In the mammalian central nervous system, receptors for excitatory amino acid neurotransmitters such as the alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4- isoxazolepropionic acid (AMPA)-kainate receptor mediate a large fraction of excitatory transmission. Currents induced by activation of the AMPA-kainate receptor were potentiated by agents that specifically stimulate adenosine 3',5'-monophosphate (cAMP)-dependent protein kinase A (PKA) activity or were supported by intracellular application of the catalytic subunit of PKA by itself or in combination with cAMP. Furthermore, depression of these currents by a competitive inhibitor of PKA indicates that AMPA-kainate receptors are regulated by endogenous PKA. Endogenous protein phosphatases also regulate these receptors because an inhibitor of cellular phosphates enhanced kainate currents. Modulation of PKA and phosphatases may regulate the function of these receptors and thus contribute to synaptic plasticity in hippocampal neurons.

Significance Activity-dependent translation, the reversible activation of translation in response to synaptic activity, is important for synaptic plasticity and long-term memory formation. How synaptic activity triggers translation of silenced mRNAs within neuronal granules, which are membraneless RNA–protein assemblies, is not clear. We show that the C-terminal region of the Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP), an abundant neuronal granule protein, phase separates in vitro with RNA and that its phase separation is fine-tuned by posttranslational modifications controlled in neurons by synaptic activity. We observe that phase separation is correlated with translation inhibition in vitro, providing a conceptual framework to unify FMRP’s diverse roles. Experimental and bioinformatic data suggest that phase separation may be a general mechanism linked to activity-dependent translation.

Intercellular communication in the nervous system occurs through the release of neurotransmitters into the synaptic cleft between neurons. In the presynaptic neuron, the proton pumping vesicular- or vacuolar-type ATPase (V-ATPase) powers neurotransmitter loading into synaptic vesicles (SVs), with the V 1 complex dissociating from the membrane region of the enzyme before exocytosis. We isolated SVs from rat brain using SidK, a V-ATPase–binding bacterial effector protein. Single-particle electron cryomicroscopy allowed high-resolution structure determination of V-ATPase within the native SV membrane. In the structure, regularly spaced cholesterol molecules decorate the enzyme’s rotor and the abundant SV protein synaptophysin binds the complex stoichiometrically. ATP hydrolysis during vesicle loading results in a loss of the V 1 region of V-ATPase from the SV membrane, suggesting that loading is sufficient to induce dissociation of the enzyme.

Abstract Neurotransmitter release into the synaptic cleft between neurons enables the intercellular communication central to the function of the brain. In the presynaptic neuron, the proton pumping vesicular- or vacuolar-type ATPase (V-ATPase) powers neurotransmitter loading into synaptic vesicles (SVs), with the V 1 complex dissociating from the membrane region of the enzyme before exocytosis. We isolated SVs from rat brain using SidK, a V-ATPase-binding bacterial effector protein. Single particle electron cryomicroscopy of the vesicles allowed high-resolution structure determination of V-ATPase within the native SV membrane. In the structure, regularly spaced cholesterol molecules decorate the enzyme’s rotor and the abundant SV protein synaptophysin binds the complex stoichiometrically. Conditions where ATP hydrolysis drives glutamate loading result in loss of V 1 from the SV membrane, suggesting that SV loading is sufficient to induce V-ATPase dissociation.

Abstract Fear extinction allows for adaptive control of learned fear responses but often fails, resulting in a renewal or spontaneous recovery of the extinguished fear, i.e., forgetting of the extinction memory readily occurs. Using an activity-dependent neuronal labeling strategy, we demonstrate that engram neurons for fear extinction memory are dynamically positioned in the medial prefrontal cortex (mPFC), basolateral amygdala (BLA), and ventral hippocampus (vHPC), which constitute an engram construct in the term of directional engram synaptic connectivity from the BLA or vHPC to mPFC, but not that in the opposite direction, for retrieval of extinction memory. Fear renewal or spontaneous recovery switches the extinction engram construct from an accessible to inaccessible state, whereas additional extinction learning or optogenetic induction of long-term potentiation restores the directional engram connectivity and prevents the return of fear. Thus, the plasticity of engram construct underlies forgetting of extinction memory.

Glutamate is traditionally viewed as the first messenger to activate NMDAR (N-methyl-D-aspartate receptor)-dependent cell death pathways in stroke

Glutamate is traditionally viewed as the first messenger to activate N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) and downstream cell death pathways in stroke 1,2 , but unsuccessful clinical trials with NMDAR antagonists implicate the engagement of other NMDAR-independent mechanisms 3–7 . Here we show that glutamate and its structural analogs, including NMDAR antagonist L-AP5 (or APV), robustly potentiated currents mediated by acid-sensing ion channels (ASICs) which are known for driving acidosis-induced neurotoxicity in stroke 4 . Glutamate increased the proton affinity and open probability of ASICs, aggravating ischemic neurotoxicity in both in vitro and in vivo models. Site-directed mutagenesis and structure-based in silico molecular docking and simulations uncovered a novel glutamate binding cavity in the extracellular domain of ASIC1a. Computational drug screening of NMDAR competitive antagonist analogs identified a small molecule, LK-2, that binds to this cavity and abolishes glutamate-dependent potentiation of ASIC currents but spares NMDARs, providing strong neuroprotection efficacy comparable to that in ASIC1a or other cation ion channel knockout mouse models 4–7 . We conclude that glutamate serves as the first messenger for ASICs to exacerbate neurotoxicity, and that selective blockage of glutamate binding sites on ASICs without affecting NMDARs may be of strategic importance for developing effective stroke therapeutics devoid of the psychotic side effects of NMDAR antagonists.

Abstract Effective psychotherapy of post-traumatic stress disorder (PTSD) remains challenging due to the fragile nature of fear extinction, for which ventral hippocampal CA1 (vCA1) region is considered as a central hub. However, neither the core pathway nor the cellular mechanisms involved in implementing extinction are known. Here, we unveil a direct pathway, where layer 2a fan cells in the lateral entorhinal cortex (LEC) target parvalbumin-expressing interneurons (PV-INs) in the vCA1 region to propel low gamma-band synchronization of the LEC-vCA1 activity during extinction learning. Bidirectional manipulations of either hippocampal PV-INs or LEC fan cells suffice fear extinction. Gamma entrainment of vCA1 by deep brain stimulation (DBS) or noninvasive transcranial alternating current stimulation (tACS) of LEC persistently enhances the PV-IN activity in vCA1, thereby promoting fear extinction. These results demonstrate that the LEC-vCA1 pathway forms a top-down motif to empower low gamma-band oscillations that facilitate fear extinction. Finally, application of low gamma DBS and tACS to a mouse model with persistent PTSD shows potent efficacy, suggesting that the dedicated LEC-vCA1 pathway can be hijacked for therapy to remove traumatic memory trace. Graphical Abstract