Abstract Cholinergic drugs acting at M1/M4 muscarinic receptors hold promise for the treatment of symptoms associated with brain disorders characterized by cognitive impairment, mood disturbances or psychosis, such as Alzheimer’s disease or schizophrenia. However, the brain-wide functional substrates engaged by muscarinic agonists remain poorly understood. Here we used a combination of pharmacological fMRI (phMRI), resting-state fMRI (rsfMRI) and resting-state quantitative EEG (qEEG) to investigate the effects of a behaviorally-active dose of M1/M4 agonist xanomeline on brain functional activity in the rodent brain. We investigated both the effects of xanomeline per se and its modulatory effects on signals elicited by the NMDA-receptor antagonists phencyclidine (PCP) and ketamine. We found that xanomeline induces robust and widespread BOLD signal phMRI amplitude increases and decreased high frequency qEEG spectral activity. rsfMRI mapping in the mouse revealed that xanomeline robustly decreased neocortical and striatal connectivity but induces focal increases in functional connectivity within the nucleus accumbens and basal forebrain. Notably, xanomeline pre-administration robustly attenuated both the cortico-limbic phMRI response and the fronto-hippocampal hyper-connectivity induced by PCP, enhanced PCP-modulated functional connectivity locally within the nucleus accumbens and basal forebrain, and reversed the gamma and high frequency qEEG power increases induced by ketamine. Collectively, these results show that xanomeline robustly induces both cholinergic-like neocortical activation and desynchronization of functional networks in the mammalian brain. These effects could serve as a translatable biomarker for future clinical investigations of muscarinic agents, and bear mechanistic relevance for the putative therapeutic effect of these class of compounds in brain disorders.

Abstract Chromosome 22q11.2 deletion is among the strongest known genetic risk factors for neuropsychiatric disorders, including autism and schizophrenia. Brain imaging studies have reported disrupted large-scale functional connectivity in people with 22q11 deletion syndrome (22q11DS). However, the significance and biological determinants of these functional alterations remain unclear. Here, we use a cross-species design to investigate the developmental trajectory and neural underpinnings of brain dysconnectivity in 22q11DS. We find that LgDel mice, an established mouse model of 22q11DS, exhibit age-specific patterns of functional MRI (fMRI) dysconnectivity, with widespread fMRI hyper-connectivity in juvenile mice reverting to focal hippocampal hypoconnectivity over puberty. These fMRI connectivity alterations are mirrored by co-occurring developmental alterations in dendritic spine density, and are both transiently normalized by developmental GSK3β inhibition, suggesting a synaptic origin for this phenomenon. Notably, analogous hyper-to hypoconnectivity reconfiguration occurs also in human 22q11DS, where it affects hippocampal and cortical regions spatially enriched for synaptic genes that interact with GSK3β, and autism-relevant transcripts. Functional dysconnectivity in somatomotor components of this network is predictive of age-dependent social alterations in 22q11.2 deletion carriers. Taken together, these findings suggest that synaptic-related mechanisms underlie developmentally mediated functional dysconnectivity in 22q11DS.

Abstract Many neurodevelopmental conditions, including autism, affect males more than females. Genomic mechanisms enhancing risk in males may contribute to this sex-bias. The ubiquitin protein ligase E3A gene ( Ube3a ) exerts pleiotropic effects on cellular homeostasis via control of protein turnover and by acting as transcriptional coactivator with steroid hormone receptors. Overdosage of Ube3a via duplication or triplication of chromosomal region 15q11-13 causes 1-2% of autistic cases. Here, we test the hypothesis that increased dosage of Ube3a may influence autism-relevant phenotypes in a sex-biased manner. We report robust sex-biasing effects on brain connectomics and repetitive behaviors in mice with extra copies of Ube3a. These effects were associated with a profound transcriptional dysregulation of several known autism-associated genes (e.g., FMR1, SCN2A, PTEN, MEF2C, SHANK3, TSC2) as well as differentially-expressed genes identified in human 15q duplication and in autistic patients. Notably, increased Ube3a dosage also affects multiple sex-relevant mechanisms, including genes on the X chromosome, genes influenced by sex steroid hormones, downstream targets of the androgen and estrogen receptors, or genes that are sex-differentially regulated by transcription factors. These results suggest that Ube3a overdosage can critically contribute to sex-bias in neurodevelopmental conditions via influence on sex-differential mechanisms.

