Abstract Spontaneous activity of neurons during early ontogenesis is instrumental for stabilization and refinement of developing neuronal connections. The role of spontaneous activity in synaptic development has been described in detail for cortical-like structures. Yet, very little is known about activity-dependent development of long-range inhibitory projections, such as projections from striatum. Here, we show that striatal projection neurons (SPNs) in dorsal striatum are spontaneously active in P4-P14 mice. Spontaneous activity was detected in both direct-pathway SPNs (dSPNs) and indirect-pathway SPNs (iSPNs). Most of the spontaneously active cells were in striosomes – a chemical compartment in striatum defined by expression of µ-opioid receptor. Higher excitability of both striosomal dSPNs and iSPNs was related to their intrinsic excitability properties (higher action potential half-width and IV slope). Tonic activation of muscarinic M1 receptor maintains the spontaneous activity of striosomal SPNs, the effect being stronger in iSPNs and weaker in dSPNs. To investigate if the neonatal spontaneous activity is needed for the stabilization of SPN long-range projections, we chemogenetically inhibited striosomal SPNs in neonatal animals and studied the efficiency of striatonigral projections in adult animals. Inhibition of striosomal SPNs by chronic CNO administration to P6-14 pups caused a reduction in the functional GABAergic innervation and in the density of gephyrin puncta in dopaminergic neurons of substantia nigra pars compacta of the adult (P52-79) animals. Chronic administration of CNO later in development (P21-29), on the contrary, resulted in higher mIPSC frequency in dopaminergic cells of the adult animals. Thus, the activity-dependent stabilization of striosomal projections has different developmental phases, and the long-term outcome of perturbations in these processes depends on the developmental period when they occur. Taken together, our results demonstrate that spontaneous activity of SPNs is essential for the maturation and stabilization of striatal efferents.

ABSTRACT Birth stress is a strong risk factor for psychiatric disorders and associated with an exaggerated release of the stress hormone arginine vasopressin (AVP) into circulation and in the brain. While it has been shown that AVP promotes firing of GABAergic interneurons leading to suppression of spontaneous perinatal hippocampal network events that suggest a protective function, its effect on developing subcortical networks is not known. Here we tested the effect of AVP on the neonatal dorsal raphe nucleus (DRN) 5-hydroxytryptamine (5-HT, serotonin) system, since early 5-HT homeostasis is critical for the development of cortical brain regions and emotional behaviors. Using in vitro electrophysiological recording techniques, we show that AVP strongly excites neonatal 5-HT neurons via V 1A receptors by increasing their excitatory synaptic inputs. Accordingly, AVP also promotes action potential firing through a combination of its effect on glutamatergic synaptic transmission and a direct effect on the excitability of 5-HT neurons. Our in vivo single unit recordings of identified neonatal 5-HT neurons under light urethane anaesthesia revealed two major firing patterns of neonatal 5-HT neurons, tonic regular firing and low frequency oscillations of regular spike trains. We confirmed that AVP also increases firing activity of putative 5-HT neurons in neonatal DRN in vivo . Finally, we show that neonatal DRN contains a sparse vasopressinergic innervation that is strongly sex dependent and originates exclusively from vasopressinergic cell groups in medial amygdala and bed nucleus of stria terminalis (BNST). Our results show, that in contrast to developing cortical networks where AVP promotes inhibition, AVP can also be strongly excitatory in immature subcortical networks such as the DRN 5-HT system. Hyperactivation of the neonatal 5-HT system by AVP during birth stress may impact its own ongoing functional development as well as affect maturation of cortical target regions, which may increase the risk for psychiatric conditions later on. Author Contributions E.O. performed and analysed the in vitro electrophysiological experiments, related immunohistochemistry of filled neurons as well as image analysis, B.K. and H.H. conducted and analysed the in vivo juxtacellular electrophysiological recordings and labelling, related immunohistochemistry of labelled neurons and image analysis, H.H. did the multi-channel in vivo electrophysiological recordings and intracerebral injections as well as related histology, H.T-G. analysed the multi-channel in vivo electrophysiological data, B.K. and H.H. performed the tracing experiments, E.O. and H.H. carried out immunohistochemistry related to the tracing experiments, E.O. performed image analysis related to tracing experiments, M.S. performed and analysed AVP immunocytochemistry experiments in neonatal DRN, H.H. and S.E.L. provided resources for the experimental work and supervised the project. H.H. conceptualized and coordinated the project. The manuscript was written by H.H. with significant contributions from all authors.

Abstract Background MECP2 gene is located in the X-chromosome and encodes a methyl-CpG-binding protein involved in transcription regulation. The loss-of-function mutation of the MECP2 gene, leads to severe neurodevelopmental syndrome, Rett syndrome. Clinical picture of Rett syndrome includes, among other symptoms, social deficits and heightened anxiety. The amygdala is involved in the regulation of social behavior as well as fear and anxiety. Here, we investigated the effect of the MeCP2 gene ablation in the parvalbumin interneurons on the microcircuit and functional connectivity of the amygdala. Methods Males with conditional knock-out of the MeCP2 gene in the parvalbumin interneurons were used as a genetic mouse model of MeCP2 loss in parvalbumin interneurons. Littermates with the intact gene were used as controls. Ex-vivo brain slice electrophysiology, combined with pharmacology and optogenetics, was used to characterize microcircuits within the lateral amygdala. Synaptic currents and excitability of parvalbumin interneurons and principal neurons were analyzed by a whole-cell patch clamp. In-vivo functional ultrasound was used to visualize the connectivity within the amygdala–ventral hippocampus–prefrontal cortex triad. Results Loss of MeCP2 in parvalbumin interneurons significantly reduced the GABAergic synaptic input to the principal neurons in the lateral amygdala. The decreased inhibitory drive was accompanied by an increase in the excitability of principal neurons in the lateral amygdala. The in vivo functional connectivity of the amygdala-ventral hippocampus and amygdala-prefrontal cortex was significantly reduced in conditional knock-outs compared to their littermates with the intact gene in the X chromosome. Conclusions Our study characterized the consequences of MeCP2 gene loss in the parvalbumin interneurons on the amygdala connectivity and microcircuit and provided evidence supporting the previous findings on the role of interneurons in the functional deficit observed in animal models with MeCP2 loss.