The status of fasting triglycerides as a risk factor for coronary artery disease (CAD) has been considered weak because in multivariate analyses, triglycerides tend to be eliminated by high density lipoprotein (HDL) cholesterol. To further evaluate the role of triglycerides in CAD, we employed postprandial lipemia as a more informative means of characterizing triglyceride metabolism. In 61 male subjects with severe CAD and 40 control subjects without CAD as verified by angiography, we measured cholesterol; triglycerides; HDL cholesterol; HDL2 cholesterol; and apolipoproteins A-I, A-II, and B in fasting plasma and triglycerides before and 2, 4, 6, and 8 hours after a standardized test meal. Both the maximal triglyceride increase and the magnitude of postprandial lipemia (area under the triglyceride curve over 8 hours after the meal) were higher in cases than in control subjects. Single postprandial triglyceride levels 6 and 8 hours after the meal were highly discriminatory (p < 0.001), and by logistic-regression analysis displayed an accuracy of 68% in predicting the presence or absence of CAD. In this respect, accuracy was higher than that of HDL2 cholesterol (64%) and equal to that of apolipoprotein B (68%), the most discriminatory fasting parameter. Multivariate logistic-regression analysis was performed to reduce the number of risk factors to those that were statistically independent. This statistical procedure selected postprandial but not fasting triglycerides into the most accurate multivariate model, which also contained the accepted risk factors HDL2 cholesterol, apolipoprotein B, and age. This model classified 82% of subjects correctly. We conclude that triglycerides are independent predictors of CAD in multivariate analyses including HDL cholesterol, provided that a challenge test of triglyceride metabolism such as postprandial lipemia is used. The study suggests that the metabolism of triglycerides is a critical determinant of cholesterol metabolic routing. The findings support the concept that the negative association between HDL cholesterol levels and CAD actually originates in part from a positive relation between CAD and plasma triglycerides, as ascertained in the postprandial state.

Emerging technologies from optics, genetics, and bioengineering are being combined for studies of intact neural circuits. The rapid progression of such interdisciplinary “optogenetic” approaches has expanded capabilities for optical imaging and genetic targeting of specific cell types. Here we explore key recent advances that unite optical and genetic approaches, focusing on promising techniques that either allow novel studies of neural dynamics and behavior or provide fresh perspectives on classic model systems.

Optically gated ion channels were expressed in circumscribed groups of neurons in the Drosophila CNS so that broad illumination of flies evoked action potentials only in genetically designated target cells. Flies harboring the "phototriggers" in different sets of neurons responded to laser light with behaviors specific to the sites of phototrigger expression. Photostimulation of neurons in the giant fiber system elicited the characteristic escape behaviors of jumping, wing beating, and flight; photostimulation of dopaminergic neurons caused changes in locomotor activity and locomotor patterns. These responses reflected the direct optical activation of central neuronal targets rather than confounding visual input, as they persisted unabated in carriers of a mutation that eliminates phototransduction. Encodable phototriggers provide noninvasive control interfaces for studying the connectivity and dynamics of neural circuits, for assigning behavioral content to neurons and their activity patterns, and, potentially, for restoring information corrupted by injury or disease.

Dynamin 1 is a neuron-specific guanosine triphosphatase thought to be critically required for the fission reaction of synaptic vesicle endocytosis. Unexpectedly, mice lacking dynamin 1 were able to form functional synapses, even though their postnatal viability was limited. However, during spontaneous network activity, branched, tubular plasma membrane invaginations accumulated, capped by clathrin-coated pits, in synapses of dynamin 1–knockout mice. Synaptic vesicle endocytosis was severely impaired during strong exogenous stimulation but resumed efficiently when the stimulus was terminated. Thus, dynamin 1–independent mechanisms can support limited synaptic vesicle endocytosis, but dynamin 1 is needed during high levels of neuronal activity.

Abstract

 To permit direct functional analyses of neural circuits, we have developed a method for stimulating groups of genetically designated neurons optically. Coexpression of the Drosophila photoreceptor genes encoding arrestin-2, rhodopsin (formed by liganding opsin with retinal), and the α subunit of the cognate heterotrimeric G protein—an explosive combination we term "chARGe"—sensitizes generalist vertebrate neurons to light. Illumination of a mixed population of neurons elicits action potentials selectively and cell-autonomously in its genetically chARGed members. In contrast to bath-applied photostimulants or caged neurotransmitters, which act indiscriminately throughout the illuminated volume, chARGe localizes the responsiveness to light. Distributed activity may thus be fed directly into a circumscribed population of neurons in intact tissue, irrespective of the spatial arrangement of its elements.

