Haploinsufficiency of the SCN1A gene encoding voltage-gated sodium channel NaV1.1 causes Dravet’s syndrome, a childhood neuropsychiatric disorder including recurrent intractable seizures, cognitive deficit and autism-spectrum behaviours. The neural mechanisms responsible for cognitive deficit and autism-spectrum behaviours in Dravet’s syndrome are poorly understood. Here we report that mice with Scn1a haploinsufficiency exhibit hyperactivity, stereotyped behaviours, social interaction deficits and impaired context-dependent spatial memory. Olfactory sensitivity is retained, but novel food odours and social odours are aversive to Scn1a+/− mice. GABAergic neurotransmission is specifically impaired by this mutation, and selective deletion of NaV1.1 channels in forebrain interneurons is sufficient to cause these behavioural and cognitive impairments. Remarkably, treatment with low-dose clonazepam, a positive allosteric modulator of GABAA receptors, completely rescued the abnormal social behaviours and deficits in fear memory in the mouse model of Dravet’s syndrome, demonstrating that they are caused by impaired GABAergic neurotransmission and not by neuronal damage from recurrent seizures. These results demonstrate a critical role for NaV1.1 channels in neuropsychiatric functions and provide a potential therapeutic strategy for cognitive deficit and autism-spectrum behaviours in Dravet’s syndrome. Haploinsufficiency of the gene SCN1A (SCN1A+/−) causes Dravet’s syndrome in humans, a form of epilepsy with autistic features; this paper shows that Scn1a+/− mice have the same symptoms, and that social behaviours can be improved by pharmacological treatment with clonazepam. Haploinsufficiency of the gene SCN1A, which encodes a voltage-gated sodium channel, causes Dravet’s syndrome, a form of childhood epilepsy that sometimes includes autistic features. This paper shows that mice with Scn1a haploinsufficiency also display autism-related behaviours, including hyperactivity and impaired social interaction. GABAergic neurotransmission is reduced in these mice, and social behaviours can be improved by pharmacological treatment with clonazepam.

Animals learn to avoid harmful situations by associating a neutral stimulus with a painful one, resulting in a stable threat memory. In mammals, this form of learning requires the amygdala. Although pain is the main driver of aversive learning, the mechanism that transmits pain signals to the amygdala is not well resolved. Here, we show that neurons expressing calcitonin gene-related peptide (CGRP) in the parabrachial nucleus are critical for relaying pain signals to the central nucleus of amygdala and that this pathway may transduce the affective motivational aspects of pain. Genetic silencing of CGRP neurons blocks pain responses and memory formation, whereas their optogenetic stimulation produces defensive responses and a threat memory. The pain-recipient neurons in the central amygdala expressing CGRP receptors are also critical for establishing a threat memory. The identification of the neural circuit conveying affective pain signals may be pertinent for treating pain conditions with psychiatric comorbidities.

The mitogen-activated protein kinase (MAPK) and cyclic adenosine monophosphate (cAMP) signal transduction pathways have critical roles in the consolidation of hippocampus-dependent memory. We found that extracellular regulated kinase 1/2 MAPK phosphorylation and cAMP underwent a circadian oscillation in the hippocampus that was paralleled by changes in Ras activity and the phosphorylation of MAPK kinase and cAMP response element–binding protein (CREB). The nadir of this activation cycle corresponded with severe deficits in hippocampus-dependent fear conditioning under both light-dark and free-running conditions. Circadian oscillations in cAMP and MAPK activity were absent in memory-deficient transgenic mice that lacked Ca2+-stimulated adenylyl cyclases. Furthermore, physiological and pharmacological interference with oscillations in MAPK phosphorylation after the cellular memory consolidation period impaired the persistence of hippocampus-dependent memory. These data suggest that the persistence of long-term memories may depend on reactivation of the cAMP/MAPK/CREB transcriptional pathway in the hippocampus during the circadian cycle. Several signaling pathways have been previously implicated in memory persistence, but new data suggests that circadian oscillations of cAMP production and protein phosphorylation in the hippocampus are important for the reactivation of a transcriptional pathway and memory consolidation.

