Psychosocial stress is associated with altered immune function and development of psychological disorders including anxiety and depression. Here we show that repeated social defeat in mice increased c-Fos staining in brain regions associated with fear and threat appraisal and promoted anxiety-like behavior in a β-adrenergic receptor-dependent manner. Repeated social defeat also significantly increased the number of CD11b + /CD45 high /Ly6C high macrophages that trafficked to the brain. In addition, several inflammatory markers were increased on the surface of microglia (CD14, CD86, and TLR4) and macrophages (CD14 and CD86) after social defeat. Repeated social defeat also increased the presence of deramified microglia in the medial amygdala, prefrontal cortex, and hippocampus. Moreover, mRNA analysis of microglia indicated that repeated social defeat increased levels of interleukin (IL)-1β and reduced levels of glucocorticoid responsive genes [glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ) and FK506 binding protein-51 (FKBP51)]. The stress-dependent changes in microglia and macrophages were prevented by propranolol, a β-adrenergic receptor antagonist. Microglia isolated from socially defeated mice and cultured ex vivo produced markedly higher levels of IL-6, tumor necrosis factor-α, and monocyte chemoattractant protein-1 after stimulation with lipopolysaccharide compared with microglia from control mice. Last, repeated social defeat increased c-Fos activation in IL-1 receptor type-1-deficient mice, but did not promote anxiety-like behavior or microglia activation in the absence of functional IL-1 receptor type-1. These findings indicate that repeated social defeat-induced anxiety-like behavior and enhanced reactivity of microglia was dependent on activation of β-adrenergic and IL-1 receptors.

Social stress is associated with altered immunity and higher incidence of anxiety-related disorders. Repeated social defeat (RSD) is a murine stressor that primes peripheral myeloid cells, activates microglia, and induces anxiety-like behavior. Here we show that RSD-induced anxiety-like behavior corresponded with an exposure-dependent increase in circulating monocytes (CD11b(+)/SSC(lo)/Ly6C(hi)) and brain macrophages (CD11b(+)/SSC(lo)/CD45(hi)). Moreover, RSD-induced anxiety-like behavior corresponded with brain region-dependent cytokine and chemokine responses involved with myeloid cell recruitment. Next, LysM-GFP(+) and GFP(+) bone marrow (BM)-chimeric mice were used to determine the neuroanatomical distribution of peripheral myeloid cells recruited to the brain during RSD. LysM-GFP(+) mice showed that RSD increased recruitment of GFP(+) macrophages to the brain and increased their presence within the perivascular space (PVS). In addition, RSD promoted recruitment of GFP(+) macrophages into the PVS and parenchyma of the prefrontal cortex, amygdala, and hippocampus of GFP(+) BM-chimeric mice. Furthermore, mice deficient in chemokine receptors associated with monocyte trafficking [chemokine receptor-2 knockout (CCR2(KO)) or fractalkine receptor knockout (CX3CR1(KO))] failed to recruit macrophages to the brain and did not develop anxiety-like behavior following RSD. Last, RSD-induced macrophage trafficking was prevented in BM-chimeric mice generated with CCR2(KO) or CX3CR1(KO) donor cells. These findings indicate that monocyte recruitment to the brain in response to social stress represents a novel cellular mechanism that contributes to the development of anxiety.

A single subanesthetic dose of ketamine, an NMDA receptor (NMDAR) antagonist, produces rapid and sustained antidepressant actions in depressed patients, addressing a major unmet need for the treatment of mood disorders. Ketamine produces a rapid increase in extracellular glutamate and synaptic formation in the prefrontal cortex, but the initial cellular trigger that initiates this increase and ketamine's behavioral actions has not been identified. To address this question, we used a combination of viral shRNA and conditional mutation to produce cell-specific knockdown or deletion of a key NMDAR subunit, GluN2B, implicated in the actions of ketamine. The results demonstrated that the antidepressant actions of ketamine were blocked by GluN2B-NMDAR knockdown on GABA (Gad1) interneurons, as well as subtypes expressing somatostatin (Sst) or parvalbumin (Pvalb), but not glutamate principle neurons in the medial prefrontal cortex (mPFC). Further analysis of GABA subtypes showed that cell-specific knockdown or deletion of GluN2B in Sst interneurons blocked or occluded the antidepressant actions of ketamine and revealed sex-specific differences that are associated with excitatory postsynaptic currents on mPFC principle neurons. These findings demonstrate that GluN2B-NMDARs on GABA interneurons are the initial cellular trigger for the rapid antidepressant actions of ketamine and show sex-specific adaptive mechanisms to GluN2B modulation.

Significance Clinical studies report that a single, low dose of ketamine produces a rapid antidepressant response in treatment-resistant depressed patients. Although rodent studies have begun to elucidate the molecular mechanisms underlying the behavioral actions of ketamine, the brain regions and cellular mechanisms have not been defined. Using a combination of pharmacological silencing and optogenetic stimulation approaches, the results of the current study demonstrate that ketamine infusion or optogenetic stimulation of the infalimbic prefrontal cortex produces antidepressant behavioral and synaptic responses similar to the actions of systemic ketamine. These findings further elucidate the mechanisms underlying the therapeutic actions of ketamine and will enhance the development of safer rapid-acting and efficacious agents.

