Neuroactive steroids are potent modulators of γ-aminobutyric acid type A receptors (GABA A Rs), and their behavioral effects are generally viewed in terms of altered inhibitory synaptic transmission. Here we report that, at concentrations known to occur in vivo , neuroactive steroids specifically enhance a tonic inhibitory conductance in central neurons that is mediated by extrasynaptic δ subunit-containing GABA A Rs. The neurosteroid-induced augmentation of this tonic conductance decreases neuronal excitability. Fluctuations in the circulating concentrations of endogenous neuroactive steroids have been implicated in the genesis of premenstrual syndrome, postpartum depression, and other anxiety disorders. Recognition that δ subunit-containing GABA A Rs responsible for a tonic conductance are a preferential target for neuroactive steroids may lead to novel pharmacological approaches for the treatment of these common conditions.

1. To investigate the origin and functional significance of a recently described tonic GABAA receptor‐mediated conductance in cerebellar granule cells we have made recordings from cells in cerebellar slices from rats of different ages (postnatal days P4 to P28). 2. During development there was a dramatic change in the properties of GABA‐mediated synaptic transmission. The contribution to GABAA receptor‐mediated charge transfer from the tonic conductance (GGABA), relative to that resulting from discrete spontaneous postsynaptic currents (sPSCs), was increased from 5% at P7 to 99% at P21. GGABA was reduced by bicuculline, tetrodotoxin and by lowering extracellular Ca2+, and was initially present only in those cells which exhibited sPSCs. 3. At P7 sPSCs were depolarizing, occasionally triggering a single action potential. By P18 the GABA reversal potential was shifted close to the resting potential and GGABA produced a shunting inhibition. Removal of GGABA by bicuculline increased granule cell excitability in response to current injection. 4. This novel tonic inhibition is present despite the low number of Golgi cell synapses on individual granule cells and appears to result from ‘overspill’ of synaptically released GABA leading to activation of synaptic and extrasynaptic GABAA receptors.

Over the past two decades, research has identified extrasynaptic GABAA receptor populations that enable neurons to sense the low ambient GABA concentrations present in the extracellular space in order to generate a form of tonic inhibition not previously considered in studies of neuronal excitability. The importance of this tonic inhibition in regulating states of consciousness is highlighted by the fact that extrasynaptic GABAA receptors (GABAARs) are believed to be key targets for anesthetics, sleep-promoting drugs, neurosteroids, and alcohol. The neurosteroid sensitivity of these extrasynaptic GABAARs may explain their importance in stress-, ovarian cycle-, and pregnancy-related mood disorders. Moreover, disruptions in network dynamics associated with schizophrenia, epilepsy, and Parkinson's disease may well involve alterations in the tonic GABAAR-mediated conductance. Extrasynaptic GABAARs may therefore present a therapeutic target for treatment of these diseases, with the potential to enhance cognition and aid poststroke functional recovery. Over the past two decades, research has identified extrasynaptic GABAA receptor populations that enable neurons to sense the low ambient GABA concentrations present in the extracellular space in order to generate a form of tonic inhibition not previously considered in studies of neuronal excitability. The importance of this tonic inhibition in regulating states of consciousness is highlighted by the fact that extrasynaptic GABAA receptors (GABAARs) are believed to be key targets for anesthetics, sleep-promoting drugs, neurosteroids, and alcohol. The neurosteroid sensitivity of these extrasynaptic GABAARs may explain their importance in stress-, ovarian cycle-, and pregnancy-related mood disorders. Moreover, disruptions in network dynamics associated with schizophrenia, epilepsy, and Parkinson's disease may well involve alterations in the tonic GABAAR-mediated conductance. Extrasynaptic GABAARs may therefore present a therapeutic target for treatment of these diseases, with the potential to enhance cognition and aid poststroke functional recovery. The GABAergic system of the mammalian brain consists of GABA-releasing cells and receptors that bind GABA. GABA-releasing cells are extraordinarily diverse and highly specialized (Freund and Buzsáki, 1996Freund T.F. Buzsáki G. Interneurons of the hippocampus.Hippocampus. 