Summary

 We report that, in the rat hippocampus, learning leads to a significant increase in extracellular lactate levels that derive from glycogen, an energy reserve selectively localized in astrocytes. Astrocytic glycogen breakdown and lactate release are essential for long-term but not short-term memory formation, and for the maintenance of long-term potentiation (LTP) of synaptic strength elicited in vivo. Disrupting the expression of the astrocytic lactate transporters monocarboxylate transporter 4 (MCT4) or MCT1 causes amnesia, which, like LTP impairment, is rescued by L-lactate but not equicaloric glucose. Disrupting the expression of the neuronal lactate transporter MCT2 also leads to amnesia that is unaffected by either L-lactate or glucose, suggesting that lactate import into neurons is necessary for long-term memory. Glycogenolysis and astrocytic lactate transporters are also critical for the induction of molecular changes required for memory formation, including the induction of phospho-CREB, Arc, and phospho-cofilin. We conclude that astrocyte-neuron lactate transport is required for long-term memory formation.

We report that, in the rat, administering insulin-like growth factor II (IGF-II, also known as IGF2) significantly enhances memory retention and prevents forgetting. Inhibitory avoidance learning leads to an increase in hippocampal expression of IGF-II, which requires the transcription factor CCAAT enhancer binding protein β and is essential for memory consolidation. Furthermore, injections of recombinant IGF-II into the hippocampus after either training or memory retrieval significantly enhance memory retention and prevent forgetting. To be effective, IGF-II needs to be administered within a sensitive period of memory consolidation. IGF-II-dependent memory enhancement requires IGF-II receptors, new protein synthesis, the function of activity-regulated cytoskeletal-associated protein and glycogen-synthase kinase 3 (GSK3). Moreover, it correlates with a significant activation of synaptic GSK3β and increased expression of GluR1 (also known as GRIA1) α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxasolepropionic acid receptor subunits. In hippocampal slices, IGF-II promotes IGF-II receptor-dependent, persistent long-term potentiation after weak synaptic stimulation. Thus, IGF-II may represent a novel target for cognitive enhancement therapies. An understanding of the mechanisms of memory enhancement is vital for broadening our knowledge of memory processes, as well as for potential clinical applications. Yet very little is known about it. Experiments in rats now show that the administration of insulin-like growth factor II (IGF-II), a protein typically implicated in somatic tissue growth and repair, significantly enhances memory retention, promotes the memory proxy known as long-term potentiation and prevents forgetting. IGF-II acts by initiating a network of signalling cascades that can lead to synaptic potentiation and are most effective within a short time frame immediately following learning. IGF-II is therefore a potential target for modulating cognitive enhancement. After learning, memories are strengthened through a process called 'consolidation', which requires new gene and protein expression, rendering new information less vulnerable to disruption. Several transcription factor families are involved in this process, but many of the relevant downstream targets are unknown. Here, IGF-II, a protein typically implicated in somatic tissue growth and repair, is identified as an essential factor in memory retention. IGF-II initiates its own network of signalling cascades that can lead to synaptic potentiation and are most effective within a short time frame immediately after learning. Thus, IGF-II represents an endogenous target for potentially modulating cognitive enhancement.

Anorexia Nervosa (AN) is an eating disorder characterized by severe voluntary food restriction. Stress is known to be a precipitating factor in AN, but the underlying biology linking stress to feeding is not well understood. Here we describe a novel population of stress-responsive neurons in the lateral septum (LS) that express neurotensin (NtsLS) and negatively regulate food intake. We used in vivo fiber photometry and chemo/optogenetics to show that NtsLS neurons are activated by stressful experiences, including active escape in a predator-induced stress paradigm, and specifically decrease food intake in mice, without altering anxiety or locomotor behaviors. These neurons co-express Glp1r, and pharmacologic or genetic manipulations of Glp1r signaling in the LS recapitulate the behavioral findings shown using chemo/optogenetics. Finally, we mapped the outputs of NtsLS neurons and show that activation of NtsLS neuronal terminals in the lateral hypothalamus (LH) also decrease food intake. Taken together, these results show that NTSLS neurons serve as a potential link between stress and anorexia and act by modulating hypothalamic pathways regulating feeding.

