Abstract Cognitive dysfunction is often reported in post-COVID patients, but its underlying mechanisms remain unknown. While some evidence indicate that SARS-CoV-2 can reach and directly impact the brain, others suggest viral neuroinvasion as a rare event. Independently of brain viral infection, the ability of SARS-CoV-2 spike (S) protein to cross the BBB and reach memory-related brain regions has already been shown. Here, we demonstrate that brain infusion of S protein in mice induces late cognitive impairment and increases serum levels of neurofilament light chain (NFL), which recapitulates post-COVID features. Neuroinflammation, hippocampal microgliosis and synapse loss are induced by S protein. Increased engulfment of hippocampal presynaptic terminals late after S protein brain infusion were found to temporally correlate with cognitive deficit in mice. Blockage of TLR4 signaling prevented S-associated detrimental effects on synapse and memory loss. In a cohort of 86 patients recovered from mild COVID-19, genotype GG TLR4 -2604G>A (rs10759931) was associated with poor cognitive outcome. Collectively, these findings indicate that S protein directly impacts the brain and suggest that TLR4 is a potential target to prevent post-COVID cognitive dysfunction. One Sentence Summary TLR4 mediates long-term cognitive impairment in mice and its genetic variant increases the risk of poor cognitive outcome in post-COVID patients.

Nitric oxide (NO) triggers escape reactions in the dorsal periaqueductal gray matter (dPAG), a core structure mediating panic-associated responses, and decreases the release of BDNF in vitro. BDNF mediates the panicolytic effect induced by antidepressant drugs and produces these effects per se when injected into the dPAG. Based on these findings, we hypothesize that nitric oxide synthase (NOS) inhibitors would have panicolytic properties associated with increased BDNF signaling in the dPAG. We observed that the repeated (7 days), but not acute (1day), systemic administration of the NOS inhibitor aminoguanidine (AMG; 15 mg/kg/day) increased the latency to escape from the open arm of the elevated T-maze (ETM) and inhibited the number of jumps in hypoxia-induced escape reaction in rats, suggesting a panicolytic-like effect. Repeated, but not acute, AMG administration (15mg/kg) also decreased nitrite levels and increased TRKB phosphorylation at residues Y706/7 in the dPAG. Notwithstanding the lack of AMG effect on total BDNF levels in that structure, the microinjection of the TRK antagonist K252a into the dPAG blocked the anti-escape effect of this drug in the ETM. Taken together our data suggest that the inhibition of NO production by AMG increased the levels of pTRKB, which is required for the panicolytic-like effect observed.