1996; 6: 347-470Crossref PubMed Google Scholar, Klausberger and Somogyi, 2008Klausberger T. Somogyi P. Neuronal diversity and temporal dynamics: the unity of hippocampal circuit operations.Science. 2008; 321: 53-57Crossref PubMed Scopus (455) Google Scholar), both controlling the activity of local networks (e.g., interneurons) and forming the output of some brain areas and nuclei (e.g., striatal medium spiny neurons and cerebellar Purkinje cells). Receptors that bind GABA are present on virtually every neuron in the brain and represent a diverse array of receptor types (Mody and Pearce, 2004Mody I. Pearce R.A. Diversity of inhibitory neurotransmission through GABA(A) receptors.Trends Neurosci. 2004; 27: 569-575Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (200) Google Scholar). This review focuses on GABAA receptors (GABAARs) that are excluded from synapses (see Figure 1). It has long been appreciated that ligand-gated ion channels that bind glutamate and GABA are found outside synapses in the somatic, dendritic, and even axonal membranes of mammalian neurons (Brown et al., 1979Brown D.A. Adams P.R. Higgins A.J. Marsh S. Distribution of gaba-receptors and gaba-carriers in the mammalian nervous system.J. Physiol. (Paris). 1979; 75: 667-671PubMed Google Scholar, Soltesz et al., 1990Soltesz I. Roberts J.D. Takagi H. Richards J.G. Mohler H. Somogyi P. Synaptic and Nonsynaptic Localization of Benzodiazepine/GABAA Receptor/Cl- Channel Complex Using Monoclonal Antibodies in the Dorsal Lateral Geniculate Nucleus of the Cat.Eur. J. Neurosci. 1990; 2: 414-429Crossref PubMed Scopus (24) Google Scholar). The first indication that a persistent, tonic conductance could result from activation of extrasynaptic GABAAR populations came from whole-cell voltage-clamp recordings made from developing neurons when synapses are being formed (Ben-Ari et al., 1994Ben-Ari Y. Tseeb V. Raggozzino D. Khazipov R. Gaiarsa J.L. gamma-Aminobutyric acid (GABA): a fast excitatory transmitter which may regulate the development of hippocampal neurones in early postnatal life.Prog. Brain Res. 1994; 102: 261-273Crossref PubMed Google Scholar, Kaneda et al., 1995Kaneda M. Farrant M. Cull-Candy S.G. Whole-cell and single-channel currents activated by GABA and glycine in granule cells of the rat cerebellum.J. Physiol. 1995; 485: 419-435PubMed Google Scholar, Valeyev et al., 1993Valeyev A.Y. Cruciani R.A. Lange G.D. Smallwood V.S. Barker J.L. Cl- channels are randomly activated by continuous GABA secretion in cultured embryonic rat hippocampal neurons.Neurosci. Lett. 1993; 155: 199-203Crossref PubMed Google Scholar). In these experiments, the addition of GABAAR blockers reduced the standing holding current indicating that a tonic GABAAR-mediated conductance had to be present that was not associated with conventional IPSCs (Otis et al., 1991Otis T.S. Staley K.J. Mody I. Perpetual inhibitory activity in mammalian brain slices generated by spontaneous GABA release.Brain Res. 1991; 545: 142-150Crossref PubMed Google Scholar). It is believed that these early developmental forms of GABA signaling may play a role in controlling neuronal differentiation (LoTurco et al., 1995LoTurco J.J. Owens D.F. Heath M.J. Davis M.B. Kriegstein A.R. GABA and glutamate depolarize cortical progenitor cells and inhibit DNA synthesis.Neuron. 1995; 15: 1287-1298Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (675) Google Scholar, Markwardt et al., 2011Markwardt S.J. Dieni C.V. Wadiche J.I. Overstreet-Wadiche L. Ivy/neurogliaform interneurons coordinate activity in the neurogenic niche.Nat. Neurosci. 2011; 14: 1407-1409Crossref PubMed Scopus (16) Google Scholar, Owens et al., 1999Owens D.F. Liu X. Kriegstein A.R. Changing properties of GABA(A) receptor-mediated signaling during early neocortical development.J. Neurophysiol. 1999; 82: 570-583Crossref PubMed Scopus (0) Google Scholar). This type of intercellular communication is fundamentally different from the “point-to-point” communication that underlies both synaptic transmission and gap-junction-mediated electrical coupling. It is more similar to the volume and paracrine transmission associated with the actions of neuromodulators such as serotonin, histamine, dopamine, acetycholine, and peptides in the brain (Agnati et al., 2010Agnati L.F. Guidolin D. Guescini M. Genedani S. Fuxe K. Understanding wiring and volume transmission.Brain Res. Brain Res. Rev. 2010; 64: 137-159Crossref Scopus (65) Google Scholar). Attention has subsequently focused on the molecular identity of the extrasynaptic GABAARs that generate the tonic conductance and on exploring their physiological relevance for the adult brain (Farrant and Nusser, 2005Farrant M. Nusser Z. Variations on an inhibitory theme: phasic and tonic activation of GABA(A) receptors.Nat. Rev. Neurosci. 