Feeding is a complex motivated behavior controlled by a distributed neural network that processes sensory information to generate adaptive behavioral responses. Accordingly, studies using appetitive Pavlovian conditioning confirm that environmental cues that are associated with food availability can induce feeding even in satiated subjects. However, in mice, appetitive conditioning generally requires intensive training and thus can impede molecular studies that often require large numbers of animals. To address this, we developed and validated a simple and rapid context-induced feeding (ctx-IF) task in which cues associated with food availability can later lead to increased food consumption in sated mice. We show that the associated increase in food consumption is driven by both positive and negative reinforcement and that spaced training is more effective than massed training. Ctx-IF can be completed in ~1 week and provides an opportunity to study the molecular mechanisms and circuitry underlying non-homeostatic eating. We have used this paradigm to map brain regions that are activated during Ctx-IF with cFos immunohistochemistry and found that the insular cortex, and other regions, are activated following exposure to cues denoting the availability of food. Finally, we show that inhibition of the insular cortex using GABA agonists impairs performance of the task. Our findings provide a novel assay in mice for defining the functional neuroanatomy of appetitive conditioning and identify specific brain regions that are activated during the development of learned behaviors that impact food consumption.

Abstract Developmental patterns of behavior are variably organized in time and among different individuals. However, long-term behavioral diversity was previously studied using pre-defined behavioral parameters, representing a limited fraction of the full individuality structure. Here, we continuously extracted ∼1.2 billion body postures of ∼2,200 single C. elegans individuals throughout their full development time, to create a complete developmental atlas of stereotyped and individual-unique behavioral spaces. Unsupervised inference of low-dimensional movement modes of each single individual revealed a dynamic developmental trajectory of stereotyped behavioral spaces and exposed unique behavioral trajectories of individuals that deviate from the stereotyped patterns. Moreover, classification of behavioral spaces within tens of neuromodulatory- and environmentally-perturbed populations efficiently uncovered plasticity in the temporal structures of stereotyped behavior and individuality. These results present a comprehensive atlas of continuous behavioral dynamics across development time and a general framework for unsupervised dissection of shared and unique developmental signatures of behavior.

Associative learning can drive many different types of behaviors, including food consumption. Previous studies have shown that cues paired with food delivery while mice are hungry will lead increased consumption in the presence of those cues at later times. We previously showed that overconsumption can be driven in male mice by contextual cues, using chow pellets. Here we extended our findings by examining other parameters that may influence the outcome of context-conditioned overconsumption training. We found that the task worked equally well in males and females, and that palatable substances such as high-fat diet and Ensure chocolate milkshake supported learning and induced overconsumption. Surprisingly, mice did not overconsume when sucrose was used as the reinforcer during training, suggesting that nutritional content is a critical factor. Interestingly, we also observed that diet-induced obese mice did not learn the task. Overall, we find that context-conditioned overconsumption can be studied in lean males and female mice, and with multiple reinforcer types.

Feeding is a complex motivated behavior that is controlled not just by metabolic and homeostatic factors, but also by environmental factors such as emotion and the hedonic nature of the food itself. Yet, little is known about how brain regions involved in cognition and emotion might contribute to overeating, and therefore, obesity. We used a recently developed behavioral task in which learned contextual cues induce feeding even in sated mice to investigate the underlying neural mechanisms. Using viral tracing, molecular profiling and chemo/optogenetic techniques, we discovered that an insular cortex projection to the central amygdala is required for conditioned overconsumption but not homeostatic feeding. The projection neurons express nitric oxide synthase-1 and activation of this population suppresses satiety signals in the central amygdala. The data thus indicate that the insular cortex provides top down control of homeostatic circuits to promote overconsumption in response to learned cues.

Associative learning guides feeding behavior in mammals in part by using cues that link location in space to food availability. However, the elements of the top-down circuitry encoding the memory of the location of food is largely unknown, as are the high-order processes that control satiety. Here we report that hippocampal dopamine 2 receptor (D2R) neurons are specifically activated by food and that modulation of their activity reduce food intake in mice. We also found that activation of these neurons interferes with the valence of food and the acquisition of a spatial memory linking food to a location via projections from the hippocampus to the lateral septum. Finally, we showed that inputs from lateral entorhinal cortex (LEC) to the hippocampus can also drive satiety via activation of D2R cells. These data describe a previously unidentified function for hippocampal D2R cells to regulate feeding behavior and identifies a LEC->Hippocampus->Septal high-order circuit that encodes the memory of food location.

Remembering and forgetting are important aspects of normal behavioral adaptation; however, the molecular basis of forgetting has been less studied. Using rat and mouse models we find that WT1, a transcriptional repressor that is activated in the hippocampus by LTP producing stimuli and behavioral memory, enables forgetting. Acute or tonic knockdown of WT1 did not affect short-term memory but enhanced long-term memory and enables a switch from circuit to cellular computation in the hippocampus. A control theory model predicts that WT1 could be a general repressor of memory or a regulator that preserves the ability to remember multiple sequential experiences. Using sequential training for two tasks, mice with non-functional WT1 have better memory for the first task, but show impaired memory for the second task. Taken together, our observations indicate that WT1 mediates an experience-activated forgetting process that preserves the capability of the animal to remember other new experiences.