Memory traces are believed to be ensembles of cells used to store memories. To visualize memory traces, we created a transgenic line that allows for the comparison between cells activated during encoding and expression of a memory. Mice re-exposed to a fear-inducing context froze more and had a greater percentage of reactivated cells in the dentate gyrus (DG) and CA3 than mice exposed to a novel context. Over time, these differences disappeared, in keeping with the observation that memories become generalized. Optogenetically silencing DG or CA3 cells that were recruited during encoding of a fear-inducing context prevented expression of the corresponding memory. Mice with reduced neurogenesis displayed less contextual memory and less reactivation in CA3 but, surprisingly, normal reactivation in the DG. These studies suggest that distinct memory traces are located in the DG and in CA3 but that the strength of the memory is related to reactivation in CA3.Video Abstracthttps://www.cell.com/cms/asset/9b8beea0-321c-4f8b-80b3-b99ae7244655/mmc3.mp4Loading ...(mp4, 36.49 MB) Download video

The powerful regulation of bone mass exerted by the brain suggests the existence of bone-derived signals modulating this regulation or other functions of the brain. We show here that the osteoblast-derived hormone osteocalcin crosses the blood-brain barrier, binds to neurons of the brainstem, midbrain, and hippocampus, enhances the synthesis of monoamine neurotransmitters, inhibits GABA synthesis, prevents anxiety and depression, and favors learning and memory independently of its metabolic functions. In addition to these postnatal functions, maternal osteocalcin crosses the placenta during pregnancy and prevents neuronal apoptosis before embryos synthesize this hormone. As a result, the severity of the neuroanatomical defects and learning and memory deficits of Osteocalcin(-/-) mice is determined by the maternal genotype, and delivering osteocalcin to pregnant Osteocalcin(-/-) mothers rescues these abnormalities in their Osteocalcin(-/-) progeny. This study reveals that the skeleton via osteocalcin influences cognition and contributes to the maternal influence on fetal brain development.

Summary

 Adult-born granule cells (abGCs) have been implicated in cognition and mood; however, it remains unknown how these cells behave in vivo. Here, we have used two-photon calcium imaging to monitor the activity of young abGCs in awake behaving mice. We find that young adult-born neurons fire at a higher rate in vivo but paradoxically exhibit less spatial tuning than their mature counterparts. When presented with different contexts, mature granule cells underwent robust remapping of their spatial representations, and the few spatially tuned adult-born cells remapped to a similar degree. We next used optogenetic silencing to confirm the direct involvement of abGCs in context encoding and discrimination, consistent with their proposed role in pattern separation. These results provide the first in vivo characterization of abGCs and reveal their participation in the encoding of novel information.

ABSTRACT INTRODUCTION Neuropsychiatric symptoms (NPS), such as depression and anxiety, are observed in 90% of Alzheimer’s disease (AD) patients, two-thirds of whom are women. NPS usually manifest long before AD onset creating a therapeutic opportunity. Here, we examined the impact of anxiety on AD progression and the underlying brain-wide neuronal mechanisms. METHODS To gain mechanistic insight into how anxiety impacts AD progression, we performed a cross-sectional analysis on mood, cognition, and neural activity utilizing the ArcCreER T2 x enhanced yellow fluorescent protein (eYFP) x APP/PS1 (AD) mice. The ADNI dataset was used to determine the impact of anxiety on AD progression in human subjects. RESULTS Female AD mice exhibited anxiety-like behavior and cognitive decline at an earlier age than control (Ctrl) mice and male mice. Brain-wide analysis of c-Fos + revealed changes in regional correlations and overall network connectivity in AD mice. Sex-specific memory trace changes were observed; female AD mice exhibited impaired memory traces in dorsal CA3 (dCA3), while male AD mice exhibited impaired memory traces in the dorsal dentate gyrus (dDG). In the ADNI dataset, anxiety predicted transition to dementia. Female subjects positive for anxiety and amyloid transitioned more quickly to dementia than male subjects. CONCLUSIONS While future studies are needed to understand whether anxiety is a predictor, a neuropsychiatric biomarker, or a comorbid symptom that occurs during disease onset, these results suggest that AD network dysfunction is sexually dimorphic, and that personalized medicine may benefit male and female AD patients rather than a one size fits all approach.

