Abstract Development of efficient imaging techniques to trace neuro nal connections would be very useful. Manganese ion (Mn 2+ ) is an excellent T 1 contrast agent for magnetic resonance imaging (MRI). Four reports utilizing radioactive Mn 2+ in fish and rat brain indicate that Mn 2+ may be useful for tracing neuronal connections. Therefore, the purpose of this work was to determine if Mn 2+ can be used as an in vivo MRI neuronal tract tracer. The results indicate that topical admin istration of MnCI 2 solution to the naris of mice as well as to the retinal ganglion cells via intravitreal injection leads to en hancement of contrast along the respective pathways. There fore, application of Mn 2+ to neurons allows the use of MRI to visualize neuronal connections.

Significance It is widely recognized that studying the detailed anatomy of the human brain is of great importance for neuroscience and medicine. The principal means for achieving this goal is presently diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) tractography, which uses the local diffusion of water throughout the brain to estimate the course of long-range anatomical projections. Such projections connect gray matter regions through axons that travel in the deep white matter. The present study combines dMRI tractography with histological analysis to investigate where in the brain this method succeeds and fails. We conclude that certain superficial white matter systems pose challenges for measuring cortical connections that must be overcome for accurate determination of detailed neuroanatomy in humans.

Recent advances in high-field (≥7 T) MRI have made it possible to study the fine structure of the human brain at the level of fiber bundles and cortical layers. In particular, techniques aimed at detecting MRI resonance frequency shifts originating from local variation in magnetic susceptibility and other sources have greatly improved the visualization of these structures. A recent theoretical study [He X, Yablonskiy DA (2009) Proc Natl Acad Sci USA 106:13558–13563] suggests that MRI resonance frequency may report not only on tissue composition, but also on microscopic compartmentalization of susceptibility inclusions and their orientation relative to the magnetic field. The proposed sensitivity to tissue structure may greatly expand the information available with conventional MRI techniques. To investigate this possibility, we studied postmortem tissue samples from human corpus callosum with an experimental design that allowed separation of microstructural effects from confounding macrostructural effects. The results show that MRI resonance frequency does depend on microstructural orientation. Furthermore, the spatial distribution of the resonance frequency shift suggests an origin related to anisotropic susceptibility effects rather than microscopic compartmentalization. This anisotropy, which has been shown to depend on molecular ordering, may provide valuable information about tissue molecular structure.

The common marmoset monkey (Callithrix jacchus) is a species of rising prominence in the neurosciences due to its small size, ease of handling, fast breeding, and its shared functional and structural brain characteristics with Old World primates. With increasing attention on modeling human brain diseases in marmosets, understanding how to deliver therapeutic or neurotropic agents to the marmoset brain noninvasively is of great preclinical importance. In other species, including humans, transcranial focused ultrasound (tFUS) aided by intravenously injected microbubbles has proven to be a transient, reliable, and safe method for disrupting the blood-brain barrier (BBB), allowing the focal passage of therapeutic agents that do not otherwise readily traverse the tight endothelial junctions of the BBB. The critical gap that we address here is to document parameters to disrupt the BBB reliably and safely in marmosets using tFUS. By integrating our marmoset brain atlases and the use of a marmoset-specific stereotactic targeting system, we conduct a series of systematic transcranial sonication experiments in nine marmosets. We demonstrate the effects of center frequency, acoustic pressure, burst period, and duration, establish a minimum microbubble dose, estimate microbubble clearance time, and estimate the duration that the BBB remains open to passage. Successful BBB disruption is reported in vivo with MRI-based contrast agents, as well as Evans blue staining assessed ex vivo. Histology (Hematoxylin and Eosin staining) and immunohistochemistry indicate that the BBB can be safely and reliably opened with the parameters derived from these experiments. The series of experiments presented here establish methods for safely, reproducibly, and focally perturbing the BBB using tFUS in the common marmoset monkey that can serve as a basis for noninvasive delivery of therapeutic or neurotropic agents.

