ABSTRACT Schizophrenia is marked by poor social functioning that can have a severe impact on quality of life and independence, but the underlying neural circuity is not well understood. Here we used a translational model of subanesthetic ketamine in mice to delineate neural pathways in the brain linked to social deficits in schizophrenia. Mice treated with chronic ketamine (30 mg/kg/day for 10 days) exhibit profound social and sensorimotor deficits as previously reported. Using three- dimensional c-Fos immunolabeling and volume imaging (iDISCO), we show that ketamine treatment resulted in hypoactivation of the lateral septum (LS) in response to social stimuli. Chemogenetic activation of the LS rescued social deficits after ketamine treatment, while chemogenetic inhibition of previously active populations in the LS (i.e. social engram neurons) recapitulated social deficits in ketamine-naïve mice. We then examined the translatome of LS social engram neurons and found that ketamine treatment dysregulated genes implicated in neuronal excitability and apoptosis, which may contribute to LS hypoactivation. We also identified 38 differentially expressed genes (DEGs) in common with human schizophrenia, including those involved in mitochondrial function, apoptosis, and neuroinflammatory pathways. Chemogenetic activation of LS social engram neurons induced downstream activity in the ventral part of the basolateral amygdala, subparafascicular nucleus of the thalamus, intercalated amygdalar nucleus, olfactory areas, and dentate gyrus, and it also reduces connectivity of the LS with the piriform cortex and caudate-putamen. In sum, schizophrenia-like social deficits may emerge via changes in the intrinsic excitability of a discrete subpopulation of LS neurons that serve as a central hub to coordinate social behavior via downstream projections to reward, fear extinction, motor and sensory processing regions of the brain.

Social interaction is a core component of motivational behavior that is perturbed across multiple neuropsychiatric disorders, including alcohol use disorder (AUD). Positive social bonds are neuroprotective and enhance recovery from stress, so reduced social interaction in AUD may delay recovery and lead to alcohol relapse. We report that chronic intermittent ethanol (CIE) induces social avoidance in a sex-dependent manner and is associated with hyperactivity of serotonin (5-HT) neurons in the dorsal raphe nucleus (DRN). While 5-HT DRN neurons are generally thought to enhance social behavior, recent evidence suggests that specific 5-HT pathways can be aversive. Using chemogenetic iDISCO, the nucleus accumbens (NAcc) was identified as one of 5 regions that were activated by 5-HT DRN stimulation. We then employed an array of molecular genetic tools in transgenic mice to show that 5-HT DRN inputs to NAcc dynorphin neurons drive social avoidance in male mice after CIE by activating 5-HT 2C receptors. NAcc dynorphin neurons also inhibit dopamine release during social interaction, reducing the motivational drive to engage with social partners. This study reveals that excessive serotonergic drive after chronic alcohol can promote social aversion by inhibiting accumbal dopamine release. Drugs that boost brain serotonin levels may be contraindicated for individuals with AUD.

In 2020, stay-at-home orders were implemented to stem the spread of SARS-CoV-2 worldwide. Social isolation can be particularly harmful to children and adolescents-during the pandemic, the prevalence of obesity increased by ∼37% in persons aged 2-19. Obesity is often comorbid with type 2 diabetes, which was not assessed in this human pandemic cohort. Here, we investigated whether male mice isolated throughout adolescence develop type 2 diabetes in a manner consistent with human obesity-induced diabetes, and explored neural changes that may underlie such an interaction. We find that isolating C57BL/6J mice throughout adolescence is sufficient to induce type 2 diabetes. We observed fasted hyperglycemia, diminished glucose clearance in response to an insulin tolerance test, decreased insulin signaling in skeletal muscle, decreased insulin staining of pancreatic islets, increased nociception, and diminished plasma cortisol levels compared to group-housed control mice. Using Promethion metabolic phenotyping chambers, we observed dysregulation of sleep and eating behaviors, as well as a time-dependent shift in respiratory exchange ratio of the adolescent-isolation mice. We profiled changes in neural gene transcription from several brain areas and found that a neural circuit between serotonin-producing and GLP-1-producing neurons is affected by this isolation paradigm. Overall, spatial transcription data suggest decreased serotonin neuron activity (via decreased GLP-1-mediated excitation) and increased GLP-1 neuron activity (via decreased serotonin-mediated inhibition). This circuit may represent an intersectional target to further investigate the relationship between social isolation and type 2 diabetes, as well as a pharmacologically-relevant circuit to explore the effects of serotonin and GLP-1 receptor agonists.Isolating C57BL/6J mice throughout adolescence is sufficient to induce type 2 diabetes, presenting with fasted hyperglycemia.Adolescent-isolation mice have deficits in insulin responsiveness, impaired peripheral insulin signaling, and decreased pancreatic insulin production.Transcriptional changes across the brain include the endocannabinoid, serotonin, and GLP-1 neurotransmitters and associated receptors. The neural serotonin/GLP-1 circuit may represent an intersectional target to further investigate the relationship between social isolation and type 2 diabetes. Serotonin-producing neurons of adolescent-isolation mice produce fewer transcripts for the GLP-1 receptor, and GLP-1 neurons produce fewer transcripts for the 5-HT 1A serotonin receptor.

