Abstract Background Mutations in the X-linked gene cyclin-dependent kinase-like 5 ( CDKL5 ) cause a severe neurological disorder characterised by early-onset epileptic seizures, autism and intellectual disability (ID). Impaired hippocampal function has been implicated in other models of monogenic forms of autism spectrum disorders and ID and is often linked to epilepsy and behavioural abnormalities. Many individuals with CDKL5 deficiency disorder (CDD) have null mutations and complete loss of CDKL5 protein, therefore in the current study we used a Cdkl5 −/y rat model to elucidate the impact of CDKL5 loss on cellular excitability and synaptic function of CA1 pyramidal cells (PCs). We hypothesised abnormal pre and/or post synaptic function and plasticity would be observed in the hippocampus of Cdkl5 −/y rats. Methods To allow cross-species comparisons of phenotypes associated with the loss of CDKL5, we generated a loss of function mutation in exon 8 of the rat Cdkl5 gene and assessed the impact of the loss of CDLK5 using a combination of extracellular and whole-cell electrophysiological recordings, biochemistry, and histology. Results Our results indicate that CA1 hippocampal long-term potentiation (LTP) is enhanced in slices prepared from juvenile, but not adult, Cdkl5 −/y rats. Enhanced LTP does not result from changes in NMDA receptor function or subunit expression as these remain unaltered throughout development. Furthermore, Ca 2+ permeable AMPA receptor mediated currents are unchanged in Cdkl5 −/y rats. We observe reduced mEPSC frequency accompanied by increased spine density in basal dendrites of CA1 PCs, however we find no evidence supporting an increase in silent synapses when assessed using a minimal stimulation protocol in slices. Additionally, we found no change in paired-pulse ratio, consistent with normal release probability at Schaffer collateral to CA1 PC synapses. Conclusions Our data indicate a role for CDKL5 in hippocampal synaptic function and raise the possibility that altered intracellular signalling rather than synaptic deficits contribute to the altered plasticity. Limitations This study has focussed on the electrophysiological and anatomical properties of hippocampal CA1 PCs across early postnatal development. Studies involving other brain regions, older animals and behavioural phenotypes associated with the loss of CDKL5 are needed to understand the pathophysiology of CDD.

Abstract Pathogenic mutations in GRIN2B are an important cause of severe neurodevelopmental disorders resulting in epilepsy, autism and intellectual disability. GRIN2B encodes the GluN2B subunit of N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs), which are ionotropic glutamate receptors critical for normal development of the nervous system and synaptic plasticity. Here, we characterized a novel GRIN2B heterozygous knockout rat model with 24-hour EEG recordings. We found rats heterozygous for the deletion ( Grin2b +/- ) had a higher incidence of spontaneous absence seizures than wild-type rats ( Grin2b +/+ ). Spike and wave discharges, the electrographic correlate of absences seizures, were longer in duration and displayed increased higher overall spectral power in Grin2b +/- animals than those in Grin2b +/+ . Heterozygous mutant rats also had abnormal sleep-wake brain state dynamics over the circadian cycle. Specifically, we identified a reduction in total rapid eye movement sleep and, altered distributions of non-rapid eye movement sleep and wake epochs, when compared to controls. This was accompanied by an increase in overall spectral power during non-rapid eye movement sleep in Grin2b +/- . The sleep-wake phenotypes were largely uncorrelated to the incidence of spike and wave discharges. We then tested the antiseizure efficacy of ethosuximide, a T-type voltage-gated calcium channel blocker used in the treatment of absence seizures, and memantine, a noncompetitive NMDAR antagonist currently explored as a mono or adjunctive treatment option in NMDAR related neurodevelopmental disorders. Ethosuximide reduced the number and duration of spike and wave discharges, while memantine did not affect the number of spike and wave discharges but reduced their duration. These results highlight two potential therapeutic options for GRIN2B related epilepsy. Our data shows the new rat GRIN2B haploinsufficiency model exhibits clinically relevant phenotypes. As such, it could prove crucial in deciphering underlying pathological mechanisms and developing new therapeutically translatable strategies for GRIN2B neurodevelopmental disorders.

