Abstract Exposure to maternal immune activation (MIA) in utero is a risk factor for neurodevelopmental and psychiatric disorders. MIA-induced deficits in adolescent and adult offspring have been well characterized, however, less is known about the effects of MIA-exposure on embryo development. To address this gap, we performed high-resolution ex vivo magnetic resonance imaging (MRI) to investigate the effects of early (gestational day [GD]9) and late (GD17) MIA-exposure on embryo (GD18) brain structure. We identify striking neuroanatomical changes in the embryo brain, particularly in the late exposed offspring. We further examined hippocampal neuroanatomy using electron microscopy and identified differential effects due to MIA-timing. An increase in apoptotic cell density was observed in the GD9 exposed offspring, while an increase in the density of dark neurons and glia, putative markers for increased neuroinflammation and oxidative stress, was observed in GD17 exposed offspring, particularly in females. Overall, our findings integrate imaging techniques across different scales to identify differential impact of MIA-timing on the earliest stages of neurodevelopment.

An organizational pattern seen in the brain, termed structural covariance, is the statistical association of pairs of brain regions in their anatomical properties. These associations, measured across a population as covariances or correlations usually in cortical thickness or volume, are thought to reflect genetic and environmental underpinnings. Here, we examine the biological basis of structural volume covariance in the mouse brain. We first examined large scale associations between brain region volumes using an atlas-based approach that parcellated the entire mouse brain into 318 regions over which correlations in volume were assessed, for volumes obtained from 153 mouse brain images via high-resolution MRI. We then used a seed-based approach and determined, for 108 different seed regions across the brain and using mouse gene expression and connectivity data from the Allen Institute for Brain Science, the variation in structural covariance data that could be explained by distance to seed, transcriptomic similarity to seed, and connectivity to seed. We found that overall, correlations in structure volumes hierarchically clustered into distinct anatomical systems, similar to findings from other studies and similar to other types of networks in the brain, including structural connectivity and transcriptomic similarity networks. Across seeds, this structural covariance was significantly explained by distance (17% of the variation, up to a maximum of 49% for structural covariance to the visceral area of the cortex), transcriptomic similarity (13% of the variation, up to maximum of 28% for structural covariance to the primary visual area) and connectivity (15% of the variation, up to a maximum of 36% for structural covariance to the intermediate reticular nucleus in the medulla) of covarying structures. Together, distance, connectivity, and transcriptomic similarity explained 37% of structural covariance, up to a maximum of 63% for structural covariance to the visceral area. Additionally, this pattern of explained variation differed spatially across the brain, with transcriptomic similarity playing a larger role in the cortex than subcortex, while connectivity explains structural covariance best in parts of the cortex, midbrain, and hindbrain. These results suggest that both gene expression and connectivity underlie structural volume covariance, albeit to different extents depending on brain region, and this relationship is modulated by distance.

Abstract TDP-43 pathology is found in several neurodegenerative disorders, collectively referred to as “TDP-43 proteinopathies”. Aggregates of TDP-43 are present in the brains and spinal cords of >97% of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), and in brains of ∼50% of frontotemporal dementia (FTD) patients. While mutations in the TDP-43 gene ( TARDBP ) are usually associated with ALS, many clinical reports have linked these mutations to cognitive impairments and/or FTD, but also to other neurodegenerative disorders including Parkinsonism (PD) or progressive supranuclear palsy (PSP). TDP-43 is a ubiquitously expressed, highly conserved RNA-binding protein that is involved in many cellular processes, mainly RNA metabolism. To investigate systemic pathological mechanisms in TDP-43 proteinopathies, aiming to capture the pleiotropic effects of TDP-43 mutations, we have further characterised a mouse model carrying a point mutation (M323K) within the endogenous Tardbp gene. Homozygous mutant mice developed cognitive and behavioural deficits as early as 3 months of age. This was coupled with significant brain structural abnormalities, mainly in the cortex, hippocampus, and white matter fibres, together with progressive cortical interneuron degeneration and neuroinflammation. At the motor level, progressive phenotypes appeared around 6 months of age. Thus, cognitive phenotypes appeared to be of a developmental origin with a mild associated progressive neurodegeneration, while the motor and neuromuscular phenotypes seemed neurodegenerative, underlined by a progressive loss of upper and lower motor neurons as well as distal denervation. This is accompanied by progressive elevated TDP-43 protein and mRNA levels in cortex and spinal cord of homozygous mutant mice from 3 months of age, together with increased cytoplasmic TDP-43 mislocalisation in cortex, hippocampus, hypothalamus, and spinal cord at 12 months of age. In conclusion, we find that Tardbp M323K homozygous mutant mice model many aspects of human TDP-43 proteinopathies, evidencing a dual role for TDP-43 in brain morphogenesis as well as in the maintenance of the motor system, making them an ideal in vivo model system to study the complex biology of TDP-43.

