Abstract Aim Abnormal tau accumulation plays an important role in tauopathy diseases such as Alzheimer’s disease and Frontotemporal dementia. There is a need for high-resolution imaging of tau deposits at the whole brain scale in animal models. Here, we demonstrate non-invasive whole brain imaging of tau-targeted PBB5 probe in P301L model of 4-repeat tau at 130 μm resolution using volumetric multi-spectral optoacoustic tomography (vMSOT). Methods The binding properties of PBB5 to 4-repeat K18 tau and Aβ 42 fibrils were assessed by using Thioflavin T assay and surface plasmon resonance assay. We identified the probe PBB5 suitable for vMSOT tau imaging. The imaging performance was first evaluated using postmortem human brain tissues from patients with Alzheimer’s disease, corticobasal degeneration and progressive supranuclear palsy. Concurrent vMSOT and epi-fluorescence imaging of in vivo PBB5 targeting ( i . v .) was performed in P301L and wild-type mice. Ex vivo measurements on excised brains along with multiphoton microscopy and immunofluorescence staining of tissue sections were performed for validation. The spectrally-unmixed vMSOT data was registered with MRI atlas for volume-of-interest analysis. Results PBB5 showed specific binding to recombinant K18 tau fibrils, Alzheimer’s disease brain tissue homogenate by competitive binding against [ 11 C]PBB3 and to tau deposits (AT-8 positive) in post-mortem corticobasal degeneration and progressive supranuclear palsy brain. i . v . administration of PBB5 in P301L mice led to retention of the probe in tau-laden cortex and hippocampus in contrast to wild-type animals, as also confirmed by ex vivo vMSOT, epi-fluorescence and multiphoton microscopy results. Conclusion vMSOT with PBB5 facilitates novel 3D whole brain imaging of tau in P301L animal model with high-resolution for future mechanistic studies and monitoring of putative treatments targeting tau.

To interrogate particular neuronal pathways in non-human primates under natural and stress-free conditions, we applied designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs) technology to common marmosets. We injected adeno-associated virus vectors expressing the excitatory DREADD hM3Dq into the unilateral substantia nigra in three marmosets. Using multi-tracer positron emission tomography imaging, we detected DREADD expression in vivo, which was confirmed in nigrostriatal dopamine neurons by immunohisto-chemistry, and assessed activation of the substantia nigra and dopamine release following agonist administration. The marmosets rotated in a contralateral direction relative to the activated side 30–90 min after consuming food containing the highly potent DREADD agonist deschloroclozapine (DCZ), but not on the following days without DCZ. These results indicate that non-invasive and reversible DREADD manipulation will extend the utility of marmoset as a primate model for linking neuronal activity and natural behavior in various contexts.

Abstract To assess if magnetic resonance spectroscopy (MRS)-measured Glutamate (Glu) and GABA reflect excitatory and inhibitory neural activities, respectively, we conducted MRS measurements along with two-photon mesoscopic imaging of calcium signals in excitatory and inhibitory neurons of living, unanesthetized mice. For monitoring stimulus-driven activations of a brain region, MRS signals and mesoscopic neural activities were measured during two consecutive sessions of 15-min prolonged sensory stimulations. In the first session, putative excitatory neuronal activities were increased, while inhibitory neuronal activities remained at the baseline level. In the second half, while excitatory neuronal activities remained elevated, inhibitory neuronal activities were significantly enhanced. We also assessed regional neurochemical and functional statuses related to spontaneous neural firing by measuring MRS signals and neuronal activities in a mouse model of Dravet syndrome under a resting condition. Mesoscopic assessments showed that activities of inhibitory neurons in the cortex were diminished relative to wild-type mice in contrast to spared activities of excitatory neurons. Consistent with these observations, the Dravet model exhibited lower concentrations of GABA than wild-type controls. Collectively, the current investigations demonstrate that the MRS-measured Glu and GABA can reflect spontaneous and stimulated activities of neurons producing and releasing these neurotransmitters in an awake condition.

