Causal Interactions between genetic risk, precise cortical connectivity, and autism-associated behaviors

点击翻译按钮获取中文摘要

PROJECT SUMMARY    The  overarching  goal  of  this  project  is  to  better  understand  the  links  between  ASD  genetic  risk,  resulting  distributed brain connectivity impairments, and the impact of this on ASD-­relevant behaviors. We will do this by  performing state-­of-­the art in vivo electrophysiology studies in awake-­behaving animals that model a monogenic  form of ASD. This research project is significant because altered brain connectivity is routinely observed  in  ASD  patients,  though  it  remains  unknown  how  brain  connectivity  alterations  cause  abnormal  behaviors relevant to ASD. In the animal model, we will focus on behaviors that optimize active touch. This is  approach  is  valid  because  altered  sensory  function,  including  touch,  is  a  core  manifestation  of  ASD  and  somatomotor brain areas display altered activation in ASD patients. An emerging idea is that altered functioning  of  sensory  systems  directly  impairs  the  functions  of  other  major  neural  domains,  such  as  cognitive  and  social  systems. Active touch arises through rapid adaptions in the dynamics of touch organs in response to physical  contact  with  objects.  This  behavioral  transformation  optimizes  touch-­related  input  into  the  brain  and  is  an  emergent  behavior  resulting  from  sensorimotor  integration  at  various  levels  in  the  nervous  system.  Therefore,  we generally hypothesize that genetic variants that cause ASD disrupt key points of functional connectivity within  the  somatomotor  system,  which  in  turn causes  altered  active touch  behaviors,  leading  to altered  acquisition of  tactile information. This hypothesis is significant because it could define a neural process (i.e. altered distributed  functional  connectivity)  that  explains  how  sensory-­guided  adaptive  behaviors  are  impaired  by  genetic  variants  that cause ASD. Our modeling studies also have the potential to define how altered brain connectivity can disrupt  relevant  behaviors.  We  will  test  this  hypothesis  in  the  first  aim  by  recording  the  flow  of  information  throughout  the major areas of the somato-­motor system in a mouse model for a monogenic form of ASD. The proposed in  vivo  recordings  in  awake-­behaving  animals  will  utilize  state-­of-­art  silicon  neural  probes  that  will  enable  us  to  measure local and long-­range functional connectivity of neurons during distinct behaviors, including during active  touches of objects. These sophisticated measurements will identify circuits that are functionally impaired during  ASD-­relevant  behaviors.  The  second  aim  takes  a  distinct,  but  complementary  approach  by  regionally  and  temporally disrupting expression of the causal ASD gene and then observing the impact of these perturbations  on behaviors that define etiologically-­relevant active touch. We expect to find that proper expression of the ASD  gene  is  required  in  developing  somatomotor  cortical  areas  to  promote  normal  active  touch  behaviors.  The  combined impact of these complementary approaches is that they are expected to define the circuits that cause  abnormal  active  touch-­related  behaviors  in  the  mouse  model.  Thus,  the  proposed  research  is  expected  to  advance our understanding of how major ASD risk genes disrupt the connectivity of neural circuits that underlie  relevant behaviors.