To interrogate particular neuronal pathways in non-human primates under natural and stress-free conditions, we applied designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs) technology to common marmosets. We injected adeno-associated virus vectors expressing the excitatory DREADD hM3Dq into the unilateral substantia nigra in three marmosets. Using multi-tracer positron emission tomography imaging, we detected DREADD expression in vivo, which was confirmed in nigrostriatal dopamine neurons by immunohisto-chemistry, and assessed activation of the substantia nigra and dopamine release following agonist administration. The marmosets rotated in a contralateral direction relative to the activated side 30–90 min after consuming food containing the highly potent DREADD agonist deschloroclozapine (DCZ), but not on the following days without DCZ. These results indicate that non-invasive and reversible DREADD manipulation will extend the utility of marmoset as a primate model for linking neuronal activity and natural behavior in various contexts.

Abstract A comparison of neuroanatomical features of the brain between humans and our evolutionary relatives, nonhuman primates, is key to understanding the human brain system and the neural basis of mental and neurological disorders. Although most comparative MRI studies of human and nonhuman primate brains have been based on brains of primates that had been used as subjects in experiments, it is essential to investigate various species of nonhuman primates in order to elucidate and interpret the diversity of neuroanatomy features among humans and nonhuman primates. To develop a research platform for this purpose, it is necessary to harmonize the scientific contributions of studies with the standards of animal ethics, animal welfare, and the conservation of brain information for long-term continuation of the field. In previous research, we first developed an open-resource repository of anatomical images obtained using 9.4-T ex vivo MRI of postmortem brain samples from 12 nonhuman primate species, and which are stored at the Japan Monkey Centre. In the present study, as a second phase, we released a collection of T2-weighted images and diffusion tensor images obtained in nine species: white-throated capuchin, Bolivian squirrel monkey, stump-tailed macaque, Tibet monkey, Sykes’ monkey, Assamese macaque, pig-tailed macaque, crested macaque, and chimpanzee. Our image repository should facilitate scientific discoveries in the field of comparative neuroscience. This repository can also promote animal ethics and animal welfare in experiments with nonhuman primate models by optimizing methods for in vivo and ex vivo MRI scanning of brains and supporting veterinary neuroradiological education. In addition, the repository is expected to contribute to conservation, preserving information about the brains of various primates, including endangered species, in a permanent digital form.

The chemogenetic technology, Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs), affords reversible and remote control of cellular signaling, neuronal activity and behavior. Although the combination of muscarinic-based DREADDs with clozapine-N-oxide (CNO) has been widely used, the sluggish kinetics, metabolic liabilities, and potential for off-target effects of CNO represent areas for improvement. Here we provide a new agonist deschloroclozapine (DCZ), which displays high affinity and selectivity for muscarinic-based DREADDs. Positron emission tomography revealed that DCZ selectively bound to and occupied DREADDs in both mice and monkeys. Systemic delivery of low doses of DCZ (1 or 3 µg/kg) enhanced neuronal activity via hM3Dq within minutes in mice and monkeys. Intramuscular injection of DCZ (100 µg/kg) reversibly induced behavioral deficits in hM4Di-expressing monkeys. DCZ represents the most potent, selective, metabolically stable and fast-acting DREADD agonist reported with utility in both mice and non-human primates for a variety of applications.

Thalamic pain can be understood as a network reorganization disorder. This study aimed to investigate functional connectivity (FC) in human patients and a macaque model of thalamic pain. In humans, functional brain activity was compared between patients with thalamic pain and healthy individuals. Furthermore, functional brain activity was compared in macaques, before and after the induction of thalamic pain in the same individuals. FCs between the amygdala of the unaffected hemisphere and the brainstem was significantly higher in patients with thalamic pain. More specifically, a significant FC higher was observed between the basolateral amygdala (BLA) and the ventral tegmental area, which also significantly predicted the value of a visual analog scale of pain intensity in individual patients. The macaque model of thalamic pain also exhibited a significant FC higher between the amygdala of the unaffected hemisphere and the brainstem, particularly between the BLA and the midbrain. Furthermore, the previously reported significant FC higher between the amygdala and the mediodorsal nucleus of the thalamus in macaques with thalamic pain was also reproduced in the human patients. Therefore, the present results suggest that the FC changes in the regions associated with emotion, memory, motivation, and reward are part of the underlying mechanisms of thalamic pain onset present in both human patients and model macaques. This cross-species convergence provides new insights into the neurological mechanisms underlying thalamic pain, paving the way for further studies and the development of therapeutic strategies. PERSPECTIVE: This article presents that the functional connectivity changes in the regions associated with emotion, motivation, and reward are part of the underlying mechanisms of thalamic pain in humans and macaques.

