The ability of animals to respond to life-threatening stimuli is essential for survival. Although vision provides one of the major sensory inputs for detecting threats across animal species, the circuitry underlying defensive responses to visual stimuli remains poorly defined. Here, we investigate the circuitry underlying innate defensive behaviours elicited by predator-like visual stimuli in mice. Our results demonstrate that neurons in the superior colliculus (SC) are essential for a variety of acute and persistent defensive responses to overhead looming stimuli. Optogenetic mapping revealed that SC projections to the lateral posterior nucleus (LP) of the thalamus, a non-canonical polymodal sensory relay, are sufficient to mimic visually evoked fear responses. In vivo electrophysiology experiments identified a di-synaptic circuit from SC through LP to the lateral amygdale (Amg), and lesions of the Amg blocked the full range of visually evoked defensive responses. Our results reveal a novel collicular-thalamic-Amg circuit important for innate defensive responses to visual threats.

Chinese tree shrews (Tupaia belangeri chinensis) possess many features valuable in animals used as experimental models in biomedical research. Currently, there are numerous attempts to employ tree shrews as models for a variety of human disorders: depression, myopia, hepatitis B and C virus infections, and hepatocellular carcinoma, to name a few. Here we present a publicly available annotated genome sequence for the Chinese tree shrew. Phylogenomic analysis of the tree shrew and other mammalians highly support its close affinity to primates. By characterizing key factors and signalling pathways in nervous and immune systems, we demonstrate that tree shrews possess both shared common and unique features, and provide a genetic basis for the use of this animal as a potential model for biomedical research. The Chinese tree shrew, Tupaia belangeri chinensis, has been proposed as a potential animal model in biomedical research and drug safety testing. This study presents the full genome of the Chinese tree shrew, identifying common features between the tree shrew and primates.

Abstract Whole-brain mesoscale mapping of primates has been hindered by large brain size and the relatively low throughput of available microscopy methods. Here, we present an integrative approach that combines primate-optimized tissue sectioning and clearing with ultrahigh-speed, large-scale, volumetric fluorescence microscopy, capable of completing whole-brain imaging of a rhesus monkey at 1 µm × 1 µm × 2.5 µm voxel resolution within 100 hours. A progressive strategy is developed for high-efficiency, long-range tracing of individual axonal fibers through the dataset of hundreds of terabytes, establishing a “Serial sectioning and clearing, 3-dimensional Microscopy, with semi-Automated Reconstruction and Tracing” (SMART) pipeline. This system supports effective connectome-scale mapping of large primates that reveals distinct features of thalamocortical projections of the rhesus monkey brain at the level of individual axonal fibers.

Abstract Autism spectrum disorder (ASD) is a class of severe neurodevelopmental disorders with a high incidence in young children, and its pathogenesis remains elusive. There is no effective treatment, and ASD children usually have a hard time in integrating into society and leading a normal life, which places a heavy burden on the families and society. Studies have shown that in addition to genetic factors, environmental factors are another important risk contributing to the pathogenesis of ASD. Early environmental adversity, which can lead to abnormal brain development and affect cognition and behavior, greatly increases the incidence of a variety of brain developmental diseases including ASD. However, studies on this aspect are inadequate at present, and no clear conclusions can be drawn. We explored whether early adversity could trigger ASD core clinical symptoms in macaques by modeling early adversity through maternal separation. In this study, we conducted a rigorous behavioral analysis of 12 male macaques (1.5-2 years old) that underwent maternal separation and 9 male normal macaques of the same age that had been mother raised, and found that maternal separation could induce a small number of the young individuals to develop three core symptoms of ASD, including social impairment, stereotyped behaviors, and restricted interest simultaneously. According to DSM-V and ASD clinical diagnostic criteria, these individuals should be ASD macaques for having all the three core ASD symptoms at the same time., For the first time, this study reveals that early environmental adversity can lead to ASD pathogenesis in monkeys, and provides a new approach for future ASD studies and modeling ASD monkeys.