Abstract Recent studies demonstrate that chronic unpredictable stress (CUS) drives microglia-mediated neuronal remodeling, contributing to synapse loss in the prefrontal cortex (PFC) and cognitive-behavioral dysfunction. Nonetheless, it remains unclear what mechanisms guide microglia-neuron interactions in stress. Evidence indicates that neuronal activity-dependent purinergic signaling directs microglial processes and microglia-synapse interaction via P2Y12, a purinergic receptor exclusively expressed by microglia in the brain. Stress exposure alters excitatory neurotransmission in the PFC, thus we aimed to determine if P2Y12 signaling promotes functional changes in microglia in the context of chronic stress. Using an activating DREADD, our initial studies showed that PFC microglia adopt a CUS-associated phenotype after repeated pyramidal neuronal activation. To further investigate the role of purinergic signaling, we used genetic ( P2ry12-/- ) or pharmacological (clopidogrel, ticagrelor) approaches to block P2Y12 in the context of CUS. Various behavioral, physiological, and cytometric endpoints were analyzed. Both P2Y12-deletion and treatment with clopidogrel prevented increases in forced swim test immobility and attenuated deficits in temporal object recognition following CUS. Flow cytometry of PFC microglia revealed that both P2ry12-/- mice and those treated with clopidogrel have significantly different phenotypes (independent of CUS); with diminished P2Y12 expression and altered surface levels of CX3CR1, CSF1R, and CD11b. Immunohistology in Thy1-GFP(M) mice demonstrated that pharmacological blockade of P2Y12 prevented stress-induced increases in the proportion of microglia with GFP+ neuronal inclusions and limited dendritic spine loss in the PFC. Together, these findings indicate that microglial P2Y12 is a critical mediator of stress-induced neuronal remodeling in the PFC and subsequent behavioral deficits.

ABSTRACT Psychological loss is a common experience that erodes well-being and negatively impacts quality of life. The molecular underpinnings of loss are poorly understood. Here, we investigate the mechanisms of loss using an enrichment removal (ER) paradigm in rats. A comprehensive multi-omics investigation of the basolateral amygdala (BLA) revealed alterations in microglia and extracellular matrix (ECM). Follow-up studies indicated that ER decreased microglia size, complexity, and phagocytosis, suggesting reduced immune surveillance. Loss also substantially increased ECM coverage, specifically targeting perineuronal nets surrounding parvalbumin interneurons, suggesting decreased plasticity and increased inhibition in the BLA following loss. Behavioral analyses suggest that these molecular effects are linked to impaired BLA salience evaluation, reflecting emotional blunting observed in human loss. These loss-like behaviors could be rescued by depleting BLA ECM during removal, helping us understand the mechanisms underlying loss and revealing novel molecular targets to ameliorate its impact.

Abstract Astrocytes form an integral component of the neurovascular unit, ensheathing brain blood vessels with projections high in aquaporin-4 (AQP4) expression. These AQP4-rich projections facilitate interaction between the vascular endothelium, astrocytes, and neurons, and help stabilize vascular morphology. Studies using preclinical models of psychological stress and post-mortem tissue from patients with major depressive disorder (MDD) have reported reductions in AQP4, loss of astrocytic structures, and vascular impairment in the prefrontal cortex (PFC). Though compelling, the role of AQP4 in mediating stress-induced alterations in blood vessel function and behavior remains unclear. Here, we address this, alongside potential sex differences in chronic unpredictable stress (CUS) effects on astrocyte phenotype, blood-brain barrier integrity, and behavior. CUS led to pronounced shifts in stress-coping behavior and working memory deficits in male –but not female– mice. Following behavioral testing, astrocytes from the frontal cortex were isolated for gene expression analyses. We found that CUS increased various transcripts associated with blood vessel maintenance in astrocytes from males, but either had no effect on-or decreased-these genes in females. Furthermore, CUS caused a reduction in vascular-localized AQP4 and elevated extravasation of a small molecule fluorescent reporter (Dextran) in the PFC in males but not females. Studies showed that knockdown of AQP4 in the PFC in males is sufficient to disrupt astrocyte phenotype and increase behavioral susceptibility to a sub-chronic stressor. Collectively, these findings provide initial evidence that sex-specific alterations in astrocyte phenotype and neurovascular integrity in the PFC contribute to behavioral and cognitive consequences following chronic stress.

Both obesity and high fat diets (HFD) have been associated with an increase in inflammatory gene expression within the brain. Microglia play an important role in early cortical development and may be responsive to HFD, particularly during sensitive windows, such as adolescence. We hypothesized that HFD during adolescence would increase proinflammatory gene expression in microglia at baseline and potentiate the microglial stress response. Two stressors were examined, a physiological stressor [lipopolysaccharide (LPS), IP] and a psychological stressor [15 min restraint (RST)]. From 3 to 7 weeks of age, male and female mice were fed standard control diet (SC, 20% energy from fat) or HFD (60% energy from fat). On P49, 1 h before sacrifice, mice were randomly assigned to either stressor exposure or control conditions. Microglia from the frontal cortex were enriched using a Percoll density gradient and isolated via fluorescence-activated cell sorting (FACS), followed by RNA expression analysis of 30 genes (27 target genes, three housekeeping genes) using Fluidigm, a medium throughput qPCR platform. We found that adolescent HFD induced sex-specific transcriptional response in cortical microglia, both at baseline and in response to a stressor. Contrary to our hypothesis, adolescent HFD did not potentiate the transcriptional response to stressors in males, but rather in some cases, resulted in a blunted or absent response to the stressor. This was most apparent in males treated with LPS. However, in females, potentiation of the LPS response was observed for select proinflammatory genes, including