Human MRI studies show that experience can lead to changes in the volume of task-specific brain regions; however, the behavioural and molecular processes driving these changes remain poorly understood. Here, we used in-vivo mouse MRI and RNA sequencing to investigate the neuroanatomical and transcriptional changes induced by environmental enrichment, exercise, and social interaction. Additionally, we asked whether the volume changes require CREB, a transcription factor critical for memory formation and neuronal plasticity. Enrichment rapidly increased cortical and hippocampal volume, and these effects were not attributable to exercise or social interaction. Instead, they likely arise from learning and sensorimotor experience. Nevertheless, the volume changes were not attenuated in mice with memory impairments caused by loss of CREB, indicating that these effects are driven by processes distinct from this canonical learning and memory pathway. Finally, within brain regions that underwent volume changes, enrichment increased the expression of genes associated with axonogenesis, dendritic spine development, synapse structural plasticity, and neurogenesis, suggesting these processes underlie the volume changes detected with MRI.

Drugs of abuse induce neuroadaptations, including synaptic plasticity, that are critical for transition to addiction, and genes and pathways that regulate these neuroadaptations are potential therapeutic targets. Tropomodulin 2 ( Tmod2 ) is an actin-regulating gene that plays an important role in synapse maturation and dendritic arborization and has been implicated in substance-abuse and intellectual disability in humans. Here we mine the KOMP2 data and find that Tmod 2 knockout mice show emotionality phenotypes that are predictive of addiction vulnerability. Detailed addiction phenotyping showed that Tmod2 deletion does not affect the acute locomotor response to cocaine administration. However, sensitized locomotor responses are highly attenuated in these knockouts, indicating perturbed drug-induced plasticity. In addition, Tmod2 mutant animals do not self-administer cocaine indicating lack of hedonic responses to cocaine. Whole brain MR imaging shows differences in brain volume across multiple regions although transcriptomic experiments did not reveal perturbations in gene co-expression networks. Detailed electrophysiological characterization of Tmod2 KO neurons, showed increased spontaneous firing rate of early postnatal and adult cortical and striatal neurons. Cocaine-induced synaptic plasticity that is critical for sensitization is either missing or reciprocal in Tmod2 KO nucleus accumbens shell medium spiny neurons, providing a mechanistic explanation of the cocaine response phenotypes. Combined, these data provide compelling evidence that Tmod2 is a major regulator of plasticity in the mesolimbic system and regulates the reinforcing and addictive properties of cocaine.Significance statement We identify, characterize, and establish tropomodulin 2 (Tmod2), an actin-regulating gene exclusively expressed in neurons, as an important regulator of addiction-related phenotypes. We show that Tmod2 , knockout mice ( Tmod2 KO ) exhibit phenotypes that are predictive of addiction. In detailed addiction phenotyping, we find the Tmod2 regulates cocaine sensitization and self-administration. We explore anatomical, transcriptional, electrophysiological mechanisms of this regulation. Combined these studies provide compelling evidence that Tmod2 is critical for synaptic plasticity necessary for transition to addiction.

Abstract Maternal environmental exposures, such as high-fat diets, diabetes and obesity, can induce long term effects in offspring. These effects include increased risk of neurodevelopmental disorders (NDDs) including autism spectrum disorder (ASD), attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), depression and anxiety. The mechanisms underlying these late-life neurologic effects are unknown. In this article, we measured changes in the offspring brain and determined which brain regions are sensitive to maternal metabolic milieu and therefore may mediate NDD risk. We showed that mice exposed to maternal high-fat diet display extensive brain changes in adulthood despite being switched to low-fat diet at weaning. Brain regions impacted by early-life diet include the extended amygdalar system, which plays an important role in reward-seeking behaviour. Genes preferentially expressed in these regions have functions related to feeding behavior, while also being implicated in human NDDs, such as autism. Our data demonstrated that exposure to maternal high-fat diet in early-life leads to brain alterations that persist into adulthood, even after dietary modifications.