2005; 6: 215-229Crossref PubMed Scopus (703) Google Scholar). GABAARs are pentameric assemblies usually made up from at least three different proteins selected from 19 different subunits (Olsen and Sieghart, 2008Olsen R.W. Sieghart W. International Union of Pharmacology. LXX. Subtypes of gamma-aminobutyric acid(A) receptors: classification on the basis of subunit composition, pharmacology, and function. Update.Pharmacol. Rev. 2008; 60: 243-260Crossref PubMed Scopus (225) Google Scholar). These include α1-6, β1-3, γ1-3, δ, ε, θ, π, and ρ1-3 (Olsen and Sieghart, 2008Olsen R.W. Sieghart W. International Union of Pharmacology. LXX. Subtypes of gamma-aminobutyric acid(A) receptors: classification on the basis of subunit composition, pharmacology, and function. Update.Pharmacol. Rev. 2008; 60: 243-260Crossref PubMed Scopus (225) Google Scholar, Olsen and Sieghart, 2009Olsen R.W. Sieghart W. GABA A receptors: subtypes provide diversity of function and pharmacology.Neuropharmacology. 2009; 56: 141-148Crossref PubMed Scopus (202) Google Scholar, Whiting, 2003Whiting P.J. GABA-A receptor subtypes in the brain: a paradigm for CNS drug discovery?.Drug Discov. Today. 2003; 8: 445-450Crossref PubMed Scopus (152) Google Scholar). A receptor's regional and developmental expression pattern, as well as its physiological and pharmacological properties, are determined by differences in subunit gene expression and composition (Hevers and Lüddens, 1998Hevers W. Lüddens H. The diversity of GABAA receptors. Pharmacological and electrophysiological properties of GABAA channel subtypes.Mol. Neurobiol. 1998; 18: 35-86Crossref PubMed Google Scholar, Mody and Pearce, 2004Mody I. Pearce R.A. Diversity of inhibitory neurotransmission through GABA(A) receptors.Trends Neurosci. 2004; 27: 569-575Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (200) Google Scholar) and the rules governing these relationships have received a great deal of attention in the search for highly specific drug targets in the CNS (Olsen and Sieghart, 2009Olsen R.W. Sieghart W. GABA A receptors: subtypes provide diversity of function and pharmacology.Neuropharmacology. 2009; 56: 141-148Crossref PubMed Scopus (202) Google Scholar, Whiting, 2003Whiting P.J. GABA-A receptor subtypes in the brain: a paradigm for CNS drug discovery?.Drug Discov. Today. 2003; 8: 445-450Crossref PubMed Scopus (152) Google Scholar). The subunit identity of the final assembly also determines the synaptic or extrasynaptic localization of GABAARs within a neuron (Pirker et al., 2000Pirker S. Schwarzer C. Wieselthaler A. Sieghart W. Sperk G. GABA(A) receptors: immunocytochemical distribution of 13 subunits in the adult rat brain.Neuroscience. 2000; 101: 815-850Crossref PubMed Scopus (663) Google Scholar), reflecting the existence of various subunit assembly rules and anchoring/trafficking mechanisms (Luscher et al., 2011Luscher B. Fuchs T. Kilpatrick C.L. GABAA receptor trafficking-mediated plasticity of inhibitory synapses.Neuron. 2011; 70: 385-409Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (72) Google Scholar, Vithlani et al., 2011Vithlani M. Terunuma M. Moss S.J. The dynamic modulation of GABA(A) receptor trafficking and its role in regulating the plasticity of inhibitory synapses.Physiol. Rev. 2011; 91: 1009-1022Crossref PubMed Scopus (22) Google Scholar). Following the original description of the GABAAR δ-subunit (Shivers et al., 1989Shivers B.D. Killisch I. Sprengel R. Sontheimer H. Köhler M. Schofield P.R. Seeburg P.H. Two novel GABAA receptor subunits exist in distinct neuronal subpopulations.Neuron. 1989; 3: 327-337Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar) and its expression patterns in the brain (Wisden et al., 1992Wisden W. Laurie D.J. Monyer H. Seeburg P.H. The distribution of 13 GABAA receptor subunit mRNAs in the rat brain. I. Telencephalon, diencephalon, mesencephalon.J. Neurosci. 1992; 12: 1040-1062Crossref PubMed Google Scholar), it was first shown for mature cerebellar granule cells that extrasynaptic α6βδ subunit-containing GABAARs mediate a tonic form of inhibition both in vitro (Brickley et al., 2001Brickley S.G. Revilla V. Cull-Candy S.G. Wisden W. Farrant M. Adaptive regulation of neuronal excitability by a voltage-independent potassium conductance.Nature. 2001; 409: 88-92Crossref PubMed Scopus (351) Google Scholar, Hamann et al., 2002Hamann M. Rossi D.J. Attwell D. Tonic and spillover inhibition of granule cells control information flow through cerebellar cortex.Neuron. 