Abstract Purpose Phosphodiesterase (PDE) 7 is a potential therapeutic target for neurological and inflammatory diseases, although in-vivo visualization of PDE7 has not been successful. In this study, we aimed to develop [ 11 C]MTP38 as a novel positron emission tomography (PET) ligand for PDE7. Methods [ 11 C]MTP38 was radiosynthesized by 11 C-cyanation of a bromo precursor with [ 11 C]HCN. PET scans of rat and rhesus monkey brains and in-vitro autoradiography of brain sections derived from these species were conducted with [ 11 C]MTP38. In monkeys, dynamic PET data were analyzed with an arterial input function to calculate the total distribution volume ( V T ). The non-displaceable binding potential ( BP ND ) in the striatum was also determined by a reference tissue model with cerebellar reference. Finally, striatal occupancy of PDE7 by an inhibitor was calculated in monkeys according to changes in BP ND . Results [ 11 C]MTP38 was synthesized with radiochemical purity ≥ 99.4% and molar activity of 38.6 ± 12.6 GBq/μmol. Autoradiography revealed high radioactivity in the striatum and its reduction by non-radiolabeled ligands, in contrast with unaltered autoradiographic signals in other regions. In-vivo PET after radioligand injection to rats and monkeys demonstrated that radioactivity was rapidly distributed to the brain and intensely accumulated in the striatum relative to the cerebellum. Correspondingly, estimated V T values in the monkey striatum and cerebellum were 3.59 and 2.69 mL/cm 3 , respectively. The cerebellar V T value was unchanged by pretreatment with unlabeled MTP38. Striatal BP ND was reduced in a dose-dependent manner after pretreatment with MTP-X, a PDE7 inhibitor. Relationships between PDE7 occupancy by MTP-X and plasma MTP-X concentration could be described by Hill’s sigmoidal function. Conclusion We have provided the first successful preclinical demonstration of in-vivo PDE7 imaging with a specific PET radioligand. [ 11 C]MTP38 is a feasible radioligand for evaluating PDE7 in the brain and is currently being applied to a first-in-human PET study.

ABSTRACT Anatomical connectome mapping in small areas of the nervous system as well as large-scale detection of neuronal activity patterns have been respectively achieved; however, it is still challenging to evaluate the functional connections among anatomically-connected neurons in a large-scale nervous system. We have developed a novel method to visualize neurotransmission named Split Protein HEmispheres for REconstitution (Sphere). By splitting a sensor into two fragments and expressing them in pre- and postsynaptic neurons separately, functional neurotransmitter sensors can be reconstituted only at the synapses between those neurons. We developed a Sphere-SF-iGluSnFR to measure glutamate levels, and further demonstrated that this system is functional in cultured cells, worms, and mouse brains. Moreover, this system is applicable to sensors other than glutamate, and colour variants have also been developed. This could allow for brain-wide imaging of functional synaptic transmission among particular neurons and identification of important neuronal circuits in the nervous system.

Abstract INTRODUCTION Tau‐positron emission tomography (PET) outcome data of patients with Alzheimer's disease (AD) cannot currently be meaningfully compared or combined when different tracers are used due to differences in tracer properties, instrumentation, and methods of analysis. METHODS Using head‐to‐head data from five cohorts with tau PET radiotracers designed to target tau deposition in AD, we tested a joint propagation model (JPM) to harmonize quantification (units termed “CenTauR” [CTR]). JPM is a statistical model that simultaneously models the relationships between head‐to‐head and anchor point data. JPM was compared to a linear regression approach analogous to the one used in the amyloid PET Centiloid scale. RESULTS A strong linear relationship was observed between CTR values across brain regions. Using the JPM approach, CTR estimates were similar to, but more accurate than, those derived using the linear regression approach. DISCUSSION Preliminary findings using the JPM support the development and adoption of a universal scale for tau‐PET quantification. Highlights Tested a novel joint propagation model (JPM) to harmonize quantification of tau PET. Units of common scale are termed “CenTauRs”. Tested a Centiloid‐like linear regression approach. Using five cohorts with head‐to‐head tau PET, JPM outperformed linearregressionbased approach. Strong linear relationship was observed between CenTauRs values across brain regions.

