Abstract Heterozygous mutation of chromodomain helicase DNA binding protein 8 ( CHD8 ) is strongly associated with autism spectrum disorder (ASD) and results in dysregulated expression of neurodevelopmental and synaptic genes during brain development. To reveal how these changes affect ASD-associated cortical circuits, we studied synaptic transmission in the prefrontal cortex of a haploinsufficient Chd8 mouse model. We report profound alterations to both excitatory and inhibitory synaptic transmission onto deep layer projection neurons, resulting in a reduced excitatory:inhibitory balance, which were found to vary dynamically across neurodevelopment and result from distinct effects of reduced Chd8 expression within individual neuronal subtypes. These changes were associated with disrupted regulation of homeostatic plasticity mechanisms operating via spontaneous neurotransmission. These findings therefore directly implicate CHD8 mutation in the disruption of ASD-relevant circuits in the cortex.

The rules governing neural circuit formation in mammalian central nervous systems are poorly understood. NMDA receptors are involved in synaptic plasticity mechanisms in mature neurons, but their contribution to circuit formation and dendritic maturation remains controversial. Using pharmacological and genetic interventions to disrupt NMDA receptor signaling in hippocampal CA1 pyramidal neurons in vitro and in vivo, we identify an early critical window for a synapse-specific function in wiring Schaffer collateral connections and dendritic arborization. Through in vivo imaging, we show that NMDA receptors are frequently activated during early development and elicit minute-long calcium transients, which immediately precede the emergence of filopodia. These results demonstrate that NMDA receptors drive synapto- and dendritogenesis during development, challenging the view that these processes are primarily mediated by molecular cues.

Endocannabinoids regulate different aspects of neurodevelopment. In utero exposure to the exogenous psychoactive cannabinoid Δ9-tetrahydrocannabinol (Δ9-THC), has been linked with abnormal cortical development in animal models. However, much less is known about the actions of endocannabinoids in human neurons. Here we investigated the effect of the endogenous endocannabinoid 2-arachidonoyl glycerol (2AG) and Δ9-THC on the development of neuronal morphology and activation of signaling kinases, in cortical glutamatergic neurons derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). Our data indicate that the cannabinoid type 1 receptor (CB1R), but not the cannabinoid 2 receptor (CB2R), GPR55 or TRPV1 receptors, is expressed in young, immature hiPSC-derived cortical neurons. Consistent with previous reports, 2AG and Δ9-THC negatively regulated neurite outgrowth. Interestingly, acute exposure to both 2AG and Δ9-THC inhibited phosphorylation of serine/threonine kinase extracellular signal-regulated protein kinases (ERK1/2), whereas Δ9-THC also reduced phosphorylation of Akt (aka PKB). Moreover, the CB1R inverse agonist SR141716A attenuated the negative regulation of neurite outgrowth and ERK1/2 phosphorylation induced by 2AG and Δ9-THC. Taken together, our data suggest that hiPSC-derived cortical neurons highly express CB1Rs and are responsive to both endogenous and exogenous cannabinoids. Thus, hiPSC-neurons may represent a good cellular model for investigating the role of the endocannabinoid system in regulating cellular processes in human neurons.

Background: Of the many genetic mutations known to increase the risk of autism spectrum disorder, a large proportion cluster upon synaptic proteins. One such family of presynaptic proteins are the neurexins (NRXN), and recent genetic and mouse evidence has suggested a causative role for NRXN2 in generating altered social behaviours. Autism has been conceptualised as a disorder of atypical connectivity, yet how single-gene mutations affect such connectivity remains under-explored. To attempt to address this, we have developed a quantitative analysis of microstructure and structural connectivity leveraging diffusion tensor MRI (DTI) with high-resolution 3D imaging in optically cleared (CLARITY) brain tissue in the same mouse, applied here to the Nrxn2α knockout (KO) model. Methods: Fixed brains of Nrxn2α KO mice underwent DTI using 9.4T MRI, and diffusion properties of socially-relevant brain regions were quantified. The same tissue was then subjected to CLARITY to immunolabel axons and cell bodies, which were also quantified. Results: DTI revealed increases in fractional anisotropy in the amygdala (including the basolateral nuclei), the anterior cingulate cortex, the orbitofrontal cortex and the hippocampus. Axial diffusivity of the anterior cingulate cortex and orbitofrontal cortex was significantly increased in Nrxn2α KO mice, as were tracts between the amygdala and the orbitofrontal cortex. Using CLARITY, we find significantly altered axonal orientation in the amygdala, orbitofrontal cortex and the anterior cingulate cortex, which was unrelated to cell density. Conclusions: Our findings demonstrate that deleting a single neurexin gene (Nrxn2α) induces atypical structural connectivity within socially-relevant brain regions. More generally, our combined within-subject DTI and CLARITY approach presents a new, more sensitive method of revealing hitherto undetectable differences in the autistic brain.