ABSTRACT Alzheimer’s disease (AD) poses an ever-increasing public health concern as the population ages, affecting more than 6 million Americans. AD patients present with mood and sleep changes in the prodromal stages that may be partly driven by loss of monoaminergic neurons in brainstem, but a causal relationship has not been firmly established. The goal of the present study was to evaluate depressive and anxiety-like behaviors in a mouse model of human tauopathy (htau mice) at 4 and 6 months of age prior to the onset of cognitive impairments and correlate these behavior changes with tau pathology, neuroinflammation, and monoaminergic dysregulation in the DRN and LC. We observed depressive-like behaviors at 4 months of age in male and female htau mice and hyperlocomotion in male htau mice. At 6 months, male htau mice developed anxiety-like behavior in the EZM, whereas hyperlocomotion had resolved by this time point. Depressive-like behaviors in the social interaction test persisted at 6 months but were resolved in the sucrose preference test. There was also a significant reduction in number and density of 5-HT-immunoreactive neurons in the rostral DRN in htau mice at 4 months and 5-HT neuronal density was negatively correlated with the intensity of phosphorylated tau staining in this subregion. Additionally, we found evidence of microglial activation in the mid and caudal DRN and astrocytic activation in the rostral DRN. 5-HT neuronal activity was reduced in the DRN and accompanied by downregulation of Tph2 and Sert , whereas genes that promote neuroinflammation and tau phosphorylation were upregulated. Finally, there was enhanced ptau202/205 staining and microglial activity in the LC of htau mice and reduced TH optical density, although the number and density of TH+ neurons were not altered. In total, these results suggest that tau pathology in the DRN and the resulting loss of serotonergic neurotransmission may drive depressive-like behaviors in the early stages of AD, whereas anxiety-like behaviors develop later and may result from neurodegeneration in other regions.

ABSTRACT Protein aggregation in brainstem nuclei is thought to occur in the early stages of Alzheimer’s disease (AD), but its specific role in driving prodromal symptoms and disease progression is largely unknown. The dorsal raphe nucleus (DRN) contains a large population of serotonin (5-hydroxytryptamine; 5-HT) neurons that regulate mood, reward-related behavior, and sleep, which are all disrupted in AD. We report here that tau pathology is present in the DRN of individuals 54-80 years old without a known history of dementia and was found at higher frequency than α-synuclein and TDP-43. Most AD cases had tau pathology in the DRN (90%), whereas only a subset contained TDP-43 or α-synuclein, but not both (30%). To evaluate how early tau pathology impacts behavior, we overexpressed human P301L-tau in the DRN of mice and observed depressive-like behaviors and hyperactivity without any deficits in spatial memory. Tau pathology was predominantly found in neurons relative to glia and colocalized with a significant proportion of Tph2-expressing neurons in the DRN. 5-HT neurons were also hyperexcitable in P301L-tau DRN mice, and there was an increase in the amplitude of excitatory post-synaptic currents (EPSCs), suggestive of increased glutamatergic transmission. Moreover, astrocytic density was elevated in the DRN and accompanied by an increase in IL-1α and Frk expression, which is indicative of inflammation. Additionally, tau pathology was detected in axonal processes in the thalamus, hypothalamus, amygdala, and caudate putamen and a significant proportion of this tau pathology colocalized with the serotonin reuptake transporter (SERT), suggesting that tau may spread in an anterograde manner to regions outside the DRN. Together these results indicate that tau pathology accumulates in the DRN in a subset of individuals over 50 years and may lead to behavioral dysregulation, 5-HT neuronal dysfunction, and activation of local astrocytes which may be prodromal indicators of AD.