Abstract Human imaging studies have shown that spontaneous brain activity exhibits stereotypic spatiotemporal reorganization in awake, conscious conditions with respect to minimally conscious states. However, whether and how this phenomenon can be generalized to lower mammalian species, remains unclear. Leveraging a robust protocol for resting-state fMRI (rsfMRI) mapping in non-anesthetized, head-fixed mice, we investigated functional network topography and dynamic structure of spontaneous brain activity in wakeful animals. We found that rsfMRI networks in the awake state, while anatomically comparable to those observed under anesthesia, are topologically configured to maximize interregional communication, departing from the underlying community structure of the mouse axonal connectome. We further report that rsfMRI activity in wakeful animals exhibits unique spatiotemporal dynamics characterized by a state-dependent, dominant occurrence of coactivation patterns encompassing a prominent participation of arousal-related forebrain nuclei, and functional anti-coordination between visual-auditory and polymodal cortical areas. We finally show that rsfMRI dynamics in awake mice exhibits a stereotypical temporal structure, in which state-dominant coactivation patterns are configured as network attractors. These findings suggest that spontaneous brain activity in awake mice is critically shaped by state-specific involvement of basal forebrain arousal systems, and document that its dynamic structure recapitulates distinctive, evolutionarily-relevant principles that are predictive of conscious states in higher mammalian species.

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.

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.

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.