Energy use, mainly to reverse ion movements in neurons, is a fundamental constraint on brain information processing. Trafficking of mitochondria to locations in neurons where there are large ion fluxes is essential for powering neural function. Mitochondrial trafficking is regulated by Ca2+ entry through ionotropic glutamate receptors, but the underlying mechanism is unknown. We show that the protein Miro1 links mitochondria to KIF5 motor proteins, allowing mitochondria to move along microtubules. This linkage is inhibited by micromolar levels of Ca2+ binding to Miro1. With the EF hand domains of Miro1 mutated to prevent Ca2+ binding, Miro1 could still facilitate mitochondrial motility, but mitochondrial stopping induced by glutamate or neuronal activity was blocked. Activating neuronal NMDA receptors with exogenous or synaptically released glutamate led to Miro1 positioning mitochondria at the postsynaptic side of synapses. Thus, Miro1 is a key determinant of how energy supply is matched to energy usage in neurons.

Abstract The SARS-CoV-2 receptor, ACE2, is found on pericytes, contractile cells enwrapping capillaries that regulate brain, heart and kidney blood flow. ACE2 converts vasoconstricting angiotensin II into vasodilating angiotensin-(1-7). In brain slices from hamster, which has an ACE2 sequence similar to human ACE2, angiotensin II alone evoked only a small capillary constriction, but evoked a large pericyte-mediated capillary constriction generated by AT1 receptors in the presence of the SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD). The effect of the RBD was mimicked by blocking ACE2. A mutated non-binding RBD did not potentiate constriction. A similar RBD-potentiated capillary constriction occurred in human cortical slices. This constriction reflects an RBD-induced decrease in the conversion of angiotensin II to angiotensin-(1-7). The clinically-used drug losartan inhibited the RBD-potentiated constriction. Thus AT1 receptor blockers could be protective in SARS-CoV-2 infection by reducing pericyte-mediated blood flow reductions in the brain, and perhaps the heart and kidney.

Abstract Microglia use a highly complex and dynamic network of processes to sense and respond to their surroundings. Microglial dynamics differ throughout development and in neurological and neuropsychiatric disease, though mechanistic insight into these changes is lacking. Here we identify novel roles for regulators of the actin cytoskeleton in controlling microglial behaviour. We show that the actin branching complex Arp2/3 is critical for maintaining microglial morphology and required for surveillance but not chemotactic motility. Neuropsychiatric disease-associated Cyfip1, a core component of the WAVE regulatory complex that links Rac1 signalling to Arp2/3 activation, is highly expressed in microglia but has unknown function. We report that conditional deletion of Cyfip1 in mouse microglia reduces morphological complexity and surveillance of brain parenchyma, and increases activation state as defined by CD68 expression. Thus, altered actin-dependent microglial dynamics mediated by Cyfip1 and Arp2/3 may contribute to neuropsychiatric disease.

SUMMARY The spatiotemporal distribution of mitochondria is crucial for precise ATP provision and calcium buffering required to support neuronal signaling. Fast-spiking GABAergic interneurons expressing parvalbumin (PV) have a high mitochondrial content reflecting their large energy utilization. The importance for correct trafficking and precise mitochondrial positioning remains poorly elucidated in inhibitory neurons. Miro1 is a Ca 2+ -sensing adaptor protein that links mitochondria to the trafficking apparatus, for their microtubule-dependent transport along axons and dendrites, in order to meet the metabolic and Ca 2+ -buffering requirements of the cell. Here, we explore the role of Miro1 in parvalbumin interneurons and how changes in mitochondrial trafficking could alter brain network activity. By employing live and fixed imaging, we found that the impairments in Miro1-directed trafficking in PV+ interneurons altered their mitochondrial distribution and axonal arborization. These changes were accompanied by an increase in the ex vivo hippocampal γ-oscillation (30 – 80 Hz) frequency and promoted anxiolysis. Our findings show that precise regulation of mitochondrial dynamics in PV+ interneurons is crucial for proper neuronal signaling and network synchronization.

ABSTRACT The K+/Cl– co-transporter KCC2 (SLC12A5) allows mature neurons in the CNS to maintain low intracellular Cl − levels that are critical in mediating fast hyperpolarizing synaptic inhibition via type A γ-aminobutyric acid receptors GABA A Rs. In accordance with this, compromised KCC2 activity results in seizures but whether such deficits directly contribute to the subsequent changes in neuronal viability that lead to epileptogenesis, remains to be assessed. Canonical hyperpolarizing GABA A R currents develop postnatally which reflect a progressive increase in KCC2 expression levels and activity. To investigate the role that KCC2 plays in regulating neuronal viability and architecture we have conditionally ablated KCC2 expression in developing and mature neurons. Decreasing KCC2 expression resulted in the rapid activation of the extrinsic apoptotic pathway, in mature hippocampal neurons. Intriguingly, direct pharmacological inhibition of KCC2 in mature neurons resulted in the rapid activation of the extrinsic apoptotic pathway. In contrast, ablating KCC2 expression in immature neurons had no discernable effects on their subsequent development, arborization or dendritic structure. However ablating KCC2 expression in immature neurons was sufficient to prevent the subsequent postnatal development of hyperpolarizing GABA A R currents. Collectively, our results demonstrate that KCC2 plays a critical role in neuronal survival by limiting apoptosis, and mature neurons are highly sensitive to loss of KCC2 function. In contrast KCC2 appears to play a minimal role in mediating neuronal development or architecture.