2002; 33: 625-633Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (207) Google Scholar) and in vivo (Chadderton et al., 2004Chadderton P. Margrie T.W. Häusser M. Integration of quanta in cerebellar granule cells during sensory processing.Nature. 2004; 428: 856-860Crossref PubMed Scopus (311) Google Scholar), while conventional synaptic γ2 subunit-containing GABAARs are involved in direct synaptic transmission (Farrant and Nusser, 2005Farrant M. Nusser Z. Variations on an inhibitory theme: phasic and tonic activation of GABA(A) receptors.Nat. Rev. Neurosci. 2005; 6: 215-229Crossref PubMed Scopus (703) Google Scholar). A tonic conductance mediated by α4βδ subunit-containing GABAARs has now also been reported in dentate gyrus granule cells, thalamic relay neurons, neocortical layer 2/3 pyramidal cells, and medium spiny neurons of the striatum (Ade et al., 2008Ade K.K. Janssen M.J. Ortinski P.I. Vicini S. Differential tonic GABA conductances in striatal medium spiny neurons.J. Neurosci. 2008; 28: 1185-1197Crossref PubMed Scopus (55) Google Scholar, Drasbek and Jensen, 2006Drasbek K.R. Jensen K. THIP, a hypnotic and antinociceptive drug, enhances an extrasynaptic GABAA receptor-mediated conductance in mouse neocortex.Cereb. Cortex. 2006; 16: 1134-1141Crossref PubMed Scopus (70) Google Scholar, Kirmse et al., 2008Kirmse K. Dvorzhak A. Kirischuk S. Grantyn R. GABA transporter 1 tunes GABAergic synaptic transmission at output neurons of the mouse neostriatum.J. Physiol. 2008; 586: 5665-5678Crossref PubMed Scopus (12) Google Scholar, Porcello et al., 2003Porcello D.M. Huntsman M.M. Mihalek R.M. Homanics G.E. Huguenard J.R. Intact synaptic GABAergic inhibition and altered neurosteroid modulation of thalamic relay neurons in mice lacking delta subunit.J. Neurophysiol. 2003; 89: 1378-1386Crossref PubMed Scopus (65) Google Scholar, Salin and Prince, 1996Salin P.A. Prince D.A. Spontaneous GABAA receptor-mediated inhibitory currents in adult rat somatosensory cortex.J. Neurophysiol. 1996; 75: 1573-1588PubMed Google Scholar, Santhakumar et al., 2010Santhakumar V. Jones R.T. Mody I. Developmental regulation and neuroprotective effects of striatal tonic GABAA currents.Neuroscience. 2010; 167: 644-655Crossref PubMed Scopus (22) Google Scholar, Stell et al., 2003Stell B.M. Brickley S.G. Tang C.Y. Farrant M. Mody I. Neuroactive steroids reduce neuronal excitability by selectively enhancing tonic inhibition mediated by delta subunit-containing GABAA receptors.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003; 100: 14439-14444Crossref PubMed Scopus (364) Google Scholar). Additionally, a tonic conductance present in Ivy/neuorgliaform cells (Capogna and Pearce, 2011Capogna M. Pearce R.A. GABA A,slow: causes and consequences.Trends Neurosci. 2011; 34: 101-112Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (27) Google Scholar, Szabadics et al., 2007Szabadics J. Tamás G. Soltesz I. Different transmitter transients underlie presynaptic cell type specificity of GABAA,slow and GABAA,fast.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007; 104: 14831-14836Crossref PubMed Scopus (59) Google Scholar) is probably generated by the persistent activation of extrasynaptic α1βδ subunit-containing extrasynaptic GABAARs (Oláh et al., 2009Oláh S. Füle M. Komlósi G. Varga C. Báldi R. Barzó P. Tamás G. Regulation of cortical microcircuits by unitary GABA-mediated volume transmission.Nature. 2009; 461: 1278-1281Crossref PubMed Scopus (115) Google Scholar). Given that persistently active δ-GABAAR openings make such a major contribution to the total charge that flows across the membrane (Belelli et al., 2005Belelli D. Peden D.R. Rosahl T.W. Wafford K.A. Lambert J.J. Extrasynaptic GABAA receptors of thalamocortical neurons: a molecular target for hypnotics.J. Neurosci. 2005; 25: 11513-11520Crossref PubMed Scopus (125) Google Scholar, Brickley et al., 1996Brickley S.G. Cull-Candy S.G. Farrant M. Development of a tonic form of synaptic inhibition in rat cerebellar granule cells resulting from persistent activation of GABA(A) receptors.J. Physiol. 1996; 497: 753-759PubMed Google Scholar, Nusser and Mody, 2002Nusser Z. Mody I. Selective modulation of tonic and phasic inhibitions in dentate gyrus granule cells.J. Neurophysiol. 2002; 87: 2624-2628Crossref PubMed Google Scholar), it is not surprising that this type of conductance is capable of modulating both cell and network behavior (Farrant and Nusser, 2005Farrant M. Nusser Z. Variations on an inhibitory theme: phasic and tonic activation of GABA(A) receptors.Nat. Rev. Neurosci. 