Cocaine regulates the transcription factor CREB (adenosine 3′,5′-monophosphate response element binding protein) in rat nucleus accumbens, a brain region that is important for addiction. Overexpression of CREB in this region decreases the rewarding effects of cocaine and makes low doses of the drug aversive. Conversely, overexpression of a dominant-negative mutant CREB increases the rewarding effects of cocaine. Altered transcription of dynorphin likely contributes to these effects: Its expression is increased by overexpression of CREB and decreased by overexpression of mutant CREB. Moreover, blockade of κ opioid receptors (on which dynorphin acts) antagonizes the negative effect of CREB on cocaine reward. These results identify an intracellular cascade—culminating in gene expression—through which exposure to cocaine modifies subsequent responsiveness to the drug.

The brain dopaminergic system is a critical modulator of basal ganglia function and plasticity. To investigate the contribution of the dopamine D1 receptor to this modulation, we have used gene targeting technology to generate D1 receptor mutant mice. Histological analyses suggested that there are no major changes in general anatomy of the mutant mouse brains, but indicated that the expression of dynorphin is greatly reduced in the striatum and related regions of the basal ganglia. The mutant mice do not respond to the stimulant and suppressive effects of D1 receptor agonists and antagonists, respectively, and they exhibit locomotor hyperactivity. These results suggest that the D1 receptor regulates the neurochemical architecture of the striatum and is critical for the normal expression of motor activity.

Dopaminergic neurons exert a major modulatory effect on the forebrain. Dopamine and adenosine 3′,5′-monophosphate–regulated phosphoprotein (32 kilodaltons) (DARPP-32), which is enriched in all neurons that receive a dopaminergic input, is converted in response to dopamine into a potent protein phosphatase inhibitor. Mice generated to contain a targeted disruption of the DARPP-32 gene showed profound deficits in their molecular, electrophysiological, and behavioral responses to dopamine, drugs of abuse, and antipsychotic medication. The results show that DARPP-32 plays a central role in regulating the efficacy of dopaminergic neurotransmission.

Abstract How the intrinsic sequence structure of neonatal mouse pup ultrasonic vocalization (USV) and maternal experiences determine maternal behaviors in mice is poorly understood. Our previous work showed that pups with a Tbx1 heterozygous (HT) mutation, a genetic risk for autism spectrum disorder (ASD), emit altered call sequences that do not induce maternal approach behaviors in C57BL6/J mothers. Here, we tested how maternal approach behaviors induced by wild-type and HT USVs are influenced by the mother’s experience in raising pups of these two genotypes. The results showed that wild-type USVs were effective in inducing maternal approach behaviors when mothers raised wild-type but not HT pups. The USVs of HT pups were ineffective regardless of whether mothers raised HT or wild-type pups. However, the sequence structure of pup USVs had no effect on the general, non-directional incentive motivation of maternal behaviors. Our data show how the mother’s experience with a pup with a genetic risk for ASD alters the intrinsic incentive values of USV sequences in maternal approach behaviors.

Abstract Rare gene variants confer a high level of penetrance to neurodevelopmental disorders, but their developmental origin and cellular substrates remain poorly understood. To address this limitation, we explored the role of TBX1 , a gene encoded in a rare copy number variant, in cell and mouse models. Here, we report that neonatal Tbx1 deficiency contributes to defective peripubertal social behavior and impairs the proliferation of neonatal neural stem/progenitor cells. Moreover, TBX1 transcriptionally regulates genes linked to post-embryonic neurogenesis and neurodevelopmental disorders associated with other rare gene variants. Our data indicate a precise time window and cell type through which the social dimension is altered by a gene encoded in a rare CNV and provide a potential common mechanistic basis for a group of neurodevelopmental disorders. One-Sentence Summary Tbx1 , a gene affecting neonatal stem cell proliferation, influences peripubertal social behavior.

Abstract Copy number variants (CNVs) have provided a reliable entry point to identify structural correlates of atypical cognitive development. Hemizygous deletion of human chromosome 22q11.2 is associated with impaired cognitive function; however, the mechanisms by which numerous genes encoded in this CNV contribute to cognitive deficits via diverse structural alterations in the brain remain unclear. This study aimed to determine the cellular basis of the link between alterations in brain structure and cognitive functions in a mouse model. The heterozygosity of Tbx1, a 22q11.2 gene, altered the composition of myelinated axons in the fimbria, reduced oligodendrocyte production capacity, and slowed the acquisition of spatial memory and cognitive flexibility. Our findings provide a cellular basis for specific cognitive dysfunctions that occur in patients with loss-of-function TBX1 variants and 22q11.2 hemizygous deletion. Teaser A risk gene for autism alters myelin composition in the hippocampal connection and slows cognitive speed.

Summary Infant crying is an innate communicative behavior that is frequently impaired in certain neurodevelopmental disorders (NDDs). Since advanced paternal age is a reported risk factor for NDDs in offspring, we evaluated the impact of a father’s age on early vocal development in C57BL/6J mice. We recorded and applied a unique combination of computational analyses to ultrasonic vocalizations (USVs) emitted by mouse pups sired by young and aged fathers. Our data showed that advanced paternal age reduced the number and duration of USVs, and altered the syllable composition in pups. Moreover, pups born to young fathers showed convergent vocal characteristics with a rich repertoire during postnatal development, while those born to aged fathers exhibited more divergent vocal patterns with limited repertoire. Principal component analysis in conjunction with clustering analysis demonstrated that pups from aged fathers deviated from typical trajectories of vocal development, which were considered as atypical individuals. Thus, our study indicates that advanced paternal age has a significant effect on offspring’s early vocal development. It is suggested that the trajectories of vocal development could be a useful marker of the NDD-like phenotype associated with the advanced paternal age. In addition, our comprehensive computational analysis described here is an effective approach to characterize the altered individual diversity relevant to neurodevelopmental disorders. One Sentence Summary Advanced paternal age affects vocal development in early postnatal mice, with more pups showing atypical developmental trajectories.

Copy number variants (CNVs) are robustly associated with psychiatric disorders and their dimensions and changes in brain structures and behavior. However, as CNVs contain many genes, the precise gene-phenotype relationship remains unclear. Although various volumetric alterations in the brains of 22q11.2 CNV carriers have been identified in humans and mouse models, it is unknown how the genes in the 22q11.2 region individually contribute to structural alterations and associated mental illnesses and their dimensions. Our previous studies have identified Tbx1, a T-box family transcription factor encoded in 22q11.2 CNV, as a driver gene for social interaction and communication, spatial and working memory, and cognitive flexibility. However, it remains unclear how TBX1 impacts the volumes of various brain regions and their functionally linked behavioral dimensions. In this study, we used volumetric magnetic resonance imaging analysis to comprehensively evaluate brain region volumes in congenic Tbx1 heterozygous mice. Our data show that the volumes of anterior and posterior portions of the amygdaloid complex and its surrounding cortical regions were reduced in Tbx1 heterozygous mice. Moreover, we examined the behavioral consequences of an altered volume of the amygdala. Tbx1 heterozygous mice were impaired for their ability to detect the incentive value of a social partner in a task that depends on the amygdala. Our findings identify the structural basis for a specific social dimension associated with loss-of-function variants of TBX1 and 22q11.2 CNV.