A complementary DNA clone (designated GAT-1) encoding a transporter for the neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA) has been isolated from rat brain, and its functional properties have been examined in Xenopus oocytes. Oocytes injected with GAT-1 synthetic messenger RNA accumulated [ 3 H]GABA to levels above control values. The transporter encoded by GAT-1 has a high affinity for GABA, is sodium-and chloride-dependent, and is pharmacologically similar to neuronal GABA transporters. The GAT-1 protein shares antigenic determinants with a native rat brain GABA transporter. The nucleotide sequence of GAT-1 predicts a protein of 599 amino acids with a molecular weight of 67 kilodaltons. Hydropathy analysis of the deduced protein suggests multiple transmembrane regions, a feature shared by several cloned transporters; however, database searches indicate that GAT-1 is not homologous to any previously identified proteins. Therefore, GAT-1 appears to be a member of a previously uncharacterized family of transport molecules.

The identity of nicotinic receptor subtypes sufficient to elicit both the acute and chronic effects of nicotine dependence is unknown. We engineered mutant mice with a4 nicotinic subunits containing a single point mutation, Leu9' --> Ala9' in the pore-forming M2 domain, rendering a4* receptors hypersensitive to nicotine. Selective activation of a4* nicotinic acetylcholine receptors with low doses of agonist recapitulates nicotine effects thought to be important in dependence, including reinforcement in response to acute nicotine administration, as well as tolerance and sensitization elicited by chronic nicotine administration. These data indicate that activation of a4* receptors is sufficient for nicotine-induced reward, tolerance, and sensitization.

The nicotinic acetylcholine receptor is the prototype ligand-gated ion channel. A number of aromatic amino acids have been identified as contributing to the agonist binding site, suggesting that cation–π interactions may be involved in binding the quaternary ammonium group of the agonist, acetylcholine. Here we show a compelling correlation between: ( i ) ab initio quantum mechanical predictions of cation–π binding abilities and ( ii ) EC 50 values for acetylcholine at the receptor for a series of tryptophan derivatives that were incorporated into the receptor by using the in vivo nonsense-suppression method for unnatural amino acid incorporation. Such a correlation is seen at one, and only one, of the aromatic residues—tryptophan-149 of the α subunit. This finding indicates that, on binding, the cationic, quaternary ammonium group of acetylcholine makes van der Waals contact with the indole side chain of α tryptophan-149, providing the most precise structural information to date on this receptor. Consistent with this model, a tethered quaternary ammonium group emanating from position α149 produces a constitutively active receptor.

The inwardly rectifying potassium channel Kir4.1 has been suggested to underlie the principal K(+) conductance of mammalian Müller cells and to participate in the generation of field potentials and regulation of extracellular K(+) in the retina. To further assess the role of Kir4.1 in the retina, we generated a mouse line with targeted disruption of the Kir4.1 gene (Kir4.1 -/-). Müller cells from Kir4.1 -/- mice were not labeled with an anti-Kir4.1 antibody, although they appeared morphologically normal when stained with an anti-glutamine synthetase antibody. In contrast, in Müller cells from wild-type littermate (Kir4.1 +/+) mice, Kir4.1 was present and localized to the proximal endfeet and perivascular processes. In situ whole-cell patch-clamp recordings showed a 10-fold increase in the input resistance and a large depolarization of Kir4.1 -/- Müller cells compared with Kir4.1 +/+ cells. The slow PIII response of the light-evoked electroretinogram (ERG), which is generated by K(+) fluxes through Müller cells, was totally absent in retinas from Kir4.1 -/- mice. The b-wave of the ERG, in contrast, was spared in the null mice. Overall, these results indicate that Kir4.1 is the principal K(+) channel subunit expressed in mouse Müller glial cells. The highly regulated localization and the functional properties of Kir4.1 in Müller cells suggest the involvement of this channel in the regulation of extracellular K(+) in the mouse retina.

Site-directed mutagenesis and expression in Xenopus oocytes were used to study acetylcholine receptors in which serine residues (i) were replaced by alanines (α, δ subunits) or (ii) replaced a phenylalanine (β subunit) at a postulated polar site within the M2 transmembrane helix. As the number of serines decreased, there were decreases in the residence time and consequently the equilibrium binding affinity of QX-222, a quaternary ammonium anesthetic derivative thought to bind within the open channel. Receptors with three serine-to-alanine mutations also displayed a selective decrease in outward single-channel currents. Both the direction of this rectification and the voltage dependence of QX-222 blockade suggest that the residues mutated are within the aqueous pore of the receptor and near its cytoplasmic (inner) surface.

We have constructed a full-length rat brain Na+ channel α subunit cDNA that differs from the previously reported a subunit of Noda et al. at 6 amino acid positions. Transcription of the cDNA in vitro and injection into Xenopus oocytes resulted in the synthesis of functional Na+ channels. Although the single-channel conductance of the channels resulting from cloned cDNA was the same as that of channels resulting from injection of rat brain RNA, we observed two significant differences in the gating properties of the channels. The Na+ currents from cloned cDNA displayed much slower macroscopic inactivation compared with those from rat brain mRNA. In addition, the current-voltage relationship for currents from cloned cDNA was shifted 20–25 mV in the depolarizing direction compared with currents from rat brain RNA. Coinjection of low MW rat brain RNA restored normal inactivation of the channels indicating the presence of a component, either a structural subunit of the channel complex or a modifying enzyme, necessary for normal gating of the channel.