2005; 6: 215-229Crossref PubMed Scopus (703) Google Scholar). In thalamic relay neurons, for example, the membrane hyperpolarization associated with the persistent chloride flux through δ-GABAARs leads to burst firing (Cope et al., 2005Cope D.W. Hughes S.W. Crunelli V. GABAA receptor-mediated tonic inhibition in thalamic neurons.J. Neurosci. 2005; 25: 11553-11563Crossref PubMed Scopus (141) Google Scholar) and slow thalamo-cortical oscillations (Winsky-Sommerer et al., 2007Winsky-Sommerer R. Vyazovskiy V.V. Homanics G.E. Tobler I. The EEG effects of THIP (Gaboxadol) on sleep and waking are mediated by the GABA(A)delta-subunit-containing receptors.Eur. J. Neurosci. 2007; 25: 1893-1899Crossref PubMed Scopus (33) Google Scholar). However, the tonic conductance may not always result in membrane hyperpolarization. In cerebellar granule cells, the membrane shunt associated with tonic inhibition attenuates excitatory drive with little impact on the membrane potential (Brickley et al., 2001Brickley S.G. Revilla V. Cull-Candy S.G. Wisden W. Farrant M. Adaptive regulation of neuronal excitability by a voltage-independent potassium conductance.Nature. 2001; 409: 88-92Crossref PubMed Scopus (351) Google Scholar). It is also worth noting that a shunting inhibition associated with a tonic conductance could result in a small but persistent membrane depolarization (Farrant and Kaila, 2007Farrant M. Kaila K. The cellular, molecular and ionic basis of GABA(A) receptor signalling.Prog. Brain Res. 2007; 160: 59-87Crossref PubMed Scopus (126) Google Scholar). Another striking feature of the tonic conductance measured in adult neurons is that it represents the simultaneous opening of only a very small fraction of the available extrasynaptic GABAARs (Kasugai et al., 2010Kasugai Y. Swinny J.D. Roberts J.D. Dalezios Y. Fukazawa Y. Sieghart W. Shigemoto R. Somogyi P. Quantitative localisation of synaptic and extrasynaptic GABAA receptor subunits on hippocampal pyramidal cells by freeze-fracture replica immunolabelling.Eur. J. Neurosci. 2010; 32: 1868-1888Crossref PubMed Scopus (38) Google Scholar, Nusser et al., 1995Nusser Z. Roberts J.D. Baude A. Richards J.G. Somogyi P. Relative densities of synaptic and extrasynaptic GABAA receptors on cerebellar granule cells as determined by a quantitative immunogold method.J. Neurosci. 1995; 15: 2948-2960Crossref PubMed Google Scholar), indicating that receptor occupancy is low and/or a large number of receptors are heavily desensitized. δ-GABAARs recorded at room (Mortensen et al., 2010Mortensen M. Ebert B. Wafford K. Smart T.G. Distinct activities of GABA agonists at synaptic- and extrasynaptic-type GABAA receptors.J. Physiol. 2010; 588: 1251-1268Crossref PubMed Scopus (40) Google Scholar) and physiological (Bright et al., 2011Bright D.P. Renzi M. Bartram J. McGee T.P. MacKenzie G. Hosie A.M. Farrant M. Brickley S.G. Profound desensitization by ambient GABA limits activation of δ-containing GABAA receptors during spillover.J. Neurosci. 2011; 31: 753-763Crossref PubMed Scopus (29) Google Scholar) temperatures are predicted to be profoundly desensitized. Although tonic inhibition can be generated by a desensitized receptor population as long as receptor number is high, this feature could limit the ability of these receptors to operate as spillover detectors and other less desensitized extrasynaptic GABAARs could be better suited to this role. Slow-rising and slow-decaying IPSCs generated by GABA spillover is a significant feature of GABA release from Ivy/neuorgliaform cells (Capogna and Pearce, 2011Capogna M. Pearce R.A. GABA A,slow: causes and consequences.Trends Neurosci. 2011; 34: 101-112Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (27) Google Scholar, Szabadics et al., 2007Szabadics J. Tamás G. Soltesz I. Different transmitter transients underlie presynaptic cell type specificity of GABAA,slow and GABAA,fast.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007; 104: 14831-14836Crossref PubMed Scopus (59) Google Scholar) and has been reported in hippocampal neurons (Vargas-Caballero et al., 2010Vargas-Caballero M. Martin L.J. Salter M.W. Orser B.A. Paulsen O. alpha5 Subunit-containing GABA(A) receptors mediate a slowly decaying inhibitory synaptic current in CA1 pyramidal neurons following Schaffer collateral activation.Neuropharmacology. 2010; 58: 668-675Crossref PubMed Scopus (9) Google Scholar, Zarnowska et al., 2009Zarnowska E.D. Keist R. Rudolph U. Pearce R.A. GABAA receptor alpha5 subunits contribute to GABAA,slow synaptic inhibition in mouse hippocampus.J. Neurophysiol. 