Directed transport of transmembrane proteins is generally believed to occur via intracellular transport vesicles. However, using single particle tracking in rat hippocampal neurons with a pH-sensitive quantum dot probe which specifically reports surface movement of receptors, we have identified a subpopulation of neuronal EphB2 receptors that exhibit directed motion between synapses within the plasma membrane itself. This receptor movement occurs independently of the cytoskeleton but is dependent on cholesterol and is regulated by neuronal activity.

Imaging of fixed tissue is routine in experimental neuroscience, but is limited by the depth of tissue that can be imaged using conventional methods. Optical clearing of brain tissue using hydrogel-based methods (e.g. CLARITY) allows imaging of large volumes of tissue and is rapidly becoming commonplace in the field. However, these methods suffer from a lack of standardised protocols and validation of the effect they have upon tissue morphology. We present a simple and reliable protocol for tissue clearing along with a quantitative assessment of the effect of tissue clearing upon morphology. Tissue clearing caused tissue swelling (compared to conventional methods), but this swelling was shown to be similar across spatial scales and the variation was within limits acceptable to the field. The results of many studies rely upon an assumption of uniformity in tissue swelling, and by demonstrating this quantitatively, research using these methods can be interpreted more reliably.

ABSTRACT During the third trimester of human gestation, the structure and function of the fetal brain is developing rapidly, laying the foundation for its connectivity framework across the lifespan. During this juncture, resting state functional MRI can be used to identify resting state networks (RSNs) which mature across gestation to resemble canonical RSNs at full term. However, the emergence of finer grain organisation of connectivity within these RSNs in the fetal brain is unknown. Using in-utero resting state fMRI, we performed connectopic mapping analysis to explore the presence of gradients in functional connectivity organisation of 11 cortical RSNs, known as connectopic maps in fetuses aged 25-37 weeks gestation (GW). We hypothesised that, if present, development of connectopic maps would be network specific in the third trimester of gestation, such that this property would be present within the earlier maturing primary sensory and motor networks before those associated with higher association function. In keeping with this, we found smooth connectopic maps in all of the studied RSNs from 25 GW, with the most spatially consistency across gestational age in the primary sensory and motor networks. Voxel-wise permutation testing of the connectopic maps identified local clusters of voxels within networks that significantly covaried with age, specifically in multisensory processing areas, suggesting multisensory processing may be developing during this period. Our analysis shows that functional gradient organisation is already established in the fetal brain and develops throughout gestation, which has strong implications for understanding how cortical organisation subserves the emergence of behaviour in the ensuing period.

Abstract Loss-of-function mutations in genes encoding lysine methyltransferases (KMTs) and demethylases (KDMs) responsible for regulating the trimethylation of histone 3 on lysine 4 (H3K4me3) are associated with neurodevelopmental conditions, including autism spectrum disorder and intellectual disability. To study the specific role of H3K4me3 demethylation, we investigated neurodevelopmental phenotypes in mice without KDM5B demethylase activity. These mice exhibited autism-like behaviours and increased brain size. H3K4me3 levels and the expression of neurodevelopmental genes were increased in the developing Kdm5b mutant neocortex. These included elevated expression of Grin2d . The Grin2d gene product NMDAR2D was increased in synaptosomes isolated from the Kdm5b -deficient neocortex and treating mice with the NMDAR antagonist memantine rescued deficits in ultrasonic vocalisations and reduced repetitive digging behaviours. These findings suggest that increased H3K4me3 levels and associated Grin2d gene upregulation disrupt brain development and function, leading to socio-communication deficits and repetitive behaviours, and identify a potential therapeutic target for neurodevelopmental disorders associated with KDM5B deficiency.