Dopaminergic neurons are thought to drive learning by signaling changes in the expectations of salient events, such as rewards or punishments. Olfactory conditioning in Drosophila requires direct dopamine action on intrinsic mushroom body neurons, the likely storage sites of olfactory memories. Neither the cellular sources of the conditioning dopamine nor its precise postsynaptic targets are known. By optically controlling genetically circumscribed subsets of dopaminergic neurons in the behaving fly, we have mapped the origin of aversive reinforcement signals to the PPL1 cluster of 12 dopaminergic cells. PPL1 projections target restricted domains in the vertical lobes and heel of the mushroom body. Artificially evoked activity in a small number of identifiable cells thus suffices for programming behaviorally meaningful memories. The delineation of core reinforcement circuitry is an essential first step in dissecting the neural mechanisms that compute and represent valuations, store associations, and guide actions.

Abstract

 Three classes of neurons form synapses in the antennal lobe of Drosophila, the insect counterpart of the vertebrate olfactory bulb: olfactory receptor neurons, projection neurons, and inhibitory local interneurons. We have targeted a genetically encoded optical reporter of synaptic transmission to each of these classes of neurons and visualized population responses to natural odors. The activation of an odor-specific ensemble of olfactory receptor neurons leads to the activation of a symmetric ensemble of projection neurons across the glomerular synaptic relay. Virtually all excited glomeruli receive inhibitory input from local interneurons. The extent, odor specificity, and partly interglomerular origin of this input suggest that inhibitory circuits assemble combinatorially during odor presentations. These circuits may serve as dynamic templates that extract higher order features from afferent activity patterns.

Summary Oscillatory neural dynamics are an inseparable part of mammalian sleep. Characteristic rhythms are associated with different sleep stages and variable levels of sleep pressure, but it remains unclear whether these oscillations are passive mirrors or active generators of sleep. Here we report that sleep-control neurons innervating the dorsal fan-shaped body of Drosophila (dFBNs) produce slow-wave activity (SWA) in the delta frequency band (0.2–1 Hz) that is causally linked to sleep. The dFBN ensemble contains one or two rhythmic cells per hemisphere whose membrane voltages oscillate in anti-phase between hyperpolarized DOWN and depolarized UP states releasing bursts of action potentials. The oscillations rely on direct interhemispheric competition of two inhibitory half-centres connected by glutamatergic synapses. Interference with glutamate release from these synapses disrupts SWA and baseline as well as rebound sleep, while the optogenetic replay of SWA (with the help of an intersectional, dFBN-restricted driver) induces sleep. Rhythmic dFBNs generate SWA throughout the sleep–wake cycle—despite a mutually antagonistic ‘flip-flop’ arrangement with arousing dopaminergic neurons—but adjust its power to sleep need via an interplay of sleep history-dependent increases in dFBN excitability and homeostatic depression of their efferent synapses, as we demonstrate transcriptionally, structurally, functionally, and with a simple computational model. The oscillatory format permits a durable encoding of sleep pressure over long time scales but requires downstream mechanisms that convert the amplitude-modulated periodic signal into binary sleep–wake states.

Summary The neural control of sleep requires that sleep need is sensed during waking and discharged during sleep. To obtain a comprehensive, unbiased view of molecular changes in the brain that may underpin these processes, we have characterized the transcriptomes of single cells isolated from rested and sleep-deprived flies. Transcripts upregulated after sleep deprivation, in sleep-control neurons projecting to the dorsal fan-shaped body (dFBNs) but not ubiquitously in the brain, encode almost exclusively proteins with roles in mitochondrial respiration and ATP synthesis. These gene expression changes are accompanied by mitochondrial fragmentation, enhanced mitophagy, and an increase in the number of contacts between mitochondria and the endoplasmic reticulum, creating conduits for the replenishment of peroxidized lipids. The morphological changes are reversible after recovery sleep and blunted by the installation of an electron overflow in the respiratory chain. Inducing or preventing mitochondrial fission or fusion in dFBNs alters sleep and the electrical properties of sleep-control cells in opposite directions: hyperfused mitochondria increase, whereas fragmented mitochondria decrease, neuronal excitability and sleep. ATP levels in dFBNs rise after enforced waking because of diminished ATP consumption during the arousal-mediated inhibition of these neurons, which predisposes them to heightened oxidative stress. Consistent with this view, uncoupling electron flux from ATP synthesis relieves the pressure to sleep, while exacerbating mismatches between electron supply and ATP demand (by powering ATP synthesis with a light-driven proton pump) promotes sleep. Sleep, like ageing, may be an inescapable consequence of aerobic metabolism.