The effects of the cytokine, Interleukin-1β (IL-1β), and its receptor antagonist IL-1ra, were studied on long-term potentiation in the dentate gyrus of rat hippocampal slices. Field excitatory postsynaptic potentials were recorded extracellularly in the molecular region of the dentate gyrus in response to stimulation of the medial perforant path. Low frequency synaptic transmission was unaffected by IL-1β (1 ng/ml), but pre-treatment with IL-1β completely blocked induction of long-term potentiation. Co-application of IL-1β and IL-1ra (100 ng/ml) attenuated the inhibitory effect of IL-1β. In parallel with these findings, we demonstrate that IL-1fβ also inhibited 45Ca influx into the slices. The inhibitory effect of IL-1β on induction was mimicked by tumour necrosis factor (TNF; 4.5 ng/ml) and lipopolysaccharide (LPS; 10 μg/ml). These results indicate a modulatory role for cytokines in hippocampus and suggest that the inhibitory effect of IL-1β on long-term potentiation may relate to its inhibitory effect on calcium channel activity.

Abstract Double stranded RNA is generated during viral replication. The synthetic analogue poly I:C is frequently used to mimic anti-viral innate immune responses in models of psychiatric and neurodegenerative disorders including schizophrenia, autism, Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease. Many studies perform limited analysis of innate immunity despite these responses potentially differing as a function of dsRNA molecular weight and age. Therefore fundamental questions relevant to impacts of systemic viral infection on brain function and integrity remain. Here, we studied innate immune-inducing properties of poly I:C preparations of different lengths and responses in adult and aged mice. High molecular weight (HMW) poly I:C (1-6kb, 12 mg/kg) produced more robust sickness behavior and more robust IL-6, IFN-I and TNFα responses than poly I:C of <500 bases (low MW) preparations. This was partly overcome with higher doses of LMW (up to 80 mg/kg), but neither circulating IFNβ nor brain transcription of Irf7 were significantly induced by LMW poly I:C, despite brain Ifnb transcription, suggesting that brain IFN-dependent gene expression is predominantly triggered by circulating IFNβ binding of IFNAR1. In aged animals, poly I:C induced exaggerated IL-6, IL-1β and IFN-I in the plasma and similar exaggerated brain cytokine responses. This was associated with acute working memory deficits selectively in aged mice. Thus, we demonstrate dsRNA length-, IFNAR1- and age-dependent effects on anti-viral inflammation and cognitive function. The data have implications for CNS symptoms of acute systemic viral infection such as those with SARS-CoV-2 and for models of maternal immune activation.

Alzheimer's disease (AD) causes devastating cognitive decline and has no disease-modifying therapies. Neuroinflammation is a significant contributor to disease progression but its precise contribution remains unclear. An emerging literature indicates that secondary inflammatory insults including acute trauma and infection alter the trajectory of chronic neurodegenerative diseases and the roles of microglia and astrocytes require elucidation. The current study, using the APP/PS1 mouse model of AD, demonstrates that microglia are primed by β-amyloid pathology to induce exaggerated IL-1β responses to acute stimulation with LPS or IL-1β. Despite disease-associated NLRP3 inflammasome activation, evidenced by ASC speck formation, APP/PS1 microglial cells show neither IL-1β induction nor NFĸB p65 nuclear localisation. Upon secondary stimulation with LPS or IL-1β, NFĸB-p65 nuclear localisation and exaggerated pro-IL-1 induction occur. Microglial priming was also unmasked by secondary stimulation with systemic LPS leading to significant cognitive impairment in APP/PS1 mice compared to WT LPS-treated mice. Astrocytes have also recently emerged as displaying significant phenotypic heterogeneity. Here, by-passing microglial priming, and acutely challenging mice with intra-hippocampal IL-1β we demonstrate that astrocytes proximal to Aβ-plaques are also primed to produce exaggerated CCL2, CXCL1 and CXCL10 responses. Many astrocytosis-associated genes in APP/PS1 mice share these exaggerated responses to IL-1β, while others are equally induced in both strains. Collectively the data show that the amyloid-laden brain shows multiple vulnerabilities to secondary inflammatory challenge: both microglia and astrocytes are primed to produce exaggerated secondary inflammation and systemic LPS is sufficient to cause cognitive impairments relevant to delirium, selectively in animals with prior amyloid pathology.

