different aspects of novelty-induced locomotor activity. The sixth behavioral trait, number of fecal boli, is the only anxiety-related trait mapping to a significant locus on chromosome 18 within which the Pik3c3 gene is located. There were no significant loci for PavCA. We identified a missense variant in the Plekhf1 gene on the chromosome 1:95 Mb QTL and Fancf and Gas2 as potential candidate genes that may drive the chromosome 1:107 Mb QTL for EL traits. The identification of a locomotor activity-related QTL on chromosome 7 encompassing the Pkhd1l1 and Trhr genes is consistent with our previous finding of these genes being differentially expressed in the hippocampus of bHR vs. bLR rats. The strong heritability coupled with identification of several loci associated with exploratory locomotion and emotionality provide compelling support for this selectively bred rat model in discovering relatively large effect causal variants tied to elements of internalizing and externalizing behaviors inherent to psychiatric and substance use disorders.

Stress is a major influence on mental health status; the ways that individuals respond to or copes with stressors determine whether they are negatively affected in the future. Stress responses are established by an interplay between genetics, environment, and life experiences. Psychosocial stress is particularly impactful during adolescence, a critical period for the development of mood disorders. In this study we compared two established, selectively-bred Sprague Dawley rat lines, the "internalizing" bred Low Responder (bLR) line versus the "externalizing" bred High Responder (bHR) line, to investigate how genetic temperament and adolescent environment impact future responses to social interactions and psychosocial stress, and how these determinants of stress response interact. Animals were exposed to social and environmental enrichment in adolescence prior to experiencing social defeat and were then assessed for social interaction and anxiety-like behavior. Adolescent enrichment caused bLR rats to display less social avoidance, more social interaction, less submission during defeat, and resilience to the prolonged effects of social stress on corticosterone, while enrichment caused bHR animals to show greater aggression during defeat and during a neutral social encounter, and decreased anxiety-like behavior. To gain insight into the development of social resilience in the anxious phenotype bLRs, RNA-seq was conducted on the hippocampus and nucleus accumbens, two brain regions that mediate stress regulation and social behavior. Gene sets previously associated with stress, social behavior, aggression and exploratory activity were enriched with differential expression in both regions, with a particularly large effect on gene sets that regulate social behaviors. These findings provide further evidence that adolescent enrichment can serve as an inoculating experience against future stressors. The ability to induce social resilience in a usually anxious line of animals by manipulating their environment has translational implications, as it underscores the feasibility of intervention strategies targeted at genetically vulnerable adolescent populations.

Background For over 16 years, we have selectively bred rats to show either high or low levels of exploratory activity within a novel environment. These “bred High Responder” (bHR) and “bred Low Responder” (bLR) rats serve as a model for temperamental extremes, exhibiting large differences in many internalizing and externalizing behaviors relevant to mood and substance abuse disorders.Methods Our study elucidated persistent differences in gene expression related to bHR/bLR phenotype across development and adulthood in the hippocampus, a region critical for emotional regulation. We meta-analyzed eight transcriptional profiling datasets (microarray, RNA-Seq) spanning 43 generations of selective breeding (adult: n =46, P7: n =22, P14: n =49, P21: n =21; all male). We cross-referenced these results with exome sequencing performed on our colony to pinpoint candidates likely to mediate the effect of selective breeding on behavioral phenotype.Results Genetic and transcriptional profiling results converged to implicate two genes with previous associations with metabolism and mood: Thyrotropin releasing hormone receptor and Uncoupling protein 2. Our results also highlighted bHR/bLR functional differences in the hippocampus, including a network essential for neurodevelopmental programming, proliferation, and differentiation, containing hub genes Bone morphogenetic protein 4 and Marker of proliferation ki-67. Finally, we observed differential expression related to microglial activation, which is important for synaptic pruning, including two genes within implicated chromosomal regions: Complement C1q A chain and Milk fat globule-EGF factor 8.Conclusion These candidate genes and functional pathways have the capability to direct bHR/bLR rats along divergent developmental trajectories and promote a widely different reactivity to the environment.

A major challenge for depression research is understanding the delicate balance of neuronal and glial systems regulating emotion. This presentation outlines several lines of evidence suggesting that glia play critical roles in affective vulnerability and temperament.

Abstract Microglia are known to play critical roles in healthy brain development and function, as well as the neuropathology underlying a range of brain diseases. Despite the growing evidence for a role for microglia in affective regulation and mood disorders, relatively little is known regarding how variation in microglia status relates to individual differences in emotionality. Using a selective breeding model based on locomotor response to novelty, we have generated rat lines with unique temperamental phenotypes that reflect broad emotional traits: low responder rats (bLRs) are novelty-averse and model a passive coping style, whereas high responder rats (bHRs) are highly exploratory and model an active coping style. To identify a possible functional role of microglia in these phenotypes, we administered minocycline, an antibiotic with potent microglia inhibiting properties. We found changes in emotional and social behaviors in bLRs, with no discernable effects in bHRs. Using detailed anatomical analyses, we went on to explore the nature of baseline differences in hippocampal microglia populations associated with the divergent temperaments. Interestingly, we found that although bHRs and bLRs had comparable total numbers of hippocampal microglia, selective breeding was associated with a shift in the morphological features of these cells. Specifically, microglia from bLRs were characterized by a hyper-ramified morphology, with longer processes and more complicated branching patterns than microglia from bHRs. This morphology is thought to reflect an early stage of microglia activation and suggests that microglia from bLRs may be in a reactive state even when animals are not overtly stressed or challenged. Taken together, our results provide novel evidence linking variation in inborn temperament with differences in the baseline morphological status of microglia cells and highlight the importance of considering the role of microglia not only in acute responses to stress but also in shaping enduring characteristics of emotionality.