Abstract Background Deficits in social cognition consistently underlie functional disabilities in a wide range of psychiatric disorders. Neuroimaging studies have suggested that the anterior insula is a ‘common core’ brain region that is impaired across neurological and psychiatric disorders, which include social cognition deficits. Nevertheless, neurobiological mechanisms of the anterior insula for social cognition remain elusive. Methods To determine the role of anterior insula in social cognition, we manipulated expression of Cyp26B1, an anterior insula-enriched molecule that is crucial for retinoic acid degradation and involved in the pathology of neuropsychiatric conditions. Social cognition was mainly assayed using the three-chamber social interaction test. We conducted multimodal analyses at the molecular, cellular, circuitry, and behavioral levels. Results At the molecular/cellular level, anterior insula-mediated social novelty recognition is maintained by proper activity of the layer 5 pyramidal neurons, for which retinoic acid-mediated gene transcription can play a role. We also demonstrate that oxytocin influences the anterior insula-mediated social novelty recognition, not by direct projection of oxytocin neurons, nor by direct diffusion of oxytocin to the anterior insula, which contrasts the modes of oxytocin regulation onto the posterior insula. Instead, oxytocin affects oxytocin receptor-expressing neurons in the dorsal raphe nucleus where serotonergic neurons are projected to the anterior insula. Furthermore, we show that serotonin 5HT2C receptor expressed in the anterior insula influences social novelty recognition. Conclusions Anterior insula plays a pivotal role in social novelty recognition that is partly regulated by a local retinoic acid cascade, but also remotely regulated by oxytocin via a non-classic mechanism.

ABSTRACT The lateral septum (LS) is a GABAergic region in the basal forebrain that is implicated in sociability. However, the neural circuits and cell signaling pathways that converge on the LS to mediate social behaviors aren’t well understood. Multiple lines of evidence suggest that brain-derived neurotrophic factor (BDNF) signaling through its receptor TrkB plays important roles in social behavior. While BDNF is not locally produced in LS, we demonstrate that nearly all GABAergic neurons in LS express TrkB. Local knock-down of TrkB expression from LS neurons decreased sociability and reduced recruitment of social novelty-induced neural activity. Since BDNF is not synthesized in LS, we evaluated which inputs to the LS could serve as potential BDNF sources for controlling sociability. By selectively ablating inputs to LS, we demonstrated that inputs from the basolateral amygdala (BLA), but not ventral CA1 (vCA1), regulate sociability. Moreover, depleting BDNF selectively in BLA-LS projection neurons phenocopied the decreased sociability observed following either local LS TrkB knockdown or ablation of BLA-LS inputs. These data support the hypothesis that BLA-LS projection neurons could serve as a critical source of BDNF for activating TrkB signaling in LS neurons to control sociability.

Air pollution remains a great challenge for public health, with the detrimental effects of air pollution on cardiovascular, rhinosinusitis, and pulmonary health increasingly well understood. Recent epidemiological associations point to the adverse effects of air pollution on cognitive decline and neurodegenerative diseases. Mouse models of subchronic exposure to PM 2.5 (ambient air particulate matter < 2.5 µm) provide an opportunity to demonstrate the causality of target diseases. Here, we subchronically exposed mice to concentrated ambient PM 2.5 for 7 weeks (5 days/week; 8h/day) and assessed its effect on behavior using standard tests measuring cognition or anxiety-like behaviors. Average daily PM 2.5 concentration was 200 µg/m 3 in the PM 2.5 group and 10 µg/m 3 in the filtered air group. The novel object recognition (NOR) test was used to assess the effect of PM 2.5 exposure on recognition memory. The increase in exploration time for a novel object versus a familiarized object was lower for PM 2.5 -exposed mice (42% increase) compared to the filtered air (FA) control group (110% increase). In addition, the calculated discrimination index for novel object recognition was significantly higher in FA mice (67 %) compared to PM 2.5 exposed mice (57.3%). The object location test (OLT) was used to examine the effect of PM 2.5 exposure on spatial memory. In contrast to the FA-exposed control mice, the PM 2.5 exposed mice exhibited no significant increase in their exploration time between novel location versus familiarized location indicating their deficit in spatial memory. Furthermore, the discrimination index for novel location was significantly higher in FA mice (62.6%) compared to PM 2.5 exposed mice (51%). Overall, our results demonstrate that subchronic exposure to higher levels of PM 2.5 in mice causes impairment of novelty recognition and spatial memory.

Abstract The lateral septum (LS), a GABAergic structure located in the basal forebrain, is implicated in social behavior, learning and memory. We previously demonstrated that expression of tropomyosin kinase receptor B (TrkB) in LS neurons is required for social novelty recognition. To better understand molecular mechanisms by which TrkB signaling controls behavior, we locally knocked down TrkB in LS and used bulk RNA-sequencing to identify changes in gene expression downstream of TrkB. TrkB knockdown induces upregulation of genes associated with inflammation and immune responses, and downregulation of genes associated with synaptic signaling and plasticity. Next, we generated one of the first atlases of molecular profiles for LS cell types using single nucleus RNA-sequencing (snRNA-seq). We identified markers for the septum broadly, and the LS specifically, as well as for all neuronal cell types. We then investigated whether the differentially expressed genes (DEGs) induced by TrkB knockdown map to specific LS cell types. Enrichment testing identified that downregulated DEGs are broadly expressed across neuronal clusters. Enrichment analyses of these DEGs demonstrated that downregulated genes are uniquely expressed in the LS, and associated with either synaptic plasticity or neurodevelopmental disorders. Upregulated genes are enriched in LS microglia, associated with immune response and inflammation, and linked to both neurodegenerative disease and neuropsychiatric disorders. In addition, many of these genes are implicated in regulating social behaviors. In summary, the findings implicate TrkB signaling in the LS as a critical regulator of gene networks associated with psychiatric disorders that display social deficits, including schizophrenia and autism, and with neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s.