Abstract Preclinical applications of resting-state functional magnetic resonance imaging (rsfMRI) offer the possibility to non-invasively probe whole-brain network dynamics and to investigate the determinants of altered network signatures observed in human studies. Mouse rsfMRI has been increasingly adopted by numerous laboratories world-wide. Here we describe a multi-centre comparison of 17 mouse rsfMRI datasets via a common image processing and analysis pipeline. Despite prominent cross-laboratory differences in equipment and imaging procedures, we report the reproducible identification of several large-scale resting-state networks (RSN), including a murine default-mode network, in the majority of datasets. A combination of factors was associated with enhanced reproducibility in functional connectivity parameter estimation, including animal handling procedures and equipment performance. Our work describes a set of representative RSNs in the mouse brain and highlights key experimental parameters that can critically guide the design and analysis of future rodent rsfMRI investigations.

Abstract Cerebral vascular abnormalities can have a large impact on brain function and have been frequently detected as a comorbidity in various neuropathologies. The mouse is the most common pre-clinical animal model used to investigate neuropathologies and thus cerebral vascular atlases of this species are indispensable. In particular, an atlas derived from multiple animals and that can address inter-subject variability is still absent. The current study presents a mouse cerebral vascular atlas developed from MR 2D-TOF angiograms acquired from a relatively high number (N=21) of 12 weeks old male C57BL/6 mice. The vascular atlas we present depicts large arteries, veins and sinuses that are more spatially reliable across animals than smaller vessels. The atlas is available for download and contains multiple datasets: i) a cerebral vascular atlas; ii) a digital segmentation of large vessels (arteries and veins); iii) a high resolution T2 anatomical background aligned to the atlas; iv) a skeletonized vascular atlas; and v) a vascular graph model. We suggest that these components provide a very potent analysis tool for mouse fMRI data and that the atlas can be used as a template for multimodal brain imaging studies. To this end, we also demonstrate an explicit application of the atlas for the investigation of vascular influences in resting-state fMRI.

Abstract The septohippocampal pathway plays an important role in learning and memory. It projects from the medial septum-vertical limb of the diagonal band of Broca (MSDB) to the hippocampus and provides the latter with its main cholinergic innervation. To assess the importance of cholinergic selectivity and timing of MSDB stimulation in modulating learning and memory, we directly compared the effects of several MSDB stimulation strategies in healthy rats. We evaluated the effects of DREADD-mediated selective cholinergic neuronal MSDB stimulation and nonselective neuronal MSDB stimulation on spatial learning and memory in the appetitive radial arm maze and on resting-state brain networks using resting-state functional MRI. DREADDs were activated with the novel DREADD agonist J60. Selective cholinergic MSDB stimulation during – but not after – radial arm maze training improved spatial learning compared with J60-treated sham rats and had no effect on working memory or reversal learning. J60-treated sham rats had a worse working memory than saline-treated sham rats during the reversal phase of the radial arm maze task, suggesting an adverse effect of chronic use of J60. Nonselective MSDB stimulation during training resulted in a loss of appetite and exclusion from the radial arm maze training. Acute selective cholinergic and nonselective MSDB stimulation induced decreased functional connectivity (FC) in the default mode-like network. In addition, acute nonselective MSDB stimulation resulted in increased intrahippocampal FC, while selective cholinergic MSDB stimulation led to globally increased FC with the nucleus accumbens. While the combined effect of radial arm maze learning and the necessary chronic food restriction with or without chronic MSDB stimulation had no observable effect on resting-state networks, chronic food restriction alone globally increased FC in the brain.

Complex motor skills take considerable time and practice to learn. Without continued practice the level of skill performance quickly degrades, posing a problem for the timely utilization of skilled motor responses. Here we quantified the recurring development of vocal motor skills and the accompanying changes in synaptic connectivity in the brain of a songbird, while manipulating skill performance by consecutively administrating and withdrawing testosterone. We demonstrate that a songbird with prior singing experience can significantly accelerate the re-acquisition of vocal performance. We further demonstrate that an increase in vocal performance is accompanied by a pronounced synaptic pruning in the forebrain vocal motor area HVC, a reduction that is not reversed when birds stop singing. These results provide evidence that lasting synaptic changes in the motor circuitry are associated with the savings of motor skills, enabling a rapid recovery of motor performance under environmental time constraints.

