Plasticity of the nervous system is dependent on mechanisms that regulate the strength of synaptic transmission. Excitatory synapses in the brain undergo long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD), cellular models of learning and memory. Protein phosphorylation is required for the induction of many forms of synaptic plasticity, including LTP and LTD. However, the critical kinase substrates that mediate plasticity have not been identified. We previously reported that phosphorylation of the GluR1 subunit of AMPA receptors, which mediate rapid excitatory transmission in the brain, is modulated during LTP and LTD. To test if GluR1 phosphorylation is necessary for plasticity and learning and memory, we generated mice with knockin mutations in the GluR1 phosphorylation sites. The phosphomutant mice show deficits in LTD and LTP and have memory defects in spatial learning tasks. These results demonstrate that phosphorylation of GluR1 is critical for LTD and LTP expression and the retention of memories.

Homeostatic plasticity may compensate for Hebbian forms of synaptic plasticity, such as long-term potentiation (LTP) and depression (LTD), by scaling neuronal output without changing the relative strength of individual synapses. This delicate balance between neuronal output and distributed synaptic weight may be necessary for maintaining efficient encoding of information across neuronal networks. Here, we demonstrate that Arc/Arg3.1, an immediate-early gene (IEG) that is rapidly induced by neuronal activity associated with information encoding in the brain, mediates homeostatic synaptic scaling of AMPA type glutamate receptors (AMPARs) via its ability to activate a novel and selective AMPAR endocytic pathway. High levels of Arc/Arg3.1 block the homeostatic increases in AMPAR function induced by chronic neuronal inactivity. Conversely, loss of Arc/Arg3.1 results in increased AMPAR function and abolishes homeostatic scaling of AMPARs. These observations, together with evidence that Arc/Arg3.1 is required for memory consolidation, reveal the importance of Arc/Arg3.1's dynamic expression as it exerts continuous and precise control over synaptic strength and cellular excitability.

Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized clinically by cognitive impairments that progress to dementia and death. The earliest symptoms of AD present as a relatively pure deficit in memory retrieval. Therefore, drug treatments that intervene in the early stages of AD by rescuing memory deficits could be promising therapies to slow, or even reverse progression of the disease. In this study, we tested the potential of systemic histone deacetylase inhibitor (HDACi) treatment to rescue cognitive deficits in a mouse model of AD. APPswe/PS1dE9 mice showed pronounced contextual memory impairments beginning at 6 months of age. Chronic HDACi injections (2–3 weeks) did not alter contextual memory formation in normal mice, but had profound effects in transgenic animals. Injections of sodium valproate, sodium butyrate, or vorinostat (suberoylanilide hydroxamic acid; Zolinza®) completely restored contextual memory in these mutant mice. Further behavioral testing of the HDACi-treated transgenic mice showed that the newly consolidated memories were stably maintained over a 2-week period. Measurement of the HDAC isoform selectivity profile of sodium valproate, sodium butyrate, and vorinostat revealed the common inhibition of class I HDACs (HDAC1, 2, 3, 8) with little effect on the class IIa HDAC family members (HDAC4, 5, 7, 9) and inhibition of HDAC6 only by vorinostat. These preclinical results indicate that targeted inhibition of class I HDAC isoforms is a promising avenue for treating the cognitive deficits associated with early stage AD.

The authors report that persistent, gene-specific hypermethylation is induced by associative learning and that inhibition of methylation long after learning disrupts remote memory. This suggests that DNA methylation may be a mechanism for preserving long-lasting memories. A behavioral memory's lifetime represents multiple molecular lifetimes, suggesting the necessity for a self-perpetuating signal. One candidate is DNA methylation, a transcriptional repression mechanism that maintains cellular memory throughout development. We found that persistent, gene-specific cortical hypermethylation was induced in rats by a single, hippocampus-dependent associative learning experience and pharmacologic inhibition of methylation 1 month after learning disrupted remote memory. We propose that the adult brain utilizes DNA methylation to preserve long-lasting memories.