Abstract The surge in demand for experimental monkeys has led to a rapid increase in their associated costs. Consequently, there is a growing need for the development of a cost-effective model for Parkinson’s disease (PD) that exhibits all core clinical and pathological phenotypes of PD. Evolutionarily, tree shrews ( Tupaia belangeri ) are much closer to primates in comparison to rodents and share more similar PD-related brain structures and movement ability with monkeys. As such, tree shrews represent an ideal small animal species for modeling PD. To develop a tree shrew PD model, we used the 1-Methyl-4-phenylpyridinium (MPP + ) metabolite, derived from the well-established PD modeling drug 1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP), to induce lesions in the dopaminergic neurons of the unilateral substantia nigra. After determining the optimal modeling dosage, the tree shrews consistently exhibited and maintained all classic clinical manifestations of PD for a 5-month period. The symptoms closely resembled the ones observed in PD monkeys and included bradykinesia, rest tremor, postural instability, and apomorphine-induced rotations, a classic phenotype of unilateral PD models. Immunostaining showed a significant loss of dopaminergic neurons (approximately 95%) in the substantia nigra on the lesioned side of the brain, a crucial pathological marker of PD. Further cytomorphological analysis revealed that the size of nigral dopaminergic neurons in tree shrews exceeded that of rodents and more closely approximated that of macaques. Based on the principle that structure determines function, the morphological similarity between tree shrews and monkeys may be an important structural basis for the manifestation of the highly similar phenotypes between monkey and tree shrew PD models. Collectively, this study successfully developed a PD model in a small animal species that faithfully recapitulated the classical clinical symptoms and key pathological indicators of PD monkeys. In addition to the well-recognized monkey models, the tree shrew model provides a novel avenue for the evaluation of PD treatments and underlying mechanisms.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disease. To date, its cause is unclear and there are no effective treatments or preventive measures. Despite there are accumulating evidences for the existence of AD pathological hallmarks in the brain of aging rhesus monkeys, it remains a mainstream notion that monkeys do not develop AD naturally. This is an important issue because it will determine how we use monkeys in AD studies. To settle down this issue, a group (n=10) of aged rhesus monkeys 26 years old or above went through a systematic AD screening procedure in this study. Three of these monkeys showed severe memory impairments (SMI) after evaluated with a classic working memory test. Further behavioral testing revealed that the SMI monkeys also exhibited apathy-like behavior, which is another core AD clinical symptom. In addition to the cognitive deficits, two of the three SMI monkeys developed all of the three AD pathological hallmarks, including neurofibrillary tangles, senile plaques and neuronal loss. According to the diagnostic criteria of human AD, the two SMI monkeys were clearly naturally occurring AD monkeys. These results suggest that AD is not a uniquely human disease and monkeys have great potential for the development of much needed etiological AD models, which are vital for better understanding of developmental process of AD and the base of identification of early diagnostic biomarkers and effective therapeutic targets of AD.

Abstract Although CRISPR/Cas9-mediated gene editing is widely applied to mimic human disorders, whether acute manipulation of disease-causing genes in the brain leads to behavioral abnormalities in non-human primates remains to be determined. Here we induced genetic mutations in MECP2, a critical gene linked to Rett syndrome (RTT) and autism spectrum disorders (ASDs), in the hippocampus (DG and CA1–4) of adolescent rhesus monkeys (Macaca mulatta) in vivo via adeno-associated virus (AAV)-delivered Staphylococcus aureus Cas9 with sgRNAs targeting MECP2. In comparison to monkeys injected with AAV-SaCas9 alone (n = 4), numerous autistic-like behavioral abnormalities were identified in the AAV-SaCas9-sgMECP2-injected monkeys (n = 7), including social interaction deficits, abnormal sleep patterns, insensitivity to aversive stimuli, abnormal hand motions and defective social reward behaviors. Furthermore, some aspects of ASDs and RTT, such as stereotypic behaviors, did not appear in the MECP2 gene-edited monkeys, suggesting that different brain areas likely contribute to distinct ASD symptoms. This study showed that acute manipulation of disease-causing genes via in vivo gene editing directly led to behavioral changes in adolescent primates, paving the way for the rapid generation of genetically engineered non-human primate models for neurobiological studies and therapeutic development.