Abstract The default mode network is a large-scale brain network that is active during rest and internally focused states and deactivates as well as desynchronizes during externally oriented (top-down) attention demanding cognitive tasks. However, it is not sufficiently understood if unpredicted salient stimuli, able to trigger bottom-up attentional processes, could also result in similar reduction of activity and functional connectivity in the DMN. In this study, we investigated whether bottom-up sensory processing could influence the default mode like network (DMLN) in rats. DMLN activity was examined using block-design visual functional magnetic resonance imaging (fMRI) while its synchronization was investigated by comparing functional connectivity during a resting versus a continuously stimulated brain state by unpredicted light flashes. We demonstrated that activity in DMLN regions was decreased during visual stimulus blocks and increased during blanks. Furthermore, decreased inter-network functional connectivity between the DMLN and visual networks as well as decreased intra-network functional connectivity within the DMLN was observed during the continuous visual stimulation. These results suggest that triggering of bottom-up attention mechanisms in anesthetized rats can lead to a cascade similar to top-down orienting of attention in humans and is able to deactivate and desynchronize the DMLN.

Abstract Huntington’s disease (HD) is a neurodegenerative disorder caused by expanded (≥40) glutamine-encoding CAG repeats in the huntingtin gene, which leads to dysfunction and death of predominantly striatal and cortical neurons. While the genetic profile and behavioural signs of the disease are better known, changes in the functional architecture of the brain, especially before the behavioural symptoms become apparent, are not fully and consistently characterized. In this study, we sought markers at pre, early and late manifest states of phenotypic progression in the heterozygous (HET) zQ175 delta-neo (DN) mouse model, using resting-state functional magnetic resonance imaging (RS-fMRI). This mouse model shows molecular, cellular and circuitry alterations that resemble those seen in HD in humans. Specifically, we investigated, longitudinally, changes in co-activation patterns (CAPs) that are the transient states of brain activity constituting the resting-state networks (RSNs). Most robust changes in the temporal properties of CAPs occurred at the late manifest state; the durations of two anti-correlated CAPs, characterized by simultaneous co-activation of default-mode like network (DMLN) and co-deactivation of lateral-cortical network (LCN) and vice-versa, were reduced in the zQ175 DN HET animals compared to the wild-type mice. Changes in the spatial properties, measured in terms of activation levels of different brain regions, during CAPs were found at all three states and became progressively more pronounced at the manifest states. We then assessed the cross-validated predictive power of CAP metrics to distinguish HET animals from controls. Spatial properties of CAPs performed significantly better than the chance level at all three states with 80% classification accuracy at the early and late manifest states.

ABSTRACT Huntington’s disease is an autosomal, dominantly inherited neurodegenerative disease caused by an expansion of the CAG repeats in exon 1 of the huntingtin gene. Neuronal degeneration and dysfunction that precedes regional atrophy result in the impairment of striatal and cortical circuits that affect the brain’s large-scale network functionality. However, the evolution of these disease-driven, large-scale connectivity alterations is still poorly understood. Here we used resting-state fMRI to investigate functional connectivity changes in a mouse model of Huntington’s disease in several relevant brain networks and how they are affected at different ages that follow a disease-like phenotypic progression. Towards this, we used the heterozygous (HET) form of the zQ175DN Huntington’s disease mouse model that recapitulates aspects of human disease pathology. Seed- and Region-based analyses were performed at different ages, on 3-, 6-, 10-, and 12-month-old HET and age-matched wild-type mice. Our results demonstrate decreased connectivity starting at 6 months of age, most prominently in regions such as the retrosplenial and cingulate cortices, pertaining to the default mode-like network and auditory and visual cortices, part of the associative cortical network. At 12 months, we observe a shift towards decreased connectivity in regions such as the somatosensory cortices, pertaining to the lateral cortical network, and the caudate putamen, a constituent of the subcortical network. Moreover, we assessed the impact of distinct Huntington’s Disease-like pathology of the zQ175DN HET mice on age-dependent connectivity between different brain regions and networks where we demonstrate that connectivity strength follows a nonlinear, inverted U-shape pattern, a well-known phenomenon of development and normal aging. Conversely, the neuropathologically driven alteration of connectivity, especially in the default mode and associative cortical networks, showed diminished age-dependent evolution of functional connectivity. These findings reveal that in this Huntington’s disease model, altered connectivity starts with cortical network aberrations which precede striatal connectivity changes, which appear only at a later age. Taken together, these results suggest that the age-dependent cortical network dysfunction seen in rodents could represent a relevant pathological process in Huntington’s disease progression.

