Single-cell mouse embryos were infected in vitro with recombinant lentiviral vectors to generate transgenic mice carrying the green fluorescent protein (GFP) gene driven by a ubiquitously expressing promoter . Eighty percent of founder mice carried at least one copy of the transgene, and 90% of these expressed GFP at high levels. Progeny inherited the transgene(s) and displayed green fluorescence. Mice generated using lentiviral vectors with muscle-specific and T lymphocyte–specific promoters expressed high levels of GFP only in the appropriate cell types. We have also generated transgenic rats that express GFP at high levels, suggesting that this technique can be used to produce other transgenic animal species.

Summary

 Mutations or duplications in MECP2 cause Rett and Rett-like syndromes, neurodevelopmental disorders characterized by mental retardation, motor dysfunction, and autistic behaviors. MeCP2 is expressed in many mammalian tissues and functions as a global repressor of transcription; however, the molecular mechanisms by which MeCP2 dysfunction leads to the neural-specific phenotypes of RTT remain poorly understood. Here, we show that neuronal activity and subsequent calcium influx trigger the de novo phosphorylation of MeCP2 at serine 421 (S421) by a CaMKII-dependent mechanism. MeCP2 S421 phosphorylation is induced selectively in the brain in response to physiological stimuli. Significantly, we find that S421 phosphorylation controls the ability of MeCP2 to regulate dendritic patterning, spine morphogenesis, and the activity-dependent induction of Bdnf transcription. These findings suggest that, by triggering MeCP2 phosphorylation, neuronal activity regulates a program of gene expression that mediates nervous system maturation and that disruption of this process in individuals with mutations in MeCP2 may underlie the neural-specific pathology of RTT.

Summary

 Although many transcription factors are known to control important aspects of neural development, the genome-wide programs that are directly regulated by these factors are not known. We have characterized the genetic program that is activated by MEF2, a key regulator of activity-dependent synapse development. These MEF2 target genes have diverse functions at synapses, revealing a broad role for MEF2 in synapse development. Several of the MEF2 targets are mutated in human neurological disorders including epilepsy and autism spectrum disorders, suggesting that these disorders may be caused by disruption of an activity-dependent gene program that controls synapse development. Our analyses also reveal that neuronal activity promotes alternative polyadenylation site usage at many of the MEF2 target genes, leading to the production of truncated mRNAs that may have different functions than their full-length counterparts. Taken together, these analyses suggest that the ubiquitously expressed transcription factor MEF2 regulates an intricate transcriptional program in neurons that controls synapse development.

Neuronal activity-regulated gene expression has been suggested to be an important mediator of long-lasting, experience-dependent changes in the nervous system, but the activity-dependent component of gene transcription has never been selectively isolated and tested for its functional significance. Here, we demonstrate that introduction of a subtle knockin mutation into the mouse Bdnf gene that blocks the ability of the activity-regulated factor CREB to bind Bdnf promoter IV results in an animal in which the sensory experience-dependent induction of Bdnf expression is disrupted in the cortex. Neurons from these animals form fewer inhibitory synapses, have fewer spontaneous inhibitory quantal events, and exhibit reduced expression of inhibitory presynaptic markers in the cortex. These results indicate a specific requirement for activity-dependent Bdnf expression in the development of inhibition in the cortex and demonstrate that the activation of gene expression in response to experience-driven neuronal activity has important biological consequences in the nervous system.

ABSTRACT Past work has shown that chronic exposure of Drosophila to intense monomolecular odors in early life leads to homeostatic adaptation of olfactory neural responses and behavioral habituation to the familiar odor. Here, we found that, in contrast, persistent exposure to natural odors in early life increases behavioral attraction selectively to familiar odors. Odor experience increases the attractiveness of natural odors that are innately attractive and decreases the aversiveness of natural odors that are innately aversive. These changes in olfactory behavior are unlikely to arise from changes in the sensitivity of olfactory neurons at the first stages of olfactory processing: odor-evoked output from antennal lobe projection neurons was unchanged by chronic exposure to natural odors in terms of olfactory sensitivity, relational distances between odors, or response dynamics. We reveal a requirement for additional features of the environment beyond the odor in establishing odor experience-dependent behavioral plasticity. Passive odor exposure in a featureless environment lacking strong reinforcing cues was insufficient to elicit changes in olfactory preference; however, the same odor exposure resulted in behavioral plasticity when food was present in the environment. Together, these results indicate that behavioral plasticity elicited by persistent exposure to natural odors in early life is mediated by an associative process. In addition, they highlight the importance of using naturalistic odor stimuli for investigating olfactory function.

