Abstract Alzheimer’s disease (AD) is characterized by neurodegeneration, pathology accumulation, and progressive cognitive decline. There is significant variation in age at onset and severity of symptoms highlighting the importance of genetic diversity in the study of AD. To address this, we analyzed cell and pathology composition of 6- and 14-month-old AD-BXD mouse brains using the semi-automated workflow (QUINT); which we expanded to allow for nonlinear refinement of brain atlas-registration, and quality control assessment of atlas-registration and brain section integrity. Near global age-related increases in microglia, astrocyte, and amyloid-beta accumulation were measured, while regional variation in neuron load existed among strains. Furthermore, hippocampal immunohistochemistry analyses were combined with bulk RNA- sequencing results to demonstrate the relationship between cell composition and gene expression. Overall, the additional functionality of the QUINT workflow delivers a highly effective method for registering and quantifying cell and pathology changes in diverse disease models.

In the current research on measuring complex behaviours/phenotyping in rodents, most of the experimental design requires the experimenter to remove the animal from its home-cage environment and place it in an unfamiliar apparatus (novel environment). This interaction may influence behaviour, general well-being, and the metabolism of the animal, affecting the phenotypic outcome even if the data collection method is automated. Most of the commercially available solutions for home-cage monitoring are expensive and usually lack the flexibility to be incorporated with existing home-cages. Here we present a low-cost solution for monitoring home-cage behaviour of rodents that can be easily incorporated to practically any available rodent home-cage. To demonstrate the use of our system, we reliably predict the sleep/wake state of mice in their home-cage using only video. We validate these results using hippocampal local field potential (LFP) and electromyography (EMG) data. Our approach provides a low-cost flexible methodology for high-throughput studies of sleep, circadian rhythm and rodent behaviour with minimal experimenter interference.

String-pulling in rodents (rats and mice) is a task in which animals make hand-over-hand movements to spontaneously reel in a string with or without a food reward attached to its end. The task elicits bilateral skilled hand movements for which rodents require little training. The task is suitable for phenotyping physiology and pathophysiology of sensorimotor integration in rodent models of neurological and motor disorders. Because a rodent stands in the same location and its movements are repetitive, the task lends itself to quantification of topographical and kinematic parameters for on-line tactile tracking of the string, skilled hand movements for grasping, and rhythmical bilateral forearm movements to advance the string. Here we describe a Matlab® based software with a graphical user interface to assist researchers in analyzing the video record of string pulling. The software allows global characterization of position and motion using optical flow estimation, descriptive statistics, principal component, and independent component analyses as well as temporal measures of Fano factor, entropy, and Higuchi fractal dimension. Based on image segmentation and object tracking heuristic algorithms, the software also allows independent tracking of the body, ears, nose, and forehands for estimation of kinematic parameters such as body length, body angle, head roll, head yaw, head pitch, movement paths and speed of hand movement. The utility of the task and that of the software is presented by describing mouse strain characteristics in string-pulling behavior of two strains of mice, C57BL/6 and Swiss Webster. Postural and skilled hand kinematic differences that characterize the strains highlight the utility of the task and assessment methods for phenotypic and neurological analysis of healthy and rodent models of diseases such as Parkinson's, Huntington's, Alzheimer's and other neurological and motor disorders.

The action/perception theory of cortical organization is supported by the finding that pantomime hand movements of reaching and grasping are different from real movements. Frame-by-frame video analysis and MATLAB® based tracking examined real/pantomime differences in a bilaterally movement, string-pulling, pulling down a rope with hand-over-hand movements. Sensory control of string-pulling varied from visually-direct when cued, visually-indirect when non cued and somatosensory controlled in the absence of vision. Cued grasping points were visual tracked and the pupils dilated in anticipation of the grasp, but when noncued, visual tracking and pupil responses were absent. In real string-pulling, grasping and releasing the string featured an arpeggio movement in which the fingers close and open in the sequence 5 through 1 (pinki first, thumb last); in pantomime, finger order was reversed, 1 through 5. In real string-pulling, the hand is fully opened and closed to grasp and release; in pantomime, hand opening was attenuated and featured a gradual opening centered on the grasp. The temporal structure of arm movements in real string-pulling featured up-arm movements that were faster than down-arm movement. In pantomime, up/down movements had similar speed. In real string-pulling, up/down arm movements were direct and symmetric; in pantomime, they were more circular and asymmetric. That pantomime string-pulling featured less motoric and temporal complexity than real string-pulling is discussed in relation to the action/perception theory and in relation to the idea that pantomimed string-pulling may feature the substitution of gestures for real movement.Significant Statement Most laboratory studies investigating hand movements made by humans feature single hand movements, the current study presents a novel string-pulling task to study bimanual coordination of left and right hands in real and pantomime conditions. The results show that pantomime string-pulling featured less motoric and temporal complexity than real string-pulling. These findings are relevant to the contemporary theory of action and perception that the dorsal stream (parietal cortex) is related to actions and the ventral stream (temporal cortex) is related to perception.