Abstract ATRX is a chromatin remodelling ATPase that is involved in transcriptional regulation, DNA damage repair and heterochromatin maintenance. It has been widely studied for its role in ALT-positive cancers, but its role in neurological function remains elusive. Hypomorphic mutations in the X-linked ATRX gene cause a rare form of intellectual disability combined with alpha-thalassemia called ATR-X syndrome in hemizygous males. Patients also have facial dysmorphism, microcephaly, musculoskeletal defects and genital abnormalities. Since complete deletion of ATRX in mice results in early embryonic lethality, the field has largely relied on conditional knockout models to assess the role of ATRX in multiple tissues. Given that null alleles are not found in patients, a more patient-relevant model was needed. Here, we have produced and characterised the first patient mutation knock-in model of ATR-X syndrome, carrying the most common patient mutation, R246C. This is one of a cluster of missense mutations located in the chromatin interaction domain that disrupts its function. The knock-in mice recapitulate several aspects of the patient disorder, including craniofacial defects, microcephaly and impaired neurological function. They provide a powerful model for understanding the molecular mechanisms underlying ATR-X syndrome and for testing potential therapeutic strategies.

ABSTRACT FUS (Fused in sarcoma) is a ubiquitously expressed DNA/RNA binding protein. Mutations in FUS cause aggressive juvenile forms of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), as in the case with the FUSDelta14 mutation. While most studies have focused on the role of FUS in motor neuron degeneration, little is known about the effect of FUS mutations in the whole body, and the impact of FUS mutations in the correct development of the nervous system. We studied pleiotropic phenotypes in a physiological knock-in mouse model carrying the FUSDelta14 mutation in homozygosity. RNA sequencing was conducting in six different tissues (frontal cortex, spinal cord, tibialis anterior muscle, white and brown adipose tissue and liver) to identify the genes and pathways altered by the FUSDelta14 mutant protein in the systemic transcriptome. Additionally, brain structural magnetic resonance imaging (MRI) and histological characterisation was conducted in young mice to study the role of FUS mutation in the brain development. FUS mutant protein was upregulated and mislocalised in the cytoplasm in most cells of the tissues analysed. We identified few genes commonly altered in all tissues by this mutation, although most genes and pathways affected were generally tissue-specific. Phenotypic assessment of mice revealed systemic metabolic alterations related to the pathway changes identified. MRI brain scans revealed that homozygous FUSDelta14 brains were smaller and displayed significant morphological alterations including a thinner cortex, reduced neuronal number and increased gliosis, which correlated with early cognitive impairment and fatal seizures. We demonstrated that the disease aetiology of FUS mutations can include neurodevelopmental and systemic alterations, which should be taken into consideration in the clinic.

Abstract Extensive evidence supports the role of the immune system in modulating brain function and behaviour. However, past studies have revealed striking heterogeneity in behavioural phenotypes produced from immune system dysfunction. Using magnetic resonance imaging (MRI), we studied the neuroanatomical differences among 11 distinct genetically-modified mouse lines (n=371), each deficient in a different element of the immune system. We found a significant and heterogeneous effect of immune dysfunction on the brains of both male and female mice. However, by imaging the whole brain and using bayesian hierarchical modelling, we were able to identify patterns within the heterogeneous phenotype. Certain structures -- such as the corpus callosum, midbrain, and thalamus -- were more likely to be affected by immune dysfunction. A notable brain-behaviour relationship was identified with neuroanatomy endophenotypes across mouse models clustering according to anxiety-like behaviour phenotypes reported in literature, such as altered volume in brains regions associated with promoting fear response (e.g., the lateral septum and cerebellum). Interestingly, genes with preferential spatial expression in the most commonly affected regions are also associated with multiple sclerosis and other immune-mediated diseases. In total, our data suggest that the immune system modulates anxiety behaviour through well-established brain networks.

Sex differences exist in behaviours, disease and neuropsychiatric disorders. Sexual dimorphisms however, have yet to be studied across the whole brain and across a comprehensive time course of postnatal development. We used manganese-enhanced MRI (MEMRI) to longitudinally image male and female C57BL/6J mice across 9 time points, beginning at postnatal day 3. We recapitulated findings on canonically dimorphic areas, demonstrating the ability of MEMRI to study neuroanatomical sex differences. We discovered, upon whole-brain volume correction, that neuroanatomical regions larger in males develop early in life, while regions larger in females develop in peripubertal life. Furthermore, we found groups of areas with shared sexually dimorphic developmental trajectories that reflect behavioural and functional networks, and expression of genes involved with sex processes. Our results demonstrate the ability of MEMRI to reveal comprehensive developmental differences between male and female brains, which will improve our understanding of sex-specific predispositions to various neuropsychiatric disorders.