Abstract Comprehensive integration of structural and functional connectivity data is required to model brain functions accurately. While resources for studying the structural connectivity of non-human primate brains already exist, their integration with functional connectivity data has remained unavailable. Here we present a comprehensive resource that integrates the most extensive awake marmoset resting-state fMRI data available to date (39 marmoset monkeys, 710 runs, 12117 mins) with previously published cellular-level neuronal tracing (52 marmoset monkeys, 143 injections) and multi-resolution diffusion MRI datasets. The combination of these data allowed us to (1) map the fine-detailed functional brain networks and cortical parcellations; (2) develop a deep-learning-based parcellation generator that preserves the topographical organization of functional connectivity and reflects individual variabilities, and (3) investigate the structural basis underlying functional connectivity by computational modeling. This resource will enable modeling structure-function relationships and facilitate future comparative and translational studies of primate brains.

Abstract Cortical neurons of eutherian mammals project to the contralateral hemisphere, crossing the midline primarily via the corpus callosum and the anterior, posterior, and hippocampal commissures. We recently reported an additional commissural pathway in rodents, termed the thalamic commissures (TCs), as another interhemispheric axonal fiber pathway that connects cortex to the contralateral thalamus. Here, we demonstrate that TCs also exist in primates and characterize the connectivity of these pathways with high-resolution diffusion-weighted magnetic resonance imaging, viral axonal tracing, and functional MRI. We present evidence of TCs in both New World ( Callithrix jacchus and Cebus apella ) and Old World primates ( Macaca mulatta ). Further, like rodents, we show that the TCs in primates develop during the embryonic period, forming anatomical and functionally active connections of the cortex with the contralateral thalamus. We also searched for TCs in the human brain, showing their presence in humans with brain malformations, although we could not identify TCs in healthy subjects. These results pose the TCs as an important fiber pathway in the primate brain, allowing for more robust interhemispheric connectivity and synchrony and serving as an alternative commissural route in developmental brain malformations. Significance statement Brain connectivity is a central topic in neuroscience. Understanding how brain areas can communicate allows for the comprehension of brain structure and function. We have described in rodents a new commissure pathway that connects the cortex to the contralateral thalamus. Here, we investigate whether this pathway exists in non-human primates and humans. The presence of these commissures poses the TCs as an important fiber pathway in the primate brain, allowing for more robust interhemispheric connectivity and synchrony and serving as an alternative commissural route in developmental brain malformations.

Abstract INTRODUCTION Marmosets spontaneously develop pathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD) including amyloid beta plaques. However, tau expression in the marmoset brain has been understudied. METHODS Isoforms of tau were examined by western blot, mass spectrometry, immunofluorescence, and immunohistochemical staining. RESULTS 3R and 4R tau isoforms are expressed in marmoset brains at both the transcript and protein levels across ages. Mass spectrometry analysis revealed that tau peptides in marmoset corresponded to the 3R and 4R peptides in human brain, with 3R predominating at birth and an ≈40%:60% 3R:4R ratios in adolescents and adults; tau was distributed widely in neurons, with localization in the soma and synaptic regions. Phosphorylation residues were observed on Threonine (Thr) Thr181, Thr217, Thr231, Serine (Ser) Ser202/Thr205, and Ser396/Ser404. DISCUSSION Our results confirm both 3R and 4R tau isoform expression and phosphorylation residues in the marmoset brain, and emphasize the significance of marmosets with natural expression of AD‐related hallmarks as important translational models for AD. Highlights We report comprehensive characterization of tau isoform expression in marmoset brains across the lifespan. 3R and 4R tau isoforms are expressed in marmoset brains at both the transcript and protein levels across ages. These data emphasize the significance of marmosets with natural expression of primate‐specific traits that are important for the study of Alzheimer's disease.

