Psychiatric illness is unlikely to arise from pathology occurring uniformly across all cell types in affected brain regions. Despite this, transcriptomic analyses of the human brain have typically been conducted using macro-dissected tissue due to the difficulty of performing single-cell type analyses with donated post-mortem brains. To address this issue statistically, we compiled a database of several thousand transcripts that were specifically-enriched in one of 10 primary cortical cell types in previous publications. Using this database, we predicted the relative cell type content for 833 human cortical samples using microarray or RNA-Seq data from the Pritzker Consortium (GSE92538) or publicly-available databases (GSE53987, GSE21935, GSE21138, CommonMind Consortium). These predictions were generated by averaging normalized expression levels across transcripts specific to each cell type using our R-package BrainInABlender (validated and publicly-released on github). Using this method, we found that the principal components of variation in the datasets strongly correlated with the predicted neuronal/glial content of the samples. This variability was not simply due to dissection–the relative balance of brain cell types appeared to be influenced by a variety of demographic, pre- and post-mortem variables. Prolonged hypoxia around the time of death predicted increased astrocytic and endothelial gene expression, illustrating vascular upregulation. Aging was associated with decreased neuronal gene expression. Red blood cell gene expression was reduced in individuals who died following systemic blood loss. Subjects with Major Depressive Disorder had decreased astrocytic gene expression, mirroring previous morphometric observations. Subjects with Schizophrenia had reduced red blood cell gene expression, resembling the hypofrontality detected in fMRI experiments. Finally, in datasets containing samples with especially variable cell content, we found that controlling for predicted sample cell content while evaluating differential expression improved the detection of previously-identified psychiatric effects. We conclude that accounting for cell type can greatly improve the interpretability of transcriptomic data.

Both gene expression profiling in postmortem human brain and studies using animal models have implicated the fibroblast growth factor (FGF) family in affect regulation and suggest a potential role in the pathophysiology of major depressive disorder (MDD). FGF2, the most widely characterized family member, is down-regulated in the depressed brain and plays a protective role in rodent models of affective disorders. By contrast, using three microarray analyses followed by quantitative RT-PCR confirmation, we show that FGF9 expression is up-regulated in the hippocampus of individuals with MDD, and that FGF9 expression is inversely related to the expression of FGF2. Because little is known about FGF9's function in emotion regulation, we used animal models to shed light on its potential role in affective function. We found that chronic social defeat stress, an animal model recapitulating some aspects of MDD, leads to a significant increase in hippocampal FGF9 expression, paralleling the elevations seen in postmortem human brain tissue. Chronic intracerebroventricular administration of FGF9 increased both anxiety- and depression-like behaviors. In contrast, knocking down FGF9 expression in the dentate gyrus of the hippocampus using a lentiviral vector produced a decrease in FGF9 expression and ameliorated anxiety-like behavior. Collectively, these results suggest that high levels of hippocampal FGF9 play an important role in the development or expression of mood and anxiety disorders. We propose that the relative levels of FGF9 in relation to other members of the FGF family may prove key to understanding vulnerability or resilience in affective disorders.

Background While downregulation of several growth factors in major depressive disorder is well established, less attention has been paid to the upregulation of other growth factors. Yet, upregulated growth factors may offer better therapeutic targets. We show that connective tissue growth factor (CTGF) represents a target based on its upregulation in major depressive disorder and studies in animal models implicating it in negative affect. Methods CTGF gene expression was first evaluated in the postmortem human amygdala. The findings were followed up in outbred rats and in two rat lines that were selectively bred for differences in novelty-seeking and anxiety behavior (bred low responders and bred high responders). We studied the impact of social defeat and early-life treatment with fibroblast growth factor 2 on CTGF expression. Finally, we assessed the ability of an anti-CTGF antibody (FG-3019) to alter CTGF expression and emotionality. Results In the human amygdala, CTGF expression was significantly increased in major depressive disorder compared with control subjects. CTGF expression was also significantly increased in the dentate gyrus of adult bred low responders compared with bred high responders. Social defeat stress in bred low responders significantly increased CTGF expression in the dentate gyrus. Early-life fibroblast growth factor 2, a treatment that reduces anxiety-like behavior throughout life, decreased CTGF expression in the adult dentate gyrus. In outbred rats, CTGF administration increased depression-like behavior. Chronic treatment with FG-3019 decreased CTGF expression, and acute and chronic treatment was antidepressant. Conclusions This study is the first to implicate CTGF as a prodepressant molecule that could serve as a target for the development of novel therapeutics.

