ABSTRACT Bipolar disorder (BD) is characterized by cyclical alternations between mania and depression, often comorbid with psychosis, and suicide. The mood stabilizer lithium, compared to other medications, is the most efficient treatment for prevention of manic and depressive episodes. The pathophysiology of BD, and lithium’s mode of action, are yet to be fully understood. Evidence suggests a change in the balance of excitatory/inhibitory activity, favouring excitation in BD. Here, we sought to establish a holistic appreciation of the neuronal consequences of lithium exposure in mouse cortical neurons and identify underlying mechanisms. We found that chronic (but not acute) lithium treatment significantly reduced intracellular calcium flux, specifically through the activation of the metabotropic glutamatergic receptor mGluR5. This was associated with altered phosphorylation of PKC and GSK3 kinases, reduced neuronal excitability, and several alterations to synapse function. Consequently, lithium treatment shifts the excitatory/inhibitory balance in the network toward inhibition. Together, the results revealed how lithium dampens neuronal excitability and glutamatergic network activity, which are predicted to be overactive in the manic phase of BD. Our working model of lithium action enables the development of targeted strategies to restore the balance of overactive networks, mimicking the therapeutic benefits of lithium, but with reduced toxicity.

ABSTRACT Bipolar disorder (BD) is a multifactorial psychiatric illness affecting about 1% of the world population. The first line treatment, lithium (Li), is effective in only a subset of patients and its mechanism of action remains largely elusive. In the present study, we used iPSC-derived neurons from BD patients responsive (LR) or not (LNR) to lithium and combined electrophysiology, calcium imaging, biochemistry, transcriptomics, and phosphoproteomics to report mechanistic insights into neuronal hyperactivity in BD, and Li’s mode of action. We show a selective rescue of neuronal hyperactivity by Li in BD LR neurons through changes in Na + currents. The whole transcriptome sequencing revealed altered gene expression in BD neurons in pathways related to glutamatergic transmission, and Li selectively altered those involved in cell signaling and ion transport/channel activity. We found the therapeutic effect of Li in BD LR patients was associated with Akt signaling and confirmed that an Akt activator mimics Li effect in BD LR neurons. Further, we showed that AMP-activated protein kinase (AMPK) reduces neural network activity and sodium currents in BD LNR patients. These findings suggest the potential for novel treatment strategies in BD, such as Akt activators in BD LR cases, and the use of AMPK activators for BD LNR patients.

ABSTRACT The USP19 deubiquitinase is found in a locus associated with Parkinson’s Disease (PD), interacts with heat shock proteins and promotes secretion of a-synuclein (a-syn) through the misfolding associated protein secretion (MAPS) pathway. Since these processes might modulate the processing of a-syn aggregates during the progression of PD, we tested the effect of USP19 knockout (KO) in mice expressing the A53T mutation of a-syn and in whom a-syn preformed fibrils (PFF) had been injected in the striatum. Compared to WT, KO brains showed decreased accumulation of phospho-synuclein (pSyn) positive aggregates. The improved pathology was associated with less activation of microglia, higher levels of synaptic marker proteins and improved performance in a tail suspension test. Exposure of primary neurons from WT and KO mice to PFF in vitro also led to decreased accumulation of pSyn aggregates. KO did not affect uptake of PFF in the cultured neurons. It also did not affect the propagation of aggregates as assessed by exposing WT or KO neurons to PFF and measuring pSyn positive aggregates in non-exposed adjacent neurons separated using a microfluidics device. We conclude that USP19 instead modulates intracellular dynamics of aggregates. Indeed, at the early time following PFF injection when the number of pSyn positive neurons were similar in WT and KO brains, the KO neurons contained less aggregates. KO brain aggregates stained more intensely with anti-ubiquitin antibodies. Immunoprecipitation of soluble proteins from primary neurons exposed to PFF with antibodies to ubiquitin or pSyn showed higher levels of ubiquitinated a-syn oligomeric species in the KO neurons. We propose that the improved pathology in USP19 KO brains may arise from decreased formation or enhanced clearance of the more ubiquitinated aggregates and/or enhanced disassembly towards more soluble oligomeric species. USP19 inhibition may represent a novel therapeutic approach that targets the intracellular dynamics of a-syn complexes.