Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive neuroimaging technique that is useful for identifying normal developmental and aging processes and for data sharing. Marmosets have a relatively shorter life expectancy than other primates, including humans, because they grow and age faster. Therefore, the common marmoset model is effective in aging research. The current study investigated the aging process of the marmoset brain and provided an open MRI database of marmosets across a wide age range. The Brain/MINDS Marmoset Brain MRI Dataset contains brain MRI information from 216 marmosets ranging in age from 1 and 10 years. At the time of its release, it is the largest public dataset in the world. It also includes multi-contrast MRI images. In addition, 91 of 216 animals have corresponding high-resolution ex vivo MRI datasets. Our MRI database, available at the Brain/MINDS Data Portal, might help to understand the effects of various factors, such as age, sex, body size, and fixation, on the brain. It can also contribute to and accelerate brain science studies worldwide.

Abstract We report on the implementation and features of the Brain/MINDS Marmoset Connectivity Atlas, BMCA, a new resource that provides access to anterograde neuronal tracer data in the prefrontal cortex of a marmoset brain. Neuronal tracers combined with fluorescence microscopy are a key technology for the systematic mapping of structural brain connectivity. We selected the prefrontal cortex for mapping due to its important role in higher brain functions. This work introduces the BMCA standard image preprocessing pipeline and tools for exploring and reviewing the data. We developed the BMCA-Explorer, which is an online image viewer designed for data exploration. Unlike other existing image explorers, it visualizes the data of different individuals in a common reference space at an unprecedented high resolution, facilitating comparative studies. To foster the integration with other marmoset brain image databases and cross-species comparisons, we added fiber tractography data from diffusion MRI, retrograde neural tracer data from the Marmoset Brain Connectivity Atlas project, and tools to map image data between marmoset and the human brain image space. This version of BMCA allows direct comparison between the results of 52 anterograde and 164 retrograde tracer injections in the cortex of the marmoset.

Abstract Magnetic resonance imaging (MRI) is a noninvasive neuroimaging method beneficial for the identification of normal developmental and aging processes and data sharing. Marmosets have a relatively shorter life expectancy (approximately 10 years) than other primates, including, humans because they grow and age faster. Hence, the common marmoset model is effective in aging research. The current study investigated the aging process of the marmoset brain and provided an open MRI database on marmosets with a wide age range. The Brain/MINDS Marmoset Brain MRI Dataset contains brain MRI information on 216 marmosets aged between 1 and 10 years. During its release date, it is the largest public dataset worldwide. Further, it comprises multi contrast MRI images. In addition, 91 of 216 animals have corresponding ex vivo high-resolution MRI datasets. Our MRI database, which is available at the Brain/MINDS Data portal might help understand the effects of different factors, such as age, sex, body size, and fixation, on the brain. Moreover, it can contribute to and accelerate brain science studies worldwide.

Summary Prefrontal cortex (PFC) has dramatically expanded in primates, but its organization and interactions with other brain regions are only partially understood. We performed high-resolution connectomic mapping of marmoset PFC and found two contrasting corticocortical and corticostriatal projection patterns: “patchy” projections that formed many columns of submillimeter scale in nearby and distant regions and “diffuse” projections that spread widely across the cortex and striatum. Parcellation-free analyses revealed representations of PFC gradients in these projections’ local and global distribution patterns. We also demonstrated column-scale precision of reciprocal cortico-cortical connectivity, suggesting that PFC contains a mosaic of discrete columns. Diffuse projections showed considerable diversity in the laminar patterns of axonal spread. In mice, columnar projections were much less conspicuous, underscoring the importance of the primate model. Altogether, these fine-grained analyses reveal important principles of local and long-distance PFC circuits in marmosets and provide insights into the functional organization of the primate brain.

Epilepsy is a major neurological disorder. Despite the major contribution of animal models to the development of anticonvulsant drugs, 20-30% of epilepsy patients still fail to achieve adequate seizure control. Novel animal models are needed for the development of new drugs. Here we report CRTC1 KD-induced epileptic response by short hairpin (shRNA) RNA injection into marmoset V1. Three local injections of shCRTC1 induced cFOS expression beyond the injection sites. Real-time analysis of cortical electrocorticography revealed transient changes in high frequency oscillations throughout the cortex, and a second lesion was observed in the temporal lobe by MRI and post-mortem histology. shCRTC1 knockdown marmosets showed severe lesions surrounding the injection site several months after the injection, while glial cell activations appeared even before IEG induction could be detected one month after the shCRTC1 injection. These features suggest the utility of the shCRTC1 KD marmoset in the study of focal and structural epilepsy.

In primates, proximal cortical areas are interconnected via within-cortex ″intrinsic″ pathway, whereas distant areas are connected via ″extrinsic″ white matter pathway. It is not well known how cortical areas are interconnected in small-brained mammals like rodents. In this study, we systematically analyzed the data of Allen Mouse Brain Connectivity Atlas to answer this question and found that the ipsilateral cortical connections in mice are almost exclusively contained within the grey matter with the exception of the retrosplenial area. We analyzed the layer-specific distribution of axonal projections within the grey matter using Cortical Box method and obtained the following results. First, widespread axonal projections were observed in both upper and lower layers in the vicinity of injections, whereas highly specific ″point-to-point″ projections were observed toward remote areas. Second, such long-range projections were predominantly aligned in the anteromedial-posterolateral direction. Third, in majority of these projections, the connecting axons traveled through layer 6. Finally, the projections from the primary and higher order areas to distant targets preferentially terminated in the middle and superficial layers, respectively, suggesting hierarchical connections similar to those of primates. Overall, our study suggests the conserved nature of neocortical organization across species despite conspicuous differences in wiring strategy.

Alterations in the experience-dependent and autonomous elaboration of neural circuits are assumed to underlie autism spectrum disorder (ASD), though it is unclear what synaptic traits are responsible. Here, we used a valproic acid-induced ASD marmoset model, which shares common molecular features with idiopathic ASD, to investigate the structural dynamics of tuft dendrites of upper-layer pyramidal neurons and adjacent axons in the dorsomedial prefrontal cortex using two-photon microscopy. In model marmosets, dendritic spine turnover was upregulated, and spines were actively generated in clusters and subsequently survived more often than in control marmosets. Presynaptic boutons in local axons but not in commissural long-range axons showed hyperdynamic turnover in model marmosets, suggesting alterations in projection-specific plasticity. Intriguingly, nasal administration of oxytocin reduced the clustered spine emergence. Enhanced clustered spine generation, possibly unique to certain presynaptic partners, may be associated with ASD and may be a potential therapeutic target.

Sensorimotor learning requires reorganization of neuronal activity in the premotor cortex (PM) and primary motor cortex (M1). However, how PM- and M1-specific reorganization occurs in primates remains unclear. We conducted calcium imaging of these areas in common marmosets while they learned a two-target reaching (pull/push) task. Throughout learning, the dorsorostral PM (PMdr) showed peak activity earlier than the dorsocaudal PM (PMdc) and M1. PMdr showed decreased representation of newly introduced (push) movement, whereas PMdc and M1 maintained high representation. Many task-related neurons in PMdc and M1 exhibited a strong preference to either movement direction. PMdc neurons dynamically switched their preferred direction, whereas M1 neurons stably retained their preferred direction. Differences in preferred direction between adjacent neurons in PMdc increased during learning. These results suggest that in primate sensorimotor learning, dynamic motor representation in PMdc converts the cognitive sensorimotor signals of PMdr to stable and specific motor representation of M1.