Abstract The midbrain reticular formation is a mosaic of diverse GABAergic and glutamatergic neurons that have been associated with a variety of functions, including the regulation of sleep. However the molecular characteristics and development of the midbrain reticular formation neurons are poorly understood. As the transcription factor Gata2 is required for the development of all GABAergic neurons derived from the embryonic mouse midbrain, we hypothesized that the genes expressed downstream of Gata2 could contribute to the diversification of GABAergic neuron subtypes in this brain region. Here, we show that Gata2 is indeed required for the expression of several lineage-specific transcription factors in post-mitotic midbrain GABAergic neuron precursors. These include a homeodomain transcription factor Nkx2-2 and a SKI family transcriptional repressor Skor2, which are co-expressed in a restricted group of GABAergic precursors in the midbrain reticular formation. Both Gata2, and Nkx2-2 function is required for the expression of Skor2 in GABAergic precursors. In the adult mouse as well as rat midbrain, the Nkx2-2 and Skor2 expressing GABAergic neurons locate at the boundary of the ventrolateral periaqueductal gray and the midbrain reticular formation, an area shown to contain REM-off neurons regulating REM sleep. In addition to the characteristic localization, the Skor2 positive cells increase their activity upon REM sleep inhibition, send projections to a pontine region associated with sleep control and are responsive to orexins, consistent with the known properties of the midbrain REM-off neurons.

Abstract Intracellular pH is a potent modulator of neuronal functions. By catalyzing (de)hydration of CO 2 , intracellular carbonic anhydrase (CA i ) isoforms CAII and CAVII contribute to neuronal pH buffering and dynamics. The presence of two highly active isoforms suggests that they form spatially distinct CA i pools enabling subcellular modulation of pH. Here we show that CAVII, unlike CAII, is localized to the filamentous actin network, and its overexpression induces formation of thick actin bundles and membrane protrusions in fibroblasts. In neurons, CAVII is enriched in dendritic spines, and its over-expression causes aberrant spine morphology. We identified amino acids unique to CAVII that are required for direct actin interactions, promoting actin filament bundling and spine targeting. Lack of CAVII in neocortical neurons leads to reduced spine density and increased proportion of small spines. Thus, our work demonstrates highly distinct subcellular expression patterns of CAII and CAVII, and a novel, structural role of CAVII.

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.