ABSTRACT BigNeuron is an open community bench-testing platform combining the expertise of neuroscientists and computer scientists toward the goal of setting open standards for accurate and fast automatic neuron reconstruction. The project gathered a diverse set of image volumes across several species representative of the data obtained in most neuroscience laboratories interested in neuron reconstruction. Here we report generated gold standard manual annotations for a selected subset of the available imaging datasets and quantified reconstruction quality for 35 automatic reconstruction algorithms. Together with image quality features, the data were pooled in an interactive web application that allows users and developers to perform principal component analysis, t -distributed stochastic neighbor embedding, correlation and clustering, visualization of imaging and reconstruction data, and benchmarking of automatic reconstruction algorithms in user-defined data subsets. Our results show that image quality metrics explain most of the variance in the data, followed by neuromorphological features related to neuron size. By benchmarking automatic reconstruction algorithms, we observed that diverse algorithms can provide complementary information toward obtaining accurate results and developed a novel algorithm to iteratively combine methods and generate consensus reconstructions. The consensus trees obtained provide estimates of the neuron structure ground truth that typically outperform single algorithms. Finally, to aid users in predicting the most accurate automatic reconstruction results without manual annotations for comparison, we used support vector machine regression to predict reconstruction quality given an image volume and a set of automatic reconstructions.

The balance between excitatory and inhibitory (E and I) synaptic inputs is thought to be critical for information processing in neural circuits. However, little is known about the principles of spatial organization of E and I synapses across the entire dendritic tree of mammalian neurons. We developed a new, open-source, reconstruction platform for mapping the size and spatial distribution of E and I synapses received by individual, genetically-labeled, layer 2/3 cortical pyramidal neurons (PNs) in vivo. We mapped over 90,000 E and I synapses across twelve L2/3 PNs and uncovered structured organization of E and I synapses across dendritic domains as well as within individual dendritic segments in these cells. Despite significant, domain-specific, variations in the absolute density of E and I synapses, their ratio is strikingly balanced locally across dendritic segments. Computational modeling indicates that this spatially-precise E/I balance dampens dendritic voltage fluctuations and strongly impacts neuronal firing output.

Crosstalk between cellular metabolism and circadian rhythms is a fundamental building block of multicellular life, and disruption of this reciprocal communication could be relevant to degenerative disease, including cancer. Here, we investigated whether maintenance of circadian rhythms depends upon specific metabolic pathways, particularly in the context of cancer. We found that in adult mouse fibroblasts, ATP levels were a major contributor to overall levels of a clock gene luciferase reporter, although not necessarily to the strength of circadian cycling. In contrast, we identified significant metabolic control of circadian function in an in vitro mouse model of pancreatic adenocarcinoma. Metabolic profiling of a library of congenic tumor cell clones revealed significant differences in levels of lactate, pyruvate, ATP, and other crucial metabolites that we used to identify candidate clones with which to generate circadian reporter lines. Despite the shared genetic background of the clones, we observed diverse circadian profiles among these lines that varied with their metabolic phenotype: the most hypometabolic line had the strongest circadian rhythms while the most hypermetabolic line had the weakest rhythms. Treatment of these tumor cell lines with bezafibrate, a peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) agonist shown to increase OxPhos, decreased the amplitude of circadian oscillation in a subset of tumor cell lines. Strikingly, treatment with the Complex I antagonist rotenone enhanced circadian rhythms only in the tumor cell line in which glycolysis was also low, thereby establishing a hypometabolic state. We further analyzed metabolic and circadian phenotypes across a panel of human patient-derived melanoma cell lines and observed a significant negative association between metabolic activity and circadian cycling strength. Together, these findings suggest that metabolic heterogeneity in cancer directly contributes to circadian function, and that high levels of glycolysis or OxPhos independently disrupt circadian rhythms in these cells.

Reconstructing neurons from 3D image-stacks of serial sections of thick brain tissue is very time-consuming and often becomes a bottleneck in high-throughput brain mapping projects. We developed NeuronStitcher, a software suite for stitching non-overlapping neuron fragments reconstructed in serial 3D image sections. With its efficient algorithm and user-friendly interface, NeuronStitcher has been used successfully to reconstruct very large and complex human and mouse neurons.

Crosstalk between metabolism and circadian rhythms is a fundamental building block of multicellular life, and disruption of this reciprocal communication could be relevant to disease. Here, we investigated whether maintenance of circadian rhythms depends on specific metabolic pathways, particularly in the context of cancer. We found that in adult mouse fibroblasts, ATP levels were a major contributor to signal from a clock gene luciferase reporter, although not necessarily to the strength of circadian cycling. In contrast, we identified significant metabolic control of circadian function across a series of pancreatic adenocarcinoma cell lines. Metabolic profiling of congenic tumor cell clones revealed substantial diversity among these lines that we used to identify clones to generate circadian reporter lines. We observed diverse circadian profiles among these lines that varied with their metabolic phenotype: The most hypometabolic line [exhibiting low levels of oxidative phosphorylation (OxPhos) and glycolysis] had the strongest rhythms, while the most hypermetabolic line had the weakest rhythms. Pharmacological enhancement of OxPhos decreased the amplitude of circadian oscillation in a subset of tumor cell lines. Strikingly, inhibition of OxPhos enhanced circadian rhythms only in the tumor cell line in which glycolysis was also low, thereby establishing a hypometabolic state. We further analyzed metabolic and circadian phenotypes across a panel of human patient-derived melanoma cell lines and observed a significant negative association between metabolic activity and circadian cycling strength. Together, these findings suggest that metabolic heterogeneity in cancer directly contributes to circadian function and that high levels of glycolysis or OxPhos independently disrupt circadian rhythms in these cells.

Abstract Maintenance of blood-brain barrier (BBB) integrity is critical to optimal brain function, and its impairment has been linked to multiple neurological disorders. A notable feature of the BBB is its elevated mitochondrial content compared to peripheral endothelial cells, although the functional implications of this phenomenon remain unknown. Here we studied BBB mitochondrial function in the context of the 22q11.2 deletion syndrome (22qDS), a condition associated with a highly increased risk for neuropsychiatric disease. As the 22q11.2 deletion includes 6 mitochondrial genes, and because we have previously identified BBB impairment in 22qDS, we addressed the hypothesis that mitochondrial deficits contribute to BBB dysfunction and impact behavior in this condition. We report mitochondrial impairment in human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived BBB endothelial cells from 22qDS patients, and in BBB endothelial cells from a mouse model of 22qDS. Remarkably, treatment to improve mitochondrial function attenuates mitochondrial deficits and enhances BBB function in both the iPSC and mouse 22qDS models. This treatment also corrected social memory in the mouse model, a deficit previously associated with BBB dysfunction. As BBB integrity correlated with social memory performance, together our findings suggest that mitochondrial dysfunction in the BBB influences barrier integrity and behavior in 22qDS.