ABSTRACT fMRI-based measurements of functional connectivity are commonly interpreted as an index of anatomical coupling and direct interareal communication. However, causal testing of this hypothesis has been lacking. Here we combine neural silencing, resting-state fMRI and in vivo electrophysiology to causally probe how inactivation of a cortical region affects brain-wide functional coupling. We find that chronic silencing of the prefrontal cortex (PFC) via overexpression of a potassium channel paradoxically increases rsfMRI connectivity between the silenced area and its thalamo-cortical terminals. Acute chemogenetic silencing of the PFC reproduces analogous patterns of overconnectivity, an effect associated with over-synchronous fMRI coupling between polymodal thalamic regions and widespread cortical districts. Notably, multielectrode recordings revealed that chemogenetic inactivation of the PFC attenuates gamma activity and increases delta power in the silenced area, resulting in robustly increased delta band coherence between functionally overconnected regions. The observation of enhanced rsfMRI coupling between chemogenetically silenced areas challenges prevailing interpretations of functional connectivity as a monotonic index of direct axonal communication, and points at a critical contribution of slow rhythm generators to the establishment of brain-wide functional coupling.

Abstract Postmortem studies have revealed increased density of excitatory synapses in the brains of individuals with autism, with a putative link to aberrant mTOR-dependent synaptic pruning. Autism is also characterized by atypical macroscale functional connectivity as measured with resting-state fMRI (rsfMRI). These observations raise the question of whether excess of synapses cause aberrant functional connectivity in autism. Using rsfMRI, electrophysiology and in silico modelling in Tsc2 haploinsufficient mice, we show that mTOR-dependent increased spine density is associated with autism-like stereotypies and cortico-striatal hyperconnectivity. These deficits are completely rescued by pharmacological inhibition of mTOR. Notably, we further demonstrate that children with idiopathic autism exhibit analogous cortical-striatal hyperconnectivity, and document that this connectivity fingerprint is enriched for autism-dysregulated genes interacting with mTOR or TSC2. Finally, we show that the identified transcriptomic signature is predominantly expressed in a subset of children with autism, thereby defining a segregable autism subtype. Our findings causally link mTOR-related synaptic pathology to large-scale network aberrations, revealing a unifying multi-scale framework that mechanistically reconciles developmental synaptopathy and functional hyperconnectivity in autism. Significance Aberrant brain functional connectivity is a hallmark of autism, but the neural basis of this phenomenon remains unclear. We show that a mouse line recapitulating mTOR-dependent synaptic pruning deficits observed in postmortem autistic brains exhibits widespread functional hyperconnectivity. Importantly, pharmacological normalization of mTOR signalling completely rescues synaptic, behavioral and functional connectivity deficits. We also show that a similar connectivity fingerprint can be isolated in human fMRI scans of people with autism, where it is linked to over-expression of mTOR-related genes. Our results reveal a unifying multi-scale translational framework that mechanistically links aberrations in synaptic pruning with functional hyperconnectivity in autism.

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 Cholinergic drugs acting at M1/M4 muscarinic receptors hold promise for the treatment of symptoms associated with brain disorders characterized by cognitive impairment, mood disturbances or psychosis, such as Alzheimer’s disease or schizophrenia. However, the brain-wide functional substrates engaged by muscarinic agonists remain poorly understood. Here we used a combination of pharmacological fMRI (phMRI), resting-state fMRI (rsfMRI) and resting-state quantitative EEG (qEEG) to investigate the effects of a behaviorally-active dose of M1/M4 agonist xanomeline on brain functional activity in the rodent brain. We investigated both the effects of xanomeline per se and its modulatory effects on signals elicited by the NMDA-receptor antagonists phencyclidine (PCP) and ketamine. We found that xanomeline induces robust and widespread BOLD signal phMRI amplitude increases and decreased high frequency qEEG spectral activity. rsfMRI mapping in the mouse revealed that xanomeline robustly decreased neocortical and striatal connectivity but induces focal increases in functional connectivity within the nucleus accumbens and basal forebrain. Notably, xanomeline pre-administration robustly attenuated both the cortico-limbic phMRI response and the fronto-hippocampal hyper-connectivity induced by PCP, enhanced PCP-modulated functional connectivity locally within the nucleus accumbens and basal forebrain, and reversed the gamma and high frequency qEEG power increases induced by ketamine. Collectively, these results show that xanomeline robustly induces both cholinergic-like neocortical activation and desynchronization of functional networks in the mammalian brain. These effects could serve as a translatable biomarker for future clinical investigations of muscarinic agents, and bear mechanistic relevance for the putative therapeutic effect of these class of compounds in brain disorders.

Excitation-inhibition (E:I) imbalance is theorized as an important pathophysiological mechanism in autism. Autism affects males more than females and sex-related mechanisms (e.g., X-linked genes, androgen hormones) can influence E:I balance. This suggests that E:I imbalance may affect autism differently in males versus females. With a combination of in-silico modeling and in-vivo chemogenetic manipulations in mice, we first show that a time-series metric estimated from fMRI BOLD signal, the Hurst exponent (H), can be an index for underlying change in the synaptic E:I ratio. In autism we find that H is reduced, indicating increased excitation, in the medial prefrontal cortex (MPFC) of autistic males but not females. Increasingly intact MPFC H is also associated with heightened ability to behaviorally camouflage social-communicative difficulties, but only in autistic females. This work suggests that H in BOLD can index synaptic E:I ratio and that E:I imbalance affects autistic males and females differently.### Competing Interest StatementE.T.B. is employed half-time by the University of Cambridge and half-time at GlaxoSmithKline plc (GSK); he holds stock in GSK. All other authors have no conflict of interests to declare.