ABSTRACT The insular cortex, or insula, is a large brain region involved in the detection of thirst and the control of water intake. However our understanding of the topographical, circuit and molecular mechanisms the controlling water intake within the insula remains parcellated. We found that type-1 cannabinoid receptors (CB 1 ) within the insular cortex participate to the regulation of water intake, and deconstructed circuit mechanisms of this control. Topographically, we revealed that the activity of excitatory neurons in both anterior (aIC) and posterior (pIC) insula increases in response to water intake, yet removal of CB 1 receptors only in the pIC decreases water intake. Interestingly, we found that CB 1 receptors are highly expressed in insula projections to the basolateral amygdala (BLA), while undetectable in the neighboring central part of the amygdala. Thus, we imaged the neurons of the anterior or posterior insula targeting the BLA (aIC-BLA and pIC-BLA), and found they oppositely respond to water intake, respectively decreasing and increasing their activity upon water drinking. Consistently, chemogenetic activation of pIC-BLA neurons decreased water intake. Finally, we uncovered CB 1 -dependent short term synaptic plasticity (depolarization-induced suppression of excitation, DSE) selectively in pIC-BLA, compared to aIC-BLA synapses. Altogether, our results support a model where CB 1 signaling in the pIC-BLA pathway exerts a positive control on water intake.

Astrocytes control brain activity via both metabolic processes and gliotransmission, but the physiological links between these functions are scantly known. Here we show that endogenous activation of astrocyte type-1 cannabinoid (CB1) receptors determines a shift of glycolysis towards the lactate-dependent production of D-serine, thereby gating synaptic and cognitive functions in male mice. Mutant mice lacking the CB1 receptor gene in astrocytes (GFAP-CB1-KO) are impaired in novel object recognition (NOR) memory. This phenotype is rescued by the gliotransmitter D-serine, by its precursor L-serine, and also by lactate and 3,5-DHBA, an agonist of the lactate receptor HCAR1. Such lactate-dependent effect is abolished when the astrocyte-specific phosphorylated-pathway (PP), which diverts glycolysis towards L-serine synthesis, is blocked. Consistently, lactate and 3,5-DHBA promoted the co-agonist binding site occupancy of CA1 post-synaptic NMDA receptors in hippocampal slices in a PP-dependent manner. Thus, a tight cross-talk between astrocytic energy metabolism and gliotransmission determines synaptic and cognitive processes.

Growth-associated protein of 43 kDa (GAP43) is a key cytoskeleton-associated component of the presynaptic terminal that facilitates neuroplasticity. Downregulation of GAP43 expression has been associated to various psychiatric conditions in humans and evokes hippocampus-dependent memory impairments in mice. Despite the extensive studies conducted on hippocampal GAP43 in past decades, however, very little is known about its roles in modulating the excitatory

The idea that the effects of drugs largely depend on subcellular target location is emerging as a novel predictive factor of their beneficial or adverse outcomes. G protein-coupled type-1 cannabinoid receptors (CB1) are regulators of several brain functions as well as the main targets of cannabinoid-based medicines. Besides their classical location at plasma membranes, CB1 receptors are present at different locations within cells, including in association to mitochondrial membranes (mtCB1). Here we report the generation and characterization of a mutant mouse line, which lack mtCB1 receptors.

Water intake is regulated by neocortical top-down circuits, but their identity and the cellular mechanisms involved are scantly known. Here, we show that endogenous activation of type-1 cannabinoid receptors (CB1) promotes water intake and that endocannabinoid modulation of excitatory projections from the anterior cingulate cortex to the basolateral amygdala is sufficient to guarantee physiological drinking. These data reveal a new circuit involved in the homeostatic control of water intake.

Abstract Cannabinoids are frequently used in the treatment of neuropathic pain related to nerve injury. However, despite evidence for their roles in the regulation of axonal guidance and synapse formation during development of the central nervous system (CNS), their possible involvement in response to peripheral nerve injury remains poorly defined and the knowledge of its role is mostly related to the peripheral sensory system. Following nerve injury, contemporary to axonal repair, massive morphological and functional changes reshape synaptic elements at neuromuscular junctions (NMJs) aiming to promote their reinnervation. This process is mediated in part by Perisynaptic Schwann cells (PSCs), glial cells at the NMJ essential for its maintenance and repair. Here we investigated the novel role of Cannabinoid type-1 receptor (CB 1 R) at NMJ, in particular on PSCs, during motor nerve recovery following nerve injury. Using morphological analysis, we studied the consequences of CB 1 R pharmacological and genetic blockade following denervation and reinnervation in adult NMJs. CB 1 R blockade caused an acceleration of the denervation process followed by a great delay in reinnervation as indicated by a significant percentage of denervated NMJs, accompanied by a decrease of mono- and poly-innervated NMJs. Remarkably, a similar phenomenon was observed when CB 1 R is selectively knocked-out in glia, indicating that the protective actions of these receptors are largely glia-dependent. These data highlight a novel role of the endocannabinoid system at NMJs, where the CB 1 Rs on PSCs can control NMJ denervation and reinnervation following nerve injury. A better understanding of the functional mechanisms underlying CB 1 R role in NMJ repair may contribute to finding a new pharmacological treatment having a dual role in improvements of motor recovery and in pain-related relief.

ABSTRACT Control of brain energy metabolism and regulation of synaptic activity through gliotransmission are two important ways, through which astrocytes contribute to mental functions. However, the potential functional and molecular links between these two astrocyte-dependent processes have been scantly explored so far. Here we show that a lactate-dependent shift of glycolysis underlies the production of the gliotransmitter D-serine by acute activation of astrocyte type-1 cannabinoid (CB1) receptors, thereby gating synaptic and cognitive processes. Acute cannabinoid application causes a CB1 receptor-dependent rapid and reversible increase of lactate production and release in primary astrocyte cultures. As shown before, mutant mice lacking the CB1 receptor gene in astrocytes (GFAP-CB1-KO) were impaired in a novel object recognition (NOR) task. Notably, this phenotype was rescued not only by the gliotransmitter D-serine, but also by its precursor L-serine. Surprisingly, the administration of lactate also reverted the memory impairment of GFAP-CB1-KO mice. This rescue effect was abolished by in vivo blockade of the astrocyte-specific phosphorylated pathway (PP), which diverts glycolysis towards L-serine synthesis, suggesting that lactate itself might promote the accumulation of this amino acid. Consistent with this idea, lactate increased the co-agonist occupancy of CA1 post-synaptic hippocampal NMDA receptors in a PP-dependent manner. By establishing a mechanistic link between lactate, serine availability, synaptic activity and behavior, these results reveal an unforeseen functional connection between energy metabolism and gliotransmission to control cognitive processes.