Positron emission tomography of cerebral glucose metabolism in adult human subjects was used to investigate amygdaloid complex (AC) activity associated with the storage of long-term memory for emotionally arousing events. Subjects viewed two videos (one in each of two separate positron emission tomography sessions, separated by 3-7 days) consisting either of 12 emotionally arousing film clips ("E" film session) or of 12 relatively emotionally neutral film clips ("N" film session), and rated their emotional reaction to each film clip immediately after viewing it. Three weeks after the second session, memory for the videos was assessed in a free recall test. As expected, the subjects' average emotional reaction to the E films was higher than that for the N films. In addition, the subjects recalled significantly more E films than N films. Glucose metabolic rate of the right AC while viewing the E films was highly correlated with the number of E films recalled. AC activity was not significantly correlated with the number of N films recalled. The findings support the view derived from both animal and human investigations that the AC is selectively involved with the formation of enhanced long-term memory associated with emotionally arousing events.

Understanding how neural information is processed in physiological and pathological states would benefit from precise detection, localization, and quantification of the activity of all neurons across the entire brain, which has not, to date, been achieved in the mammalian brain. We introduce a pipeline for high-speed acquisition of brain activity at cellular resolution through profiling immediate early gene expression using immunostaining and light-sheet fluorescence imaging, followed by automated mapping and analysis of activity by an open-source software program we term ClearMap. We validate the pipeline first by analysis of brain regions activated in response to haloperidol. Next, we report new cortical regions downstream of whisker-evoked sensory processing during active exploration. Last, we combine activity mapping with axon tracing to uncover new brain regions differentially activated during parenting behavior. This pipeline is widely applicable to different experimental paradigms, including animal species for which transgenic activity reporters are not readily available.

Studies suggest that heightened peripheral inflammation contributes to the pathogenesis of major depressive disorder. We investigated the effect of chronic social defeat stress, a mouse model of depression, on blood-brain barrier (BBB) permeability and infiltration of peripheral immune signals. We found reduced expression of the endothelial cell tight junction protein claudin-5 (Cldn5) and abnormal blood vessel morphology in nucleus accumbens (NAc) of stress-susceptible but not resilient mice. CLDN5 expression was also decreased in NAc of depressed patients. Cldn5 downregulation was sufficient to induce depression-like behaviors following subthreshold social stress whereas chronic antidepressant treatment rescued Cldn5 loss and promoted resilience. Reduced BBB integrity in NAc of stress-susceptible or mice injected with adeno-associated virus expressing shRNA against Cldn5 caused infiltration of the peripheral cytokine interleukin-6 (IL-6) into brain parenchyma and subsequent expression of depression-like behaviors. These findings suggest that chronic social stress alters BBB integrity through loss of tight junction protein Cldn5, promoting peripheral IL-6 passage across the BBB and depression.

Summary

Background

 Emotional stress is associated with increased risk of cardiovascular disease. We imaged the amygdala, a brain region involved in stress, to determine whether its resting metabolic activity predicts risk of subsequent cardiovascular events. 

Methods

 Individuals aged 30 years or older without known cardiovascular disease or active cancer disorders, who underwent ¹⁸F-fluorodexoyglucose PET/CT at Massachusetts General Hospital (Boston, MA, USA) between Jan 1, 2005, and Dec 31, 2008, were studied longitudinally. Amygdalar activity, bone-marrow activity, and arterial inflammation were assessed with validated methods. In a separate cross-sectional study we analysed the relation between perceived stress, amygdalar activity, arterial inflammation, and C-reactive protein. Image analyses and cardiovascular disease event adjudication were done by mutually blinded researchers. Relations between amygdalar activity and cardiovascular disease events were assessed with Cox models, log-rank tests, and mediation (path) analyses. 

Findings

 293 patients (median age 55 years [IQR 45·0–65·5]) were included in the longitudinal study, 22 of whom had a cardiovascular disease event during median follow-up of 3·7 years (IQR 2·7–4·8). Amygdalar activity was associated with increased bone-marrow activity (r=0·47; p<0·0001), arterial inflammation (r=0·49; p<0·0001), and risk of cardiovascular disease events (standardised hazard ratio 1·59, 95% CI 1·27–1·98; p<0·0001), a finding that remained significant after multivariate adjustments. The association between amygdalar activity and cardiovascular disease events seemed to be mediated by increased bone-marrow activity and arterial inflammation in series. In the separate cross-sectional study of patients who underwent psychometric analysis (n=13), amygdalar activity was significantly associated with arterial inflammation (r=0·70; p=0·0083). Perceived stress was associated with amygdalar activity (r=0·56; p=0·0485), arterial inflammation (r=0·59; p=0·0345), and C-reactive protein (r=0·83; p=0·0210). 

Interpretation

 In this first study to link regional brain activity to subsequent cardiovascular disease, amygdalar activity independently and robustly predicted cardiovascular disease events. Amygdalar activity is involved partly via a path that includes increased bone-marrow activity and arterial inflammation. These findings provide novel insights into the mechanism through which emotional stressors can lead to cardiovascular disease in human beings. 

Funding

 None.