Nicotine's remarkable propensity for inducing addiction starts with its ability to bind to brain acetylcholine (ACh) receptors with high affinity. If it activated the ACh receptors in muscle, nearly identical to those in the brain, with similar efficiency, smoking would cause severe muscle contractions. That this doesn't happen has been a long-running pharmacological puzzle, now solved in an in-depth study of the chemistry of nicotine's interaction with the two receptor types. Binding to the α4 and β2 receptor subunits that underlie nicotine addiction involves both hydrogen bond formation and strong cation–π interaction between the positive charge of nicotine and a specific, conserved tryptophan residue. Muscle-type receptors also contain this tryptophan, but the cation–π interaction does not exist and the hydrogen bond is weaker. This appears to be due to differences in the overall shape of the binding pocket, associated with a single point mutation near the key tryptophan residue. As wells as solving a molecular mystery, these results provide guidance for the development of new analogues of nicotine for possible therapeutic use in neurological conditions and smoking cessation. This paper investigates why nicotine selectively activates neuronal and not muscular acetylcholine receptors, finding that a strong cation–π interaction, and also a hydrogen bond, form between nicotine and a specific tryptophan residue in receptors composed of α4 and β2 subunits — the subunit combination thought to underlie nicotine addiction. Muscle-type receptors also contain this tryptophan residue, but the cation–π interaction does not exist and the hydrogen bond is weaker, apparently due to the overall shape of the binding pocket. Nicotine addiction begins with high-affinity binding of nicotine to acetylcholine (ACh) receptors in the brain. The end result is over 4,000,000 smoking-related deaths annually worldwide and the largest source of preventable mortality in developed countries. Stress reduction, pleasure, improved cognition and other central nervous system effects are strongly associated with smoking. However, if nicotine activated ACh receptors found in muscle as potently as it does brain ACh receptors, smoking would cause intolerable and perhaps fatal muscle contractions. Despite extensive pharmacological, functional and structural studies of ACh receptors, the basis for the differential action of nicotine on brain compared with muscle ACh receptors has not been determined. Here we show that at the α4β2 brain receptors thought to underlie nicotine addiction, the high affinity for nicotine is the result of a strong cation–π interaction to a specific aromatic amino acid of the receptor, TrpB. In contrast, the low affinity for nicotine at the muscle-type ACh receptor is largely due to the fact that this key interaction is absent, even though the immediate binding site residues, including the key amino acid TrpB, are identical in the brain and muscle receptors. At the same time a hydrogen bond from nicotine to the backbone carbonyl of TrpB is enhanced in the neuronal receptor relative to the muscle type. A point mutation near TrpB that differentiates α4β2 and muscle-type receptors seems to influence the shape of the binding site, allowing nicotine to interact more strongly with TrpB in the neuronal receptor. ACh receptors are established therapeutic targets for Alzheimer's disease, schizophrenia, Parkinson's disease, smoking cessation, pain, attention-deficit hyperactivity disorder, epilepsy, autism and depression1. Along with solving a chemical mystery in nicotine addiction, our results provide guidance for efforts to develop drugs that target specific types of nicotinic receptors.

In this era of complete genomes, our knowledge of neuroanatomical circuitry remains surprisingly sparse. Such knowledge is however critical both for basic and clinical research into brain function. Here we advocate for a concerted effort to fill this gap, through systematic, experimental mapping of neural circuits at a mesoscopic scale of resolution suitable for comprehensive, brain-wide coverage, using injections of tracers or viral vectors. We detail the scientific and medical rationale and briefly review existing knowledge and experimental techniques. We define a set of desiderata, including brain-wide coverage; validated and extensible experimental techniques suitable for standardization and automation; centralized, open access data repository; compatibility with existing resources, and tractability with current informatics technology. We discuss a hypothetical but tractable plan for mouse, additional efforts for the macaque, and technique development for human. We estimate that the mouse connectivity project could be completed within five years with a comparatively modest budget.

Extracellular electrode arrays can reveal the neuronal network correlates of behavior with single-cell, single-spike, and sub-millisecond resolution. However, implantable electrodes are inherently invasive, and efforts to scale up the number and density of recording sites must compromise on device size in order to connect the electrodes. Here, we report on silicon-based neural probes employing nanofabricated, high-density electrical leads. Furthermore, we address the challenge of reading out multichannel data with an application-specific integrated circuit (ASIC) performing signal amplification, band-pass filtering, and multiplexing functions. We demonstrate high spatial resolution extracellular measurements with a fully integrated, low noise 64-channel system weighing just 330 mg. The on-chip multiplexers make possible recordings with substantially fewer external wires than the number of input channels. By combining nanofabricated probes with ASICs we have implemented a system for performing large-scale, high-density electrophysiology in small, freely behaving animals that is both minimally invasive and highly scalable.