There is evidence for strong functional antagonistic interactions between adenosine A2A receptors (A2ARs) and dopamine D2 receptors (D2Rs). Although a close physical interaction between both receptors has recently been shown using co-immunoprecipitation and co-localization assays, the existence of a A2AR-D2R protein-protein interaction still had to be demonstrated in intact living cells. In the present work, fluorescence resonance energy transfer (FRET) and bioluminescence resonance energy transfer (BRET) techniques were used to confirm the occurrence of A2AR-D2R interactions in co-transfected cells. The degree of A2AR-D2R heteromerization, measured by BRET, did not vary after receptor activation with selective agonists, alone or in combination. BRET competition experiments were performed using a chimeric D2R-D1R in which helices 5 and 6, the third intracellular loop (I3), and the third extracellular loop (E3) of the D2R were replaced by those of the dopamine D1 receptor (D1R). Although the wild type D2R was able to decrease the BRET signal, the chimera failed to achieve any effect. This suggests that the helix 5-I3-helix 6-E3 portion of D2R holds the site(s) for interaction with A2AR. Modeling of A2AR and D2R using a modified rhodopsin template followed by molecular dynamics and docking simulations gave essentially two different possible modes of interaction between D2R and A2AR. In the most probable one, helix 5 and/or helix 6 and the N-terminal portion of I3 from D2R approached helix 4 and the C-terminal portion of the C-tail from the A2AR, respectively.

Abstract Optical projection tomography (OPT) and light sheet fluorescence microscopy (LSFM) are high-resolution optical imaging techniques operating in the mm-cm range, ideally suited for ex vivo 3D whole mouse brain imaging. Although these techniques exhibit high sensitivity and specificity for antibody-labeled targets, the provided anatomical information remains limited. To allow anatomical mapping of fluorescent signal in whole brain, we developed a novel magnetic resonance (MR) – based template with its associated tissue priors and atlas labels, specifically designed for brains subjected to tissue processing protocols required for 3D optical imaging. We investigated the effect of tissue pre-processing and clearing on brain size and morphology and developed optimized templates for BABB/Murrays clear (OCUM) and DBE/iDISCO (iOCUM) cleared brains. By creating optical-(i)OCUM fusion images using our mapping procedure, we localized dopamine transporter and translocator protein expression and tracer innervation from the eye to the lateral geniculate nucleus of thalamus and superior colliculus. These fusion images allowed for precise anatomical identification of fluorescent signal in discrete brain areas. As such, these templates enable applications in a broad range of research areas integrating optical 3D brain imaging by providing an MR template for cleared brains.

The exact mechanisms through which the APOE gene influences Alzheimers disease risk (AD) are under intense investigation. Yet, much remains unknown about how APOE alleles interact with age, sex, and diet to confer vulnerability to select brain networks. To address this question, we used mouse models that carry the three major human APOE alleles, and have a mouse like, or humanized innate immune system. This was realized through the replacement of the mouse with the human inducible nitric oxide synthase (iNOS) gene, leading to a lower immune response. Our study combines advanced, accelerated diffusion imaging methods with novel statistical analyses to reveal global and local brain graph differences, associated with each of the following risk factors for abnormal aging and AD: age, APOE genotype, sex, diet, innate immune response. We used a sparse logistic regression model (GraphClass) with complimentary pairs stability selection to identify small and robust subnetworks predictive of individual risk factors. The comparison of APOE3 versus APOE4 carriage identified 773 edges, with no more than 40 false selections; age resulted in 300 high selection probability edges with <5 false selections, sex resulted in 540 high selection probability edges with <7 false selections; diet in 1626 high selection probability edges with <31 false selections; and humanizing NOS in 411 edges with <9 false selections. Our results revealed widespread network differences due to age and diet, including the temporal association cortex, and also regions involved in response to threatening stimuli, such as the amygdala and periaqueductal gray. Sex associated differences affected regions such as the thalamus, insula and hypothalamus, but also fimbria and septum, involved in memory processes. APOE genotype was associated with differences in the connectivity of memory related areas, and also in sensory and motor areas; while diet and innate immunity (HN) were associated with differences in insula and hypothalamus connectivity. We pooled these models to identify common networks across multiple traits, giving insight into shared vulnerability amongst the risk factors. We identified 63 edges out of the total 54,946 edges (0.11% of the connectome) as common to all risk factors tested. Our results revealed common subnetworks vulnerable to several risk factors for AD, in an approach that can provide new biomarkers, and targets for therapies.

Abstract From observations in rodents, it has been suggested that the cellular basis of learning-dependent changes, detected using structural magnetic resonance imaging (MRI), may be increased dendritic spine density, alterations in astrocyte volume, and adaptations within intracortical myelin. Myelin plasticity is crucial for neurological function and active myelination is required for learning and memory. However, the dynamics of myelin plasticity and how it relates to morphometric-based measurements of structural plasticity remains unknown. We used a motor skill learning paradigm to evaluate experience-dependent brain plasticity by voxel-based morphometry (VBM) in longitudinal MRI, combined with a cross-sectional immunohistochemical investigation. Whole brain VBM revealed non-linear decreases in grey matter (GM) juxtaposed to non-linear increases in white matter (WM) that were best modelled by an asymptotic time course. Using an atlas-based cortical mask, we found non-linear changes with learning in primary and secondary motor areas and in somatosensory cortex. Analysis of cross-sectional myelin immunoreactivity in forelimb somatosensory cortex confirmed an increase in myelin immunoreactivity followed by a return towards baseline levels. The absence of significant histological changes in cortical thickness further suggests that non-linear morphometric changes are likely due to changes in intracortical myelin for which morphometric WM volume (WMV) data significantly correlated with myelin immunoreactivity. Together, these observations indicate a non-linear increase of intracortical myelin during learning and support the hypothesis that myelin is a component of structural changes observed by VBM during learning.

Abstract Viral tropism within the brain and the role(s) of vertebrate immune response to neurotropic flaviviruses infection is largely understudied. We combined multimodal imaging (cm-nm scale) with single nuclei RNA- sequencing to study Langat virus in wildtype and interferon alpha/beta receptor knockout ( Ifnar −/− ) mice to visualize viral pathogenesis and define molecular mechanisms. Whole brain viral infection was imaged by Optical Projection Tomography coregistered to ex vivo MRI. Infection was limited to grey matter of sensory systems in wildtype mice, but extended into white matter, meninges and choroid plexus in Ifnar −/− mice. Cells in wildtype displayed strong type I and II IFN responses, likely due to Ifnb expressing astrocytes, infiltration of macrophages and Ifng -expressing CD8+NK cells, whereas in Ifnar −/− , the absence of this response contributed to a shift in cellular tropism towards non-activated resident microglia. Multimodal imaging-transcriptomics exemplifies a powerful way to characterize mechanisms of viral pathogenesis and tropism.