The Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) is critically required for the synaptic recruitment of AMPA-type glutamate receptors (AMPARs) during both development and plasticity. However, the underlying mechanism is unknown. Using single-particle tracking of AMPARs, we show that CaMKII activation and postsynaptic translocation induce the synaptic trapping of AMPARs diffusing in the membrane. AMPAR immobilization requires both phosphorylation of the auxiliary subunit Stargazin and its binding to PDZ domain scaffolds. It does not depend on the PDZ binding domain of GluA1 AMPAR subunit nor its phosphorylation at Ser831. Finally, CaMKII-dependent AMPAR immobilization regulates short-term plasticity. Thus, NMDA-dependent Ca2+ influx in the post-synapse triggers a CaMKII- and Stargazin-dependent decrease in AMPAR diffusional exchange at synapses that controls synaptic function.

Abstract Discovering the rules of synaptic plasticity is an important step for understanding brain learning. Existing plasticity models are either 1) top-down and interpretable, but not flexible enough to account for experimental data, or 2) bottom-up and biologically realistic, but too intricate to interpret and hard to fit to data. To avoid the shortcomings of these approaches, we present a new plasticity rule based on a geometrical readout mechanism that flexibly maps synaptic enzyme dynamics to predict plasticity outcomes. We apply this readout to a multi-timescale model of hippocampal synaptic plasticity induction that includes electrical dynamics, calcium, CaMKII and calcineurin, and accurate representation of intrinsic noise sources. Using a single set of model parameters, we demonstrate the robustness of this plasticity rule by reproducing nine published ex vivo experiments covering various spike-timing and frequency-dependent plasticity induction protocols, animal ages, and experimental conditions. Our model also predicts that in vivo -like spike timing irregularity strongly shapes plasticity outcome. This geometrical readout modelling approach can be readily applied to other excitatory or inhibitory synapses to discover their synaptic plasticity rules.

Abstract Genetic variation in CACNA1C , which encodes the alpha-1 subunit of Ca V 1.2 L-type voltage-gated calcium channels, is strongly linked to risk for psychiatric disorders including schizophrenia and bipolar disorder. To translate genetics to neurobiological mechanisms and rational therapeutic targets, we investigated the impact of altered Cacna1c dosage on rat cognitive, synaptic and circuit phenotypes implicated by patient studies. We show that rats hemizygous for Cacna1c harbor marked impairments in learning to disregard non-salient stimuli, a behavioral change previously associated with psychosis. This behavioral deficit is accompanied by dys-coordinated network oscillations during learning, pathway-selective disruption of hippocampal synaptic plasticity, attenuated Ca 2+ signaling in dendritic spines and decreased signaling through the Extracellular-signal Regulated Kinase (ERK) pathway. Activation of the ERK pathway by a small molecule agonist of TrkB/TrkC neurotrophin receptors rescued both behavioral and synaptic plasticity deficits in Cacna1c +/- rats. These results map a route through which genetic variation in CACNA1C can disrupt experience-dependent synaptic signaling and circuit activity, culminating in cognitive alterations associated with psychiatric disorders. Our findings highlight targeted activation of neurotrophin signaling pathways with BDNF mimetic drugs as a novel, genetically informed therapeutic approach for rescuing behavioral abnormalities in psychiatric disorder. One Sentence Summary Neurotrophin receptor activation reveals that BDNF mimetic drugs have therapeutic potential to ameliorate genetic risk for psychiatric disorders.

Cell signalling mechanisms are central to neuronal activity and their dysregulation may lead to neurodegenerative processes and associated cognitive decline. So far, a major effort has been directed toward the dissection of disease specific pathways with the still unmet promise to develop precision medicine strategies. With a different approach, here we show that a selective genetic potentiation of neuronal ERK signalling prevents cell death in vitro and in vivo in the mouse brain while ERK attenuation does the opposite. This neuroprotective effect can also be induced pharmacologically by a cell permeable peptide mimicking the loss of ERK1 MAP kinase, leading to a selective enhancement of ERK2 mediated nuclear cell signalling. The drug treatment prevents neurodegeneration in mouse models of Huntington's (HD), Alzheimer's (AD), and Parkinson's disease (PD). Importantly, the selective potentiation of ERK2 signalling facilitates both structural and synaptic plasticity, enhances cognition in healthy mice and rescues mild cognitive impairments in both models of AD and HD. Altogether, our observation truly represents a remarkable example of a shared molecular mechanism across multiple neurodegenerative disorders and a potentially valuable therapeutic target for neuro-enhancement.