Abstract Oxytocinergic actions within the hippocampal CA2 are important for neuromodulation, memory processing and social recognition. However, the source of the OTergic innervation, the cellular targets expressing the OT receptors (OTRs) and whether the PVN‐to‐CA2 OTergic system is altered during heart failure (HF), a condition recently associated with cognitive and mood decline, remains unknown. Using immunohistochemistry along with retrograde monosynaptic tracing, RNAscope and a novel OTR‐Cre rat line, we show that the PVN (but not the supraoptic nucleus) is an important source of OTergic innervation to the CA2. These OTergic fibers were found in many instances in close apposition to OTR expressing cells within the CA2. Interestingly, while only a small proportion of neurons were found to express OTRs (~15%), this expression was much more abundant in CA2 astrocytes (~40%), an even higher proportion that was recently reported for astrocytes in the central amygdala. Using an established ischemic rat heart failure (HF) model, we found that HF resulted in robust changes in the PVN‐to‐CA2 OTergic system, both at the source and target levels. Within the PVN, we found an increased OT immunoreactivity, along with a diminished OTR expression in PVN neurons. Within the CA2 of HF rats, we observed a blunted OTergic innervation, along with a diminished OTR expression, which appeared to be restricted to CA2 astrocytes. Taken together, our studies highlight astrocytes as key cellular targets mediating OTergic PVN inputs to the CA2 hippocampal region. Moreover, they provide the first evidence for an altered PVN‐to‐CA2 OTergic system in HF rats, which could potentially contribute to previously reported cognitive and mood impairments in this animal model.

Abstract The hypothalamic neuropeptide, oxytocin (OT), exerts prominent analgesic effects via central and peripheral action. Here we discovered a novel subset of OT neurons whose projections preferentially terminate on OT receptor (OTR)-expressing neurons in the ventrolateral periaqueductal gray (vlPAG). Using a newly generated line of transgenic rats (OTR-IRES-Cre), we determined that most of the vlPAG OTR expressing cells being targeted by OT projections are GABAergic in nature. Both optogenetically-evoked axonal OT release in the vlPAG as well as chemogenetic activation of OTR vlPAG neurons results in a long-lasting overall increase of vlPAG neuronal activity. This then leads to an indirect suppression of sensory neuron activity in the spinal cord and strong analgesia. Finally, we describe a novel OT→vlPAG→spinal cord circuit that seems critical for analgesia in the context of both inflammatory and neuropathic pain. Highlights - We generated a new transgenic knock-in rat line (OTR-IRES-Cre) - A distinct parvOT neuronal population projects to vlPAG but not the SON or spinal cord - OT excites vlPAG OTR neurons which indirectly inhibit SC WDR neurons - This novel parvOT→vlPAG→SC pathway alleviates nociception but not the affective component of pain

Abstract Activation of microglia, the resident immune cells of the central nervous system, leading to the subsequent release of pro-inflammatory cytokines, has been linked to cardiac remodeling, autonomic disbalance, and cognitive deficits in heart failure (HF). While previous studies emphasized the role of hippocampal Angiotensin II (AngII) signaling in HF-induced microglial activation, unanswered mechanistic questions persist. Evidence suggests significant interactions between microglia and local microvasculature, potentially affecting blood-brain barrier integrity and cerebral blood flow regulation. Still, whether the microglial-vascular interface is affected in the brain during HF remains unknow. Using a well-established ischemic HF rat model, we demonstrate increased vessel-associated microglia (VAM) in HF rat hippocampi, which showed heightened expression of AngII AT1a receptors. Acute AngII administration to sham rats induced microglia recruitment to the perivascular space, along with increased expression of TNFa. Conversely, administering an AT1aR blocker to HF rats prevented the recruitment of microglia to the perivascular space, normalizing their levels to those in healthy rats. These results highlight the critical importance of a rather understudied phenomenon (i.e., microglia-vascular interactions in the brain) in the context of the pathophysiology of a highly prevalent cardiovascular disease, and unveil novel potential therapeutic avenues aimed at mitigating neuroinflammation in cardiovascular diseases.