Abstract The orbitofrontal cortex (OFC) and its major downstream target within the basal ganglia—the rostromedial caudate nucleus (rmCD)—are involved in reward-value processing and goal-directed behavior. However, a causal contribution of the pathway linking these two structures to goal-directed behavior has not been established. Using the chemogenetic technology of Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs with a crossed inactivation design, we functionally and reversibly disrupted interactions between the OFC and rmCD in two male macaque monkeys. We injected an adeno-associated virus vector expressing an inhibitory designer receptor (hM4Di) into the OFC and contralateral rmCD, the expression of which was visualized in vivo by positron emission tomography (PET) and confirmed by post-mortem immunohistochemistry. Functional disconnection of the OFC and rmCD resulted in a significant and reproducible loss of sensitivity to the cued reward value for goal-directed action. This decreased sensitivity was most prominent when monkeys had accumulated a certain amount of reward. These results provide causal evidence that the interaction between the OFC and the rmCD is needed for motivational control of action on the basis of the relative reward value and internal drive. This finding extends current understanding of the physiological basis of psychiatric disorders in which goal-directed behavior is affected, such as obsessive-compulsive disorder. Significance Statement In daily life, we routinely adjust the speed and accuracy of our actions on the basis of the value of expected reward. Abnormalities in these kinds of motivational adjustments might be related to behaviors seen in psychiatric disorders such as obsessive-compulsive disorder. In the current study, we show that the connection from the orbitofrontal cortex to the rostromedial caudate nucleus is essential formotivational control of action in monkeys. This finding expands our knowledge about how the primate brain controls motivation and behavior and provides a particular insight into disorders like obsessive-compulsive disorder, in which altered connectivity between the orbitofrontal cortex and the striatum has been implicated.

Abstract Recent advances in genetic neuromodulation technology have enabled circuit-specific interventions in nonhuman primates (NHPs), thereby revealing the causal functions of specific neural circuits. Going forward, an important step is to use these findings to better understand neuropsychiatric and neurological disorders in humans, in which alterations in functional connectivity between brain regions are demonstrated. We recently identified the causal roles of the pathways from the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) to the lateral part of the mediodorsal thalamic nucleus (MDl) and dorsal caudate nucleus (dCD) in working memory and decision-making, respectively. In the present study, we examined the resting-state functional connectivity of these two prefronto-subcortical circuits in healthy controls (HCs) and patients with various neuropsychiatric disorders including schizophrenia (SCZ), major depressive disorder (MDD), and autism spectrum disorders (ASD) in humans. We found that the functional connectivity of two pathways, DLPFC-MDl and DLPFC-dCD, was significantly reduced in the SCZ groups compared to HCs; however, this hypoconnectivity was not observed in the ASD or MDD groups, suggesting a disease-specific profile of altered prefronto-subcortical connectivity at rest. These results suggest that causal findings of pathway-specific functions revealed in NHPs can be effectively translated to identify the altered connectivity in neuropsychiatric disorders with related symptoms in humans.

Nonhuman primates (NHPs) exhibit complex and diverse behavior that typifies advanced cognitive function and social communication, but quantitative and systematical measure of this natural nonverbal processing has been a technical challenge. Specifically, a method is required to automatically segment time series of behavior into elemental motion motifs, much like finding meaningful words in character strings. Here, we propose a solution called SyntacticMotionParser (SMP), a general-purpose unsupervised behavior parsing algorithm using a non-parametric Bayesian model. Using three-dimensional posture-tracking data from NHPs, SMP automatically outputs an optimized sequence of latent motion motifs classified into the most likely number of states. When applied to behavioral datasets from common marmosets and rhesus monkeys, SMP outperformed conventional posture-clustering models and detected a set of behavioral ethograms from publicly available data. SMP also quantified and visualized the behavioral effects of chemogenetic neural manipulations. SMP thus has the potential to dramatically improve our understanding of natural NHP behavior in a variety of contexts.

