The ion current induced by the glutamate receptor agonist N -methyl-D-aspartate (NMDA) in voltage-clamped hippocampal neurons was inhibited by ethanol (EtOH). Inhibition increased in a concentration-dependent manner over the range 5 to 50 m M , a range that also produces intoxication. The amplitude of the NMDA-activated current was reduced 61 percent by 50 m M EtOH; in contrast, this concentration of EtOH reduced the amplitude of current activated by the glutamate receptor agonists kainate and quisqualate by only 18 and 15 percent, respectively. The potency for inhibition of the NMDA-activated current by several alcohols is linearly related to their intoxicating potency, suggesting that alcohol-induced inhibition of responses to NMDA receptor activation may contribute to the neural and cognitive impairments associated with intoxication.

The basal ganglia are subcortical nuclei that control voluntary actions, and they are affected by a number of debilitating neurological disorders. The prevailing model of basal ganglia function proposes that two orthogonal projection circuits originating from distinct populations of spiny projection neurons (SPNs) in the striatum--the so-called direct and indirect pathways--have opposing effects on movement: activity of direct-pathway SPNs is thought to facilitate movement, whereas activity of indirect-pathway SPNs is presumed to inhibit movement. This model has been difficult to test owing to the lack of methods to selectively measure the activity of direct- and indirect-pathway SPNs in freely moving animals. Here we develop a novel in vivo method to specifically measure direct- and indirect-pathway SPN activity, using Cre-dependent viral expression of the genetically encoded calcium indicator (GECI) GCaMP3 in the dorsal striatum of D1-Cre (direct-pathway-specific) and A2A-Cre (indirect-pathway-specific) mice. Using fibre optics and time-correlated single-photon counting (TCSPC) in mice performing an operant task, we observed transient increases in neural activity in both direct- and indirect-pathway SPNs when animals initiated actions, but not when they were inactive. Concurrent activation of SPNs from both pathways in one hemisphere preceded the initiation of contraversive movements and predicted the occurrence of specific movements within 500 ms. These observations challenge the classical view of basal ganglia function and may have implications for understanding the origin of motor symptoms in basal ganglia disorders.

The authors use in vivo striatal recordings to study region-specific changes in activity during the different phases of skill learning. The dorsomedial striatum is preferentially engaged early in training and the dorsolateral striatum is engaged later in training. The learning of new skills is characterized by an initial phase of rapid improvement in performance and a phase of more gradual improvements as skills are automatized and performance asymptotes. Using in vivo striatal recordings, we observed region-specific changes in neural activity during the different phases of skill learning, with the associative or dorsomedial striatum being preferentially engaged early in training and the sensorimotor or dorsolateral striatum being engaged later in training. Ex vivo recordings from medium spiny striatal neurons in brain slices of trained mice revealed that the changes observed in vivo corresponded to regional- and training-specific changes in excitatory synaptic transmission in the striatum. Furthermore, the potentiation of glutamatergic transmission observed in dorsolateral striatum after extensive training was preferentially expressed in striatopallidal neurons, rather than striatonigral neurons. These findings demonstrate that region- and pathway-specific plasticity sculpts the circuits involved in the performance of the skill as it becomes automatized.

Protein kinase C activity in rat hippocampal membranes and cytosol was determined 1 minute and 1 hour after induction of the synaptic plasticity of long-term potentiation. At 1 hour after long-term potentiation, but not at 1 minute, protein kinase C activity was increased twofold in membranes and decreased proportionately in cytosol, suggesting translocation of the activity. This time-dependent redistribution of enzyme activity was directly related to the persistence of synaptic plasticity, suggesting a novel mechanism regulating the strength of synaptic transmission.

Long-term depression (LTD) of the synapse formed between cortical pyramidal neurons and striatal medium spiny neurons is central to many theories of motor plasticity and associative learning. The induction of LTD at this synapse is thought to depend upon D(2) dopamine receptors localized in the postsynaptic membrane. If this were true, LTD should be inducible in neurons from only one of the two projection systems of the striatum. Using transgenic mice in which neurons that contribute to these two systems are labeled, we show that this is not the case. Rather, in both cell types, the D(2) receptor dependence of LTD induction reflects the need to lower M(1) muscarinic receptor activity-a goal accomplished by D(2) receptors on cholinergic interneurons. In addition to reconciling discordant tracts of the striatal literature, these findings point to cholinergic interneurons as key mediators of dopamine-dependent striatal plasticity and learning.

