Dendrites of cortical pyramidal neurons contain intermingled excitatory and inhibitory synapses. We studied the local mechanisms that regulate the formation and distribution of synapses. We found that local γ-aminobutyric acid (GABA) release on dendrites of mouse cortical layer 2/3 pyramidal neurons could induce gephyrin puncta and dendritic spine formation via GABA type A receptor activation and voltage-gated calcium channels during early postnatal development. Furthermore, the newly formed inhibitory and excitatory synaptic structures rapidly gained functions. Bidirectional manipulation of GABA release from somatostatin-positive interneurons increased and decreased the number of gephyrin puncta and dendritic spines, respectively. These results highlight a noncanonical function of GABA as a local synaptogenic element shaping the early establishment of neuronal circuitry in mouse cortex.

Abstract Mossy cells (MCs) of the dentate gyrus (DG) are key components of an excitatory associative circuit established by reciprocal connections with dentate granule cells (GCs). MCs are implicated in place field encoding, pattern separation and novelty detection, as well as in brain disorders such as temporal lobe epilepsy and depression. Despite their functional relevance, little is known about the determinants that control MC activity. Here, we examined whether MCs express functional kainate receptors (KARs), a subtype of glutamate receptors involved in neuronal development, synaptic transmission and epilepsy. Using mouse hippocampal slices, we found that bath application of submicromolar and micromolar concentrations of the KAR agonist kainic acid induced inward currents and robust MC firing. These effects were abolished in GluK2 KO mice, indicating the presence of functional GluK2-containing KARs in MCs. In contrast to CA3 pyramidal cells, which are structurally and functionally similar to MCs, and express synaptic KARs at mossy fiber (MF) inputs (i.e., GC axons), we found no evidence for KAR-mediated transmission at MF-MC synapses, indicating that most KARs at MCs are extrasynaptic. Immunofluorescence and immunoelectron microscopy analyses confirmed the extrasynaptic localization of GluK2-containing KARs in MCs. Finally, blocking glutamate transporters, a manipulation that increases extracellular levels of endogenous glutamate, was sufficient to induce KAR-mediated inward currents in MCs, suggesting that MC-KARs can be activated by increases in ambient glutamate. Our findings provide the first direct evidence of functional extrasynaptic KARs at a critical excitatory neuron of the hippocampus. Significance Statement Hilar mossy cells (MCs) are an understudied population of hippocampal neurons that form an excitatory loop with dentate granule cells. MCs have been implicated in pattern separation, spatial navigation, and epilepsy. Despite their importance in hippocampal function and disease, little is known about how MC activity is recruited. Here, we show for the first time that MCs express extrasynaptic kainate receptors (KARs), a subtype of glutamate receptors critically involved in neuronal function and epilepsy. While we found no evidence for synaptic KARs in MCs, KAR activation induced strong action potential firing of MCs, raising the possibility that extracellular KARs regulate MC excitability in vivo and may also promote dentate gyrus hyperexcitability and epileptogenesis.

ABSTRACT Alzheimer’s disease AD is associated with disruptions in neuronal communication, especially in brain regions crucial for learning and memory, such as the hippocampus. The amyloid hypothesis suggests that the accumulation of amyloid-beta oligomers (oAβ) contributes to synaptic dysfunction by internalisation of synaptic AMPA receptors. Recently, it has been reported that Nr4a2, a member of the Nr4a family of orphan nuclear receptors, plays a role in hippocampal synaptic plasticity by regulating BDNF and synaptic AMPA receptors. Here, we demonstrate that oAβ inhibits activity-dependent Nr4a2 activation in hippocampal neurons, indicating a potential link between oAβ and Nr4a2 down-regulation. Furthermore, we have observed a reduction in Nr4a2 protein levels in postmortem hippocampal tissue samples from early AD stages. Pharmacological activation of Nr4a2 proves effective in preventing oAβ-mediated synaptic depression in the hippocampus. Notably, Nr4a2 overexpression in the hippocampus of AD mouse models ameliorates spatial learning and memory deficits. In conclusion, the findings suggest that oAβ may contribute to early cognitive impairment in AD by blocking Nr4a2 activation, leading to synaptic dysfunction. Thus, our results further support that Nr4a2 activation is a potential therapeutic target to mitigate oAβ-induced synaptic and cognitive impairments in the early stages of Alzheimer’s disease.

Abstract Behavioral states such as sleep and wake are highly correlated with specific patterns of rhythmic activity in the cortex. During low arousal states such as slow wave sleep, the cortex is synchronized and dominated by low frequency rhythms coordinated across multiple regions. Although recent evidence suggests that GABAergic inhibitory neurons are key players in cortical state modulation, the in vivo circuit mechanisms coordinating synchronized activity among local and distant neocortical networks are not well understood. Here, we show that somatostatin and chondrolectin co-expressing cells (Sst-Chodl cells), a sparse and unique class of neocortical inhibitory neurons, are selectively active during low arousal states and are largely silent during periods of high arousal. In contrast to other neocortical inhibitory neurons, we show these neurons have long-range axons that project across neocortical areas. Activation of Sst-Chodl cells is sufficient to promote synchronized cortical states characteristic of low arousal, with increased spike co-firing and low frequency brain rhythms, and to alter behavioral states by promoting sleep. Contrary to the prevailing belief that sleep is exclusively driven by subcortical mechanisms, our findings reveal that these long-range inhibitory neurons not only track changes in behavioral state but are sufficient to induce both sleep-like cortical states and sleep behavior, establishing a crucial circuit component in regulating behavioral states.