Abstract Oxytocinergic actions within the hippocampal CA2 are important for neuromodulation, memory processing and social recognition. However, the source of the OTergic innervation, the cellular targets expressing the OT receptors (OTRs) and whether the PVN-to-CA2 OTergic system is altered during heart failure (HF), a condition recently associated with cognitive and mood decline, remains unknown. Using immunohistochemistry along with retrograde monosynaptic tracing, RNAscope and a novel OTR-Cre rat line, we show that the PVN (but not the supraoptic nucleus) is an important source of OTergic innervation to the CA2. These OTergic fibers were found in many instances in close apposition to OTR expressing cells within the CA2. Interestingly, while only a small proportion of neurons were found to express OTRs (∼15%), this expression was much more abundant in CA2 astrocytes (∼40%), an even higher proportion that was recently reported for astrocytes in the central amygdala. Using an established ischemic rat heart failure (HF) model, we found that HF resulted in robust changes in the PVN-to-CA2 OTergic system, both at the source and target levels. Within the PVN, we found an increased OT immunoreactivity, along with a diminished OTR expression in PVN neurons. Within the CA2 of HF rats, we observed a blunted OTergic innervation, along with a diminished OTR expression, which appeared to be restricted to CA2 astrocytes. Taken together, our studies highlight astrocytes as key cellular targets mediating OTergic PVN inputs to the CA2 hippocampal region. Moreover, provides the first evidence for an altered PVN-to-CA2 OTergic system in HF rats, which could potentially contribute to previously reported cognitive and mood impairments in this animal model.

Abstract Prader-Willi syndrome (PWS) is a neurodevelopmental disorder characterized by hyperphagia, obesity, developmental delay and intellectual disability. Studies suggest dysfunctional signaling of the neuropeptide oxytocin as one of the key mechanisms in PWS, and administration of oxytocin via intranasal or systemic routes yielded promising results in both humans and mouse models. However, a detailed assessment of the oxytocin system in mouse models of PWS such as the Magel2-deficient Magel2 tm1 . Stw mouse, is lacking. In this study, we performed an automated counting of oxytocin cells in the entire paraventricular nucleus of the hypothalamus of Magel2 tm1 . Stw and wild-type control mice and found a significant reduction in the caudal part, which represents the parvocellular subdivision. In addition, based on the recent discovery that some astrocytes express the oxytocin receptor (OTR), we performed detailed analysis of astrocyte numbers and morphology in various brain regions, and assessed expression levels of the astrocyte marker GFAP, which was significantly decreased in the hypothalamus, but not other brain regions in Magel2 tm1 . Stw mice. Finally, we analyzed the number of OTR-expressing astrocytes in various brain regions and found a significant reduction in the nucleus accumbens of Magel2 tm1 . Stw mice, as well as a sex-specific difference in the lateral septum. This study suggests a role for caudal PVN OT neurons as well as OTR-expressing astrocytes in a mouse model of PWS, provides novel information about sex-specific expression of astrocytic OTRs, and presents several new brain regions containing OTR-expressing astrocytes in the mouse brain.

ABSTRACT Chronic heart failure (HF) is a serious disorder that afflicts more than 26 million patients worldwide. HF is comorbid with depression, anxiety and memory deficits that have serious implications for quality of life and self-care in patients who have HF. Despite evidence that cognitive performance is worse in HF patients with reduced ejection fraction than in HF patients with preserved cardiac function, there are few studies that have assessed the effects of severely reduced ejection fraction (≤40%) on cognition in non-human animal models. Moreover, very limited information is available regarding the effects of HF on genetic markers of synaptic plasticity in brain areas critical for memory and mood regulation. We induced HF in male rats and tested mood and anxiety (sucrose preference and elevated plus maze) and memory (spontaneous alternation and inhibitory avoidance) and measured the simultaneous expression of 84 synaptic plasticity-associated genes in dorsal (DH) and ventral hippocampus (VH), basolateral (BLA) and central amygdala (CeA,) and prefrontal cortex (PFC). We also included the hypothalamic paraventricular nucleus (PVN), which has been implicated in neurohumoral activation in HF. Our results show that rats with severely reduced ejection fraction displayed signs of polydipsia, anhedonia, increased anxiety, and impaired memory in both tasks. HF also produced a drastic downregulation of synaptic-plasticity genes in PFC and PVN, moderate decreases in DH and CeA and minimal effects in BLA and VH. Collectively, these findings identify candidate brain areas and molecular mechanisms underlying HF-induced disturbances in mood and memory.