Abstract Pathogenic variants in SYNGAP1 are one of the most common genetic causes of nonsyndromic intellectual disability (ID) and are considered a risk for autism spectrum disorder (ASD). SYNGAP1 encodes a syn aptic G TPase a ctivating p rotein that modulates the intrinsic GTPase activity of several small G-proteins and is implicated in regulating the composition of the postsynaptic density. By targeting the deletion of exons encoding the calcium/lipid binding (C2) and G TPase a ctivating p rotein (GAP) domains, we generated a novel rat model to study SYNGAP related pathophysiology. We find that rats heterozygous for the C2/GAP domain deletion ( Syngap +/Δ-GAP ) exhibit reduced exploration and fear extinction, altered social behaviour, and spontaneous seizures, while homozygous mutants die within days after birth. This new rat model reveals that the enzymatic domains of SYNGAP are essential for normal brain function and provide an important new model system in the study of both ID/ASD and epilepsy.

Cellular and circuit hyperexcitability are core features of Fragile X Syndrome and related autism spectrum disorder models. However, a synaptic basis for this hyperexcitability has proved elusive. We show in a mouse model of Fragile X Syndrome, glutamate uncaging onto individual dendritic spines yields stronger single-spine excitation than wild-type, with more silent spines. Furthermore, near-simultaneous uncaging at multiple spines revealed fewer spines are required to trigger an action potential. This arose, in part, from increased dendritic gain due to increased intrinsic excitability, resulting from reduced hyperpolarization-activated currents. Super-resolution microscopy revealed no change in dendritic spine morphology, pointing to an absence of a structure-function relationship. However, ultrastructural analysis revealed a 3-fold increase in multiply-innervated spines, accounting for the increased single-spine excitatory currents following glutamate uncaging. Thus, loss of FMRP causes abnormal synaptogenesis, leading to large numbers of poly-synaptic spines despite normal spine morphology, thus explaining the synaptic perturbations underlying circuit hyperexcitability.

Abstract Mutations in the SYNGAP1 gene are one of the common predictors of neurodevelopmental disorders, commonly resulting in individuals developing autism, intellectual disability, epilepsy, and sleep deficits. EEG recordings in neurodevelopmental disorders show potential to identify clinically translatable biomarkers to both diagnose and track the progress of novel therapeutic strategies, as well as providing insight into underlying pathological mechanisms. In a rat model of SYNGAP1 haploinsufficiency in which the exons encoding the calcium/lipid binding and GTPase activating protein (GAP) domains have been deleted ( Syngap +/ Δ-GAP ) we analysed the duration and occurrence of wake, non rapid eye movement (NREM) and rapid eye movement (REM) brain states during 6 hour multi-electrode EEG recordings. We find that although Syngap +/ Δ-GAP animals spend an equivalent percent time in wake and sleep states, they have an abnormal brain state distribution as the number of wake and NREM bouts are reduced and there is an increase in the average duration of both wake and NREM epochs. We perform connectivity analysis by calculating the average imaginary coherence between electrode pairs at varying distance thresholds during these states. In group averages from pairs of electrodes at short distances from each other, a clear reduction in connectivity during NREM is present between 11.5 Hz and 29.5 Hz, a frequency range that overlaps with sleep spindles, oscillatory phenomena thought to be important for normal brain function and memory consolidation. Sleep spindles occurrence, amplitude, power and spread across multiple electrodes were not reduced in Syngap +/ Δ-GAP rats, with only a small decrease in duration detected. Nonetheless, by analysing the dynamic imaginary coherence during sleep spindles, we found a reduction in high connectivity instances between short-distance electrode pairs. Finally, by comparing the dynamic imaginary coherence during sleep spindles between individual electrode pairs, we identified a group of channels over the right somatosensory, association and visual cortices that have a significant reduction in connectivity during sleep spindles in mutant animals. These data suggest that Syngap +/ Δ-GAP rats have altered brain state dynamics and EEG connectivity, which may have clinical relevance for SYNGAP haploinsufficiency in humans.

Abstract Task-free functional connectivity in animal models provides an experimental framework to examine connectivity phenomena under controlled conditions and allows comparison with invasive or terminal procedures. To date, animal acquisitions are performed with varying protocols and analyses that hamper result comparison and integration. We introduce StandardRat , a consensus rat functional MRI acquisition protocol tested across 20 centers. To develop this protocol with optimized acquisition and processing parameters, we initially aggregated 65 functional imaging datasets acquired in rats from 46 centers. We developed a reproducible pipeline for the analysis of rat data acquired with diverse protocols and determined experimental and processing parameters associated with a more robust functional connectivity detection. We show that the standardized protocol enhances biologically plausible functional connectivity patterns, relative to pre-existing acquisitions. The protocol and processing pipeline described here are openly shared with the neuroimaging community to promote interoperability and cooperation towards tackling the most important challenges in neuroscience.