AMPA glutamate receptors (AMPARs) mediate fast excitatory synaptic transmission. Upon fast consecutive synaptic stimulation, transmission can be depressed. Recuperation from fast synaptic depression has been attributed solely to recovery of transmitter release and/or AMPAR desensitization. We show that AMPAR lateral diffusion, observed in both intact hippocampi and cultured neurons, allows fast exchange of desensitized receptors with naïve functional ones within or near the postsynaptic density. Recovery from depression in the tens of millisecond time range can be explained in part by this fast receptor exchange. Preventing AMPAR surface movements through cross-linking, endogenous clustering, or calcium rise all slow recovery from depression. Physiological regulation of postsynaptic receptor mobility affects the fidelity of synaptic transmission by shaping the frequency dependence of synaptic responses.

Mutations that cause intellectual disability (ID) and autism spectrum disorder (ASD) are commonly found in genes that encode for synaptic proteins. However, it remains unclear how mutations that disrupt synapse function impact intellectual ability. In the SYNGAP1 mouse model of ID/ASD, we found that dendritic spine synapses develop prematurely during the early postnatal period. Premature spine maturation dramatically enhanced excitability in the developing hippocampus, which corresponded with the emergence of behavioral abnormalities. Inducing SYNGAP1 mutations after critical developmental windows closed had minimal impact on spine synapse function, whereas repairing these pathogenic mutations in adulthood did not improve behavior and cognition. These data demonstrate that SynGAP protein acts as a critical developmental repressor of neural excitability that promotes the development of life-long cognitive abilities. We propose that the pace of dendritic spine synapse maturation in early life is a critical determinant of normal intellectual development.

Abstract Autism spectrum disorder (ASD) is a genetically heterogeneous disorder linked with rare, inherited and de novo mutations occurring in two main functional gene categories: gene expression regulation and synaptic function 1 . Accumulating evidence points to dysregulation in cortical neurogenesis as a convergent mechanism in ASD pathophysiology 2-8 . While asynchronous development has been identified as a shared feature among ASD-risk genes in the category of gene expression regulation, it remains unknown whether this phenotype is also associated with ASD-risk genes in the synaptic function category. Here we show for the first time the expression of the synaptic Ras GTP-ase activating protein 1 (SYNGAP1), one of the top ASD risk genes 9 , in human cortical progenitors (hCPs). Interestingly, we found that multiple components of the postsynaptic density (PSD) of excitatory synapses, of which SYNGAP1 is one of the most abundant components 10,11 , are enriched in the proteome of hCPs. Specifically, we discover that SYNGAP1 is expressed within the apical domain of human radial glia cells (hRGCs) where it lines the wall of the developing cortical ventricular zone colocalizing with the tight junction-associated protein and MAGUK family member TJP1. In a cortical organoid model of SYNGAP1 haploinsufficiency, we show dysregulated cytoskeletal dynamics that impair the scaffolding and division plane of hRGCs, resulting in disrupted lamination of the cortical plate and accelerated maturation of cortical projection neurons. Overall, the discovery of the expression and function of SYNGAP1 in cortical progenitor cells reframes our understanding of the pathophysiology of SYNGAP1-related disorders and, more broadly, underscores the importance of dissecting the role of synaptic genes associated with neurodevelopmental disorders in distinct cell types across developmental stages.