SUMMARY Engrams or memory traces are the neuronal ensembles that collectively store individual experiences. Genetic strategies based on immediate early genes (IEGs), such as Arc/Arg3.1 , allow us to tag the ensembles active during memory encoding and compare them to those active during retrieval. However, these strategies only allow for the tagging of one neural ensemble. Here, we developed a multiple Arc (mArc) system that allows for the tagging of two Arc + ensembles. We validated this system by investigating how context, time, and valence influence neuronal ensemble reactivation in the dentate gyrus (DG). We show that similar contextual and valenced experiences are encoded in overlapping DG ensembles. We also find that ensembles are modulated by time, where experiences closer in time are encoded in more similar ensembles. These results highlight the dynamic nature of DG ensembles and show that the mArc system provides a powerful approach for investigating multiple memories in the brain. HIGHLIGHTS The mArc system allows for the tagging of two Arc + ensembles in the same mouse DG ensembles labeled by the mArc system receive increased excitatory input Context, valence, and time influence DG ensemble reactivation DG neural ensembles are reactivated less with increasing time

ABSTRACT BACKGROUND Serotonin (5-HT) receptors and N -methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) have both been implicated in the pathophysiology of depression and anxiety disorders. Here, we evaluated whether targeting both receptors through combined dosing of ( R , S )-ketamine, an NMDAR antagonist, and prucalopride, a serotonin type IV receptor (5-HT 4 R) agonist, would have additive effects, resulting in reductions in stress-induced fear, behavioral despair, and hyponeophagia. METHODS A single injection of saline (Sal), ( R , S )-ketamine (K), prucalopride (P), or a combined dose of ( R , S )-ketamine and prucalopride (K+P) was administered before or after contextual fear conditioning (CFC) stress in both sexes. Drug efficacy was assayed using the forced swim test (FST), elevated plus maze (EPM), open field (OF), marble burying (MB), and novelty-suppressed feeding (NSF). Patch clamp electrophysiology was used to measure the effects of combined drug on neural activity in hippocampal CA3. c-fos and parvalbumin (PV) expression in the hippocampus (HPC) and medial prefrontal cortex (mPFC) was examined using immunohistochemistry and network analysis. RESULTS We found that a combination of K+P, given before or after stress, exerted additive effects, compared to either drug alone, in reducing a variety of stress-induced behaviors in both sexes. Combined K+P administration significantly altered c-fos and PV expression and network activity in the HPC and mPFC. CONCLUSIONS Our results indicate that combined K+P has additive benefits for combating stress-induced pathophysiology, both at the behavioral and neural level. Our findings provide preliminary evidence that future clinical studies using this combined treatment strategy may prove advantageous in protecting against a broader range of stress-induced psychiatric disorders.

ABSTRACT ( R,S )-ketamine (ketamine) has rapid and sustained antidepressant (AD) efficacy at sub-anesthetic doses in depressed patients. A metabolite of ketamine, including ( 2R,6R )-hydroxynorketamine (( 6 )-HNKs) has been reported to exert antidepressant actions in rodent model of anxiety/depression. To further understand the specific role of ketamine’s metabolism in the AD actions of the drug, we evaluated the effects of inhibiting hepatic cytochrome P450 enzymes on AD responses. We assessed whether pre-treatment with fluconazole (10 and 20 mg/kg, i.p.) 1 hour prior to ketamine or HNKs (10 mg/kg, i.p.) administration would alter behavioral and neurochemical actions of the drugs in male BALB/cJ mice with a highly anxious phenotype. Extracellular microdialysate levels of glutamate and GABA (Glu ext , GABA ext ) were also measured in the medial prefrontal cortex (mPFC). Pre-treatment with fluconazole altered the pharmacokinetic profile of ketamine, by increasing both plasma and brain levels of ketamine and ( R , S )-norketamine, while robustly reducing those of ( 6 )-HNKs. At 24 hours post-injection (t24h), fluconazole prevented the sustained AD-like response of ketamine responses in the forced swim test and splash test, as well as the enhanced cortical GABA levels produced by ketamine. A single ( 2R,6R )-HNK administration selectively rescued the antidepressant-like activity of ketamine in mice pretreated with fluconazole within 24 hours of treatment. Overall, these findings are consistent with an essential role of ( 6 )-HNK in mediating the sustained antidepressant-like effects of ketamine and suggest potential interactions between pharmacological CYPIs and ketamine during antidepressant treatment in patients.

