Functional and structural substrates of increased dosage of Grik4 gene elucidated using multi-modal MRI

Abstract

Grik4 is the gene responsible for encoding the high-affinity GluK4 subunit of the kainate receptors. Increased dosage of this subunit in the forebrain was linked to an increased level of anxiety, lack of social communication, and depression. On the synaptic level, abnormal synaptic transmission was also reported. The manifestations of this abnormal expression have not been investigated at the circuit level, nor the correlations between those circuits and the abnormal patterns of the behavior previously reported. In this line of work, we aspired to use different non-invasive magnetic resonance imaging (MRI) modalities to elucidate any disturbance that might stem from the increased dosage of Grik4 and how those changes might explain the abnormal behaviors. MRI offers a noninvasive way to look into the intact brain in vivo. Resting-state functional MRI casts light on how the brain function at rest on the network level and has the capability to detect any anomalies that might occur within or between those networks. On the microstructural level, the diffusion MRI is concerned with the underlying features of the tissues, using the diffusion of water molecules as a proxy for that end. Moving more macroscopically, using structural scans, voxel-based morphometry can detect subtle differences in the morphology of the different brain structures. We recorded videos of our animals performing two tasks that have long been linked to anxiety, the open field and the plus-maze tests before acquiring structural and functional scans. Lastly, we recorded blood-oxygenationlevel dependent (BOLD) signals in a different set of animals during electrical stimulation of specific white matter tracts in order to investigate how neuronal activity propagates. Our analysis showed a vast spectrum of changes in the transgenic group relative to the animals in the control group. On the resting-state networks level, we observed an increase in the within-network strength spanning different structures such as the hippocampus, some regions of the cortex, and the hypothalamus. The increased internal coherence or strength in the networks contrasted with a significant reduction in between-networks connectivity for some regions such as parts of the cortex and the hypothalamus, suggesting long-range network decorrelation. Supporting this idea, major white matter (WM) tracts, such as the corpus callosum and the hippocampal commissure, suffered from substantial changes compatible with an important reduction in myelination and/or a decrease in the mean axonal diameter. Macrostructurally speaking, the overexpression of GluK4 subunit had a bimodal effect, with expansion in some cortical areas in the transgenic animals accompanied by a shrinkage in the subcortical regions. Upon stimulating the brain with an electrical current, we noticed a difference in activity propagation between the two hemispheres. In transgenic animals, the evoked activity remained more confined to the stimulated hemisphere, again consistent with an impaired long-range connectivity. The structural changes both, at the micro and macro level, were in tight correlation with different aspects of the behavior including markers of anxiety such as the time spent in the open arms vs the closed arms in the plus-maze test and the time spent in the center vs the corners in the open field test. Our findings reveal how the disruption of kainate receptors, or more globally the glutamate receptors, and the abnormal synaptic transmission can translate into brain-wide changes in connectivity and alter the functional equilibrium between macro-and mesoscopic networks. The postsynaptic enhancement previously reported in the transgenic animals was here reflected in the BOLD signal and measured as an increase in the within-network strength. Importantly, the correlations between the structural changes and the behavior help to put the developmental changes and their behavioral ramifications into context.

RESUMEN Grik4 es el gen responsable de codificar la subunidad GluK4 de alta afinidad de los receptores de kainato. El aumento de la dosis de esta subunidad en el prosencéfalo se relacionó con un mayor nivel de ansiedad, falta de comunicación social y depresión. A nivel sináptico, también se informó una transmisión sináptica anormal. Las manifestaciones de esta expresión anormal no se han investigado a nivel de circuito, ni las correlaciones entre esos circuitos y los patrones anormales de la conducta previamente informada. En esta línea de trabajo, aspiramos a utilizar diferentes modalidades de imágenes por resonancia magnética (MRI) no invasivas para dilucidar cualquier alteración que pudiera derivarse del aumento de la dosis de Grik4 y cómo esos cambios podrían explicar los comportamientos anormales. La resonancia magnética ofrece una forma no invasiva de observar el cerebro intacto in vivo. La resonancia magnética funcional en estado de reposo arroja luz sobre cómo funciona el cerebro en reposo en el nivel de la red y tiene la capacidad de detectar cualquier anomalía que pueda ocurrir dentro o entre esas redes. En el nivel microestructural, la resonancia magnética de difusión se ocupa de las características subyacentes de los tejidos utilizando la difusión de moléculas de agua como un proxy para ese fin. Moviéndose más macroscópicamente, utilizando escaneos estructurales, la morfometría basada en vóxeles puede detectar diferencias sutiles en la morfología de las diferentes estructuras cerebrales. Grabamos videos de nuestros animales realizando dos tareas que durante mucho tiempo se han relacionado con la ansiedad, el campo abierto y las pruebas de laberinto positivo antes de adquirir escaneos estructurales y funcionales. Por último, registramos señales dependientes del nivel de oxigenación de la sangre (BOLD) en un grupo diferente de animales durante la estimulación eléctrica de tractos específicos de materia blanca para investigar cómo se propaga la actividad neuronal. Nuestro análisis mostró un amplio espectro de cambios en el grupo transgénico en relación con los animales en el grupo de control. En el nivel de las redes de estado de reposo, observamos un aumento en la fuerza dentro de la red que abarca diferentes estructuras como el hipocampo, algunas regiones de la corteza y el hipotálamo. La mayor coherencia interna o fuerza en las redes contrastó con una reducción significativa en la conectividad entre redes para algunas regiones como partes de la corteza y el hipotálamo, lo que sugiere una descorrelación de redes de largo alcance. Apoyando esta idea, los grandes tractos de materia blanca (WM), como el cuerpo calloso y la comisura del hipocampo, sufrieron cambios sustanciales compatibles con una importante reducción de la mielinización y / o una disminución del diámetro axonal medio. Macroestructuralmente hablando, la sobreexpresión de la subunidad GluK4 tuvo un efecto bimodal, con expansión en algunas áreas corticales en los animales transgénicos acompañada de una contracción en las regiones subcorticales. Al estimular el cerebro con una corriente eléctrica, notamos una diferencia en la propagación de la actividad entre las dos hemiesferas. En los animales transgénicos, la actividad evocada permaneció más confinada al hemisferio estimulado, de nuevo consistente con una conectividad de largo alcance deteriorada. Los cambios estructurales, tanto a nivel micro como macro, estaban en estrecha correlación con diferentes aspectos de la conducta, incluidos marcadores de ansiedad como el tiempo pasado con los brazos abiertos frente a los brazos cerrados en la prueba del laberinto positivo y el tiempo pasado en el centro vs las esquinas en la prueba de campo abierto. Nuestros hallazgos revelan cómo la interrupción de los receptores de kainato, o más globalmente los receptores de glutamato, y la transmisión sináptica anormal pueden traducirse en cambios de conectividad en todo el cerebro y alterar el equilibrio funcional entre las redes macro y mesoscópicas. La mejora postsináptica informada anteriormente en los animales transgénicos se reflejó aquí en la señal BOLD y se midió como un aumento en la fuerza dentro de la red. Es importante destacar que las correlaciones entre los cambios estructurales y elcomportamiento ayudan a contextualizar los cambios en el desarrollo y sus ramificaciones conductuales.