2009; 101: 1179-1191Crossref PubMed Scopus (33) Google Scholar). One challenge for the future is to establish whether the spillover currents observed in these and other cell types reflect activation of distinct extrasynaptic GABAAR populations separate from those responsible for generating tonic inhibition (Farrant and Nusser, 2005Farrant M. Nusser Z. Variations on an inhibitory theme: phasic and tonic activation of GABA(A) receptors.Nat. Rev. Neurosci. 2005; 6: 215-229Crossref PubMed Scopus (703) Google Scholar). It is now appreciated that in addition to δ-GABAARs, other GABAAR types are also capable of generating a tonic conductance in a number of adult brain regions. Most notably, α5βγ2 subunit-containing GABAARs (α5-GABAARs) generate a tonic conductance that regulates the excitability of pyramidal neurons in CA1 and CA3 regions of the hippocampus (Caraiscos et al., 2004Caraiscos V.B. Elliott E.M. You-Ten K.E. Cheng V.Y. Belelli D. Newell J.G. Jackson M.F. Lambert J.J. Rosahl T.W. Wafford K.A. et al.Tonic inhibition in mouse hippocampal CA1 pyramidal neurons is mediated by alpha5 subunit-containing gamma-aminobutyric acid type A receptors.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004; 101: 3662-3667Crossref PubMed Scopus (269) Google Scholar, Glykys and Mody, 2006Glykys J. Mody I. Hippocampal network hyperactivity after selective reduction of tonic inhibition in GABA A receptor alpha5 subunit-deficient mice.J. Neurophysiol. 2006; 95: 2796-2807Crossref PubMed Scopus (94) Google Scholar, Glykys and Mody, 2007Glykys J. Mody I. The main source of ambient GABA responsible for tonic inhibition in the mouse hippocampus.J. Physiol. 2007; 582: 1163-1178Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar, Pavlov et al., 2009Pavlov I. Savtchenko L.P. Kullmann D.M. Semyanov A. Walker M.C. Outwardly rectifying tonically active GABAA receptors in pyramidal cells modulate neuronal offset, not gain.J. Neurosci. 2009; 29: 15341-15350Crossref PubMed Scopus (35) Google Scholar, Prenosil et al., 2006Prenosil G.A. Schneider Gasser E.M. Rudolph U. Keist R. Fritschy J.M. Vogt K.E. Specific subtypes of GABAA receptors mediate phasic and tonic forms of inhibition in hippocampal pyramidal neurons.J. Neurophysiol. 2006; 96: 846-857Crossref PubMed Scopus (0) Google Scholar, Semyanov et al., 2004Semyanov A. Walker M.C. Kullmann D.M. Silver R.A. Tonically active GABA A receptors: modulating gain and maintaining the tone.Trends Neurosci. 2004; 27: 262-269Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (338) Google Scholar) and layer 5 cortical neurons (Yamada et al., 2007Yamada J. Furukawa T. Ueno S. Yamamoto S. Fukuda A. Molecular basis for the GABAA receptor-mediated tonic inhibition in rat somatosensory cortex.Cereb. Cortex. 2007; 17: 1782-1787Crossref PubMed Scopus (36) Google Scholar). High-affinity GABAARs made up of only αβ subunits are also a possibility (Mortensen and Smart, 2006Mortensen M. Smart T.G. Extrasynaptic alphabeta subunit GABAA receptors on rat hippocampal pyramidal neurons.J. Physiol. 2006; 577: 841-856Crossref PubMed Scopus (65) Google Scholar), as are GABAARs that can open even in the absence of an agonist (Hadley and Amin, 2007Hadley S.H. Amin J. Rat alpha6beta2delta GABAA receptors exhibit two distinct and separable agonist affinities.J. Physiol. 2007; 581: 1001-1018Crossref PubMed Scopus (28) Google Scholar), as reported in some immature neurons (Birnir et al., 2000Birnir B. Everitt A.B. Lim M.S. Gage P.W. Spontaneously opening GABA(A) channels in CA1 pyramidal neurones of rat hippocampus.J. Membr. Biol. 2000; 174: 21-29Crossref PubMed Scopus (29) Google Scholar). It is also possible, given the large number of γ2-GABAARs present in both the synaptic and extrasynaptic membrane (Kasugai et al., 2010Kasugai Y. Swinny J.D. Roberts J.D. Dalezios Y. Fukazawa Y. Sieghart W. Shigemoto R. Somogyi P. Quantitative localisation of synaptic and extrasynaptic GABAA receptor subunits on hippocampal pyramidal cells by freeze-fracture replica immunolabelling.Eur. J. Neurosci. 2010; 32: 1868-1888Crossref PubMed Scopus (38) Google Scholar, Nusser et al., 1995Nusser Z. Roberts J.D. Baude A. Richards J.G. Somogyi P. Relative densities of synaptic and extrasynaptic GABAA receptors on cerebellar granule cells as determined by a quantitative immunogold method.J. Neurosci. 1995; 15: 2948-2960Crossref PubMed Google Scholar, Soltesz et al., 1990Soltesz I. Roberts J.D. Takagi H. Richards J.G. Mohler H. Somogyi P. Synaptic and Nonsynaptic Localization of Benzodiazepine/GABAA Receptor/Cl- Channel Complex Using Monoclonal Antibodies in the Dorsal Lateral Geniculate Nucleus of the Cat.Eur. J. Neurosci. 