The synaptic homeostasis theory of sleep proposes that low neurotransmitter activity in sleep is optimal for memory consolidation. We tested this theory by asking whether increasing acetylcholine levels during early sleep would disrupt motor memory consolidation. We trained separate groups of adult mice on the rotarod walking and skilled reaching for food tasks, and after training, administered physostigmine, an acetylcholinesterase inhibitor, to increase cholinergic tone in subsequent sleep. Post-sleep testing suggested that physostigmine impaired motor skill acquisition. Home-cage video monitoring and electrophysiology revealed that physostigmine disrupted sleep structure, delayed non-rapid-eye-movement sleep onset, and reduced slow-wave power in the hippocampus and cortex. The impaired motor performance with physostigmine, however, was not solely due to its effects on sleep structure, as one hour of sleep deprivation after training did not impair rotarod performance. A reduction in cholinergic tone by inactivation of cholinergic neurons during early sleep also affected rotarod performance. Administration of agonists and antagonists of muscarinic and nicotinic acetylcholine receptors revealed that activation of muscarinic receptors during early sleep impaired rotarod performance. The experiments suggest that the increased slow wave activity and inactivation of muscarinic receptors during early sleep due to reduced acetylcholine contribute to motor memory consolidation.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is characterized neuropathologically by amyloid-β (Aβ) plaques and neurofibrillary tangles. Vascular pathology caused by chronic cerebral hypoperfusion (HP) is hypothesised to exacerbate AD pathology and has emerged as an increasing cause of age-related cognitive impairment. In this study we examined the effects of gradual cerebral HP on cognitive dysfunction, Aβ pathology, microgliosis, and cortical network dynamics in C57BL/6J mice and a single App knock-in mouse model of AD ( App NL-G-F ). We performed unilateral common carotid artery gradual occlusion (UCAgO) in two-month-old mice using an ameroid constrictor. At 4 months of age, animals were tested in a behavioral battery consisting of tests of spatial learning and memory (Morris water task), recognition memory (novel object recognition task), and motor coordination (balance beam). Following behavioural testing, in vivo mesoscale wide-field voltage imaging was done to assess cortical functional connectivity and sensory-evoked cortical activity, and brains were harvested for pathology characterization using immunohistochemistry. We found that UCAgO reduced cerebral blood flow (CBF) in the occluded hemisphere (OH), however, subtle behavioural deficits were observed due to HP. A dissociative effect of HP was observed in resting-state functional connectivity analysis, where HP led to hyper-connectivity in C57 mice and hypo-connectivity in App mice. Interestingly, sensory stimulation of limbs contralateral to OH revealed hyper-cortical activations in the non-occluded hemisphere of C57 HP mice, however, hypo-cortical activations were observed in App HP mice. Furthermore, we found that the UCAgO increased cortical and hippocampal microgliosis in both hemispheres of C57 and App mice, a bilateral increase in Aβ deposition was only observed in App mice. These results suggest that gradual cerebral HP leads to cortical network alterations in AD, which is partly mediated via activation of microglia.

Abstract Prenatal stress (PS) can impact fetal brain structure and function and contribute to higher vulnerability to neurodevelopmental and neuropsychiatric disorders. To understand how PS alters evoked and spontaneous neocortical activity and intrinsic brain functional connectivity, mesoscale voltage imaging was performed in adult C57BL/6NJ mice that had been exposed to auditory stress on gestational days 12-16, the age at which neocortex is developing. PS mice had a four-fold higher basal corticosterone level and reduced amplitude of cortical sensory-evoked responses to visual, auditory, whisker, forelimb, and hindlimb stimuli. Relative to control animals, PS also led to a general reduction of resting-state functional connectivity, as well as reduced inter-modular connectivity, enhanced intra-modular connectivity, and altered frequency of auditory and forelimb spontaneous sensory motifs. These resting-state changes resulted in a cortical connectivity pattern featuring disjoint but tight modules and a decline in network efficiency. The findings demonstrate that cortical connectivity is sensitive to PS and exposed offspring may be at risk for adult stress-related neuropsychiatric disorders.

Abstract Mouse string pulling, in which a mouse reels in a string with hand-over-hand movements, can provide insights into skilled motor behavior, neurological status, and cognitive function. The task involves two oscillatory movements connected by the string. The snout tracks the pendulum movement of the string produced by hand-over-hand pulls and so guides the hands to grasp the string. The present study examines the allocation of time required to pull strings of varying diameter. Movement is also described with end-point measures, string-pulling topography with 2D markerless pose estimates based on transfer learning with deep neural networks, and Mat-lab image-segmentation and heuristic algorithms for object tracking. With reduced string diameter, mice took longer to pull 60cm long strings. They also made more pulling cycles, misses, and mouth engagements, and displayed changes in the amplitude and frequency of pull cycles. The time measures agree with Fitts’s law in showing that increased task difficulty slows behavior and engages multiple compensatory sensorimotor modalities. The analysis reveals that time is a valuable resource in skilled motor behavior and information-theory can serve as a measure of its effective use.