Abstract Self-grooming is a stereotyped behavior displayed by nearly all animals. Among other established functions, self-grooming is implicated in social communication in some animals. However, whether self-grooming specifically influences behaviors of nearby individuals has not been directly tested, partly due to the technical challenge of inducing self-grooming in a reliable and temporally controllable manner. We recently found that optogenetic activation of dopamine D3 receptor expressing neurons in the ventral striatal islands of Calleja robustly induces orofacial grooming in mice. Using this optogenetic manipulation, here we demonstrate that observer mice exhibit social preference for mice that groom more regardless of biological sex. Moreover, grooming-induced social attraction depends on volatile chemosensory cues broadcasted from grooming mice. Collectively, our study establishes self-grooming as a means of promoting social attraction among mice via volatile cues, suggesting an additional benefit for animals to allocate a significant amount of time to this behavior.

Sleep disturbances are prevalent in children with autism spectrum disorder (ASD) and have a major impact on the quality of life. Strikingly, sleep problems are positively correlated with the severity of ASD symptoms, such as memory impairment. However, the neural mechanisms underlying sleep disturbances and cognitive deficits in ASD are largely unexplored. Here, we show that non-rapid eye movement sleep (NREMs) is highly fragmented in the 16p11.2 deletion mouse model of ASD. The degree of sleep fragmentation is reflected in an increased number of calcium transients in the activity of locus coeruleus noradrenergic (LC-NE) neurons during NREMs. Exposure to a novel environment further exacerbates sleep in 16p11.2 deletion mice by fragmenting NREMs and decreasing rapid eye movement sleep (REMs). In contrast, optogenetic inhibition of LC-NE neurons and pharmacological blockade of noradrenergic transmission using clonidine reverse sleep fragmentation in 16p11.2 deletion mice. Furthermore, inhibiting LC-NE neurons restores memory. Rabies-mediated unbiased screening of presynaptic neurons reveals altered connectivity of LC-NE neurons with sleep- and memory regulatory brain regions in 16p11.2 deletion mice. Our findings reveal that heightened activity of LC-NE neurons and altered brain-wide connectivity underlies sleep fragmentation in 16p11.2 deletion mice and identify a crucial role of the LC-NE system in regulating sleep stability and memory in ASD.

Abstract Smell deficits and neurobiological changes in the olfactory bulb (OB) and olfactory epithelium (OE) have been observed in patients with psychosis. The OE is the most peripheral olfactory system located outside the cranium, and is connected with the brain via direct neuronal projections to the OB. Nevertheless, it is unknown whether and how a disturbance of the OE affects the OB in psychosis. Addressing this gap would be the first step in studying the impact of OE pathology in the disease pathophysiology in the brain. In this cross-species study, we observed that chronic OE inflammation with a set of upregulated genes (IOI genes) led to a volume reduction, layer structure changes, and alterations of neuron functionality in the OB in an inducible olfactory inflammation (IOI) mouse model. In first episode psychosis (FEP) patients, we observed a significant alteration in immune/inflammation-related molecular signatures in olfactory neuronal cells (ONCs) enriched from biopsied OE and a significant reduction in the OB volume, compared with those of healthy controls (HC). The increased expression of immune/inflammation-related molecules in ONCs was significantly correlated to the OB volume reduction in FEP patients, but no correlation was found in HCs. Moreover, the increased expression of human orthologues of the IOI genes in ONCs was significantly correlated with the OB volume reduction in FEP, but not in HCs. Together, our study implies a potential mechanism of the OE-OB pathology in psychosis. We hope that this mechanism may have a cross-disease implication, including COVID-19-elicited mental conditions that include smell deficits.

Glioblastoma (GBM), a universally fatal brain cancer, infiltrates the brain and can be synaptically innervated by neurons, which drives tumor progression 1-6 . Synaptic inputs onto GBM cells identified so far are largely short-range and glutamatergic 7-9 . The extent of integration of GBM cells into brain-wide neuronal circuitry is not well understood. Here we applied a rabies virus-mediated retrograde monosynaptic tracing approach 10-12 to systematically investigate circuit integration of human GBM organoids transplanted into adult mice. We found that GBM cells from multiple patients rapidly integrated into brain-wide neuronal circuits and exhibited diverse local and long-range connectivity. Beyond glutamatergic inputs, we identified a variety of neuromodulatory inputs across the brain, including cholinergic inputs from the basal forebrain. Acute acetylcholine stimulation induced sustained calcium oscillations and long-lasting transcriptional reprogramming of GBM cells into a more invasive state via the metabotropic CHRM3 receptor. CHRM3 downregulation suppressed GBM cell invasion, proliferation, and survival in vitro and in vivo. Together, these results reveal the capacity of human GBM cells to rapidly and robustly integrate into anatomically and molecularly diverse neuronal circuitry in the adult brain and support a model wherein rapid synapse formation onto GBM cells and transient activation of upstream neurons may lead to a long-lasting increase in fitness to promote tumor infiltration and progression.

Sensory cortices process stimuli in manners essential for perception. The piriform 'primary' olfactory cortex (PCX) extends dense association fibers into the ventral striatum's olfactory tubercle (OT), yet the function of this cortico-striatal pathway is unknown. We optically stimulated channelrhodopsin-transduced PCX glutamatergic neurons or their association fibers while recording OT neural activity in mice performing an olfactory task. Activation of PCX neurons or their association fibers within the OT controlled the firing of some OT neurons and bidirectionally modulated odor coding dependent upon the neuron's intrinsic odor responsivity. Further, patch clamp recordings and retroviral tracing from D1 and D2 dopamine receptor-expressing OT medium spiny neurons revealed this input can be monosynaptic and that both cell types receive most of their input from a specific spatial zone localized within the ventro-caudal PCX. These results demonstrate that the PCX functionally accesses the direct and indirect pathways of the basal ganglia within the OT.

Predicting danger from previously associated sensory stimuli is essential for survival. Contributions from altered peripheral sensory inputs are implicated in this process, but the underlying mechanisms remain elusive. Here we use the mammalian olfactory system to investigate such mechanisms. Primary olfactory sensory neurons (OSNs) project their axons directly to the olfactory bulb (OB) glomeruli where their synaptic release is subject to local and cortical influence and neuromodulation. Pairing optogenetic activation of a single glomerulus with foot shock in mice induces freezing to the light stimulation alone during fear retrieval. This is accompanied by an increase in OSN release probability and a reduction in GABAB receptor expression in the conditioned glomerulus. Furthermore, freezing time is positively correlated with the release probability of OSNs in fear conditioned mice. These results suggest that aversive learning increases peripheral olfactory inputs at the first synapse, which may contribute to the behavioral outcome.