Abnormally high spiking activity can damage neurons. Signaling systems to protect neurons from the consequences of abnormal discharge activity have been postulated. We generated conditional mutant mice that lack expression of the cannabinoid receptor type 1 in principal forebrain neurons but not in adjacent inhibitory interneurons. In mutant mice,the excitotoxin kainic acid (KA) induced excessive seizures in vivo. The threshold to KA-induced neuronal excitation in vitro was severely reduced in hippocampal pyramidal neurons of mutants. KA administration rapidly raised hippocampal levels of anandamide and induced protective mechanisms in wild-type principal hippocampal neurons. These protective mechanisms could not be triggered in mutant mice. The endogenous cannabinoid system thus provides on-demand protection against acute excitotoxicity in central nervous system neurons.

The cannabinoid receptor type 1 (CB1) and its endogenous ligands, the endocannabinoids, are involved in the regulation of food intake. Here we show that the lack of CB1 in mice with a disrupted CB1 gene causes hypophagia and leanness. As compared with WT (CB1+/+) littermates, mice lacking CB1 (CB1-/-) exhibited reduced spontaneous caloric intake and, as a consequence of reduced total fat mass, decreased body weight. In young CB1-/- mice, the lean phenotype is predominantly caused by decreased caloric intake, whereas in adult CB1-/- mice, metabolic factors appear to contribute to the lean phenotype. No significant differences between genotypes were detected regarding locomotor activity, body temperature, or energy expenditure. Hypothalamic CB1 mRNA was found to be coexpressed with neuropeptides known to modulate food intake, such as corticotropin-releasing hormone (CRH), cocaine-amphetamine-regulated transcript (CART), melanin-concentrating hormone (MCH), and preproorexin, indicating a possible role for endocannabinoid receptors within central networks governing appetite. CB1-/- mice showed significantly increased CRH mRNA levels in the paraventricular nucleus and reduced CART mRNA levels in the dorsomedial and lateral hypothalamic areas. CB1 was also detected in epidydimal mouse adipocytes, and CB1-specific activation enhanced lipogenesis in primary adipocyte cultures. Our results indicate that the cannabinoid system is an essential endogenous regulator of energy homeostasis via central orexigenic as well as peripheral lipogenic mechanisms and might therefore represent a promising target to treat diseases characterized by impaired energy balance.

Cannabinoids can modulate motor behaviour, learning and memory, cognition and pain perception. These effects correlate with the expression of the cannabinoid receptor 1 (CB1) and with the presence of endogenous cannabinoids in the brain. In trying to obtain further insights into the mechanisms underlying the modulatory effects of cannabinoids, CB1-positive neurons were determined in the murine forebrain at a single cell resolution. We performed a double in situ hybridization study to detect mRNA of CB1 in combination with mRNA of glutamic acid decarboxylase 65k, neuropeptide cholecystokinin (CCK), parvalbumin, calretinin and calbindin D28k, respectively. Our results revealed that CB1-expressing cells can be divided into distinct neuronal subpopulations. There is a clear distinction between neurons containing CB1 mRNA either at high levels or low levels. The majority of high CB1-expressing cells are GABAergic (gamma-aminobutyric acid) neurons belonging mainly to the cholecystokinin-positive and parvalbumin-negative type of interneurons (basket cells) and, to a lower extent, to the calbindin D28k-positive mid-proximal dendritic inhibitory interneurons. Only a fraction of low CB1-expressing cells is GABAergic. In the hippocampus, amygdala and entorhinal cortex area, CB1 mRNA is present at low but significant levels in many non-GABAergic cells that can be considered as projecting principal neurons. Thus, a complex mechanism appears to underlie the modulatory effects of cannabinoids. They might act on principal glutamatergic circuits as well as modulate local GABAergic inhibitory circuits. CB1 is very highly coexpressed with CCK. It is known that cannabinoids and CCK often have opposite effects on behaviour and physiology. Therefore, we suggest that a putative cross-talk between cannabinoids and CCK might exist and will be relevant to better understanding of physiology and pharmacology of the cannabinoid system.

Balanced control of neuronal activity is central in maintaining function and viability of neuronal circuits. The endocannabinoid system tightly controls neuronal excitability. Here, we show that endocannabinoids directly target hippocampal glutamatergic neurons to provide protection against acute epileptiform seizures in mice. Functional CB1 cannabinoid receptors are present on glutamatergic terminals of the hippocampal formation, colocalizing with vesicular glutamate transporter 1 (VGluT1). Conditional deletion of the CB1 gene either in cortical glutamatergic neurons or in forebrain GABAergic neurons, as well as virally induced deletion of the CB1 gene in the hippocampus, demonstrate that the presence of CB1 receptors in glutamatergic hippocampal neurons is both necessary and sufficient to provide substantial endogenous protection against kainic acid (KA)-induced seizures. The direct endocannabinoid-mediated control of hippocampal glutamatergic neurotransmission may constitute a promising therapeutic target for the treatment of disorders associated with excessive excitatory neuronal activity.