Abstract Whether direct manipulation of Parkinson’s disease (PD) risk genes in monkey brain can elicit Parkinsonian phenotypes remains an unsolved issue. Here, we employed an adeno-associated virus (AAV)-delivered CRISPR/Cas9 system to directly co-edit PINK1 and DJ-1 genes in the substantia nigra (SN) region of four adult monkey brains. After the operation, two of the monkeys exhibited all classic PD symptoms, including bradykinesia, tremor, and postural instability, accompanied by severe nigral dopaminergic neuron loss (over 60%) and α-synuclein pathology. The aged monkeys were more vulnerable to gene editing by showing faster PD progression, higher final total PD scores, and severer pathologic changes compared with their younger counterparts, suggesting both the genetic and aging factors played important roles in PD development. This gene editing system can be used to develop a large quantity of genetically edited PD monkeys over a short period, thus providing a practical transgenic monkey model for future PD studies.

Abstract Purpose To investigate the effects of different indoor lighting intensity (500 lx, 750 lx and 1,000 lx) on normal ocular axial length growth by using juvenal rhesus monkeys. Methods Twenty-four juvenile monkeys were exposed continuously to normal intensity light (NIL, 500 lx, n=16), medium intensity light (MIL, 750 lx, n=8) and high intensity light (HIL, 1 000 lx, n=8), with a same CCT value (about 3000 K) for 246 days. Axial length, anterior chamber depth, corneal curvature radius were measured at about a monthly interval. Results After 246 days of light exposure, the growth of axial length of the MIL group (750 lx) were 0.151 ± 0.081 mm and 0.139 ± 0.070 mm in the right and left eyes, respectively, and significantly larger in comparison with the NIL group (500lx, OD: 0.068 ± 0.055 mm, OS: 0.074 ± 0.057 mm) and the HIL group (1000lx,OD:0.063 ± 0.093 mm, OS: 0.084 ± 0.052 mm) monkeys. This effect was stable and robust during the whole experimental period. Conclusion The effects of different intensity lighting on normal ocular axial development was not linear as most people currently think. We must be cautious when it comes to elevate light intensity in classrooms. Whether this conclusion is correct under lights of other CCT value needs further study.

Stroke is a leading cause of death and disability but most of the clinical trials have failed in the past, despite our increasing understanding of the molecular and pathological mechanisms underlying stroke. While many signaling pathways have been identified in the aftermath of stroke, the majority of current approaches are focusing on neural protection rather than neuroregeneration. In this study, we report an in vivo neural regeneration approach to convert brain internal reactive astrocytes into neurons through ectopic expression of a neural transcription factor NeuroD1 in adult non-human primate (NHP) brains following ischemic stroke. We demonstrate that NeuroD1 AAV-based gene therapy can convert reactive astrocytes into neurons with high efficiency (90%), but astrocytes are never depleted in the NeuroD1-expressed areas, consistent with the proliferative capability of astrocytes. The NeuroD1-mediated in vivo astrocyte-to-neuron (AtN) conversion in monkey cortex following ischemic stroke increased local neuronal density, reduced reactive microglia, and surprisingly protected parvalbumin interneurons in the converted areas. The NeuroD1 gene therapy showed a broad time window, from 10 days to 30 days following ischemic stroke, in terms of exerting its neuroregenerative and neuroprotective effects. The cortical astrocyte-converted neurons also showed Tbr1+ cortical neuron identity, similar to our earlier findings in rodent animal models. Unexpectedly, NeuroD1 expression in converted neurons showed a significant decrease after 6 months of viral infection, suggesting a potential self-regulatory mechanism of NeuroD1 in adult mature neurons of NHPs. These results suggest that in vivo cell conversion through NeuroD1-based gene therapy may be an effective approach to regenerate new neurons in adult primate brains for tissue repair.