Abstract Rapid eye movement (REM) sleep behaviour disorder (RBD) is a rare parasomnia that may predict the later occurrence of alpha-synucleinopathies. Variants in the gene encoding for the lysosomal enzyme glucocerebrosidase, GBA, strongly increase the risk of RBD. In a GBA1-mouse model recently shown to mimic prodromal stages of α-synucleinopathy, we now demonstrate striking REM and NREM sleep abnormalities accompanied by distinct structural changes in the more widespread sleep neurocircuitry.

Abstract It is widely assumed that our actions shape our brains and that the resulting connections determine who we are. To test this idea in a reductionist setting, in which genes and environment are controlled, we investigated differences in neuroanatomy and structural covariance by ex vivo structural magnetic resonance imaging (MRI) in mice whose behavioral activity was continuously tracked for 3 months in a large, enriched environment. We confirmed that environmental enrichment increases mouse hippocampal volumes. Stratifying the enriched group according to individual longitudinal behavioral trajectories, however, revealed striking differences in mouse brain structural covariance in continuously highly active mice compared to those whose trajectories showed signs of habituating activity. Network-based statistics identified distinct sub-networks of murine structural covariance underlying these differences in behavioral activity. Together, these results reveal that differentiated behavioral trajectories of mice in an enriched environment are associated with differences in brain connectivity.

Stroke often leads to arm disability and reduced responsiveness to stimuli on the other side of the body. Neurotrophin-3 (NT3) is made by skeletal muscle during infancy but levels drop postnatally and into adulthood. It is essential for the survival and wiring-up of sensory afferents from muscle. We have previously shown that gene therapy delivery of human NT3 into the affected triceps brachii forelimb muscle improves sensorimotor recovery after ischemic stroke in adult and elderly rats. Here, to move this therapy one step nearer to the clinic, we set out to test the hypothesis that intramuscular infusion of NT3 protein could improve sensorimotor recovery after ischemic cortical stroke in adult rats. To simulate a clinically-feasible time-to-treat, twenty-four hours later rats were randomized to receive NT3 or vehicle by infusion into triceps brachii for four weeks using implanted minipumps. NT3 increased the accuracy of forelimb placement during walking on a horizontal ladder and increased use of the affected arm for lateral support during rearing. NT3 also reversed sensory deficits on the affected forearm. There was no evidence of forepaw sensitivity to cold stimuli after stroke or NT3 treatment. MRI confirmed that treatment did not induce neuroprotection. Functional MRI during low threshold electrical stimulation of the affected forearm showed an increase in peri-infarct BOLD signal with time in both stroke groups and indicated that neurotrophin-3 did not further increase peri-infarct BOLD signal. Rather, NT3 induced spinal neuroplasticity including sprouting of the spared corticospinal and serotonergic pathways. Neurophysiology showed that NT3 treatment increased functional connectivity between the corticospinal tracts and spinal circuits controlling muscles on the treated side. After intravenous injection, radiolabelled NT3 crossed from bloodstream into the brain and spinal cord in adult mice with or without strokes. Our results show that delayed, peripheral infusion of neurotrophin-3 can improve sensorimotor function after ischemic stroke. Phase I and II clinical trials of NT3 (for constipation and neuropathy) have shown that peripheral, high doses are safe and well tolerated, which paves the way for NT3 as a therapy for stroke.

ABSTRACT BACKGROUND Understanding why only a subset of trauma-exposed individuals develop posttraumatic stress disorder (PTSD) is critical for advancing clinical strategies. A few behavioral (deficits in fear extinction) and biological (blunted glucocorticoid levels, small hippocampal size, and rapid-eye movement sleep (REMS) disturbances) traits have been identified as potential vulnerability factors. However, whether and to what extent these traits are interrelated and whether one of them could causally engender the others are not known. METHODS In a genetically selected rat model of reduced corticosterone responsiveness to stress, we explored PTSD-related biobehavioral traits using ex vivo magnetic resonance imaging, cued fear conditioning, and polysomnographic recordings combined with in vivo photometric measurements. RESULTS We showed that genetic selection for blunted glucocorticoid responsiveness leads to a correlated multitrait response, including impaired fear extinction, small hippocampal volume, and REMS disturbances, supporting their interrelatedness. Fear extinction deficits and concomitant disruptions in REMS could be normalized through postextinction corticosterone administration, causally implicating glucocorticoid deficiency in two core PTSD-related risk factors and manifestations. Furthermore, reduced REMS was accompanied by higher norepinephrine levels in the hippocampal dentate gyrus that were also reverted by postextinction corticosterone treatment. CONCLUSIONS Our results indicate a predominant role for glucocorticoid deficiency over the contribution of reduced hippocampal volume in engendering both REMS alterations and associated deficits in fear extinction consolidation, and causally implicate blunted glucocorticoids in sustaining neurophysiological disturbances leading to fear extinction deficits.