The signal transduction protein, regulator of G protein signaling 4 (RGS4), plays a prominent role in physiologic and pharmacological responses by controlling multiple intracellular pathways. Our earlier work identified the dynamic but distinct roles of RGS4 in the efficacy of monoamine-targeting versus fast-acting antidepressants. Using a modified chronic variable stress (CVS) paradigm in mice, we demonstrate that stress-induced behavioral abnormalities are associated with the downregulation of RGS4 in the medial prefrontal cortex (mPFC). Knockout of RGS4 (RGS4KO) increases susceptibility to CVS, as mutant mice develop behavioral abnormalities as early as 2 weeks after CVS resting-state functional magnetic resonance imaging I (rs-fMRI) experiments indicate that stress susceptibility in RGS4KO mice is associated with changes in connectivity between the mediodorsal thalamus (MD-THL) and the mPFC. Notably, RGS4KO also paradoxically enhances the antidepressant efficacy of ketamine in the CVS paradigm. RNA-sequencing analysis of naive and CVS samples obtained from mPFC reveals that RGS4KO triggers unique gene expression signatures and affects several intracellular pathways associated with human major depressive disorder. Our analysis suggests that ketamine treatment in the RGS4KO group triggers changes in pathways implicated in synaptic activity and responses to stress, including pathways associated with axonal guidance and myelination. Overall, we show that reducing RGS4 activity triggers unique gene expression adaptations that contribute to chronic stress disorders and that RGS4 is a negative modulator of ketamine actions. SIGNIFICANCE STATEMENT: Chronic stress promotes robust maladaptation in the brain, but the exact intracellular pathways contributing to stress vulnerability and mood disorders have not been thoroughly investigated. In this study, the authors used murine models of chronic stress and multiple methodologies to demonstrate the critical role of the signal transduction modulator regulator of G protein signaling 4 in the medial prefrontal cortex in vulnerability to chronic stress and the efficacy of the fast-acting antidepressant ketamine.

ABSTRACT Paleoneurology reconstructs the evolutionary history of nervous systems through direct observations from the fossil record and comparative data from extant species. Although this approach can provide direct evidence of phylogenetic links among species, it is constrained by the availability and quality of data that can be gleaned from the fossil record. Here, we sought to translate brain component relationships in a sample of extant Carnivora to make inferences about brain structure in fossil species. Using high resolution magnetic resonance imaging on extant canids and felids and 3D laser scanning on fossil Carnivora, spanning some 40 million years of evolution, we derived measurements for select brain components. From these primary data, predictive equations of cortical (gray matter mass, cortical thickness, and gyrification index) and subcortical structures (caudate nucleus, putamen, and external globus pallidus mass) were used to derive estimates for select fossil Carnivora. We found that regression equations based on both extant and simulation samples provided moderate to high predictability of subcortical masses for fossil Carnivora. We also found that using exploratory probabilistic mapping of subcortical structures in extant Carnivora, a reasonable prediction could be made of the 3D subcortical morphospace of fossil endocasts. These results identify allometric departures and establish adult species ranges in brain component size for fossil species. The integrative approach taken in this study may serve as a model to promote further dialog between neurobiologists working on extant Carnivora models and paleoneurologists describing the nervous system of fossils from this understudied group of mammals.

Abstract The assessment of resting state (rs) neurophysiological dynamics relies on the control of sensory, perceptual, and behavioral environments to minimize variability and rule-out confounding sources of activation during testing conditions. Here, we investigated how temporally-distal environmental inputs, specifically metal exposures experienced up to several months prior to scanning, affect functional dynamics measured using rs functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI). We implemented an interpretable XGBoost-Shapley Additive Explanation (SHAP) model that integrated information from multiple exposure biomarkers to predict rs dynamics in typically developing adolescents. In 124 participants (53% females, ages: 13-25 years) enrolled in the Public Health Impact of Metals Exposure (PHIME) study, we measured concentrations of six metals (manganese, lead, chromium, cupper, nickel and zinc) in biological matrices (saliva, hair, fingernails, toenails, blood and urine) and acquired rs-fMRI scans. Using graph theory metrics, we computed global efficiency (GE) in 111 brain areas (Harvard Oxford Atlas). We used a predictive model based on ensemble gradient boosting to predict GE from metal biomarkers, adjusting for age and biological sex. Model performance was evaluated by comparing predicted versus measured GE. SHAP scores were used to evaluate feature importance. Measured versus predicted rs dynamics from our model utilizing chemical exposures as inputs were significantly correlated ( p < 0.001, r = 0.36). Lead, chromium, and copper contributed most to the prediction of GE metrics. Our results indicate that a significant component of rs dynamics, comprising approximately 13% of observed variability in GE, is driven by recent metal exposures. These findings emphasize the need to estimate and control for the influence of past and current chemical exposures in the assessment and analysis of rs functional connectivity.

Though a growing body of literature is addressing the possible longer-term cognitive effects of anesthetics, to date no study has delineated the normal trajectory of neural recovery due to anesthesia alone in older adults. We obtained resting state functional magnetic resonance imaging scans on 62 healthy human volunteers between ages forty and eighty before, during, and after sevoflurane (general) anesthesia, in the absence of surgery, as part of a larger study on cognitive function post-anesthesia. Resting state networks expression decreased consistently one hour after emergence from anesthesia. This corresponded to a global reduction in anticorrelated functional connectivity post-anesthesia, seen across individual regions-of-interest. Positively correlated functional connectivity remained constant across peri-anesthetic states. All measures returned to baseline 1 day later, with individual regions-of-interest essentially returning to their pre-anesthesia connectivity levels. These results define normal peri-anesthetic changes in resting state connectivity in healthy older adults.