Summary

 Dopamine plays a critical role in motor control, addiction, and reward-seeking behaviors, and its release dynamics have traditionally been linked to changes in midbrain dopamine neuron activity. Here, we report that selective endogenous cholinergic activation achieved via in vitro optogenetic stimulation of nucleus accumbens, a terminal field of dopaminergic neurons, elicits real-time dopamine release. This mechanism occurs via direct actions on dopamine terminals, does not require changes in neuron firing within the midbrain, and is dependent on glutamatergic receptor activity. More importantly, we demonstrate that in vivo selective activation of cholinergic interneurons is sufficient to elicit dopamine release in the nucleus accumbens. Therefore, the control of accumbal extracellular dopamine levels by endogenous cholinergic activity results from a complex convergence of neurotransmitter/neuromodulator systems that may ultimately synergize to drive motivated behavior.

CB1 cannabinoid receptors in the neostriatum mediate profound motor deficits induced when cannabinoid drugs are administered to rodents. Because the CB1 receptor has been shown to inhibit neurotransmitter release in various brain areas, we investigated the effects of CB1 activation on glutamatergic synaptic transmission in the dorsolateral striatum of the rat where the CB1 receptor is highly expressed. We performed whole cell voltage-clamp experiments in striatal brain slices and applied the CB1 agonists HU-210 or WIN 55,212–2 during measurement of synaptic transmission. Excitatory postsynaptic currents (EPSCs), evoked by electrical stimulation of afferent fibers, were significantly reduced in a dose-dependent manner by CB1 agonist application. EPSC inhibition was accompanied by an increase in two separate indices of presynaptic release, the paired-pulse response ratio and the coefficient of variation, suggesting a decrease in neurotransmitter release. These effects were prevented by application of the CB1 antagonist SR141716A. When Sr 2+ was substituted for Ca 2+ in the extracellular solution, application of HU-210 (1 μM) significantly reduced the frequency, but not amplitude, of evoked, asynchronous quantal release events. Spontaneous release events were similarly decreased in frequency with no change in amplitude. These findings further support the interpretation that CB1 activation leads to a decrease of glutamate release from afferent terminals in the striatum. These results reveal a novel potential role for cannabinoids in regulating striatal function and thus basal ganglia output and may suggest CB1-targeted drugs as potential therapeutic agents in the treatment of Parkinson's disease and other basal ganglia disorders.

The authors provide definitive evidence for the in vivo contribution of D2 autoreceptors to dopamine-mediated behavior by studying mice deficient in D2 autoreceptors. These mice lack dopamine-mediated somatodendritic responses and inhibition of dopamine release, and show supersensitivity to the psychomotor effects of cocaine. Dopamine (DA) D2 receptors expressed in DA neurons (D2 autoreceptors) exert a negative feedback regulation that reduces DA neuron firing, DA synthesis and DA release. As D2 receptors are mostly expressed in postsynaptic neurons, pharmacological and genetic approaches have been unable to definitively address the in vivo contribution of D2 autoreceptors to DA-mediated behaviors. We found that midbrain DA neurons from mice deficient in D2 autoreceptors (Drd2loxP/loxP; Dat+/IRES−cre, referred to as autoDrd2KO mice) lacked DA-mediated somatodendritic synaptic responses and inhibition of DA release. AutoDrd2KO mice displayed elevated DA synthesis and release, hyperlocomotion and supersensitivity to the psychomotor effects of cocaine. The mice also exhibited increased place preference for cocaine and enhanced motivation for food reward. Our results highlight the importance of D2 autoreceptors in the regulation of DA neurotransmission and demonstrate that D2 autoreceptors are important for normal motor function, food-seeking behavior, and sensitivity to the locomotor and rewarding properties of cocaine.

Abstract Docosahexaenoic acid (DHA, 22:6 n ‐3), the major polyunsaturated fatty acid accumulated in the brain during development, has been implicated in learning and memory, but underlying cellular mechanisms are not clearly understood. Here, we demonstrate that DHA significantly affects hippocampal neuronal development and synaptic function in developing hippocampi. In embryonic neuronal cultures, DHA supplementation uniquely promoted neurite growth, synapsin puncta formation and synaptic protein expression, particularly synapsins and glutamate receptors. In DHA‐supplemented neurons, spontaneous synaptic activity was significantly increased, mostly because of enhanced glutamatergic synaptic activity. Conversely, hippocampal neurons from DHA‐depleted fetuses showed inhibited neurite growth and synaptogenesis. Furthermore, n ‐3 fatty acid deprivation during development resulted in marked decreases of synapsins and glutamate receptor subunits in the hippocampi of 18‐day‐old pups with concomitant impairment of long‐term potentiation, a cellular mechanism underlying learning and memory. While levels of synapsins and NMDA receptor subunit NR2A were decreased in most hippocampal regions, NR2A expression was particularly reduced in CA3, suggesting possible role of DHA in CA3‐NMDA receptor‐dependent learning and memory processes. The DHA‐induced neurite growth, synaptogenesis, synapsin, and glutamate receptor expression, and glutamatergic synaptic function may represent important cellular aspects supporting the hippocampus‐related cognitive function improved by DHA.