Genomic mechanisms enhancing risk in males may contribute to sex bias in autism. The ubiquitin protein ligase E3A gene ( Ube3a ) affects cellular homeostasis via control of protein turnover and by acting as transcriptional coactivator with steroid hormone receptors. Overdosage of Ube3a via duplication or triplication of chromosomal region 15q11-13 causes 1 to 2% of autistic cases. Here, we test the hypothesis that increased dosage of Ube3a may influence autism-relevant phenotypes in a sex-biased manner. We show that mice with extra copies of Ube3a exhibit sex-biasing effects on brain connectomics and autism-relevant behaviors. These effects are associated with transcriptional dysregulation of autism-associated genes, as well as genes differentially expressed in 15q duplication and in autistic people. Increased Ube3a dosage also affects expression of genes on the X chromosome, genes influenced by sex steroid hormone, and genes sex-differentially regulated by transcription factors. These results suggest that Ube3a overdosage can contribute to sex bias in neurodevelopmental conditions via influence on sex-differential mechanisms.

Central release of the neuropeptide oxytocin (OXT) modulates neural substrates involved in socio-affective behavior. This property has prompted research into the use of intranasal OXT administration as an adjunctive therapy for brain conditions characterized by social impairment, such as autism spectrum disorders (ASD). However, the neural circuitry and brain-wide functional networks recruited by intranasal OXT administration remain elusive. Moreover, little is known of the neuroadaptive cascade triggered by long-term administration of this peptide at the network level. To address these questions, we applied fMRI-based circuit mapping in adult mice upon acute and repeated (seven-day) intranasal dosing of OXT. We report that acute and chronic OXT administration elicit comparable fMRI activity as assessed with cerebral blood volume mapping, but entail largely different patterns of brain-wide functional connectivity. Specifically, acute OXT administration focally boosted connectivity within key limbic components of the rodent social brain, whereas repeated dosing led to a prominent and widespread increase in functional connectivity, involving a strong coupling between the amygdala and extended cortical territories. Importantly, this connectional reconfiguration was accompanied by a paradoxical reduction in social interaction and communication in wild-type mice. Our results identify the network substrates engaged by exogenous OXT administration, and show that repeated OXT dosing leads to a substantial reconfiguration of brain-wide connectivity, entailing an aberrant functional coupling between cortico-limbic structures involved in socio-communicative and affective functions. Such divergent patterns of network connectivity might contribute to discrepant clinical findings involving acute or long-term OXT dosing in clinical populations.

Creatine Transporter Deficiency (CTD) is an X-linked disease due to the loss of SLC6A8 gene and presenting with low brain creatine, intellectual disability, autistic-like behavior and seizures. No treatments are available yet for CTD, and little is known about the brain circuit alterations underlying its pathological endophenotypes. Here, we tracked brain network and behavioral dysfunction in a murine model of CTD at two stages of disease progression. fMRI mapping revealed widespread disruption of brain connectivity in Slc6a8-KO mutants, with prominent somato-motor dysconnectivity in juvenile mice, and weaker and more focal cortical and subcortical hypoconnectivity in adults. Notably, perinatal AAV-mediated expression of human SLC6A8 in Slc6a8-KO mutants significantly rescued juvenile fMRI hypoconnectivity. This effect was paralleled by a regression of translationally relevant phenotypes, including a reduction in stereotyped movements and increased body weight which persisted into adulthood. Cognitive deficits and residual fMRI hypoconnectivity in adult mice were instead not reverted by gene therapy. Finally, multivariate modeling in adult mice revealed a basal forebrain network whose activity was associated with behavioral performance, and modulated by brain creatine levels. This brain-behavior relationship was disrupted in Slc6a8-KO mutants. Our results document robust network disruption in CTD and demonstrate that CTD pathology can be partially reversed by perinatal genetic expression of SLC6A8, thus laying the basis for the development of experimental therapies for this genetic disorder.