Background Preclinical research findings suggest that exposure to stress and concomitant hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axis activation during early development can have permanent and potentially deleterious effects. A history of early-life abuse or neglect appears to increase risk for mood and anxiety disorders. Abnormal HPA response to stress challenge has been reported in adult patients with major depressive disorder and posttraumatic stress disorder. Methods Plasma adrenocorticotropin hormone (ACTH) and cortisol reactivity to the Trier Social Stress Test were examined in healthy adults (n = 50) without current psychopathology. Subjects with a self-reported history of moderate to severe childhood maltreatment (MAL) (n = 23) as measured by the Childhood Trauma Questionnaire were compared with subjects without such a history (CTL) (n = 27). Results Compared with CTLs, MAL subjects exhibited significantly lower cortisol and ACTH baseline-to-peak deltas. A significant group effect was seen in the (repeated measures) cortisol response to the stress challenge, reflecting lower concentrations among MAL subjects. A significant group × time effect characterized the relatively blunted ACTH response of the MAL group. Emotional neglect (−.34, p = .02) and sexual abuse (.31, p = .03) strongly predicted maximal cortisol release. Conclusions In adults without diagnosable psychopathology, childhood maltreatment is associated with diminished HPA axis response to a psychosocial stressor. Possible explanations for the finding are discussed. Preclinical research findings suggest that exposure to stress and concomitant hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axis activation during early development can have permanent and potentially deleterious effects. A history of early-life abuse or neglect appears to increase risk for mood and anxiety disorders. Abnormal HPA response to stress challenge has been reported in adult patients with major depressive disorder and posttraumatic stress disorder. Plasma adrenocorticotropin hormone (ACTH) and cortisol reactivity to the Trier Social Stress Test were examined in healthy adults (n = 50) without current psychopathology. Subjects with a self-reported history of moderate to severe childhood maltreatment (MAL) (n = 23) as measured by the Childhood Trauma Questionnaire were compared with subjects without such a history (CTL) (n = 27). Compared with CTLs, MAL subjects exhibited significantly lower cortisol and ACTH baseline-to-peak deltas. A significant group effect was seen in the (repeated measures) cortisol response to the stress challenge, reflecting lower concentrations among MAL subjects. A significant group × time effect characterized the relatively blunted ACTH response of the MAL group. Emotional neglect (−.34, p = .02) and sexual abuse (.31, p = .03) strongly predicted maximal cortisol release. In adults without diagnosable psychopathology, childhood maltreatment is associated with diminished HPA axis response to a psychosocial stressor. Possible explanations for the finding are discussed.

Depression has been linked to stress, memory deficits, and hypercortisolemia. However, the relationships between depression, hippocampal structure and function, and cortisol levels are unclear and the effects of antidepressant treatment on the measures are not well studied.Whole hippocampal volume, performance on verbal and visual declarative memory function and cortisol status was evaluated in 38 subjects with major depressive disorder (MDD) and 33 healthy subjects. All measures were repeated in a subgroup (n = 22) of depressed patients after successful selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI) treatment.Hippocampal volume was not significantly different between patients with untreated MMD and healthy subjects, after controlling for whole brain volume, age and gender. However, depressed subjects had significantly greater deficits in delayed memory and percent retention on the verbal portion of the Wechsler Memory Scale-Revised (WMS-R) compared with healthy subjects, without significant differences in visual memory, attention, vigilance, or distractibility. Baseline plasma or urinary free cortisol (UFC) was not related to either hippocampal volume or memory deficits. Successful treatment with antidepressants did not change hippocampal volume but did result in a significant improvement in memory function and a reduction in UFC excretion.Medication-free nonelderly depressed outpatients without alcohol dependence or adverse experiences in childhood had normal hippocampal volume. Focal declarative memory deficits in depression supported localized hippocampal dysfunction in depressed patients. Treatment with antidepressants significantly improved memory and depression but did not alter hippocampal volume, suggesting that antidepressants may improve hippocampal function in the absence of detectable structural changes.