In previous studies, early-life fibroblast growth factor-2 (FGF2) administration conferred resilience to developing anxiety-like behavior in vulnerable animals in adulthood. To follow up on this work, we administered FGF2 the day after birth to animals that differ in emotional behavior and further explored its long-term effects on affective behavior and circuitry. Selectively-bred "high responder" rats (bHRs) exhibit low levels of anxiety-like and depression-like behavior, whereas selectively-bred "low responders" (bLRs) display high levels of anxiety-like and depression-like behavior. We found that early-life administration of FGF2 decreased negative affect in bLRs during the early post-natal period, as indexed by 40 kHz ultrasonic vocalizations (USVs) in response to a brief maternal separation on PND11. FGF2 also increased positive affect during the juvenile period, as measured by 50 kHz USVs in response to heterospecific hand play ("tickling") after weaning. In general, we found that bHRs produced more 50 kHz USVs than bLRs. In adulthood, we measured opioid ligand and receptor expression in brain regions implicated in USV production and affect regulation by mRNA in situ hybridization. Within multiple affective brain regions, bHRs had greater expression of the mu opioid receptor than bLRs. FGF2 increased mu opioid expression in bLRs. The bLRs had more kappa and less delta receptor expression than bHRs, and FGF2 increased prodynorphin in bLRs. Our results provide support for further investigations into the role of growth factors and endogenous opioids in the treatment of disorders characterized by altered affect, such as anxiety and depression.

Using a longitudinal approach, we sought to define the interplay between genetic and nongenetic factors in shaping vulnerability or resilience to COVID-19 pandemic stress, as indexed by the emergence of symptoms of depression and/or anxiety. University of Michigan freshmen were characterized at baseline using multiple psychological instruments. Subjects were genotyped, and a polygenic risk score for depression (MDD-PRS) was calculated. Daily physical activity and sleep were captured. Subjects were sampled at multiple time points throughout the freshman year on clinical rating scales, including GAD-7 and PHQ-9 for anxiety and depression, respectively. Two cohorts (2019 to 2021) were compared to a pre-COVID-19 cohort to assess the impact of the pandemic. Across cohorts, 26 to 40% of freshmen developed symptoms of anxiety or depression (N = 331). Depression symptoms significantly increased in the pandemic years and became more chronic, especially in females. Physical activity was reduced, and sleep was increased by the pandemic, and this correlated with the emergence of mood symptoms. While low MDD-PRS predicted lower risk for depression during a typical freshman year, this genetic advantage vanished during the pandemic. Indeed, females with lower genetic risk accounted for the majority of the pandemic-induced rise in depression. We developed a model that explained approximately half of the variance in follow-up depression scores based on psychological trait and state characteristics at baseline and contributed to resilience in genetically vulnerable subjects. We discuss the concept of multiple types of resilience, and the interplay between genetic, sex, and psychological factors in shaping the affective response to different types of stressors.

Abstract A new resource— DataJoint Elements —provides modular designs for assembling complete workflow solutions to organize data and computations for common neurophysiology experiments. The designs are derived from working solutions developed in leading research groups using the open-source DataJoint framework to integrate data collection and analysis in collaborative workflows.

Abstract The frontal pole (Brodmann area 10, BA10) is the largest cytoarchitectonic region of the human cortex, performing complex integrative functions. BA10 undergoes intensive adolescent grey matter pruning prior to the age of onset for bipolar disorder (BP) and schizophrenia (SCHIZ), and its dysfunction is likely to underly aspects of their shared symptomology. In this study, we investigated the role of BA10 neurotransmission-related gene expression in BP and SCHIZ. We performed qPCR to measure the expression of 115 neurotransmission-related targets in control, BP, and SCHIZ postmortem samples ( n = 72). We chose this method for its high sensitivity to detect low-level expression. We then strengthened our findings by performing a meta-analysis of publicly released BA10 microarray data ( n = 101) and identified sources of convergence with our qPCR results. To improve interpretation, we leveraged the unusually large database of clinical metadata accompanying our samples to explore the relationship between BA10 gene expression, therapeutics, substances of abuse, and symptom profiles, and validated these findings with publicly available datasets. Using these convergent sources of evidence, we identified 20 neurotransmission-related genes that were differentially expressed in BP and SCHIZ in BA10. These results included a large diagnosis-related decrease in two important therapeutic targets with low levels of expression, HTR2B and DRD4, as well as other findings related to dopaminergic, GABAergic and astrocytic function. We also observed that therapeutics may produce a differential expression that opposes diagnosis effects. In contrast, substances of abuse showed similar effects on BA10 gene expression as BP and SCHIZ, potentially amplifying diagnosis-related dysregulation.

