Abstract Immunoglobulin G (IgG) autoantibodies reactive to fetal brain proteins in mothers of children with ASD have been described by several groups. To understand their pathologic significance, we developed a mouse model of maternal autoantibody related ASD (MAR-ASD) utilizing the peptide epitopes from human autoantibody reactivity patterns. Male and female offspring prenatally exposed to the salient maternal autoantibodies displayed robust deficits in social interactions and increased repetitive self-grooming behaviors as juveniles and adults. In the present study, neuroanatomical differences in adult MAR-ASD and control offspring were assessed via high-resolution ex vivo magnetic resonance imaging (MRI) at 6 months of age. Of interest, MAR-ASD mice displayed significantly larger total brain volume and of the 159 regions examined, 31 were found to differ significantly in absolute volume (mm 3 ) at an FDR of <5%. Specifically, the absolute volumes of several white matter tracts, cortical regions, and basal nuclei structures were significantly increased in MAR-ASD animals. These phenomena were largely driven by female MAR-ASD offspring, as no significant differences were seen with either absolute or relative regional volume in male MAR-ASD mice. However, structural covariance analysis suggests network-level desynchronization in brain volume in both male and female MAR-ASD mice. Additionally, preliminary correlational analysis with behavioral data relates that volumetric increases in numerous brain regions of MAR-ASD mice were correlated with social interaction and repetitive self-grooming behaviors in a sex-specific manner. These results demonstrate significant sex-specific effects in brain size, regional relationships, and behavior for offspring prenatally exposed to MAR-ASD autoantibodies relative to controls.

Abstract Maternal immune dysregulation is a prenatal risk factor for autism spectrum disorder (ASD). Importantly, a clinically relevant connection exists between inflammation and metabolic stress that can result in aberrant cytokine signaling and autoimmunity. In this study we examined the potential for maternal autoantibodies (aAbs) to disrupt metabolic signaling and induce neuroanatomical changes in the brains of exposed offspring. To accomplish this, we developed a model of maternal aAb exposure in rats based on the clinical phenomenon of maternal autoantibody-related ASD (MAR-ASD). Following confirmation of aAb production in rat dams and antigen-specific immunoglobulin G (IgG) transfer to offspring, we assessed offspring behavior and brain structure longitudinally. MAR-ASD rat offspring displayed a reduction in pup ultrasonic vocalizations and a pronounced deficit in social play behavior when allowed to freely interact with a novel partner. Additionally, longitudinal in vivo structural magnetic resonance imaging (sMRI) at postnatal day 30 (PND30) and PND70, conducted in a separate cohort of animals, revealed sex-specific differences in total and regional brain volume. Treatment-specific effects by region appeared to converge on midbrain and cerebellar structures in MAR-ASD offspring. Simultaneously, in vivo 1 H magnetic resonance spectroscopy ( 1 H-MRS) data were collected to examine brain metabolite levels in the medial prefrontal cortex. Results showed that MAR-ASD offspring displayed decreased levels of choline-containing compounds and glutathione, accompanied by increased taurine compared to control animals. Overall, we found that rats exposed to MAR-ASD aAbs present with alterations in behavior, brain structure, and neurometabolites; reminiscent of findings observed in clinical ASD.

Abstract Diverse GABAergic interneuron microcircuits orchestrate information processing in the brain. Understanding the cellular and molecular composition of these microcircuits, and whether these can be imaged by available non-invasive in vivo methods is crucial for the study of GABAergic neurotransmission in health and disease. Here, we use human gene expression data and state-of-the-art imaging transcriptomics to uncover co-expression patterns between GABA A receptor subunits and interneuron subtype-specific markers, and to decode the cellular and molecular signatures of gold-standard GABA PET radiotracers, [ 11 C]Ro15-4513 and [ 11 C]flumazenil. We find that the interneuron marker somatostatin is co-expressed with GABA A receptor-subunit genes GABRA5 and GABRA2 , and their distribution maps onto [ 11 C]Ro15-4513 binding in vivo . In contrast, the interneuron marker parvalbumin co-expressed with more predominant GABA A receptor subunits ( GABRA1, GABRB2 and GABRG2 ), and their distribution tracks [ 11 C]flumazenil binding in vivo . These results have important implications for the non-invasive study of GABAergic microcircuit dysfunction in psychiatric conditions.

