Abstract Nervous tissue metabolism is mainly supported by the dense thread of blood vessels which mainly provides fast supplies of oxygen and glucose. Recently, the supplying role of the brain vascular system has been examined in major neurological conditions such as the Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. However, to date, fast and reliable methods for the fine level microstructural extraction of whole brain vascular systems are still unavailable. We present a methodological framework suitable for reconstruction of the whole mouse brain cerebral microvasculature by X-ray tomography with the unprecedented pixel size of 0.65 μm. Our measurements suggest that the resolving power of the technique is better than in many previous studies, and therefore it allows for a refinement of current measurements of blood vessel properties. Relevant insights emerged from analyses characterizing the regional morphology and topology of blood vessels. Specifically, vascular diameter and density appeared non-homogeneously distributed among the brain regions suggesting preferential sites for high-demanding metabolic requirements. Also, topological features such as the vessel branching points were non-uniformly distributed among the brain districts indicating that specific architectural schemes are required to serve the distinct functional specialization of the nervous tissue. In conclusion, here we propose a combination of experimental and computational method for efficient and fast investigations of the vascular system of entire organs with submicrometric precision.

Abstract Brain functional networks show high variability in short time windows but mechanisms governing these transient dynamics still remain unknown. In this work we studied the temporal evolution of functional brain networks involved in a working memory task while recording high-density electroencephalography in human normal subjects. We found that functional brain networks showed an initial phase characterized by an increase of the functional segregation index followed by a second phase where the functional segregation fell down and the functional integration prevailed. Notably, wrong trials were associated with different sequences of the segregation-integration profile and measures of network centrality and modularity were able to catch crucial aspects of the oscillatory network dynamics. Additionally, computational investigations further supported the experimental results. The brain functional organization may respond to the information processing demand of a working memory task following a 2-step atomic scheme wherein segregation and integration alternately dominate the functional configurations.

Abstract The traditional view that visuomotor integration is a property of higher brain centres has recently been challenged by the discovery in head-fixed rodents that locomotion increases neuronal activity throughout the early visual system (including the retina). Any appreciation of the importance of this behavioural modulation of visual inputs must encompass a comprehensive understanding of the range of behaviours engaged by this mechanism. This information is unavailable from head-fixed preparations in which head and body postures are fundamentally constrained and dissociated from their natural coupling with visual experience. We addressed this deficit by recording spiking activity from the primary visual thalamus during freely moving exploration, while simultaneously applying frame-by-frame quantification of postures and movements to robust 3D reconstructions of head and body. We found that postures associated with the animal looking up/down affected activity in >50% neurons. The extent of this effect was comparable to that induced by locomotion. Moreover, the two effects were largely independent and jointly modulated neuronal activity. Thus, while most units were excited by locomotion, some expressed highest firing when the animal was looking up (“look up” neurons) while others when the animal was looking down (“look-down” neurons). These results were observed in the dark, thus representing a genuine behavioural modulation, and were amplified in a lit arena. These findings define the influence of natural exploratory behaviour on activity in the early visual system and reveal the importance of up/down postures in gating neuronal activity in the primary visual thalamus.

ABSTRACT Protocadherins are cell adhesion molecules with crucial role in cell-cell contacts, whose mutations or altered expression have been implicated in multiple brain disorders. In particular, growing evidence links genetic alterations in Protocadherin 9 ( PCDH9 ) gene with Autism Spectrum Disorder (ASD) and Major Depression Disorder (MDD). Furthermore, Pcdh9 deletion induces neuronal defects in the mouse somatosensory cortex, accompanied by sensorimotor and memory impairment. However, the synaptic and molecular mechanisms underlying Pcdh9 physiological function and its involvement in brain pathology remain largely unknown. To this aim, we conducted a comprehensive investigation of PCDH9 role in the mouse hippocampus at the ultrastructural, biochemical, transcriptomic, electrophysiological and network level. We show that PCDH9 mainly localizes at glutamatergic synapses and its expression peaks in the first week after birth, a crucial time window for synaptogenesis. Strikingly, Pcdh9 KO neurons exhibit oversized presynaptic terminal and postsynaptic density (PSD) in the CA1. Synapse overgrowth is sustained by the broad up-regulation of synaptic genes and the dysregulation of key drivers of synapse morphogenesis, as revealed by single-nucleus RNAseq. Synaptic and transcriptional defects are accompanied by increased EPSC frequency and disturbances in the hippocampal network activity of Pcdh9 KO mice. In conclusion, our work indicates that Pcdh9 regulates the morphology and function of excitatory synapses in the CA1, thereby affecting glutamatergic transmission in hippocampal circuitries.