1990; 2: 414-429Crossref PubMed Scopus (24) Google Scholar), that more conventional low-affinity GABAARs make a contribution to the steady-state conductance when ambient GABA concentrations are high (Farrant and Kaila, 2007Farrant M. Kaila K. The cellular, molecular and ionic basis of GABA(A) receptor signalling.Prog. Brain Res. 2007; 160: 59-87Crossref PubMed Scopus (126) Google Scholar). Nevertheless, it is now appreciated that specific high-affinity GABAAR populations, such as δ-GABAARs and α5-GABAARs, are predominantly responsible for generating the tonic conductance found in many brain regions under normal physiological conditions. The study of these extrasynaptic GABAAR populations is now entering a defining stage and this review focuses on new insights into the potential involvement of these receptors in the cellular and molecular abnormalities underlying neurological and psychiatric disorders including sleep disturbances, stress-related psychiatric conditions, and epilepsy. We also further discuss the potential role of these receptors in cognition, in recovery from stroke, and in mediating the effects of alcohol. Adequate sleep is essential for our well being, and many neuropsychiatric conditions, such as depression and schizophrenia, are associated with severe disruptions in sleep patterns. It is thus disappointing that we understand little about the mechanisms that control sleep and rely on limited repertoires of clinical interventions to treat sleep disorders (Wafford and Ebert, 2008Wafford K.A. Ebert B. Emerging anti-insomnia drugs: tackling sleeplessness and the quality of wake time.Nat. Rev. Drug Discov. 2008; 7: 530-540Crossref PubMed Scopus (37) Google Scholar). GABAARs play a pivotal role in the control of our sleep rhythms, and for many decades benzodiazepines and zolpidem, known for their ability to potentiate GABAAR currents, have remained the most widely prescribed treatment for insomnia, in spite of producing tolerance, addiction, and withdrawal problems. In a search for more refined drug interventions, it has become clear that the hypnotic actions of the sleep promoting drug gaboxadol (Wafford and Ebert, 2006Wafford K.A. Ebert B. Gaboxadol—a new awakening in sleep.Curr. Opin. Pharmacol. 2006; 6: 30-36Crossref PubMed Scopus (65) Google Scholar) (4,5,6,7-tetrahydroisothiazolo-[5,4-c]pyridin-3-ol; THIP) can be attributed to this drug's selective action on δ-GABAARs (Brown et al., 2002Brown N. Kerby J. Bonnert T.P. Whiting P.J. Wafford K.A. Pharmacological characterization of a novel cell line expressing human alpha(4)beta(3)delta GABA(A) receptors.Br. J. Pharmacol. 2002; 136: 965-974Crossref PubMed Scopus (324) Google Scholar). At concentrations of around 500 nM, this drug activates δ-GABAARs with little action on synaptic GABAAR types. This selectivity arises from gaboxadol's lower apparent affinity at γ2-GABAARs compared to δ-GABAARs (Mortensen et al., 2010Mortensen M. Ebert B. Wafford K. Smart T.G. Distinct activities of GABA agonists at synaptic- and extrasynaptic-type GABAA receptors.J. Physiol. 2010; 588: 1251-1268Crossref PubMed Scopus (40) Google Scholar). Gaboxadol acts as a hypnotic in humans to increase sleep duration by promoting slow-wave or non-rapid eye movement (non-REM) sleep (Faulhaber et al., 1997Faulhaber J. Steiger A. Lancel M. The GABAA agonist THIP produces slow wave sleep and reduces spindling activity in NREM sleep in humans.Psychopharmacology (Berl.). 1997; 130: 285-291Crossref PubMed Scopus (100) Google Scholar). When δ-GABAARs are removed by genetic manipulations in mice, gaboxadol-induced slow oscillations are absent from the EEG (Winsky-Sommerer et al., 2007Winsky-Sommerer R. Vyazovskiy V.V. Homanics G.E. Tobler I. The EEG effects of THIP (Gaboxadol) on sleep and waking are mediated by the GABA(A)delta-subunit-containing receptors.Eur. J. Neurosci. 2007; 25: 1893-1899Crossref PubMed Scopus (33) Google Scholar) and the anesthetic potency of gaboxadol is reduced (Boehm et al., 2006Boehm 2nd, S.L. Homanics G.E. Blednov Y.A. Harris R.A. delta-Subunit containing GABAA receptor knockout mice are less sensitive to the actions of 4,5,6,7-tetrahydroisoxazolo-[5,4-c]pyridin-3-ol.Eur. J. Pharmacol. 2006; 541: 158-162Crossref PubMed Scopus (23) Google Scholar). Unfortunately, due to side-effects such as hallucinations and disorientation in a subset of patients, gaboxadol failed phase III clinical trials as an alternative to benzodiazepines, but more potent δ-GABAAR selective agonists are being developed (Wafford et al., 2009Wafford K.A. van Niel M.B. Ma Q.P.