Altered excitatory/inhibitory balance is implicated in neuropsychiatric disorders but the genetic aetiology of this is still poorly understood. Copy number variations in CYFIP1 are associated with autism, schizophrenia and intellectual disability but the role of CYFIP1 in regulating synaptic inhibition or excitatory/inhibitory balance remains unclear. We show, CYFIP1, and its paralogue CYFIP2, are enriched at inhibitory postsynaptic sites. While upregulation of CYFIP1 or CYFIP2 increased excitatory synapse number and the frequency of miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs), it had the opposite effect at inhibitory synapses, decreasing their size and the amplitude of miniature inhibitory postsynaptic currents (mIPSCs). Contrary to CYFIP1 upregulation, its loss in vivo, upon conditional knockout in neocortical principal cells, increased expression of postsynaptic GABAA receptor β2/3-subunits and neuroligin 3 and enhanced synaptic inhibition. Thus, CYFIP1 dosage can bi-directionally impact inhibitory synaptic structure and function, potentially leading to altered excitatory/inhibitory balance and circuit dysfunction in CYFIP1-associated neurodevelopmental disorders.

Abstract Light Field Microscopy (LFM) is an imaging technique that offers the opportunity to study fast dynamics in biological systems due to its rapid 3D imaging rate. In particular, it is attractive to analyze neuronal activity in the brain. Unlike scanning-based imaging methods, LFM simultaneously encodes the spatial and angular information of light in a single snapshot. However, LFM is limited by a trade-off between spatial and angular resolution and is affected by scattering at deep layers in the brain tissue. In contrast, two-photon (2P) microscopy is a point-scanning 3D imaging technique that achieves higher spatial resolution, deeper tissue penetration, and reduced scattering effects. However, point-scanning acquisition limits the imaging speed in 2P microscopy and cannot be used to simultaneously monitor the activity of a large population of neurons. This work introduces a physics-driven deep neural network to image neuronal activity in scattering volume tissues using LFM. The architecture of the network is obtained by unfolding the ISTA algorithm and is based on the observation that the neurons in the tissue are sparse. The deep-network architecture is also based on a novel imaging system modeling that uses a linear convolutional neural network and fits the physics of the acquisition process. To achieve the high-quality reconstruction of neuronal activity in 3D brain tissues from temporal sequences of light field (LF) images, we train the network in a semi-supervised manner using generative adversarial networks (GANs). We use the TdTomato indicator to obtain static structural information of the tissue with the microscope operating in 2P scanning modality, representing the target reconstruction quality. We also use additional functional data in LF modality with GCaMP indicators to train the network. Our approach is tested under adverse conditions: limited training data, background noise, and scattering samples. We experimentally show that our method performs better than model-based reconstruction strategies and typical artificial neural networks for imaging neuronal activity in mammalian brain tissue, considering reconstruction quality, generalization to functional imaging, and reconstruction speed.

Abstract The trans-synaptic adhesion molecule Neuroligin-2 (NL2) is essential for the development and function of inhibitory synapses. NL2 recruits the postsynaptic scaffold protein gephyrin, which in turn stabilises GABA A receptors (GABA A Rs) in the postsynaptic domain. Dynamic regulation of synaptic GABA A R concentration is crucial for inhibitory neurotransmission efficacy. Changes in synaptic levels of NL2 contribute to regulating GABA A R synaptic concentration, however the mechanisms that control NL2 synaptic stabilisation are mostly unknown. Here, by combining biochemistry, imaging, single particle tracking and electrophysiology, we identify a key role for cAMP-dependent protein kinase (PKA) in synaptic stabilisation of NL2. We show that PKA-mediated phosphorylation of NL2 at S714 causes its dispersal from the synapse and reduces NL2 surface levels, leading to a loss of synaptic GABA A Rs. Conversely, enhanced stability of NL2 at synapses through abolishing phosphorylation leads to increased inhibitory signalling. Thus, PKA plays a key role in regulating NL2 function and synaptic inhibition.

Adaptor protein (AP) complexes have critical roles in transmembrane protein sorting. AP-4 remains poorly understood in the brain despite its loss of function leading to a hereditary spastic paraplegia termed AP-4 deficiency syndrome. Here we demonstrate that knockout (KO) of AP-4 in a mouse model leads to thinning of the corpus callosum and ventricular enlargement, anatomical defects previously described in patients. At the cellular level, we find that AP-4 KO leads to defects in axonal extension and branching, in addition to aberrant distal swellings. Interestingly, we show that ATG9A, a key protein in autophagosome maturation, is critically dependent on AP-4 for its sorting from the trans-golgi network. Failure of AP-4 mediated ATG9A sorting results in its dramatic retention in the trans-golgi network in vitro and in vivo leading to a specific reduction of the axonal pool of ATG9A. As a result, autophagosome biogenesis is aberrant in the axon of AP-4 deficient neurons. The specific alteration to axonal integrity and axonal autophagosome maturation in AP-4 knockout neurons may underpin the pathology of AP-4 deficiency.

Abstract Miro proteins are universally conserved mitochondrial calcium-binding GTPases that regulate a multitude of mitochondrial processes, including transport, clearance and lipid trafficking. Miro binds a variety of client proteins involved in these functions. How this binding is operated at the molecular level and whether and how it is important for mitochondrial health, however, remains unknown. Here, we show that known Miro clients all use a similar short motif to bind the same structural element: a highly conserved hydrophobic pocket in the calcium-binding domain of Miro. Using these Miro-binding motifs, we identified direct interactors de novo , including yeast Mdm34, and mammalian MTFR1/2/1L, VPS13D and Parkin. Given the shared binding mechanism and conservation across eukaryotes, we propose that Miro is a universal mitochondrial adaptor coordinating mitochondrial health. One-Sentence Summary Functionally diverse mitochondrial proteins interact with a conserved hydrophobic pocket on the calcium-binding Miro-GTPases.