INTRODUCTION: Marmosets have been shown to spontaneously develop pathological hallmarks of Alzheimers disease (AD) during advanced age, including amyloid-beta plaques, positioning them as a model system to overcome the rodent-to-human translational gap for AD. However, Tau expression in the marmoset brain has been understudied. METHODS: To comprehensively investigate Tau isoform expression in marmosets, brain tissue from eight unrelated marmosets across various ages was evaluated and compared to human postmortem AD tissue. Microtubule-associated protein tau (MAPT) mRNA expression and splicing were confirmed by RT-PCR. The Tau isoforms in marmoset brain were examined by western blot, mass spectrometry, immunofluorescence and immunohistochemical staining. Synaptic Tau expression was analyzed from crude synaptosome extractions. RESULTS: 3R and 4R Tau isoforms are expressed in marmoset brains at both transcript and protein levels across ages. Results from western blot analysis were confirmed by mass spectrometry which revealed that Tau peptides in marmoset corresponded to the 3R and 4R peptides in human AD brain. 3R Tau was primarily enriched in neonate brain; and 4R enriched in adult and aged brains. Tau was widely distributed in neurons with localization in soma and synaptic regions. Phosphorylation residues were observed on Thr-181, Thr-217, and Thr-231, Ser202/Thr205, Ser396/Ser404. Paired helical filament (PHF)-like aggregates were also detected in aged marmoset. DISCUSSION: Our results confirm the expression of both 3R and 4R Tau isoforms and important phosphorylation residues in the marmoset brain. These data emphasize the significance of marmosets with natural expression of AD-related hallmarks as important translational models for the study of AD.

Abstract The common marmoset monkey ( Callithrix jacchus ) is a species of rising prominence in the neurosciences due to their small size, ease of handling, fast breeding, and their shared functional and structural brain characteristics with Old World primates. With increasing attention on modeling human brain diseases in marmosets, understanding how to deliver therapeutic or neurotropic agents to the marmoset brain non-invasively is of great preclinical importance. In other species, including humans, transcranial focused ultrasound (tFUS) aided by intravenously injected microbubbles has proven to be a transient, reliable, and safe method for disrupting the blood-brain barrier (BBB), allowing for the focal passage of therapeutic agents that do not otherwise readily traverse the tight endothelial junctions of the BBB. The critical gap that we address here is to document parameters to disrupt the BBB reliably and safely in marmosets using tFUS. By integrating our marmoset brain atlases and the use of a marmoset-specific stereotactic targeting system, we conducted a series of systematic transcranial sonication experiments in nine marmosets. We demonstrate the effects of center frequency, acoustic pressure, burst period and duration, establish a minimum microbubble dose, estimate microbubble clearance time, and estimate the duration that the BBB remained open to passage. Successful BBB disruption was reported in vivo with MRI-based contrast agents, as well as Evans blue staining assessed ex vivo . Histology (Hematoxylin and Eosin staining) and immunohistochemistry indicated that the BBB can be safely and reliably opened with the parameters derived from these experiments.

The rapid adoption of marmosets in neuroscience has created a demand for three dimensional (3D) atlases of the brain of this species to facilitate data integration in a common reference space. We report on a new open access template of the marmoset cortex (the Nencki-Monash, or NM template), representing a morphological average of 20 brains of young adult individuals, obtained by 3D reconstructions generated from Nissl-stained serial sections. The method used to generate the template takes into account morphological features of the individual brains, as well as the borders of clearly defined cytoarchitectural areas. This has resulted in a resource which allows direct estimates of the most likely coordinates of each cortical area, as well as quantification of the margins of error involved in assigning voxels to areas, and preserves quantitative information about the laminar structure of the cortex. We provide spatial transformations between the NM and other available marmoset brain templates, thus enabling integration with magnetic resonance imaging (MRI) and tracer-based connectivity data. The NM template combines some of the main advantages of histology-based atlases (e.g. information about the cytoarchitectural structure) with features more commonly associated with MRI-based templates (isotropic nature of the dataset, and probabilistic analyses). The underlying workflow may be found useful in the future development of brain atlases that incorporate information about the variability of areas in species for which it may be impractical to ensure homogeneity of the sample in terms of age, sex and genetic background.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.