Abstract Preclinical applications of resting-state functional magnetic resonance imaging (rsfMRI) offer the possibility to non-invasively probe whole-brain network dynamics and to investigate the determinants of altered network signatures observed in human studies. Mouse rsfMRI has been increasingly adopted by numerous laboratories world-wide. Here we describe a multi-centre comparison of 17 mouse rsfMRI datasets via a common image processing and analysis pipeline. Despite prominent cross-laboratory differences in equipment and imaging procedures, we report the reproducible identification of several large-scale resting-state networks (RSN), including a murine default-mode network, in the majority of datasets. A combination of factors was associated with enhanced reproducibility in functional connectivity parameter estimation, including animal handling procedures and equipment performance. Our work describes a set of representative RSNs in the mouse brain and highlights key experimental parameters that can critically guide the design and analysis of future rodent rsfMRI investigations.

Abstract Prenatal maternal immune activation (MIA) is a risk factor for neurodevelopmental disorders. How gestational timing of MIA-exposure differentially impacts downstream development remains unclear. Here, we characterize neurodevelopmental trajectories of mice exposed to MIA induced by poly I:C either early (gestational day [GD]9) or late (GD17) in gestation using longitudinal structural magnetic resonance imaging from weaning to adulthood. Early MIA-exposure associated with accelerated brain volume increases in adolescence/early-adulthood that normalized in later adulthood, in regions including the striatum, hippocampus, and cingulate cortex. Similarly, alterations in anxiety, stereotypic, and sensorimotor gating behaviours observed in adolescence normalized in adulthood. In contrast, MIA-exposure in late gestation had less impact on anatomical and behavioural profiles. Using a multivariate technique to relate imaging and behavioural variables for the time of greatest alteration, i.e. adolescence/early adulthood, we demonstrate that variation in anxiety, social, and sensorimotor gating associates significantly with volume of regions including the dorsal and ventral hippocampus, and anterior cingulate cortex. Using RNA sequencing to explore the molecular underpinnings of region-specific alterations in early MIA-exposed mice in adolescence, we observed the most transcriptional changes in the dorsal hippocampus, with regulated genes enriched for fibroblast growth factor regulation, autistic behaviours, inflammatory pathways, and microRNA regulation. This indicates that MIA in early gestation perturbs brain development mechanisms implicated in neurodevelopmental disorders. Our findings demonstrate the inherent strength of an integrated hypothesis- and data-driven approach in linking brain-behavioural alterations to the transcriptome to understand how MIA confers risk for major mental illness.

Abstract Our current understanding of litter variability in neurodevelopmental studies using mouse may limit translation of neuroscientific findings. Higher variance of measures across litters than within, often termed intra-litter likeness, may be attributable to pre- and postnatal environment. This study aimed to assess the litter-effect within behavioral assessments (2 timepoints), and anatomy using T1-weighted magnetic resonance images (4 timepoints) across 72 brain region volumes (36 C57bl/6J inbred mice; 7 litters: 19F/17M). Between-litter comparisons of brain and behavioral measures and their associations were evaluated using univariate and multivariate techniques. A power analysis using simulation methods was then performed modeling neurodevelopment and evaluating trade-offs between number-of-litters, mice-per-litter, and sample size. Our results show litter-specific developmental effects, from the adolescent period to adulthood for brain structure volumes and behaviors, and their associations in adulthood. Our power simulation analysis results suggest increasing the number-of-litters in experimental design to achieve the smallest total sample size for detecting different rates of change in specific brain regions. Our results also demonstrate how litter-specific effects may influence development and that increasing the litters to the total sample size ratio should be strongly considered when designing neurodevelopmental studies.

Abstract Alpha-synuclein (aSyn) pathology has been extensively studied in mouse models harbouring human mutations. In spite of the known sex differences in age of onset, prevalence and disease presentation in human synucleinopathies, the impact of sex on aSyn propagation has received very little attention. To address this need, we examined sex differences in whole brain signatures of neurodegeneration due to aSyn toxicity in the M83 mouse model using longitudinal magnetic resonance imaging (MRI; T1-weighted; 100 μm 3 isotropic voxel; acquired −7, 30, 90 and 120 days post-injection [dpi]; n≥8 mice/group/sex/time point). To initiate aSyn spreading, M83 mice were inoculated with recombinant human aSyn preformed fibrils (Hu-PFF) or phosphate buffered saline (PBS) injected in the right dorsal striatum. We observed more aggressive neurodegenerative profiles over time for male M83 Hu-PFF-injected mice when examining voxel-wise trajectories. However, at 90 dpi, we observed widespread patterns of neurodegeneration in the female Hu-PFF-injected mice. These differences were not accompanied with any differences in motor symptom onset between the male and female Hu-PFF-injected mice. However, male Hu-PFF-injected mice reached their humane endpoint sooner. These findings suggest that post-motor symptom onset, even though more accelerated disease trajectories were observed for male Hu-PFF-injected mice, neurodegeneration may appear sooner in female Hu-PFF-injected mice (prior to motor symptomatology). These findings suggest that sex-specific synucleinopathy phenotypes urgently need to be considered to improve our understanding of neuroprotective and neurodegenerative mechanisms.

Abstract There is significant evidence suggesting aggregated misfolded alpha-synuclein, a major component of Lewy bodies, propagates in a prion-like manner contributing to disease progression in Parkinson’s disease (PD) and other synucleinopathies. Animal models are essential for understanding and developing treatments for these diseases. However, despite modelling human pathology, most endpoints studied in mice do not translate to humans. Furthermore, the progression by which alpha-synuclein misfolding affects human-relevant measures such as brain volume and underlying subtle, high-level cognitive deficits is poorly understood. Here we used a mouse model of synucleinopathy; hemizygous M83 human A53T alpha-synuclein transgenic mice inoculated with recombinant human alpha-synuclein preformed fibrils (PFF) injected in the right striatum to initiate alpha-synuclein misfolding and aggregation. We examined alpha-synuclein-induced atrophy at 90 days post-injection using ex vivo magnetic resonance imaging as well as high-level cognition and motor function, as biomarkers of alpha-synuclein toxicity. We observed widespread atrophy in bilateral regions that project to or receive input from the injection site, highlighting a network of regions that are consistent with structural changes observed in humans with PD. Moreover, we detected early deficits in reversal learning with touchscreen testing in PFF-injected mice prior to motor dysfunction, consistent with the pathology observed in cortical-striatal and thalamic loops. We show, using translational approaches in mice, that progression of prion-like spreading of alpha-synuclein causes selective atrophy via connected brain regions leading to high-level cognitive deficits. We propose that precise imaging and cognitive biomarkers can provide a more direct and human-relevant measurement of alpha-synuclein-induced toxicity in pre-clinical testing. Significance Statement The work described in this manuscript showcases the utility of state-of-the-art methodologies (magnetic resonance imaging and touchscreen behavioural tasks) to examine endophenotypes, both in terms of symptomatology and neuroanatomy, of alpha-synuclein propagation in a mouse model of synucleinopathy. Our work further validates the M83-Hu-PFF mouse model of synucleinopathy-associated pathogenesis of neurodegenerative diseases while highlighting precise imaging and cognitive biomarkers of protein misfolding toxicity. Specifically, we identified rapid and translational biomarkers that can serve as a proxy for the direct examination of cellular levels for pathology. We anticipate that these biomarkers can measure progression of toxicity, specifically in the early phases, and may be more reliable than end stage pathology and more useful as endpoints in the examination of novel therapeutics.