Increased production of peripheral cytokines and other pro-inflammatory markers has been linked to psychiatric disorders such as major depressive disorder and post-traumatic stress disorder. Recent research has pointed to early-life stress, particularly childhood maltreatment, as an independent and preventable risk factor for systemic inflammation in adulthood. Some data suggest that adults with a history of childhood maltreatment exhibit a heightened inflammatory response to acute stress challenge. To further elucidate the relationship between childhood maltreatment and pro-inflammatory cytokine production, we examined plasma IL-6 response to the Trier Social Stress Test (TSST) in 69 healthy adult subjects without depression or post-traumatic stress disorder. Serial plasma IL-6 concentrations were measured during a standardized psychosocial stressor in n=19 subjects with moderate-severe childhood maltreatment (MAL), and n=50 controls without maltreatment (CTL), as indicated by self-ratings on the childhood trauma questionnaire (CTQ). CTQ total scores were positively correlated with overall change in IL-6 response, as well as the maximum IL-6 concentration during the TSST. Greater acute IL-6 release and higher IL-6 concentrations over time were observed for the MAL group relative to the CTL group. Inflammation may be an important developmental mediator linking adverse experiences in early life to poor adult physical and mental health. The results of this preliminary study warrant further investigation in a larger sample.

Background & AimsEmerging data on the gut microbiome in autism spectrum disorder (ASD) suggest that altered host–microbe interactions may contribute to disease symptoms. Although gut microbial communities in children with ASD are reported to differ from individuals with neurotypical development, it is not known whether these bacteria induce pathogenic neuroimmune signals.MethodsBecause commensal clostridia interactions with the intestinal mucosa can regulate disease-associated cytokine and serotonergic pathways in animal models, we evaluated whether microbiome-neuroimmune profiles (from rectal biopsy specimens and blood) differed in ASD children with functional gastrointestinal disorders (ASD-FGID, n = 14) compared with neurotypical (NT) children with FGID (NT-FGID, n = 15) and without abdominal pain (NT, n = 6). Microbial 16S ribosomal DNA community signatures, cytokines, and serotonergic metabolites were quantified and correlated with gastrointestinal symptoms.ResultsA significant increase in several mucosa-associated Clostridiales was observed in ASD-FGID, whereas marked decreases in Dorea and Blautia, as well as Sutterella, were evident. Stratification by abdominal pain showed multiple organisms in ASD-FGID that correlated significantly with cytokines (interleukin [IL]6, IL1, IL17A, and interferon-γ). Group comparisons showed that IL6 and tryptophan release by mucosal biopsy specimens was highest in ASD children with abdominal pain, whereas serotonergic metabolites generally were increased in children with FGIDs. Furthermore, proinflammatory cytokines correlated significantly with several Clostridiales previously reported to associate with ASD, as did tryptophan and serotonin.ConclusionsOur findings identify distinctive mucosal microbial signatures in ASD children with FGID that correlate with cytokine and tryptophan homeostasis. Future studies are needed to establish whether these disease-associated Clostridiales species confer early pathogenic signals in children with ASD and FGID. Emerging data on the gut microbiome in autism spectrum disorder (ASD) suggest that altered host–microbe interactions may contribute to disease symptoms. Although gut microbial communities in children with ASD are reported to differ from individuals with neurotypical development, it is not known whether these bacteria induce pathogenic neuroimmune signals. Because commensal clostridia interactions with the intestinal mucosa can regulate disease-associated cytokine and serotonergic pathways in animal models, we evaluated whether microbiome-neuroimmune profiles (from rectal biopsy specimens and blood) differed in ASD children with functional gastrointestinal disorders (ASD-FGID, n = 14) compared with neurotypical (NT) children with FGID (NT-FGID, n = 15) and without abdominal pain (NT, n = 6). Microbial 16S ribosomal DNA community signatures, cytokines, and serotonergic metabolites were quantified and correlated with gastrointestinal symptoms. A significant increase in several mucosa-associated Clostridiales was observed in ASD-FGID, whereas marked decreases in Dorea and Blautia, as well as Sutterella, were evident. Stratification by abdominal pain showed multiple organisms in ASD-FGID that correlated significantly with cytokines (interleukin [IL]6, IL1, IL17A, and interferon-γ). Group comparisons showed that IL6 and tryptophan release by mucosal biopsy specimens was highest in ASD children with abdominal pain, whereas serotonergic metabolites generally were increased in children with FGIDs. Furthermore, proinflammatory cytokines correlated significantly with several Clostridiales previously reported to associate with ASD, as did tryptophan and serotonin. Our findings identify distinctive mucosal microbial signatures in ASD children with FGID that correlate with cytokine and tryptophan homeostasis. Future studies are needed to establish whether these disease-associated Clostridiales species confer early pathogenic signals in children with ASD and FGID.