Abstract We studied how co-release of histamine/GABA from axons originating from the hypothalamic tuberomammillary nucleus (TMN) and projecting to the prefrontal cortex (PFC) influences circuit processing. We opto-stimulated histamine/GABA co-release from genetically defined TMN axons that express the histidine decarboxylase gene (TMN HDC axons). Whole-cell recordings were used to monitor excitability of visually identified PFC neurons in layer 2/3 of prelimbic (PL), anterior cingulate (AC) and infralimbic (IL) regions before and after opto-stimulated histamine/GABA release. We found that histamine-GABA co-release influences the PFC through actions on distinct neuronal types: histamine stimulates fast-spiking interneurons; and co-released GABA enhances tonic (extrasynaptic) inhibition on pyramidal cells (PyrNs). For fast spiking non-accommodating interneurons, opto-stimulation increased excitability, an effect blocked by histamine H1 and H2 receptor antagonists. The excitability of other interneuron types in the PFC was not altered. In contrast, the combined action of histamine and GABA co-release from TMN HDC axons produced predominantly divisive gain changes in PyrNs, increasing their resting input conductance, and decreasing the slope of the input-output relationship. The direct inhibitory effect of TMN HDC axon activation on PyrNs was not blocked by histamine receptor antagonists but was blocked by GABA A receptor antagonists. Across the adult lifespan (from 3 months to over 2 years of age), stimulation of TMN HDC axons in the PFC inhibited PyrN excitability significantly more in older mice. For individuals that maintain cognitive performance into later life, increases in TMN HDC modulation of PyrNs could enhance information processing and be an adaptive mechanism to buttress cognition.

A fundamental problem in neuroscience is how neurons select for their many inputs. A common assumption is that a neuron's selectivity is largely explained by differences in excitatory synaptic input weightings. Here we describe another solution to this important problem. We show that within the first order visual thalamus, the type of inhibition provided by thalamic interneurons has the potential to alter the input selectivity of thalamocortical neurons. To do this, we developed conductance injection protocols to compare how different types of synchronous and asynchronous GABA release influence thalamocortical excitability in response to realistic patterns of retinal ganglion cell input. We show that the asynchronous GABA release associated with tonic inhibition is particularly efficient at maintaining information content, ensuring that thalamocortical neurons can distinguish between their inputs. We propose a model where alterations in GABA release properties results in rapid changes in input selectivity without requiring structural changes in the network.

The proportion and distribution of local inhibitory neurons (interneurons) in the thalamus varies widely across mammals. This is reflected in the structure of thalamic local circuits, which is more complex in primates compared to smaller-brained mammals like rodents.An increase in the number of thalamic interneurons could arise from addition of novel interneuron types or from elaboration of a plesiomorphic ontogenetic program, common to all mammals. The former has been proposed for the human brain, with migration of interneurons from the ventral telencephalon into higher order thalamus as one of its unique features ([Letinic and Rakic, 2001][1]).Here, we identify a larger than expected complexity and distribution of interneurons across the mouse thalamus. All thalamic interneurons can be traced back to two developmental programs: one specified in the midbrain and the other in the forebrain. Interneurons migrate to functionally distinct thalamic nuclei, where the midbrain-derived cells populate the sensory thalamus, and forebrain-generated interneurons only the higher order regions. The latter interneuron type may be homologous to the one previously considered to be human-specific, while we also observe that markers for the midbrain-born class are abundantly expressed in the primate thalamus. These data therefore point to a shared ontogenetic organization of thalamic interneurons across mammals. [1]: #ref-50

Abstract The thalamus is an important hub for sensory information and participates in sensory perception, regulation of attention, arousal and sleep. These functions are executed primarily by glutamatergic thalamocortical neurons that extend axons to the cortex and initiate cortico-thalamocortical connectional loops. However, the thalamus also contains projection GABAergic neurons that do not engage in direct communication with the cortex. Here, we have harnessed recent insight into the development of the intergeniculate (IGL), the ventrolateral geniculate (LGv) and the perihabenula (pHB) to specifically target and manipulate thalamic projection GABAergic neurons in female and male mice. Our results show that thalamic GABAergic neurons of the IGL and LGv receive retinal input from diverse classes of ipRGCs, but not from the M1 ipRGC type, while those in the pHB lack direct retinal input. We describe the synergistic role of the photoreceptor melanopsin and the thalamic neurons of the IGL/LGv in circadian entrainment to dim light. We identify a requirement for the thalamic IGL/LGv in the rapid changes in vigilance states associated with circadian light transitions. Furthermore, we map a previously undescribed thalamic network of developmentally related GABAergic neurons in the IGL/LGv complex and the pHB potentially involved in light-dependent mood regulation. Significance statement The intergeniculate leaflet and ventral geniculate nucleus are part of the extended circadian system and mediate some non-image-forming visual functions. Here we show that each of these structures has a thalamic (dorsal) as well as prethalamic (ventral) developmental origin. We map the retinal input to thalamus-derived cells in the IGL/LGv complex and discover that while ipRGC input is dominant, this is not likely to originate from M1-ipRGCs. We describe the extent of similarity in synaptic input to developmentally related cells in the IGL/LGv and in the perihabenula nucleus (pHB). We implicate thalamic cells in the IGL/LGv in vigilance state transitions at circadian light changes and in overt behavioural entrainment to dim light, the latter exacerbated by concomitant loss of melanopsin expression.