ABSTRACT Despite the fundamental importance of understanding impaired brain activity exhibited in post-traumatic epilepsy and other neurological impairments associated with traumatic brain injury (TBI), knowledge of how brain injury affects neuronal activity remains remarkably incomplete. We describe a whole-brain imaging and analysis approach to identify alterations in neuronal activity after TBI as a complementary method to conventional two-dimensional (2D) histological approaches. Here we report an easy-to-follow experimental pipeline to quantify changes in the whole mouse brain using tissue clearing, light sheet microscopy (LSM) and an optimised open-access atlas registration workflow. We validated the outcome of the pipeline using high throughput image analysis software and a secondary atlas registration method. Using the CHIMERA (Closed-Head Impact Model of Engineered Rotational Acceleration) TBI model, TRAP2 mice were subjected to repeated mild TBI or sham treatment followed by tamoxifen injection to lock c-Fos activity after TBI. Brains were SHIELD fixed and passively cleared for imaging of c-Fos+ cells throughout the rostro-caudal axis of the brain using a light sheet microscope equipped with a specialized whole-brain imaging chamber. Volumetric images were stitched and 3D rendered using Arivis Vision4D image analysis software. For quantitative analysis, 2D image stacks were exported to segment c-Fos+ cells and register them to the Allen Mouse Brain Atlas using the BrainQuant3D python package. As a result, c-Fos+ cell counts were estimated throughout the brain and heatmaps were generated. We identified a brain-wide reduction in c-Fos cell density in the TBI group compared to sham controls, indicative of TBI-induced changes in whole brain neuronal activity. Further studies using multi-dimensional imaging coupled with analysis tools will deepen our understanding of post-TBI brain-wide dynamics.

Abstract Traumatic brain injury (TBI) in an established risk factor for neurodegenerative disease. In this report, we used the Closed Head Injury Model of Engineered Rotational Acceleration (CHIMERA) to study the effects of a single moderate-severe TBI in rTg4510 mice, a mouse model of tauopathy. Fifteen male rTg4510 mice were impacted at 4.0J at 4-mo of age using interfaced CHIMERA and compared to sham controls. Immediately after injury, moderate-severe TBI induced significant mortality (7/15; 47%), and a prolonged duration of loss of righting reflex. At 2-mo post-injury, surviving mice displayed significant histological evidence of microgliosis (Iba1) and axonal injury (Neurosilver). Western blotting showed that TBI mice had a reduced p-GSK-3β (S9):GSK-3β ratio, suggesting greater tau kinase activity. However, tauopathy in surviving TBI mice showed a divergent response, with 3/8 mice having a very low level of tau protein in brain lysates (i.e. lower than sham), and were thus analyzed separately from the other 5/8 TBI mice that maintained the expected level of total tau. Compared to sham controls, TBI mice with normal tau levels had increased p-tau (PHF1 and AT8), increased autophagolysosome accumulation (p62 and Cathepsin D) and decreased hippocampal size. These findings were not observed in TBI mice with low total tau levels. These observations suggest that TBI leads to chronic white matter injury and altered GSK-3β activity. However, post-injury tauopathy and autophagolysosome accumulation diverged in surviving mice through mechanisms that remain to be defined.