Summary Gene expression intersects with neural activity to produce cortical circuits during brain development. However, the cell biological mechanisms linking gene expression to activity-dependent cortical circuit assembly remain unclear. Here, we demonstrate in mice that a newly discovered function of the neurodevelopmental disorder gene, Syngap1 , is to cell-autonomously control intrinsic membrane excitability (IME) in developing cortical glutamatergic neurons. Syngap1 regulation of IME was mechanistically linked to wiring of a cortical circuit motif required for sensory processing and behavioral action. Restoring depressed IME in Syngap1 deficient neurons through genetic targeting of hyper-functional potassium currents unleashed deficient dendritic morphogenesis in upper lamina sensory cortex pyramidal neurons. Furthermore, enhancing dendritic morphogenesis was sufficient to stimulate assembly of translaminar feed-forward excitatory circuit motifs. Thus, Syngap1 promotes excitatory circuit assembly during cortical development by maintaining IME in a range that enables trophic neuronal activity to maximize pyramidal cell somatodendritic maturation and subsequent synapse formation. Highlights Syngap1 cell-autonomously tunes cortical pyramidal neuron IME in vivo Syngap1 -IME is regulated in part by control of neuronal potassium currents Syngap1 enhancement of IME drives dendritic maturation in pyramidal cells Syngap1 tuning of IME-regulated dendritic maturation promotes circuit assembly

Abstract SYNGAP1 is a major genetic risk factor for global developmental delay, autism spectrum disorder, and epileptic encephalopathy. De novo loss-of-function variants in this gene cause a neurodevelopmental disorder defined by cognitive impairment, social-communication disorder, and early-onset seizures. Cell biological studies in mouse and rat neurons have shown that Syngap1 regulates developing excitatory synapse structure and function, with loss-of-function variants driving formation of larger dendritic spines and stronger glutamatergic transmission. However, studies to date have been limited to mouse and rat neurons. Therefore, it remains unknown how SYNGAP1 loss-of-function impacts the development and function of human neurons. To address this, we employed CRISPR/Cas9 technology to ablate SYNGAP1 protein expression in neurons derived from a human induced pluripotent stem cell line (hiPSC). Reducing SynGAP protein expression in developing hiPSC-derived neurons enhanced dendritic morphogenesis, leading to larger neurons compared to those derived from isogenic controls. Consistent with larger dendritic fields, we also observed a greater number of morphologically defined excitatory synapses in cultures containing these neurons. Moreover, neurons with reduced SynGAP protein had stronger excitatory synapses and expressed synaptic activity earlier in development. Finally, distributed network spiking activity appeared earlier, was substantially elevated, and exhibited greater bursting behavior in SYNGAP1 null neurons. We conclude that SYNGAP1 regulates the postmitotic maturation of human neurons made from hiPSCs, which influences how activity develops within nascent neural networks. Alterations to this fundamental neurodevelopmental process may contribute to the etiology of SYNGAP1 -related disorders.

The Syngap1 gene is a major regulator of synapse biology and neural circuit function. Genetic variants linked to epilepsy and intellectual disability disrupt synaptic function and neural excitability. The SynGAP protein has been involved in multiple signaling pathways and can regulate small GTPases with very different functions. Yet, the molecular bases behind this pleiotropy are poorly understood. We hypothesize that different SynGAP isoforms will mediate different sets of functions and that deciphering their spatio-temporal expression and subcellular localization will accelerate our understanding of the multiple functions performed by SynGAP. Using antibodies that detect all isoforms of SynGAP, we found that its subcellular localization changed throughout postnatal development. Consistent with previous reports, SynGAP was enriched in the postsynaptic density in the mature forebrain. However, this was age-dependent and SynGAP was predominantly found in non-synaptic locations in a period of postnatal development highly sensitive to SynGAP levels. Furthermore, we identified different expression patterns in the spatial and temporal axes for different SynGAP isoforms. Particularly noticeable was the delayed expression of SynGAP α1 isoforms, which bind to PSD-95 at the postsynaptic density, in cortex and hippocampus during the first two weeks of postnatal development. The subcellular localization of SynGAP was also isoform-dependent. While, α1 isoforms were highly enriched in the postsynaptic density, other C-terminal isoforms were less enriched or even more abundant in non-synaptic locations, particularly during the postnatal period. Thus, the regulation of expression and subcellular distribution of SynGAP isoforms may contribute to isoform-specific regulation of small GTPases, explaining SynGAP pleiotropy.