ABSTRACT In insects and mammals, olfactory experience in early life alters olfactory behavior and function in later life. In the vinegar fly Drosophila , flies chronically exposed to a high concentration of a monomolecular odor exhibit reduced behavioral aversion to the familiar odor when it is re- encountered. This change in olfactory behavior has been attributed to selective decreases in the sensitivity of second-order olfactory projection neurons (PNs) in the antennal lobe that respond to the overrepresented odor. However, since odorant compounds do not occur at similarly high concentrations in natural sources, the role of odor experience-dependent plasticity in natural environments is unclear. Here, we investigated olfactory plasticity in the antennal lobe of flies chronically exposed to odors at concentrations that are typically encountered in natural odor sources. These stimuli were chosen to each strongly and selectively excite a single PN type to saturating firing rates, facilitating a rigorous assessment of the selectivity of olfactory plasticity for PNs directly excited by overrepresented stimuli. Unexpectedly, we found that chronic exposure to three such odors did not result in decreased PN sensitivity, but rather mildly increased responses to weak stimuli in most PN types. Odor-evoked PN activity in response to stronger stimuli was mostly unaffected by odor experience. When present, plasticity was observed broadly in multiple PN types and thus was not selective for PNs receiving direct input from the chronically active ORNs. We further investigated the DL5 olfactory coding channel and found that chronic odor-mediated excitation of its input ORNs did not affect PN intrinsic properties, local inhibitory innervation, ORN responses, or ORN-PN synaptic strength; however, broad-acting lateral excitation evoked by some odors was increased. These results show that PN odor coding is only mildly affected by strong persistent activation of a single olfactory input, highlighting the stability of early stages of insect olfactory processing to significant perturbations in the sensory environment.

SUMMARY An important problem in sensory processing is how lateral interactions that mediate the integration of information across sensory channels function with respect to stimulus tuning. We demonstrate a novel form of selective crosstalk between specific olfactory channels that occurs between primary olfactory receptor neurons (ORNs). Neurotransmitter release from ORNs can be driven by two distinct sources of excitation, feedforward activity derived from the odorant receptor and lateral input originating from specific subsets of other ORNs. Consequently, levels of presynaptic release can become dissociated from firing rate. Stimulus-selective lateral signaling results in the distributed representation of CO 2 , a behaviorally important environmental cue that elicits spiking in only a single ORN class, in multiple olfactory channels. Different CO 2 -responsive channels preferentially transmit distinct stimulus dynamics, thereby expanding the coding bandwidth for CO 2 . These results generalize to additional odors and olfactory channels, revealing a subnetwork of lateral interactions between ORNs that reshape the spatial and temporal structure of odor representations in a stimulus-specific manner. One Sentence Summary A novel subnetwork of stimulus-selective lateral interactions between primary olfactory sensory neurons enables new sensory computations.

Odors provide an important communication channel between plants and animals. Fruits, vital nutrient sources for animals, emit a complex array of monomolecular volatiles. Animals can use the structure of these mixtures to assess properties of fruit predictive of their nutritive and reproductive value. We analyzed the statistics of fruit odor mixtures sampled across stages of ripening and fermentation to find that they fall on a low-dimensional hyperbolic map. Hyperbolic maps, with their negative curvature and an exponentially expanding state options, are adept at describing hierarchical relationships in the data such as those arising from metabolic processes within fruits. In the hyperbolic map, samples followed a striking spiral trajectory. The spiral initiated near the map’s core, representing the under-ripe phase with specific profiles of monomolecular volatiles. Progressively mapping along the unfolding spiral trajectory were scent mixtures corresponding to ripening, and then rotting or fermentation. The unfolding process depended on the specific fermentation processes that dominated in the samples, determined largely by the microbes (e.g. bacteria or yeast) present in the sample. These results generalized across fruit types and describe trajectories in the natural odorant space with significant behavioral relevance for insects.

ABSTRACT A core challenge of olfactory neuroscience is to understand how neural representations of odor are generated and progressively transformed across different layers of the olfactory circuit into formats that support perception and behavior. The encoding of odor by odorant receptors in the input layer of the olfactory system reflects, at least in part, the chemical relationships between odor compounds. Neural representations of odor in higher order associative olfactory areas, generated by random feedforward networks, are expected to largely preserve these input odor relationships 1–3 . We evaluated these ideas by examining how odors are represented at different stages of processing in the olfactory circuit of the vinegar fly D. melanogaster . We found that representations of odor in the mushroom body (MB), a third-order associative olfactory area in the fly brain, are indeed structured and invariant across flies. However, the structure of MB representational space diverged significantly from what is expected in a randomly connected network. In addition, odor relationships encoded in the MB were better correlated with a metric of the similarity of their distribution across natural sources compared to their similarity with respect to chemical features, and the converse was true for odor relationships encoded in primary olfactory receptor neurons (ORNs). Comparison of odor coding at primary, secondary, and tertiary layers of the circuit revealed that odors were significantly regrouped with respect to their representational similarity across successive stages of olfactory processing, with the largest changes occurring in the MB. The non-linear reorganization of odor relationships in the MB indicates that unappreciated structure exists in the fly olfactory circuit, and this structure may facilitate the generalization of odors with respect to their co-occurence in natural sources.