Mitochondria form a dynamic network, and it remains unclear how the alternate configurations interact with bioenergetics properties. The metabolic signals that link mitochondrial structure to its functional states have not been fully characterized. In this report, we analyze the bidirectional relationships between mitochondrial morphology and function in living human cells. First, we determined the effect of mitochondrial fission on energy production by using small interfering RNA (siRNA) targeting DRP1, which revealed the importance of membrane fluidity on the control of bioenergetics. Second, we followed the effect of rotenone, a specific inhibitor of respiratory chain complex I, which causes large structural perturbations, once a threshold was reached. Last, we followed changes in the mitochondrial network configuration in human cells that had been treated with modulators of oxidative phosphorylation, and in fibroblasts from two patients with mitochondrial disease where the respiratory rate, ΔΨ and the generation of reactive oxygen species (ROS) were measured. Our data demonstrate that the relationship between mitochondrial network organization and bioenergetics is bidirectional, and we provide a model for analyzing the metabolic signals involved in this crosstalk.

Although endocannabinoids constitute one of the first lines of defense against pain, the anatomical locus and the precise receptor mechanisms underlying cannabinergic modulation of pain are uncertain. Clinical exploitation of the system is severely hindered by the cognitive deficits, memory impairment, motor disturbances and psychotropic effects resulting from the central actions of cannabinoids. We deleted the type 1 cannabinoid receptor (CB1) specifically in nociceptive neurons localized in the peripheral nervous system of mice, preserving its expression in the CNS, and analyzed these genetically modified mice in preclinical models of inflammatory and neuropathic pain. The nociceptor-specific loss of CB1 substantially reduced the analgesia produced by local and systemic, but not intrathecal, delivery of cannabinoids. We conclude that the contribution of CB1-type receptors expressed on the peripheral terminals of nociceptors to cannabinoid-induced analgesia is paramount, which should enable the development of peripherally acting CB1 analgesic agonists without any central side effects.

The roles of endocannabinoid signaling during central nervous system development are unknown. We report that CB 1 cannabinoid receptors (CB 1 Rs) are enriched in the axonal growth cones of γ-aminobutyric acid–containing (GABAergic) interneurons in the rodent cortex during late gestation. Endocannabinoids trigger CB 1 R internalization and elimination from filopodia and induce chemorepulsion and collapse of axonal growth cones of these GABAergic interneurons by activating RhoA. Similarly, endocannabinoids diminish the galvanotropism of Xenopus laevis spinal neurons. These findings, together with the impaired target selection of cortical GABAergic interneurons lacking CB 1 Rs, identify endocannabinoids as axon guidance cues and demonstrate that endocannabinoid signaling regulates synaptogenesis and target selection in vivo.

Diet-induced obesity is associated with fatty liver, insulin resistance, leptin resistance, and changes in plasma lipid profile. Endocannabinoids have been implicated in the development of these associated phenotypes, because mice deficient for the cannabinoid receptor CB1 (CB1–/–) do not display these changes in association with diet-induced obesity. The target tissues that mediate these effects, however, remain unknown. We therefore investigated the relative role of hepatic versus extrahepatic CB1 receptors in the metabolic consequences of a high-fat diet, using liver-specific CB1 knockout (LCB1–/–) mice. LCB1–/– mice fed a high-fat diet developed a similar degree of obesity as that of wild-type mice, but, similar to CB1–/– mice, had less steatosis, hyperglycemia, dyslipidemia, and insulin and leptin resistance than did wild-type mice fed a high-fat diet. CB1 agonist–induced increase in de novo hepatic lipogenesis and decrease in the activity of carnitine palmitoyltransferase–1 and total energy expenditure were absent in both CB1–/– and LCB1–/– mice. We conclude that endocannabinoid activation of hepatic CB1 receptors contributes to the diet-induced steatosis and associated hormonal and metabolic changes, but not to the increase in adiposity, observed with high-fat diet feeding. Theses studies suggest that peripheral CB1 receptors could be selectively targeted for the treatment of fatty liver, impaired glucose homeostasis, and dyslipidemia in order to minimize the neuropsychiatric side effects of nonselective CB1 blockade during treatment of obesity-associated conditions.