ABSTRACT The dentate gyrus is a key relay station that controls information transfer from the entorhinal cortex to the hippocampus proper. This process heavily relies on dendritic integration by dentate granule cells (GCs) of excitatory synaptic inputs from medial and lateral entorhinal cortex via medial and lateral perforant paths (MPP and LPP, respectively). N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) can contribute significantly to the integrative properties of neurons. While early studies reported that excitatory inputs from entorhinal cortex onto GCs can undergo activity-dependent long-term plasticity of NMDAR-mediated transmission, the input-specificity of this plasticity along the dendritic axis remains unknown. Here, we examined the NMDAR plasticity rules at MPP-GC and LPP-GC synapses using physiologically relevant patterns of stimulation in acute rat hippocampal slices. We found that MPP-GC, but not LPP-GC synapses, expressed homosynaptic NMDAR-LTP. In addition, induction of NMDAR-LTP at MPP-GC synapses heterosynaptically potentiated distal LPP-GC NMDAR plasticity. The same stimulation protocol induced homosynaptic α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor (AMPAR)-LTP at MPP-GC but heterosynaptic AMPAR-LTD at distal LPP synapses, demonstrating that NMDAR and AMPAR are governed by different plasticity rules. Remarkably, heterosynaptic but not homosynaptic NMDAR-LTP required Ca 2+ release from intracellular, ryanodine-dependent Ca 2+ stores. Lastly, the induction and maintenance of both homo- and heterosynaptic NMDAR-LTP were blocked by GluN2D antagonism, suggesting the recruitment of GluN2D-containing receptors to the synapse. Our findings uncover a mechanism by which distinct inputs to the dentate gyrus may interact functionally and contribute to hippocampal-dependent memory formation. Significance Statement NMDARs are key players in synaptic plasticity. In addition to their classical role as coincidence detectors and triggers of AMPAR plasticity, there is compelling evidence that NMDARs can undergo activity-dependent plasticity independent of AMPAR plasticity. However, whether NMDAR-plasticity is expressed heterosynaptically remains unclear. Here, in the dentate gyrus of the hippocampus, we show that the induction of burst timing-dependent LTP of NMDAR-mediated transmission at proximal medial perforant path synapses is accompanied by heterosynaptic NMDAR-LTP at lateral perforant path synapses. These findings provide the first evidence for heterosynaptic NMDAR plasticity, which may have important consequences on the dendritic integration of functionally distinct excitatory inputs by dentate granule cells.

Here we present a newly developed line-scanning confocal microscope that allows imaging large fields of view (up to 20 mm along the sample scan direction), achieving optical sectioning using a virtual slit.

ABSTRACT In the hippocampus, the excitatory synapse between dentate granule cell axons – or mossy fibers (MF) – and CA3 pyramidal cells (MF-CA3) expresses robust forms of short-term plasticity, such as frequency facilitation and post-tetanic potentiation (PTP). These forms of plasticity are due to increases in neurotransmitter release, and can be engaged when dentate granule cells fire in bursts (e.g. during exploratory behaviors) and bring CA3 pyramidal neurons above threshold. While frequency facilitation at this synapse is limited by endogenous activation of presynaptic metabotropic glutamate receptors, whether MF-PTP can be regulated in an activity-dependent manner is unknown. Here, using physiologically relevant patterns of mossy fiber stimulation in acute mouse hippocampal slices, we found that disrupting postsynaptic Ca 2+ dynamics increases MF-PTP, strongly suggesting a form of Ca 2+ -dependent retrograde suppression of this form of plasticity. PTP suppression requires a few seconds of MF bursting activity and Ca 2+ release from internal stores. Our findings raise the possibility that the powerful MF-CA3 synapse can negatively regulate its own strength not only during PTP-inducing activity typical of normal exploratory behaviors, but also during epileptic activity. SIGNIFICANCE STATEMENT The powerful mossy fiber-CA3 synapse exhibits strong forms of plasticity that are engaged during location-specific exploration, when dentate granule cells fire in bursts. While this synapse is well-known for its presynaptically-expressed LTP and LTD, much less is known about the robust changes that occur on a shorter time scale. How such short-term plasticity is regulated, in particular, remains poorly understood. Unexpectedly, an in vivo -like pattern of presynaptic activity induced robust post-tetanic potentiation (PTP) only when the postsynaptic cell was loaded with a high concentration of Ca 2+ buffer, indicating a form of Ca 2+ –dependent retrograde suppression of PTP. Such suppression may have profound implications for how environmental cues are encoded into neural assemblies, and for limiting network hyperexcitability during seizures.