Summary Prefrontal cortex (PFC) has dramatically expanded in primates, but its organization and interactions with other brain regions are only partially understood. We performed high-resolution connectomic mapping of marmoset PFC and found two contrasting corticocortical and corticostriatal projection patterns: “patchy” projections that formed many columns of submillimeter scale in nearby and distant regions and “diffuse” projections that spread widely across the cortex and striatum. Parcellation-free analyses revealed representations of PFC gradients in these projections’ local and global distribution patterns. We also demonstrated column-scale precision of reciprocal cortico-cortical connectivity, suggesting that PFC contains a mosaic of discrete columns. Diffuse projections showed considerable diversity in the laminar patterns of axonal spread. In mice, columnar projections were much less conspicuous, underscoring the importance of the primate model. Altogether, these fine-grained analyses reveal important principles of local and long-distance PFC circuits in marmosets and provide insights into the functional organization of the primate brain.

Epilepsy is a major neurological disorder. Despite the major contribution of animal models to the development of anticonvulsant drugs, 20-30% of epilepsy patients still fail to achieve adequate seizure control. Novel animal models are needed for the development of new drugs. Here we report CRTC1 KD-induced epileptic response by short hairpin (shRNA) RNA injection into marmoset V1. Three local injections of shCRTC1 induced cFOS expression beyond the injection sites. Real-time analysis of cortical electrocorticography revealed transient changes in high frequency oscillations throughout the cortex, and a second lesion was observed in the temporal lobe by MRI and post-mortem histology. shCRTC1 knockdown marmosets showed severe lesions surrounding the injection site several months after the injection, while glial cell activations appeared even before IEG induction could be detected one month after the shCRTC1 injection. These features suggest the utility of the shCRTC1 KD marmoset in the study of focal and structural epilepsy.

Alterations in the experience-dependent and autonomous elaboration of neural circuits are assumed to underlie autism spectrum disorder (ASD), though it is unclear what synaptic traits are responsible. Here, we used a valproic acid-induced ASD marmoset model, which shares common molecular features with idiopathic ASD, to investigate the structural dynamics of tuft dendrites of upper-layer pyramidal neurons and adjacent axons in the dorsomedial prefrontal cortex using two-photon microscopy. In model marmosets, dendritic spine turnover was upregulated, and spines were actively generated in clusters and subsequently survived more often than in control marmosets. Presynaptic boutons in local axons but not in commissural long-range axons showed hyperdynamic turnover in model marmosets, suggesting alterations in projection-specific plasticity. Intriguingly, nasal administration of oxytocin reduced the clustered spine emergence. Enhanced clustered spine generation, possibly unique to certain presynaptic partners, may be associated with ASD and may be a potential therapeutic target.