Abstract Autism Spectrum Disorders (ASD) are predominantly developmental in nature and largely genetically determined. There are some human data supporting the idea that fever can improve symptoms in some individuals but the human data for this are limited and there are almost no data to support this from animal models. In the current study we used a whole body hyperthermia (WBH) protocol and systemic inflammation induced by bacterial endotoxin (LPS) to dissociate temperature and inflammatory elements of fever in order to examine the impact of these environmental stressors on behavioural signs in two animal models relevant to ASD: C58BL/6 and Shank3B- mice. While only LPS induced inflammatory signatures in the brain, WBH and LPS induced both overlapping and distinct neuronal cFos activation in several brain regions and modest effects on heat shock gene expression. In behavioural experiments LPS significantly suppressed most activities over 24-48 hours while WBH reduced repetitive behaviours and improved social interaction in C58BL/6 mice. In Shank3B- mice WBH significantly reduced compulsive grooming. The data are the first, to our knowledge, to demonstrate that elevated body temperature, in the absence of underpinning inflammation, can improve some behavioural signs in two distinct animal models of ASD. Given the developmental and genetic nature of ASD, evidence that symptoms may be ameliorated by environmental perturbations indicates that there are possibilities for improving function in these individuals.

Systemic infection triggers a spectrum of metabolic and behavioral changes, collectively termed sickness behavior, that while adaptive for the organism, can affect mood and cognition. In vulnerable individuals, acute illness can also produce profound, maladaptive, cognitive dysfunction including delirium, but our understanding of delirium pathophysiology remains limited. Here we used bacterial lipopolysaccharide (LPS) in C57BL/6J mice and acute hip fracture in humans to address whether disrupted energy metabolism contributes to inflammation-induced behavioral and cognitive changes. LPS (250 μg/kg) induced hypoglycemia, which was mimicked by IL-1β (25 μg/kg) but not prevented in IL-1RI-/- mice, nor by IL-1RA (10 mg/kg). LPS suppression of locomotor activity correlated with blood glucose concentration, was mitigated by exogenous glucose (2 g/kg) and was exacerbated by 2-deoxyglucose glycolytic inhibition, which prevented IL-1β synthesis. Using the ME7 model of chronic neurodegeneration, to examine vulnerability of the diseased brain to acute stressors, we showed that LPS (100 μg/kg) produced acute cognitive dysfunction, selectively in those animals. These acute cognitive impairments were mimicked by insulin (11.5 IU/kg) and mitigated by glucose, demonstrating that acutely reduced glucose metabolism impairs cognition in the vulnerable brain. To test whether these acute changes might predict altered carbohydrate metabolism during delirium, we assessed glycolytic metabolite levels in cerebrospinal fluid (CSF) in humans during delirium, triggered by acute inflammatory trauma. Hip fracture patients showed elevated CSF lactate and pyruvate during delirium, consistent with altered brain energy metabolism. Collectively the data suggest that disruption of energy metabolism drives behavioral and cognitive consequences of acute systemic inflammation.

Systemic inflammation can impair cognition with relevance to dementia, delirium and post-operative cognitive dysfunction. Acute episodes of delirium also contribute significantly to rates of long-term cognitive decline, implying that de novo pathology occurs during these acute episodes. Whether systemic inflammation-induced acute dysfunction and acute brain injury occur by overlapping or discrete mechanisms has not been investigated. Here we show that systemic inflammation, induced by bacterial LPS, produces both working memory deficits and acute brain injury in the degenerating brain and that these occur by dissociable IL-1-dependent processes. In normal C57BL/6 mice, LPS (100 μg/kg) did not affect working memory but robustly impaired contextual fear conditioning (CFC). However prior hippocampal synaptic loss left mice selectively vulnerable to LPS-induced working memory deficits. Systemically administered IL-1 receptor antagonist (IL-1RA) was protective against, and systemic IL-1 beta; replicated, these working memory deficits. Although LPS-induced deficits still occured in IL-1RI-/- mice, systemic TNF-alpha; was sufficient to induce similar deficits, indicating redundancy among these cytokines. Dexamethasone abolished systemic cytokine synthesis and was protective against working memory deficits despite failing to block brain IL-1 beta; synthesis. Direct application of IL-1 beta; to ex vivo hippocampal slices induced non-synaptic depolarisation and irrevesible loss of membrane potential in CA1 neurons from diseased animals and systemic LPS increased apoptosis in the degenerating brain, in an IL-1RI-/- dependent-fashion. The data suggest that LPS induces working memory dysfunction via circulating IL-1 beta; but dysfunction leading to neuronal death is mediated by hippocampal IL-1 beta;. The data suggest that acute systemic inflammation produces both reversible cognitive deficits, resembling delirium, and acute brain injury that may lead to long-term cognitive impairment but that these events are mechanistically dissociable. This would have significant implications for management of cognitive dysfunction and decline during acute illness.