Abstract Background Exposure to elevated interleukin (IL)-6 levels in utero is consistently associated with increased risk for psychiatric disorders with a putative neurodevelopmental origin, such as schizophrenia (SZ) and autism spectrum condition (ASC). Although rodent models provide causal evidence for this association, we lack a detailed understanding of the cellular and molecular mechanisms in human model systems. To close this gap, we characterised the response of hiPSC-derived microglia-like cells (MGL) and neural progenitor cells (NPCs) to IL-6 in monoculture. Results We observed that human forebrain NPCs did not respond to acute IL-6 exposure in monoculture at both a protein and transcript level due to the absence of IL-6Ra expression and sIL-6Ra secretion. By contrast, acute IL-6 exposure resulted in STAT3 phosphorylation and increased IL-6, JMJD3 and IL-10 expression in MGL, confirming activation of canonical IL-6R signalling. Bulk RNAseq identified 156 upregulated genes (FDR <0.05) in MGL following acute IL-6 exposure, including IRF8, REL, HSPA1A/B and OXTR , which significantly overlapped with an upregulated gene set from post-mortem brain tissue from individuals with schizophrenia. Acute IL-6 stimulation significantly increased MGL motility suggestive of a gain of surveillance function, consistent with gene ontology pathways highlighted from the RNAseq data. Finally, MGLs displayed elevated CCL1, CXCL1, MIP-1A/B, IL-8, IL-13, IL-16, IL-18, MIF and Serpin-E1 secretion post 3h and 24h IL-6 exposure. Conclusion Our data provide evidence for cell specific effects of acute IL-6 exposure in a human model system and strongly suggest microglia-NPC co-culture models are required to study how IL-6 influences human cortical neural progenitor cell development in vitro .

Abstract It is widely assumed that our actions shape our brains and that the resulting connections determine who we are. To test this idea in a reductionist setting, in which genes and environment are controlled, we investigated differences in neuroanatomy and structural covariance by ex vivo structural magnetic resonance imaging (MRI) in mice whose behavioral activity was continuously tracked for 3 months in a large, enriched environment. We confirmed that environmental enrichment increases mouse hippocampal volumes. Stratifying the enriched group according to individual longitudinal behavioral trajectories, however, revealed striking differences in mouse brain structural covariance in continuously highly active mice compared to those whose trajectories showed signs of habituating activity. Network-based statistics identified distinct sub-networks of murine structural covariance underlying these differences in behavioral activity. Together, these results reveal that differentiated behavioral trajectories of mice in an enriched environment are associated with differences in brain connectivity.

Abstract Converging lines of evidence suggest that dysfunction of cortical parvalbumin-expressing (PV+) GABAergic interneurons is a core feature of psychosis. This dysfunction is thought to underlie neuroimaging abnormalities commonly found in patients with psychosis, particularly in the hippocampus. These include increases in resting cerebral blood flow (CBF) and levels of glutamatergic metabolites, and decreases in binding of GABA A α5 receptors and the synaptic density marker synaptic vesicle glycoprotein 2A (SV2A). However, direct links between PV+ interneuron dysfunction and these neuroimaging readouts have yet to be established. Conditional deletion of a schizophrenia susceptibility gene, the tyrosine kinase receptor Erbb4 , from cortical and hippocampal PV+ interneurons leads to several synaptic, behavioral and cognitive phenotypes relevant to psychosis in mice. Here, we investigated how this PV+ interneuron disruption affects the hippocampal in vivo neuroimaging readouts in the Erbb4 model. Adult Erbb4 conditional mutant mice ( Lhx6-Cre;Erbb4 F/F , n=12) and their wild-type littermates ( Erbb4 F/F , n=12) were scanned in a 9.4T magnetic resonance scanner to quantify CBF and glutamatergic metabolite levels (glutamine, glutamate, GABA). Subsequently, we assessed GABA A receptors and SV2A density using quantitative autoradiography. Erbb4 mutant mice showed significantly elevated CBF and glutamine levels, as well as decreased SV2A density compared to wild-type littermates. No significant GABA A receptor density differences were identified. These findings demonstrate that specific disruption of cortical PV+ interneurons in mice recapitulate some of the key neuroimaging findings in psychosis patients, and link PV+ interneuron deficits to non-invasive, translational measures of brain function and neurochemistry that can be used across species.

ZNF804A was amongst the first genes robustly associated with schizophrenia based on findings from large-scale genomic studies. Previous research has implicated ZNF804A in the regulation of gene expression and synaptic function, but the role of this gene in neurodevelopment and in schizophrenia pathogenesis remains unclear. To study its function during neurodevelopment, we generated isogenic human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with reduced ZNF804A expression, differentiated them into developing cortical glutamatergic neurons and studied their transcriptomic, synaptic and protein signatures. Mutant neurons showed modest evidence changes in gene expression. However, high-content confocal imaging revealed increased excitatory synapse density in mutant neurons. Cell-compartment specific proteomic analysis further revealed that mutant neurons had higher levels of ribosomal and translational proteins within neurites, and high-content imaging confirmed increased local protein synthesis efficiency. Overall, these results demonstrate that in human developing cortical glutamatergic neurons, ZNF804A regulates excitatory synapse formation potential via increased local protein translation.