How do intrinsic brain dynamics interact with processing of external sensory stimuli? We sought new insights using functional (f)MRI to track spatiotemporal activity patterns at the whole brain level in lightly anesthetized mice, during both resting conditions and visual stimulation trials. Our results provide evidence that quasiperiodic patterns (QPPs) govern mouse resting brain dynamics. QPPs captured the temporal alignment of global brain fluctuations, anti-correlation of the Default Mode (DMN)- and Task Positive (TPN)-like networks, and activity in neuromodulatory nuclei of the reticular formation. While visual stimulation could trigger a transient spatiotemporal pattern highly similar to intrinsic QPPs, global signal fluctuations and QPPs during rest periods could explain variance in the following visual responses. QPPs and the global signal thus appeared to capture a common arousal-related brain-state fluctuation, orchestrated through neuromodulation. Our findings provide new frontiers to understand the neural processes that shape functional brain states and modulate sensory input processing.

The anterior cingulate area (ACA) is an integral part of the prefrontal cortex in mice and has been implicated in several cognitive functions. Previous anatomical and functional imaging studies demonstrated that the ACA is highly interconnected with numerous brain regions acting as a hub region in functional networks. However, the importance of the ACA in regulating functional network activity and connectivity remains to be elucidated. Recently developed neuromodulatory techniques, such as Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) allow for precise control of neuronal activity. In this study, we used an inhibitory kappa-opioid receptor DREADDs (KORD) to temporally inhibit neuronal firing in the right ACA of mice and assessed functional network activity and connectivity using non-invasive functional MRI. We demonstrated that KORD-induced inhibition of the right ACA induced blood oxygenation-level dependent (BOLD) signal decreases and increases in connected brain regions throughout of hemispheres. Furthermore, these modulations in neuronal activity were associated with decreased intra- and interhemispheric functional connectivity. These results demonstrate that the combination of the DREADD technology and non-invasive functional imaging methods is a valuable tool for unraveling the underlying mechanisms of network function and dysfunction.

Background: Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia in the elderly population. Currently, no effective cure is available for AD. According to the amyloid hypothesis, the accumulation and deposition of the amyloid-beta (Aβ) peptides plays a key role in AD pathology. Soluble Aβ (sAβ) oligomers were shown to be synaptotoxic and involved in pathological hypersynchronisation of brain resting-state networks in different transgenic developmental-onset mouse models of amyloidosis. However, the impact of protein overexpression during brain postnatal development may cause additional phenotypes unrelated to AD. To address this concern, we investigated sAβ effects on functional resting-state networks in transgenic mature-onset amyloidosis Tet-Off APP (TG) mice. Methods: TG mice and control littermates were raised on doxycycline (DOX) diet from 3d up to 3m of age to suppress transgenic Aβ production. Thereafter, longitudinal resting-state functional MRI was performed on a 9.4T MR-system starting from week 0 (3m old mice) up to 28w post DOX treatment. Ex vivo immunohistochemistry and ELISA analysis (additional mice cohort) was performed to address the development of amyloid pathology. Results: Functional Connectivity (FC) analysis demonstrated early abnormal hypersynchronisation in the TG mice compared to the controls at 8w post DOX treatment. This effect was observed particularly across regions of the default mode-like network, known to be affected in AD. Ex vivo analyses performed at this time point confirmed a 20-fold increase in total sAβ levels and the absence of Aβ plaques in the TG mice compared to the controls. On the contrary at week 28, TG mice showed an overall hypoconnectivity, coinciding with a widespread deposition of Aβ plaques in the brain. Conclusions: By preventing developmental influence of APP and/or sAβ during brain postnatal development, we demonstrated FC abnormalities driven by sAβ synaptotoxicity on resting state neuronal networks in mature-induced TG mice. Thus, the Tet-Off APP mouse model could be a powerful tool while used as a mature-onset model to shed light into amyloidosis mechanisms in AD. Therefore, this inducible APP expression model used in combination with early non-invasive in vivo rsfMRI readout for sAβ synaptotoxicity sets the stage for future Aβ targeting preventative treatment studies.