Neurons produce and release neuropeptides to communicate with one another. Despite their profound impact on critical brain functions, circuit-based mechanisms of peptidergic transmission are poorly understood, primarily due to the lack of tools for monitoring and manipulating neuropeptide release in vivo. Here, we report the development of two genetically encoded tools for investigating peptidergic transmission in behaving mice: a genetically encoded large dense core vesicle (LDCV) sensor that detects the neuropeptides release presynaptically, and a genetically encoded silencer that specifically degrades neuropeptides inside the LDCV. Monitoring and silencing peptidergic and glutamatergic transmissions from presynaptic terminals using our newly developed tools and existing genetic tools, respectively, reveal that neuropeptides, not glutamate, are the primary transmitter in encoding unconditioned stimulus during Pavlovian threat learning. These results show that our sensor and silencer for peptidergic transmission are reliable tools to investigate neuropeptidergic systems in awake behaving animals.

Abstract Opioid-induced respiratory depression (OIRD) causes death following an opioid overdose, yet the neurobiological mechanisms of this process are not well understood. Here, we show that neurons within the lateral parabrachial nucleus that express the μ-opioid receptor (PBL Oprm1 neurons) are involved in OIRD pathogenesis. PBL Oprm1 neuronal activity is tightly correlated with respiratory rate, and this correlation is abolished following morphine injection. Chemogenetic inactivation of PBL Oprm1 neurons mimics OIRD in mice, whereas their chemogenetic activation following morphine injection rescues respiratory rhythms to baseline levels. We identified several excitatory G-protein coupled receptors expressed by PBL Oprm1 neurons and show that agonists for these receptors restore breathing rates in mice experiencing OIRD. Thus, PBL Oprm1 neurons are critical for OIRD pathogenesis, providing a promising therapeutic target for treating OIRD in patients.

Summary Breathing is profoundly influenced by both behavior and emotion 1–4 and is the only physiological parameter that can be volitionally controlled 4–6 . This indicates the presence of cortical-to-brainstem pathways that directly control brainstem breathing centers, but the neural circuit mechanisms of top-down breathing control remain poorly understood. Here, we identify neurons in the dorsal anterior cingulate cortex (dACC) that project to the pontine reticular nucleus caudalis (PnC) and function to slow breathing rates. Optogenetic activation of this corticopontine pathway (dACC→PnC neurons) in mice slows breathing and alleviates behaviors associated with negative emotions without altering valence. Calcium responses of dACC→PnC neurons are tightly correlated with changes in breathing patterns entrained by behaviors, such as drinking. Activity is also elevated when mice find relief from an anxiety-provoking environment and slow their breathing pattern. Further, GABAergic inhibitory neurons within the PnC that receive direct input from dACC neurons decrease breathing rate by projecting to pontomedullary breathing centers. They also send collateral projections to anxiety-related structures in the forebrain, thus comprising a neural network that modulates breathing and negative affect in parallel. These analyses greatly expand our understanding of top-down breathing control and reveal circuit-based mechanisms by which slow breathing and anxiety relief are regulated together.

Abstract Perception of aversive sensory stimuli such as pain and innate threat cues is essential for animal survival. The amygdala is critical for aversive sensory perception, and it has been suggested that multiple parallel pathways independently relay aversive cues from each sensory modality to the amygdala. However, a convergent pathway that relays multisensory aversive cues to the amygdala has not been identified. Here, we report that neurons expressing calcitonin gene-related peptide (CGRP) in the parvocellular subparafasicular thalamic nucleus (SPFp) are necessary and sufficient for affective-motivational pain perception by forming a spino-thalamo-amygdaloid pain pathway. In addition, we find that this thalamic CGRP pain pathway, together with well-known parabrachio-amygdaloid CGRP pain pathway, is critical for the perception of multisensory innate threat cues. The discovery of unified pathways that collectively gate aversive sensory stimuli from all sensory modalities may provide critical circuit-based insights for developing therapeutic interventions for affective pain- and innate fear-related disorders.