Oxytocin orchestrates social and emotional behaviors through modulation of neural circuits in brain structures such as the central amygdala (CeA). The long-standing dogma is that oxytocin signaling in the central nervous system occurs exclusively via direct actions on neurons. However, several findings over the last decades showed that astrocytes actively participate in the modulation of neuronal circuits. Here, we investigate the degree of astrocytes involvement in oxytocin functions. Using astrocyte specific gain and loss of function approaches, we demonstrate that CeA astrocytes not only directly respond to oxytocin, but are actually necessary for its effects on neuronal circuits and ultimately behavior. Our work identifies astrocytes as a crucial cellular substrate underlying the promotion of a positive emotional state by oxytocin. These results further corroborate that astrocytes are key regulators of neuronal circuits activity by responding to specific neuropeptidergic inputs, and opens up new perspectives to understand how neuromodulators gate brain functions.

To examine whether raspberry (RB) attenuates oxidative stress induced by angiotensin (Ang) II in the subfornical organ (SFO) of the brain in rats. Male Sprague-Dawley rats were fed an AIN-93M diet with or without 10% w/w freeze-dried RB powder for seven weeks. At week 4, rats were implanted with subcutaneous osmotic minipumps that delivered 0.9% saline (Control) or Ang II (270 ng/kg body weight/day) for another three weeks. Brain region-specific tissue punches were collected from flash-frozen sections containing the SFO. NADPH oxidase (NOX) 2 and 4 and superoxide dismutase (SOD) 1 and 2 were measured in SFO using western blot. Results were analyzed using one-way ANOVA followed by Tukey post hoc test. Data were normalized to control and are expressed as means ± standard deviation. Ang II significantly increased NOX2 expression compared to control (1.24 ± 0.1, n = 5, vs 1.00 ± 0.07-fold, n = 3, P = 0.009) while RB supplementation significantly attenuated Ang II-induced increases in NOX2 (0.91 ± 0.05-fold, n = 4; P = 0.0006). Ang II also increased NOX4 expression compared to control (2.11 ± 1.2, n = 9, vs 0.98 ± 0.4-fold, n = 6, P = 0.04), but RB supplementation did not significantly attenuate this effect (1.30 ± 0.36-fold, n = 10, P = 0.11). RB increased expression of SOD1 (1.52 ± 0.20-fold, n = 4) compared to control (1.00 ± 0.15-fold, n = 3, P = 0.009) and Ang II alone (1.08 ± 0.16-fold, n = 5, P = 0.01). On the other hand, Ang II treatment decreased SOD2 expression compared to control (0.62 ± 0.05, n = 5, vs 1.00 ± 0.09-fold, n = 3, P = 0.0001), but the RB supplementation did not prevent this effect (0.72 ± 0.07-fold, n = 4, P = 0.16). Our findings suggest that RB supplementation decreases Ang II-induced oxidative stress in the SFO by decreasing NOX2 and increasing SOD1 expression. Future investigations are warranted to elucidate the effects of RB on oxidative stress pathways in the SFO. This work was supported by the Agriculture and Food Research Initiative (grant no. 2019–67,017-29,257/project accession no. 1,018,642) from the USDA National Institute of Food and Agriculture.

Abstract Aims Heart failure (HF) patients often suffer from cognitive decline, depression, and mood impairments, but the molecular signals and brain circuits underlying these effects remain elusive. The hypothalamic neuropeptide oxytocin (OT) is critically involved in the regulation of mood, and OTergic signaling in the central amygdala (CeA) is a key mechanism controlling emotional responses including anxiety-like behaviors. Based on this, we used in this study a well-established ischemic rat HF model and aimed to study alterations in the hypothalamus-to-CeA OTergic circuit. Methods and Results To study potential HF-induced changes in the hypothalamus-to-CeA OTertic circuit, we combined patch-clamp electrophysiology, immunohistochemical analysis, RNAScope assessment of OTR mRNA, brain region-specific stereotaxic injections of viral vectors and retrograde tracing, optogenetic stimulation and OT biosensors in the ischemic HF model. We found that most of OTergic innervation of the central amygdala (CeA) originated from the hypothalamic supraoptic nucleus (SON). While no differences in the numbers of SON to CeA OTergic neurons (or their OT content) was observed between sham and HF rats, we did observe a blunted content and release of OT from axonal terminals within the CeA. Moreover, we report downregulation of neuronal and astrocytic OT receptors, and impaired OTR-driven GABAergic synaptic activity within the CeA microcircuit of rats with HF. Conclusions Our study provides first evidence that HF rats display various perturbations in the hypothalamus-to-amygdala OTergic circuit, and lays the foundation for future translational studies targeting either the OT system or GABAergic amygdala GABA microcircuit to ameliorate depression or mood impairments in rats or patients with chronic HF.