Systematic Evaluation of Prenatal MAM Dosing Protocols for Establishing a Validated Neurodevelopmental Mouse Model of Schizophrenia

Abstract

Schizophrenia is a severe neurodevelopmental psychiatric disorder whose pathophysiology involves disrupted corticolimbic circuit formation during gestation. While the prenatal methylazoxymethanol acetate （MAM） rat model has been extensively validated, its systematic translation to mice — which offer superior compatibility with advanced circuit-level tools — had not been established. The present study compared three prenatal MAM dosing protocols in C57BL/6J mice: a single dose of 25 mg/kg on gestational day 16 （GD16）, a single dose of 26 mg/kg on GD16, and a multiple low-dose regimen of 10 mg/kg across GD15–17, using a multimodal approach encompassing behavioral, histological, synaptic, neuroimaging, and in vivo calcium imaging assessments. The 25 mg/kg group most consistently recapitulated schizophrenia-relevant phenotypes, including prepulse inhibition deficits in males, spatial and recognition memory impairment, and slowed probabilistic reversal learning. Histological analyses revealed ACC enlargement, reduced parvalbumin-positive interneuron density, and protocol-specific hippocampal shape distortions across all MAM groups. Dendritic spine dysregulation showed region-specific patterns, with increased mPFC spine density and reduced dentate gyrus spine density in the 25 mg/kg group. Fiber photometry showed no significant difference, although the effect direction was consistent with attenuated post-stimulus signal suppression in OFC excitatory neurons under paired auditory stimulation （p = 0.221）, suggesting a putative circuit-level correlate of the behavioral gating deficit that warrants further investigation in larger cohorts. The 26 mg/kg protocol produced overlapping phenotypes but was limited by substantial maternal toxicity, while the 10 mg/kg×3 protocol produced a qualitatively distinct pattern of altered decision-making strategy rather than frank memory and gating deficits. These findings establish the GD16 25 mg/kg MAM protocol as the optimal dosing regimen for modeling schizophrenia-like neurodevelopmental pathology in mice, demonstrating strong face and construct validity across multiple symptom domains.|본 연구는 C57BL/6J 마우스에서 조현병 유사 신경발달 표현형을 모델링하기 위한 최적의 메틸아조시메탄올 아세테이트（MAM） 투여 프로토콜을 확립하고자, 세 가지 서로 다른 태생기 노출 조건을 체계적으로 비교하였다: 임신 16일（GD16）에 25 mg/kg 단회 투여, GD16에 26 mg/kg 단회 투여, 그리고 GD15–17 에 걸쳐 10 mg/kg 을 반복 투여하는 다회 저용량 프로토콜. 감각운동 관문, 공간 및 재인 기억, 인지 유연성에 대한 행동학적 평가와 함께, 뇌 형태학, 파르발부민 양성 억제성 신경세포 밀도, 수지상 극 조직, OFC 칼슘 역동성 및 뇌혈관 반응성에 대한 다중 분석을 수행하였다. 행동학적 분석 결과, 25 mg/kg 그룹의 수컷 마우스에서 청각 놀람 반응은 정상 범위를 유지하면서 전충격 억제（PPI） 결함이 유의하게 관찰되었으며, Y-미로 자발적 교대 검사에서의 공간 작업 기억 손상, 신물체 인식 검사에서의 재인 기억 결함, 그리고 확률적 역전 학습 과제에서의 역전 속도 저하가 일관되게 나타났다. 이러한 인지 결함 패턴은 해마-전전두피질 회로의 기능 이상을 반영하는 것으로 해석된다. 반면, 26 mg/kg 프로토콜은 유사한 행동 표현형을 일부 재현하였으나 모체 독성 발생률이 현저히 높아 실험적 재현성이 심각하게 제한되었다. 10 mg/kg×3 그룹은 기억 및 감각 관문 결함보다는 의사결정 전략의 변화를 특징으로 하는 질적으로 상이한 회로 기능 이상 패턴을 나타냈다. 조직학적 분석에서는 모든 MAM 처치 그룹에서 전측 띠이랑 피질（ACC）의 면적 증가와 내측 전전두피질（mPFC） 내 파르발부민 양성 억제성 신경세포 밀도의 유의한 감소가 공통적으로 관찰되었다. 해마의 형태학적 변화는 프로토콜에 따라 질적으로 다른 구조적 왜곡 양상을 보였으며, 골지-콕스 염색을 통한 수지상 극 밀도 분석에서는 피질 및 해마 하위 영역에서 프로토콜 특이적이고 영역 특이적인 시냅스 구조 변화가 확인되었다. 시험관 내 칼슘 이미징 결과, MAM 처치 마우스의 OFC 에서 이중 자극 조건 하에 자극 후 신호 억제 감소 경향이 관찰되었으며, 이는 감각운동 관문 결함의 회로 수준 상관 관계를 시사하는 것으로 해석된다. 혈관 반응성 MRI 및 복셀 기반 형태 분석에서는 두 MAM 그룹 간 상이한 뇌혈류 및 회백질 밀도 패턴이 확인되어, 단회 고용량과 다회 저용량 프로토콜이 서로 다른 뇌혈관 및 구조적 결과를 초래함을 보여주었다. 이상의 결과를 종합하면, GD16 에 25 mg/kg 을 단회 투여하는 태생기 MAM 프로토콜이 마우스에서 조현병 관련 신경발달 표현형을 가장 일관되고 포괄적으로 재현하는 최적의 투여 조건임을 확립하였다. 본 모델은 양성 및 인지 증상 영역에 걸친 강한 표면 타당도와 구성 타당도를 입증하며, 광유전학, 화학유전학, 생체 내 칼슘 이미징 등 첨단 마우스 회로 연구 도구와의 높은 호환성을 바탕으로 조현병의 신경발달적 병태생리 기전 규명 및 새로운 치료 전략 개발을 위한 강력한 전임상 플랫폼으로 활용될 수 있을 것이다.