Abstract Undiagnosed neurodevelopmental disease is significantly associated with rare variants in cis -regulatory elements (CRE) but demonstrating causality is challenging as target gene consequences may differ from a causative variant affecting the coding region. Here, we address this challenge by applying a procedure to discriminate likely diagnostic regulatory variants from those of neutral/low-penetrant effect. We identified six rare CRE variants using targeted and whole genome sequencing in 48 unrelated males with apparent X-linked intellectual disability (XLID) but without detectable coding region variants. These variants segregated appropriately in families and altered conserved bases in predicted CRE targeting known XLID genes. Three were unique and three were rare but too common to be plausibly causative for XLID. We compared the cis -regulatory activity of wild-type and mutant alleles in zebrafish embryos using dual-color fluorescent reporters. Two variants showed striking changes: one plausibly causative ( FMR1 CRE ) and the other likely neutral/low-penetrant ( TENM1 CRE ). These variants were “knocked-in” to mice and both altered embryonic neural expression of their target gene. Only Fmr1 CRE mice showed disease-relevant behavioral defects. FMR1 CRE is plausibly disease-associated resulting in complex misregulation of Fmr1 /FMRP rather than loss-of-function. This is consistent both with absence of Fragile X syndrome in the probands and the observed electrophysiological anomalies in the FMR1 CRE mouse brain. Although disruption of in vivo patterns of endogenous gene expression in disease-relevant tissues by CRE variants cannot be used as strong evidence for Mendelian disease association, in conjunction with extreme rarity in human populations and with relevant knock-in mouse phenotypes, such variants can become likely pathogenic.

Summary Mutations in the postsynaptic transmembrane protein neuroligin-3 are highly correlative with autism spectrum disorders (ASDs) and intellectual disabilities (IDs). Fear learning is well studied in models of these disorders, however differences in fear response behaviours are often overlooked. Whilst examining fear in a rat model of ASD/ID lacking Nlgn3 , we observed that they display a greater propensity to exhibit flight responses in contrast to classic freezing seen in wildtypes during fearful situations. Consequently, we examined the physiological underpinnings of this in neurons of the periaqueductal grey (PAG), a midbrain area involved in flight-or-freeze responses. In ex vivo slices from Nlgn3 -/y , rats, dorsal PAG (dPAG) neurons showed intrinsic hyperexcitability. Further analysis of this revealed lower magnitude in vivo dPAG stimulation evoked flight behaviour in Nlgn3 -/y , rats, indicating the functional impact of the increased cellular excitability. This study provides new insight into potential pathophysiologies leading to emotional disorders in individuals with ASD.

ABSTRACT Autism spectrum condition or ‘autism’ is associated with numerous monogenic and polygenic genetic risk factors including the polygenic 16p11.2 microdeletion. A central question is what neural cells are affected. To systematically investigate we analysed single cell transcriptomes from gestational week (GW) 8-26 human foetal prefrontal cortex and identified a subset of interneurons (INs) first appearing at GW23 with enriched expression of a disproportionately large fraction of risk factor transcripts. This suggests the hypothesis that these INs are disproportionately vulnerable to mutations causing autism. We investigated this in a rat model of the 16p11.2 microdeletion. We found no change in the numbers or position of either excitatory or inhibitory neurons in the somatosensory cortex or CA1 of 16p11.2 +/- rats but found that CA1 Sst INs were hyperexcitable with an enlarged axon initial segment, which was not the case for CA1 pyramidal cells. This study prompts deeper investigation of IN development as a convergent target for autism genetic risk factors.

A key step in understanding the results of biological experiments is visualization of the data. Many laboratory experiments contain a range of measurements that exist within a hierarchy of interdependence. An automated way to visualise and interrogate experimental data would: 1) lead to improved understanding of the results, 2) help to determine which statistical tests should be performed, and 3) easily identify outliers and sources of batch effects. Unfortunately, existing graphing solutions often demand expertise in programming, require considerable effort to import and examine such multi-level data, or are unnecessarily complex for the task at hand. Here we present LAB-AID ( Lab oratory A utomated I nterrogation of D ata), a simple tool specifically designed to automatically visualize and query hierarchical data resulting from biological experiments.