The primate prefrontal cortex (PFC) is situated at the core of higher brain functions by linking and cooperating with the caudate nucleus (CD) and mediodorsal thalamus (MD) via neural circuits. However, the distinctive roles of these prefronto-subcortical pathways remain elusive. Combining in vivo neuronal projection mapping with chemogenetic synaptic silencing, we reversibly dissected key pathways from PFC to the CD and MD individually in single monkeys. We found that silencing the bilateral PFC-MD projections, but not the PFC-CD projections, impaired performance in a spatial working memory task. Conversely, silencing the unilateral PFC-CD projection, but not the PFC-MD projection, altered preference in a free-choice task. These results revealed dissociable roles of the prefronto-subcortical pathways in working memory and decision-making, representing the technical advantage of imaging-guided pathway-selective chemogenetic manipulation for dissecting neural circuits underlying cognitive functions in primates.

Abstract Chemogenetic tools provide an opportunity to manipulate neuronal activity and behavior selectively and repeatedly in nonhuman primates (NHPs) with minimal invasiveness. Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs are one example that is based on mutated muscarinic acetylcholine receptors. Another channel-based chemogenetic system available for neuronal modulation in NHPs uses Pharmacologically Selective Actuator Modules (PSAMs), which are selectively activated by Pharmacologically Selective Effector Molecules (PSEMs). To facilitate the use of the PSAM/PSEM system, the selection and dosage of PSEMs should be validated and optimized for NHPs. To this end, we used a multimodal imaging approach. We virally expressed excitatory PSAM (PSAM4-5HT3) in the striatum and the primary motor cortex of two macaque monkeys, and visualized its location through positron emission tomography (PET) with the reporter ligand [ 18 F]ASEM. Chemogenetic excitability of neurons triggered by two PSEMs (uPSEM817 and uPSEM792) was evaluated using [ 18 F]fluorodeoxyglucose-PET imaging, with uPSEM817 being more efficient than uPSEM792. Pharmacological magnetic resonance imaging showed that increased brain activity in the PSAM4-expressing region began approximately 13 min after uPSEM817 administration and continued for at least 60 min. Our multimodal imaging data provide valuable information regarding the manipulation of neuronal activity using the PSAM/PSEM system in NHPs, facilitating future applications. Significance statement Like other chemogenetic tools, the ion channel-based system called Pharmacologically Selective Actuator Module/Pharmacologically Selective Effector Molecule (PSAM/PSEM) allows remote manipulation of neuronal activity and behavior in living animals. Nevertheless, its application in non-human primates (NHPs) is still limited. Here, we used multi-tracer positron emission tomography (PET) imaging and pharmacological magnetic resonance imaging (MRI) to visualize an excitatory chemogenetic ion channel (PSAM4-5HT3) and validate its chemometric function in macaque monkeys. Our results provide the optimal agonist, dose, and timing for chemogenetic neuronal manipulation, facilitating the use of the PSAM/PSEM system and expanding the flexibility and reliability of circuit manipulation in NHPs in a variety of situations.

Abstract The chemogenetic technology referred to as designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs) offers reversible means to control neuronal activity for investigating its functional correlation with behavioral action. Deschloroclozapine (DCZ), a recently-developed highly potent and selective DREADDs actuator, displays a capacity to expand the utility of DREADDs for chronic manipulation without side-effects in nonhuman primates, which has not yet been validated. Here we investigated the pharmacokinetics and behavioral effects of orally administered DCZ in macaque monkeys. Pharmacokinetic analysis and positron emission tomography (PET) occupancy examination demonstrated that oral administration of DCZ yielded slower and prolonged kinetics, and that its bioavailability was 10-20% of that in the case of systemic injection. Oral DCZ (300-1000 μg/kg) induced significant working memory impairments for at least 4 h in monkeys with hM4Di expressed in the prefrontal cortex. Repeated daily oral doses of DCZ consistently caused similar impairments over two weeks without discernible desensitization. Our results indicate that orally delivered DCZ affords a less invasive strategy for chronic but reversible chemogenetic manipulation of neuronal activity in nonhuman primates, and this has potential for clinical application.