Abstract Mutations in the X-linked gene cyclin-dependent kinase-like 5 (CDKL5) cause a severe neurological disorder characterised by early-onset epileptic seizures, autism and intellectual disability (ID). Impaired hippocampal function has been implicated in other models of monogenic forms of autism spectrum disorders and ID and is often linked to epilepsy and behavioural abnormalities. Many individuals with CDKL5 deficiency disorder (CDD) have null mutations and complete loss of CDKL5 protein, therefore in the current study we used a novel Cdkl5 KO rat model to elucidate the impact of CDKL5 loss on cellular excitability and synaptic function of CA1 pyramidal cells (PCs). We hypothesised abnormal pre and/or post synaptic function underlie the enhanced LTP we observe in the hippocampus of Cdkl5 KO rats. We tested this hypothesis using a combination of extracellular and whole-cell electrophysiological recordings, biochemistry, and histology. We show that NMDA receptor function and subunit expression are unaltered throughout development, and Ca 2+ permeable AMPA receptor mediated currents are unchanged in Cdkl5 KO rats. We observe reduced mEPSC frequency accompanied by increased spine density in basal dendrites of CA1 PCs, however we find no evidence supporting an increase in silent synapses when assessed using a minimal stimulation protocol in slices. Additionally, we found no change in paired-pulse ratio, consistent with normal release probability in Cdkl5 KO rats and supported by typical expression of pre-synaptic proteins in synaptosome preparations. Together these data indicate a role for CDKL5 in hippocampal synaptic function and raise the possibility that altered intracellular signalling rather than synaptic deficits might contribute to the altered plasticity.

Abstract Background Mutations in the X-linked gene cyclin-dependent kinase-like 5 ( CDKL5 ) cause a severe neurological disorder characterised by early-onset epileptic seizures, autism and intellectual disability (ID). Impaired hippocampal function has been implicated in other models of monogenic forms of autism spectrum disorders and ID and is often linked to epilepsy and behavioural abnormalities. Many individuals with CDKL5 deficiency disorder (CDD) have null mutations and complete loss of CDKL5 protein, therefore in the current study we used a Cdkl5 −/y rat model to elucidate the impact of CDKL5 loss on cellular excitability and synaptic function of CA1 pyramidal cells (PCs). We hypothesised abnormal pre and/or post synaptic function and plasticity would be observed in the hippocampus of Cdkl5 −/y rats. Methods To allow cross-species comparisons of phenotypes associated with the loss of CDKL5, we generated a loss of function mutation in exon 8 of the rat Cdkl5 gene and assessed the impact of the loss of CDLK5 using a combination of extracellular and whole-cell electrophysiological recordings, biochemistry, and histology. Results Our results indicate that CA1 hippocampal long-term potentiation (LTP) is enhanced in slices prepared from juvenile, but not adult, Cdkl5 −/y rats. Enhanced LTP does not result from changes in NMDA receptor function or subunit expression as these remain unaltered throughout development. Furthermore, Ca 2+ permeable AMPA receptor mediated currents are unchanged in Cdkl5 −/y rats. We observe reduced mEPSC frequency accompanied by increased spine density in basal dendrites of CA1 PCs, however we find no evidence supporting an increase in silent synapses when assessed using a minimal stimulation protocol in slices. Additionally, we found no change in paired-pulse ratio, consistent with normal release probability at Schaffer collateral to CA1 PC synapses. Conclusions Our data indicate a role for CDKL5 in hippocampal synaptic function and raise the possibility that altered intracellular signalling rather than synaptic deficits contribute to the altered plasticity. Limitations This study has focussed on the electrophysiological and anatomical properties of hippocampal CA1 PCs across early postnatal development. Studies involving other brain regions, older animals and behavioural phenotypes associated with the loss of CDKL5 are needed to understand the pathophysiology of CDD.

Brain-resident macrophages, microglia, have been proposed to play an active role in synaptic refinement and maturation, influencing plasticity and circuit-level connectivity. Here we show that a variety of neurodevelopmental processes previously attributed to microglia can proceed without them. Using a genetically modified mouse which lacks microglia (Csf1r∆FIRE/∆FIRE) we find that neuronal physiology, synapse number and synaptic maturation are largely normal in CA1 of the hippocampus and somatosensory cortex during development. Seizure susceptibility and hippocampal-prefrontal cortex coherence in awake behaving animals, processes disrupted in mice deficient in microglia-enriched genes, are also normal. Similarly, segregation of eye-specific inputs into the lateral geniculate nucleus proceeds normally in the absence of microglia. Furthermore, transcriptomic analysis did not uncover substantial perturbation due to neurons and astrocytes due to microglial absence. Thus, in the absence of microglia, the brain retains the capacity to execute developmental synaptic refinement, maturation and connectivity.