Traumatic brain injury (TBI) is a debilitating neurological disorder caused by an impact to the head by an outside force. TBI results in persistent cognitive impairments, including fear generalization, the inability to distinguish between aversive and neutral stimuli. The mechanisms underlying fear generalization have not been fully elucidated, and there are no targeted therapeutics to alleviate this symptom of TBI.To identify the neural ensembles mediating fear generalization, we utilized the ArcCreER T2 x enhanced yellow fluorescent protein (EYFP) mice, which allow for activity-dependent labeling and quantification of memory traces. Mice were administered a sham surgery or the controlled cortical impact (CCI) model of TBI. Mice were then administered a contextual fear discrimination (CFD) paradigm and memory traces were quantified in numerous brain regions. In a separate group of mice, we tested if ( R,S )-ketamine could decrease fear generalization and alter the corresponding memory traces in TBI mice.TBI mice exhibited increased fear generalization when compared with sham mice. This behavioral phenotype was paralleled by altered memory traces in the DG, CA3, and amygdala, but not by alterations in inflammation or sleep. In TBI mice, ( R,S )-ketamine facilitated fear discrimination and this behavioral improvement was reflected in DG memory trace activity.These data show that TBI induces fear generalization by altering fear memory traces, and that this deficit can be improved with a single injection of ( R,S )-ketamine. This work enhances our understanding of the neural basis of TBI-induced fear generalization and reveals potential therapeutic avenues for alleviating this symptom.

PKMζ is an autonomously active, atypical PKC isoform crucial for maintaining synaptic long-term potentiation (LTP) and long-term memory. Unlike other PKCs that are transiently activated by short-lived second messengers, PKMζ is persistently activated by long-lasting increases in the amount of the autonomously active kinase during LTP and long-term memory maintenance. Thus, localizing persistent increases in PKMζ might reveal traces of physiological LTP maintenance in the circuitry of the brain during long-term memory storage. Using quantitative immunohistochemistry validated by the lack of staining in PKMζ-null mice, we visualized the amount and distribution of PKMζ during LTP maintenance and spatial long-term memory storage in the hippocampal formation of wild-type mice. Strong afferent stimulation of Schaffer collateral/commissural fibers inducing LTP maintenance increases PKMζ in CA1 pyramidal cells for 2 hours in hippocampal slices. Active place avoidance spatial conditioning increases PKMζ in CA1 pyramidal cells of the hippocampal formation from 1 day to at least 1 month. The increases in PKMζ coincide with the location of cells marked during long-term memory training by Arc promoter-mediated expression of a fluorescent protein, including at dendritic spines. We conclude that increased PKMζ forms persistent traces in CA1 pyramidal cells that are sites of molecular information storage during LTP maintenance and spatial long-term memory.

Standard antidepressant treatments often take weeks to reach efficacy and are ineffective for many patients. ( R,S )-ketamine, an N -methyl-D-aspartate (NMDA) antagonist, has been shown to be a rapid-acting antidepressant and to decrease depressive symptoms within hours of administration. While previous studies have shown the importance of the NR2B subunit of the NMDA receptor (NMDAR) on interneurons in the medial prefrontal cortex (mPFC), no study has investigated the influence of NR2B-expressing adult-born granule cells (abGCs). In this study, we examined whether ( R,S )-ketamine's efficacy depends upon these adult-born hippocampal neurons using a genetic strategy to selectively ablate the NR2B subunit of the NMDAR from Nestin + cells. To validate our findings, we also used several other transgenic lines including one in which NR2B was deleted from an interneuron (Parvalbumin (PV) + ) population. We report that in male mice, NR2B expression on 6-week-old adult-born neurons is necessary for ( R,S )-ketamine's effects on behavioral despair in the forced swim test (FST) and on hyponeophagia in the novelty suppressed feeding (NSF) paradigm, as well on fear behavior following contextual fear conditioning (CFC). In female mice, NR2B expression is necessary for effects on hyponeophagia in the NSF. We also find that ablating neurogenesis increases fear expression in CFC, which is buffered by ( R,S )-ketamine administration. In line with previous studies, these results suggest that 6-week-old adult-born hippocampal neurons expressing NR2B partially modulate ( R,S )-ketamine's rapid-acting effects. Future work targeting these 6-week-old adult-born neurons may prove beneficial for increasing the efficacy of ( R , S )-ketamine's antidepressant actions.