We investigated sex differences in dopamine (DA) release in the nucleus accumbens (NAc) and dorsolateral striatum (DLS) using a chronic 16-channel carbon fiber electrode and fast-scan cyclic voltammetry (FSCV). Electrical stimulation (ES; 60Hz) induced DA release was recorded in the NAc of single or pair-housed male and female rats. When core (NAcC) and shell (NAcS) were recorded simultaneously, there was greater ES DA release in NAcC of pair-housed females compared with single females and males. Housing did not affect ES NAc DA release in males. In contrast, there was significantly more ES DA release from the DLS of female rats than male rats. This was true prior to and after treatment with methamphetamine. Furthermore, in castrated (CAST) males and ovariectomized (OVX) females, there were no sex differences in ES DA release from the DLS, demonstrating the hormone dependence of this sex difference. However, in the DLS of both intact and gonadectomized rats, DA reuptake was slower in females than in males. Finally, DA release following ES of the medial forebrain bundle at 60Hz was studied over four weeks. ES DA release increased over time for both CAST males and OVX females, demonstrating sensitization. Using this novel 16-channel chronic FSCV electrode, we found sex differences in the effects of social housing in the NAcS, sex differences in DA release from intact rats in DLS, sex differences in DA reuptake in DLS of intake and gonadectomized rats, and we report sensitization of ES-induced DA release in DLS

Psychiatric illness is unlikely to arise from pathology occurring uniformly across all cell types in affected brain regions. Despite this, transcriptomic analyses of the human brain have typically been conducted using macro-dissected tissue due to the difficulty of performing single-cell type analyses with donated post-mortem brains. To address this issue statistically, we compiled a database of several thousand transcripts that were specifically-enriched in one of 10 primary cortical cell types in previous publications. Using this database, we predicted the relative cell type composition for 833 human cortical samples using microarray or RNA-Seq data from the Pritzker Consortium (GSE92538) or publicly-available databases (GSE53987, GSE21935, GSE21138, CommonMind Consortium). These predictions were generated by averaging normalized expression levels across transcripts specific to each cell type using our R-package BrainInABlender (validated and publicly-released: https://github.com/hagenaue/BrainInABlender). Using this method, we found that the principal components of variation in the datasets strongly correlated with the neuron to glia ratio of the samples. This variability was not simply due to dissection - the relative balance of brain cell types appeared to be influenced by a variety of demographic, pre- and post-mortem variables. Prolonged hypoxia around the time of death predicted increased astrocytic and endothelial gene expression, illustrating vascular upregulation. Aging was associated with decreased neuronal gene expression. Red blood cell gene expression was reduced in individuals who died following systemic blood loss. Subjects with Major Depressive Disorder had decreased astrocytic gene expression, mirroring previous morphometric observations. Subjects with Schizophrenia had reduced red blood cell gene expression, resembling the hypofrontality detected in fMRI experiments. Finally, in datasets containing samples with especially variable cell content, we found that controlling for predicted sample cell content while evaluating differential expression improved the detection of previously-identified psychiatric effects. We conclude that accounting for cell type can greatly improve the interpretability of transcriptomic data.

Abstract Temperament is an innate, stable predisposition towards particular emotional and behavioral responses. In humans, certain temperaments are associated with a heightened risk of developing anxiety later in life. Non-human animals, including rodents, also exhibit innate, stable dispositions; these are referred to as behavioral phenotypes. The interaction between behavioral phenotype and early life adverse events is critical for the development of maladaptive anxiety. Rodent studies of typically developing animals have identified a number of mechanisms that protect against aversive experiences in early life. One such mechanism is an early life quiescence of threat learning, which protects against the effects of stress and facilitates safety and attachment learning. However, little is known about the factors that alleviate the effects of early life aversive events on phenotypes vulnerable to pathological anxiety. Here, we examined threat learning and the stress response in selectively-bred infant rats that show an anxiety-like phenotype relative to typically developing animals. We investigated the potential roles of maternal presence and the anxiolytic neurotrophic factor fibroblast growth factor 2 (FGF2) in regulating threat learning and the stress response in infant anxiety-like phenotype animals. We observed that rats selectively-bred for anxiety-like behaviors could acquire conditioned freezing earlier in life than typically developing animals. FGF2 administration on postnatal day 1 (PND 1) and maternal presence during threat conditioning were both capable of suppressing this early emergence of conditioned freezing. However, neither FGF2 nor maternal presence during threat conditioning were associated with reduced corticosterone levels during threat conditioning. Our results suggest that although an anxiety-like phenotype may be associated with early threat learning, environmental factors (such as maternal presence) and pharmacological intervention (such as modulation of the FGF2 system) may be capable of counteracting that early aversive learning. Interventions in vulnerable infants may thus decrease the impact of aversive events.