Abstract The thalamus is an important hub for sensory information and participates in sensory perception, regulation of attention, arousal and sleep. These functions are executed primarily by glutamatergic thalamocortical neurons that extend axons to the cortex and initiate cortico-thalamocortical connectional loops. However, the thalamus also contains projection GABAergic neurons that do not engage in direct communication with the cortex. Here, we have harnessed recent insight into the development of the intergeniculate (IGL), the ventrolateral geniculate (LGv) and the perihabenula (pHB) to specifically target and manipulate thalamic projection GABAergic neurons in female and male mice. Our results show that thalamic GABAergic neurons of the IGL and LGv receive retinal input from diverse classes of ipRGCs, but not from the M1 ipRGC type, while those in the pHB lack direct retinal input. We describe the synergistic role of the photoreceptor melanopsin and the thalamic neurons of the IGL/LGv in circadian entrainment to dim light. We identify a requirement for the thalamic IGL/LGv in the rapid changes in vigilance states associated with circadian light transitions. Furthermore, we map a previously undescribed thalamic network of developmentally related GABAergic neurons in the IGL/LGv complex and the pHB potentially involved in light-dependent mood regulation. Significance statement The intergeniculate leaflet and ventral geniculate nucleus are part of the extended circadian system and mediate some non-image-forming visual functions. Here we show that each of these structures has a thalamic (dorsal) as well as prethalamic (ventral) developmental origin. We map the retinal input to thalamus-derived cells in the IGL/LGv complex and discover that while ipRGC input is dominant, this is not likely to originate from M1-ipRGCs. We describe the extent of similarity in synaptic input to developmentally related cells in the IGL/LGv and in the perihabenula nucleus (pHB). We implicate thalamic cells in the IGL/LGv in vigilance state transitions at circadian light changes and in overt behavioural entrainment to dim light, the latter exacerbated by concomitant loss of melanopsin expression.

Abstract Corticostriatal projections form the input level of a circuitry that connects the cerebral cortex, basal ganglia, and thalamus. Three distinct, functional subcircuits exist according to the tripartite model: Sensorimotor cortices projecting mainly to the dorsolateral striatum; associative cortices projecting to the dorsomedial striatum and limbic cortices projecting to the ventral striatum. However, there is to date no atlas that allows researchers to label cortical projection areas belonging to each of these subcircuits separately. To address this research gap, the aim of this study was threefold: First, to systematically review anatomical tracing studies that focused on corticostriatal projections in non-human primates, and to classify their findings according to the tripartite model. Second, to develop an atlas of the human cerebral cortex based on this classification. Third, to test the hypothesis that labels in this atlas show structural connectivity with specific striatal subregions in humans using diffusion-based tractography in a sample of 24 healthy participants. In total, 98 studies met the inclusion criteria for our systematic review. Information about projections from the cortex to the striatum was systematically extracted by Brodmann area, and cortical areas were classified by their dominant efferent projections. Taking known homological and functional similarities and differences between non-human primate and human cortical regions into account, a new human corticostriatal projection (CSP) atlas was developed. Using human diffusion-based tractography analyses, we found that the limbic and sensorimotor atlas labels showed preferential structural connectivity with the ventral and dorsolateral striatum, respectively. However, the pattern of structural connectivity for the associative label showed the greatest degree of overlap with other labels. We provide this new atlas as a freely available tool for neuroimaging studies, where it allows for the first-time delineation of anatomically informed regions-of-interest to study functional subcircuits within the corticostriatal circuitry. This tool will enable specific investigations of subcircuits involved in the pathogenesis of neuropsychiatric illness such as schizophrenia and bipolar disorders. Highlights - Systematic review of anatomical projections from the cerebral cortex to the striatum in non-human primates. - Development of a novel cortical atlas for use in neuroimaging studies focusing on the corticostriatal brain circuitry. - Tractography in human diffusion-weighted imaging data to test if associative, limbic, and sensorimotor cortical atlas labels show preferential connectivity to regions within the striatum.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) are overlapping neurodegenerative diseases that are increasingly understood to have long prodromal periods. Investigation of these early stages promises to yield valuable biomarkers of disease and will be key to understanding mechanisms underlying the genesis of ALS-FTD. Here, we use in vivo magnetic resonance imaging (MRI), histology and computed tomography to identify structural and cellular readouts of early stage disease in the TDP-43 Q331K knock-in mouse model of ALS-FTD. Adult mutant mice demonstrated parenchymal volume reductions affecting the frontal lobe and entorhinal cortex in a manner reminiscent of ALS-FTD. Subcortical, cerebellar and brain stem regions were also affected in line with observations in presymptomatic carriers of mutations in C9orf72 , the commonest genetic cause of both ALS and FTD. Volume loss, as measured by MRI, was also observed in the dentate gyrus (DG) of the hippocampus, along with ventricular enlargement. Guided by these imaging findings, detailed post-mortem brain tissue analysis revealed reduced parvalbumin-positive (PV+) interneurons as a potential cellular correlate of MRI changes in mutant mice. By contrast, microglia were in a disease activated state even in the absence of brain volume loss. A reduction in immature neurons was found in the DG, indicative of impaired adult neurogenesis, while a paucity of PV+ interneurons in juvenile mutant mice (P14) suggests that TDP-43 Q331K disrupts neurodevelopment. Computerised tomography imaging also showed altered skull morphology in mutants, further suggesting a role for TDP-43 Q331K in development. Finally, analysis of human post-mortem prefrontal cortices confirmed a paucity of PV+ interneurons in the prefrontal cortex in cases with both sporadic ALS and ALS linked to C9orf72 mutations. This study suggests an important role for PV+ interneurons in regional brain vulnerability associated with ALS-FTD, and identifies novel MRI and histological biomarkers that will be of value in assessing the efficacy of putative therapeutics in TDP-43 Q331K knock-in mice.