Positron Emission Tomography (PET) allows biomolecular tracking, while PET monitoring of brain networks has been hampered by the lack of a suitable reporter. Here, we describe in-vivo brain reporters utilizing bacterial dihydrofolate reductase, ecDHFR, and its antagonist, TMP. In mice, peripheral administration of radiofluorinated and fluorescent TMP analogs enabled PET and intravital microscopy, respectively, of neuronal ecDHFR expressions. This technique was applicable to the visualization of chemogenetically provoked neuronal ensemble activities in the hippocampus. Notably, ecDHFR-PET captured neuronal projections in non-human primate brains, indicating the availability of ecDHFR-based techniques for network monitoring. Finally, we demonstrated PET assays of turnover and self-assembly of proteins tagged with ecDHFR mutants. Collectively, the current reporter technology offers diverse in-vivo molecular analyses of a brain circuit.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract The amyloid β peptide (Aβ) starting with pyroglutamate (pE) at position 3 and ending at position 42 (Aβ3pE-42) is a dominant species that accumulates in the Alzheimer’s disease (AD) brain. Consistently, a therapeutic antibody raised against this species, donanemab, has been shown to be effective in recent clinical trials. While the primary Aβ species produced physiologically is Aβ1-40/42, an explanation for how and why this physiological Aβ is converted to the pathological form has remained elusive. The conversion of Aβ1-42 to Aβ3pE-42 is likely to take place after deposition of Aβ1-42 given that Aβ3pE-42 plaques arise significantly later than Aβ1-42 deposition in the brains of single App knock-in and APP-transgenic mice. Here, we present experimental evidence that accounts for the aging-associated Aβ3pE-42 deposition: [1] Aβ3pE-42 is metabolically more stable than other AβX-42 species; [2] Deficiency of neprilysin (NEP), the major Aβ-degrading enzyme, induces a relatively selective deposition of Aβ3pE-42 in APP-Tg mice. [3] Aβ3pE-42 deposition always colocalizes with cored plaques in both APP-Tg and App knock-in mouse brains; [4] Aβ3E-42, an immediate precursor of Aβ3pE-42, as well as Aβ2A-42 and Aβ4F-42 are more short-lived than Aβ1-42 in vivo , indicating that simple N-terminal truncation that can arise enzymatically or spontaneously makes AβX-42 easier to catabolize. Consistently, newly generated knock-in mice, App NL-(ΔDA)-F and App NL-(ΔDA)-Q-F , showed no detectable Aβ pathology even after aging, indicating that the Aβ3E-42 and Aβ3Q-42 species are extremely labile to the in vivo catabolic system and that the E/Q cyclase activity present in mouse brain is insufficient for Aβ3pE-42 generation. In addition, a deficiency of NEP facilitated Aβ3pE-42 deposition. Of note, we identified a trace amount of Aβ3pE-42 and its immediate precursor, Aβ3E-42, in the insoluble fraction of NEP-deficient APP-Tg mouse brains. Aβ3pE-42 is thus likely to be a probabilistic by-product of Aβ1-42 metabolism that selectively accumulates over a long-time range of brain aging. It is likely produced in the solid state or at the solid-liquid interface. Our findings suggest that anti-Aβ therapies will probably be most effective if given before Aβ3pE-42 deposition takes place.

Nonhuman primates (NHPs) exhibit complex and diverse behavior that typifies advanced cognitive function and social communication, but quantitative and systematical measure of this natural nonverbal processing has been a technical challenge. Specifically, a method is required to automatically segment time series of behavior into elemental motion motifs, much like finding meaningful words in character strings. Here, we propose a solution called SyntacticMotionParser (SMP), a general-purpose unsupervised behavior parsing algorithm using a non-parametric Bayesian model. Using three-dimensional posture-tracking data from NHPs, SMP automatically outputs an optimized sequence of latent motion motifs classified into the most likely number of states. When applied to behavioral datasets from common marmosets and rhesus monkeys, SMP outperformed conventional posture-clustering models and detected a set of behavioral ethograms from publicly available data. SMP also quantified and visualized the behavioral effects of chemogenetic neural manipulations. SMP thus has the potential to dramatically improve our understanding of natural NHP behavior in a variety of contexts.

Abstract In evaluating the personality attributes and performance of the self, people are inclined to view themselves superior to others, a phenomenon known as superiority illusion (SI). This illusive outlook pervades people’s thoughts, creating hope for the future and promoting mental health. Although a specific cortico-striatal functional connectivity (FC) under dopaminergic modulation was previously shown to be implicated in SI, the underlying whole-brain mechanisms have remained unclarified. Herein, to reveal the neural network subserving individual’s SI, we conducted a data-driven, machine-learning investigation to explore the resting-state FC network across the whole brain. Using the locally-acquired resting-state functional magnetic resonance imaging data ( n = 123), we identified a set of 15 FCs most informative in classifying individuals with higher-versus lower-than-average levels of SI in evaluating positive trait words (area under the curve [AUC] = 0.81). Among the 15 FCs, the contribution level to the classification was 11% by the previously-highlighted cortico-striatal FC alone, but 60% by the encompassing cortico-limbico-striatal network cluster. A newly-identified, cortico-thalamic FC and another FC cluster also demonstrated substantial contribution. The classification accuracy was generalized into an independent cohort ( n = 36; AUC = 0.73). Importantly, using the same set of 15 FCs, we achieved prediction on an individual’s level of striatal dopamine D 2 receptor availability (Pearson correlation, r = 0.46, P = 0.005). This is the first successful identification of the whole-brain neural network that simultaneously predicts the behavioral manifestation and molecular underpinning of an essential psychological process that promotes well-being and mental health. Significance Statement Superiority illusion (SI) is a basic self-referential framework that pervades people’s thoughts and promotes well-being and mental health. An aberrant form of SI has been reported in psychiatric conditions such as depression. Our hypothesis-free, data-driven investigation revealed the spatially-distributed neural network that for the first time achieved prediction on an individual’s levels of SI and the striatal dopaminergic transmission simultaneously. In principle, this multiple-biological-layer framework can be applicable to any behavioral trait to establish a link with its underlying neural network and neurochemical properties, which could quantitatively present the relation of its aberrant form with the pathophysiology of neuropsychiatric disorders. Future clinical research may aid in deriving a diagnostic biomarker for examining the related behavioral and neurochemical characteristics within individuals.