Maternal inflammation during pregnancy affects placental function and is associated with increased risk of neurodevelopmental disorders in the offspring. The molecular mechanisms linking placental dysfunction to abnormal fetal neurodevelopment remain unclear. During typical development, serotonin (5-HT) synthesized in the placenta from maternal l -tryptophan (TRP) reaches the fetal brain. There, 5-HT modulates critical neurodevelopmental processes. We investigated the effects of maternal inflammation triggered in midpregnancy in mice by the immunostimulant polyriboinosinic-polyribocytidylic acid [poly(I:C)] on TRP metabolism in the placenta and its impact on fetal neurodevelopment. We show that a moderate maternal immune challenge upregulates placental TRP conversion rapidly to 5-HT through successively transient increases in substrate availability and TRP hydroxylase (TPH) enzymatic activity, leading to accumulation of exogenous 5-HT and blunting of endogenous 5-HT axonal outgrowth specifically within the fetal forebrain. The pharmacological inhibition of TPH activity blocked these effects. These results establish altered placental TRP conversion to 5-HT as a new mechanism by which maternal inflammation disrupts 5-HT-dependent neurogenic processes during fetal neurodevelopment. SIGNIFICANCE STATEMENT The mechanisms linking maternal inflammation during pregnancy with increased risk of neurodevelopmental disorders in the offspring are poorly understood. In this study, we show that maternal inflammation in midpregnancy results in an upregulation of tryptophan conversion to serotonin (5-HT) within the placenta. Remarkably, this leads to exposure of the fetal forebrain to increased concentrations of this biogenic amine and to specific alterations of crucially important 5-HT-dependent neurogenic processes. More specifically, we found altered serotonergic axon growth resulting from increased 5-HT in the fetal forebrain. The data provide a new understanding of placental function playing a key role in fetal brain development and how this process is altered by adverse prenatal events such as maternal inflammation. The results uncover important future directions for understanding the early developmental origins of mental disorders.

The repertory of neurons generated by progenitor cells depends on their location along antero-posterior and dorso-ventral axes of the neural tube. To understand if recreating those axes was sufficient to specify human brain neuronal diversity, we designed a mesofluidic device termed Duo-MAPS to expose induced pluripotent stem cells (iPSC) to concomitant orthogonal gradients of a posteriorizing and a ventralizing morphogen, activating WNT and SHH signaling, respectively. Comparison of single cell transcriptomes with fetal human brain revealed that Duo-MAPS-patterned organoids generated the major neuronal lineages of the forebrain, midbrain, and hindbrain. Morphogens crosstalk translated into early patterns of gene expression programs predicting the generation of specific brain lineages. Human iPSC lines from six different genetic backgrounds showed substantial differences in response to morphogens, suggesting that interindividual genomic and epigenomic variations could impact brain lineages formation. Morphogen gradients promise to be a key approach to model the brain in its entirety.