Chronic pain (CP) represents a complex pathology profoundly involving both neural and glial compartments of the central nervous system. While most CP studies have also investigated the macroscopic brain vascular system, its microstructural architecture still remains largely unexplored. Further, the adaptive modifications of the vascular microstructure as consequence of diseases or pathological insults did not receive adequate attention. Here we show microtomographic signs of diffuse and conspicuous microvascular neogenesis in somatosensory cortex of CP animal models already peaking at 15 days from the model instantiation. Progressive fading of this microvessel neogenesis then ensued in the next six months yet maintaining higher vascular density with a preserved small fraction of them. Due to the important consequences on the neuron-glial-vessel arrangements and on the resulting metabolic and functional disorders of the local networks, novel additional scenarios of CP are thus conceivable with profound consequences of potential future CP diagnostic and therapeutic appraisals.Significance Statement Chronic pain (CP) is an excruciating condition with various clinical presentations. Major signs are characterized by a rich repertoire of pain quality, intensity and length. While neuronal and glial anomalies have been associated to CP less attention has been granted to the micro-vessel and capillary compartments of the involved brain regions. Our research illustrates how the microvessel compartments of the somatosensory cortex in experimental animals present profound and long-lasting signs of extensive neogenesis (about fourfold) early within the first two weeks from the CP start, undergoing a slow and incomplete decline within six months. These results may change the CP clinical picture with potential novel therapeutic approaches to it.

The ability of specific sensory stimuli to evoke spontaneous behavioural responses in the mouse represents a powerful approach to study how the mammalian brain processes sensory information and selects appropriate motor actions. For visually and auditory guided behaviours the relevant action has been empirically identified as a change in locomotion state. However, the extent to which locomotion alone captures the diversity of those behaviours and their sensory specificity is unknown.To tackle this problem we developed a method to obtain a faithful 3D reconstruction of the mouse body that enabled us to quantify a wide variety of movements and changes in postures. This higher dimensional description of behaviour revealed that responses to different sensory inputs is more stimulus-specific than indicated by locomotion data alone. Thus, equivalent locomotion patterns evoked by different stimuli (e.g. looming and sound evoking locomotion arrest) could be well separated along other dimensions. The enhanced stimulus-specificity was explained by a surprising diversity of behavioural responses. A clustering analysis revealed that distinct combinations of motor actions and postures, giving rise to at least 7 different behaviours, were required to account for stimulus-specificity. Moreover, each stimulus evoked more than one behaviour revealing a robust one-to-many mapping between sensations and behaviours that could not be detected from locomotion data.Our results challenge the current view of visually and auditory guided behaviours as purely locomotion-based actions (e.g. freeze, escape) and indicate that behavioural diversity and sensory specificity unfold in a higher dimensional space spanning multiple motor actions.

Chronic pain (CP) is a condition characterized by a wide spectrum of clinical signs and symptoms, missing a sound modelling at the neuronal network scale. Recently, we presented a general theory showing common electrophysiological traits in different CP rat models, i.e. a collapse of relevant functional connectivity network properties, such as modularity, in the somatosensory thalamo-cortical (TC) network. In this work, we preliminary investigated by an in silico accurate simulator of the six-layer mammalian cortical networks that evidenced the crucial collapse of network modularity in CP simulated conditions and the consequent reduction of network adaptive processes. On this track, in studies on CP experimental animals affected by sciatic nerve multiple ligature (Bennett-Xie model), by synchrotron-generated X-ray microbeam (MB) irradiations (7 parallel beams, 100um width), we targeted in vivo the CP involved hindlimb somatosensory projection cortex that, because of the doses radiation (360 Gy, peak at each beam), non-invasively produced fast and precise tissue destruction along the 7 beam projections. These parcellated the cortical tissue and restored the cortical network statistics related to modularity and information processing efficiency as evidenced from post irradiation in vivo electrophysiological recordings. In addition, by MB treatment there was an ensuing removal of behavioral signs of allodynia and hyperalgesia accompanied by recovered normal gait schemes yet preserving the normal sensory thresholds of the experimental rats up to three months after the MB irradiation. Finally, novel and unprecedented therapeutic appraisals for CP are devised.