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 The frontal pole (Brodmann area 10, BA10) is the largest cytoarchitectonic region of the human cortex, performing complex integrative functions. BA10 undergoes intensive adolescent grey matter pruning prior to the age of onset for bipolar disorder (BP) and schizophrenia (SCHIZ), and its dysfunction is likely to underly aspects of their shared symptomology. In this study, we investigated the role of BA10 neurotransmission-related gene expression in BP and SCHIZ. We performed qPCR to measure the expression of 115 neurotransmission-related targets in control, BP, and SCHIZ postmortem samples ( n = 72). We chose this method for its high sensitivity to detect low-level expression. We then strengthened our findings by performing a meta-analysis of publicly released BA10 microarray data ( n = 101) and identified sources of convergence with our qPCR results. To improve interpretation, we leveraged the unusually large database of clinical metadata accompanying our samples to explore the relationship between BA10 gene expression, therapeutics, substances of abuse, and symptom profiles, and validated these findings with publicly available datasets. Using these convergent sources of evidence, we identified 20 neurotransmission-related genes that were differentially expressed in BP and SCHIZ in BA10. These results included a large diagnosis-related decrease in two important therapeutic targets with low levels of expression, HTR2B and DRD4, as well as other findings related to dopaminergic, GABAergic and astrocytic function. We also observed that therapeutics may produce a differential expression that opposes diagnosis effects. In contrast, substances of abuse showed similar effects on BA10 gene expression as BP and SCHIZ, potentially amplifying diagnosis-related dysregulation.

DATA ABSTRACT: 
 Brodmann Area 10 (BA10) is the largest cytoarchitectonic region of the human cortex, performing complex integrative functions. BA10 undergoes intensive adolescent grey matter pruning around the average age of onset for Bipolar disorder (BP) and Schizophrenia (SCHIZ), and its dysfunction is likely to underly aspects of their shared symptomology. In this study, we investigated the role of BA10 neurotransmission-related gene expression in BP and SCHIZ. We performed qPCR to measure the expression of 115 neurotransmission-related targets in control, BP, and SCHIZ post-mortem samples (n=72). We chose this method for its high sensitivity to detect low-level expression. To improve interpretation, we compiled an unusually large database of clinical metadata for our samples. We used this data to explore the relationship between BA10 gene expression, therapeutics, substances of abuse, and symptom profiles, and validated these findings with publicly-available datasets. 
 DATA FILES: 
 1)"TableS1_AllSampleDemographics_wExploratory_ForFigShare.xlsx": Contains the metadata for the samples for all subjects ("Subject ID"), including demographics, clinical characteristics, pre- and post-mortem factors, and technical information. 
 2)"Concatenated_GabaGlu_ForFigShare.csv" and "Concatenated_DA5HT_ForFigShare.csv": The qPCR output for the experiment focused on targets related to the GABA and glutamate ("GabaGlu") neurotransmitter systems and Dopamine and Serotonin ("DA5HT") neurotransmitter systems. The samples for all subjects ("Subject ID") were run in either duplicate or quadruplicate. 
 RELEVANT METHODS: 
 This research was overseen and approved by the University of Michigan Institutional Review Board, Pritzker Neuropsychiatric Disorders Research Consortium, and the University of California Irvine Institutional Review Board. Key Resources (Table S1) and full methodological details are documented in the supplement. 
 Human samples were collected through the University of California-Irvine Pritzker Brain Donor Program with informed consent from next of kin (n=72, CTRL: n=27, BPD: n=21, SCHIZ: n=24; Table S2, Fig S1). A detailed psychological autopsy was performed using coroner records, medical records, and interviews with next-of-kin (Appendix 1). This information was used to confirm BP and SCHIZ diagnosis, and ensure absence of neurological or psychiatric disorder in CTRL subjects or their first-degree relatives. Other clinical information was summarized as 49 exploratory variables (Fig S2) denoting the presence or absence of 1) medication, 2) exposure to alcohol or drugs of abuse, and 3) diagnosis-related symptoms. 
 Brains were extracted during autopsy and kept on ice until being sliced into 1 cm thick coronal slabs, then snap-frozen for storage (-80℃) until microdissection. After counterbalancing processing batches by diagnosis, samples were blinded, and the foremost rostral slab from the left hemisphere was sub-dissected to obtain blocks averaging 500 µg containing lateral BA10 (Fig S3), a subregion implicated in SCHIZ. RNA was extracted using TRIzol™ and purified (RNeasy® Mini Kit). cDNA was synthesized (iScript Reverse Transcription Supermix kit) and analyzed in duplicate via qPCR (Applied Biosystems ViiA 7 real time PCR system) using two sets of ThermoFisher Scientific Taqman Gene Expression Array qPCR cards: 1) “Human GABA Glutamate” (REF#4342259): 84 targets (12 reference genes), 2) “Dopamine Serotonin” (REF#4342253): 31 targets (17 reference genes) (Table S3). These cards were preloaded with a complete list of targets for the main neurotransmitter systems in the frontal cortex: glutamate, GABA, dopamine, and serotonin, including receptors, transporters, metabolic enzymes, and other associated molecules. The cards were further customized to include several well-known markers for interneuron subtypes (SST, PVALB, CALB1) and astrocytes (AQP4, GJA1, GFAP, KCNJ10, S100B) to enhance the interpretation of neurotransmission-related data. Prior to differential expression analysis, the qPCR quantification cycle (Cq) data for targets was normalized using the average reference gene expression for each sample to produce -deltaCq values. 
 
 
 

Abstract Brodmann Area 10 (BA10) is the largest cytoarchitectonic region of the human cortex, performing complex integrative functions. BA10 undergoes intensive adolescent grey matter pruning around the average age of onset for Bipolar disorder (BP) and Schizophrenia (SCHIZ), and its dysfunction is likely to underly aspects of their shared symptomology. In this study, we investigated the role of BA10 neurotransmission-related gene expression in BP and SCHIZ. We performed qPCR to measure the expression of 115 neurotransmission-related targets in control, BP, and SCHIZ post-mortem samples ( n =72). We chose this method for its high sensitivity to detect low-level expression. We then bolstered our findings by performing a meta-analysis of publicly-released BA10 microarray data ( n =101) and identified sources of convergence with our qPCR results. To improve interpretation, we compiled an unusually large database of clinical metadata for our samples. We used this data to explore the relationship between BA10 gene expression, therapeutics, substances of abuse, and symptom profiles, and validated these findings with publicly-available datasets. Using these convergent sources of evidence, we identified 20 neurotransmission-related genes that were differentially expressed in BP and SCHIZ in BA10. These results included a large diagnosis-related decrease in two important therapeutic targets with low-levels of expression, HTR2B and DRD4, as well as other findings related to dopaminergic, GABA-ergic and astrocytic function. We also observed that therapeutics may produce differential expression that opposes the effects of diagnosis. In contrast, substances of abuse showed similar effects on BA10 gene expression as BP and SCHIZ, potentially amplifying diagnosis-related dysregulation.

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.