Hypersynchronous neuronal firing is a hallmark of epilepsy, but the mechanisms underlying simultaneous activation of multiple neurons remains unknown. Epileptic discharges are in part initiated by a local depolarization shift that drives groups of neurons into synchronous bursting. In an attempt to define the cellular basis for hypersynchronous bursting activity, we studied the occurrence of paroxysmal depolarization shifts after suppressing synaptic activity using tetrodotoxin (TTX) and voltage-gated Ca2+ channel blockers. Here we report that paroxysmal depolarization shifts can be initiated by release of glutamate from extrasynaptic sources or by photolysis of caged Ca2+ in astrocytes. Two-photon imaging of live exposed cortex showed that several antiepileptic agents, including valproate, gabapentin and phenytoin, reduced the ability of astrocytes to transmit Ca2+ signaling. Our results show an unanticipated key role for astrocytes in seizure activity. As such, these findings identify astrocytes as a proximal target for the treatment of epileptic disorders.

A fundamental challenge in the post-genome era is to understand and annotate the consequences of genetic variation, particularly within the context of human tissues. We present a set of integrated experiments that investigate the effects of common genetic variability on DNA methylation and mRNA expression in four human brain regions each from 150 individuals (600 samples total). We find an abundance of genetic cis regulation of mRNA expression and show for the first time abundant quantitative trait loci for DNA CpG methylation across the genome. We show peak enrichment for cis expression QTLs to be approximately 68,000 bp away from individual transcription start sites; however, the peak enrichment for cis CpG methylation QTLs is located much closer, only 45 bp from the CpG site in question. We observe that the largest magnitude quantitative trait loci occur across distinct brain tissues. Our analyses reveal that CpG methylation quantitative trait loci are more likely to occur for CpG sites outside of islands. Lastly, we show that while we can observe individual QTLs that appear to affect both the level of a transcript and a physically close CpG methylation site, these are quite rare. We believe these data, which we have made publicly available, will provide a critical step toward understanding the biological effects of genetic variation.

Gene expression profiles were assessed in the hippocampus, entorhinal cortex, superior-frontal gyrus, and postcentral gyrus across the lifespan of 55 cognitively intact individuals aged 20–99 years. Perspectives on global gene changes that are associated with brain aging emerged, revealing two overarching concepts. First, different regions of the forebrain exhibited substantially different gene profile changes with age. For example, comparing equally powered groups, 5,029 probe sets were significantly altered with age in the superior-frontal gyrus, compared with 1,110 in the entorhinal cortex. Prominent change occurred in the sixth to seventh decades across cortical regions, suggesting that this period is a critical transition point in brain aging, particularly in males. Second, clear gender differences in brain aging were evident, suggesting that the brain undergoes sexually dimorphic changes in gene expression not only in development but also in later life. Globally across all brain regions, males showed more gene change than females. Further, Gene Ontology analysis revealed that different categories of genes were predominantly affected in males vs. females. Notably, the male brain was characterized by global decreased catabolic and anabolic capacity with aging, with down-regulated genes heavily enriched in energy production and protein synthesis/transport categories. Increased immune activation was a prominent feature of aging in both sexes, with proportionally greater activation in the female brain. These data open opportunities to explore age-dependent changes in gene expression that set the balance between neurodegeneration and compensatory mechanisms in the brain and suggest that this balance is set differently in males and females, an intriguing idea.

Detailed anatomical understanding of the human brain is essential for unraveling its functional architecture, yet current reference atlases have major limitations such as lack of whole-brain coverage, relatively low image resolution, and sparse structural annotation. We present the first digital human brain atlas to incorporate neuroimaging, high-resolution histology, and chemoarchitecture across a complete adult female brain, consisting of magnetic resonance imaging (MRI), diffusion-weighted imaging (DWI), and 1,356 large-format cellular resolution (1 µm/pixel) Nissl and immunohistochemistry anatomical plates. The atlas is comprehensively annotated for 862 structures, including 117 white matter tracts and several novel cyto- and chemoarchitecturally defined structures, and these annotations were transferred onto the matching MRI dataset. Neocortical delineations were done for sulci, gyri, and modified Brodmann areas to link macroscopic anatomical and microscopic cytoarchitectural parcellations. Correlated neuroimaging and histological structural delineation allowed fine feature identification in MRI data and subsequent structural identification in MRI data from other brains. This interactive online digital atlas is integrated with existing Allen Institute for Brain Science gene expression atlases and is publicly accessible as a resource for the neuroscience community. J. Comp. Neurol. 524:3127-3481, 2016. © 2016 The Authors The Journal of Comparative Neurology Published by Wiley Periodicals, Inc.