Neural circuits are shaped by experience in early postnatal life. Distinct GABAergic connections within visual cortex determine the timing of the critical period for rewiring ocular dominance to establish visual acuity. We find that maturation of the parvalbumin (PV)-cell network that controls plasticity onset is regulated by a selective re-expression of the embryonic Otx2 homeoprotein. Visual experience promoted the accumulation of non-cell-autonomous Otx2 in PV-cells, and cortical infusion of exogenous Otx2 accelerated both PV-cell development and critical period timing. Conversely, conditional removal of Otx2 from non-PV cells or from the visual pathway abolished plasticity. Thus, the experience-dependent transfer of a homeoprotein may establish the physiological milieu for postnatal plasticity of a neural circuit.

Specific transfer of (orthodenticle homeobox 2) Otx2 homeoprotein into GABAergic interneurons expressing parvalbumin (PV) is necessary and sufficient to open, then close, a critical period (CP) of plasticity in the developing mouse visual cortex. The accumulation of endogenous Otx2 in PV cells suggests the presence of specific Otx2 binding sites. Here, we find that perineuronal nets (PNNs) on the surfaces of PV cells permit the specific, constitutive capture of Otx2. We identify a 15 aa domain containing an arginine-lysine doublet (RK peptide) within Otx2, bearing prototypic traits of a glycosaminoglycan (GAG) binding sequence that mediates Otx2 binding to PNNs, and specifically to chondroitin sulfate D and E, with high affinity. Accordingly, PNN hydrolysis by chondroitinase ABC reduces the amount of endogenous Otx2 in PV cells. Direct infusion of RK peptide similarly disrupts endogenous Otx2 localization to PV cells, reduces PV and PNN expression, and reopens plasticity in adult mice. The closure of one eye during this transient window reduces cortical acuity and is specific to the RK motif, as an Alanine-Alanine variant or a scrambled peptide fails to reactivate plasticity. Conversely, this transient reopening of plasticity in the adult restores binocular vision in amblyopic mice. Thus, one function of PNNs is to facilitate the persistent internalization of Otx2 by PV cells to maintain CP closure. The pharmacological use of the Otx2 GAG binding domain offers a novel, potent therapeutic tool with which to restore cortical plasticity in the mature brain.

Abstract Proliferation and migration during adult neurogenesis are regulated by a microenvironment of signaling molecules originating from local vasculature, from cerebrospinal fluid produced by the choroid plexus, and from local supporting cells including astrocytes. Here, we focus on the function of OTX2 homeoprotein transcription factor in the mouse adult ventricular-subventricular zone (V-SVZ) which generates olfactory bulb neurons. We find that OTX2 secreted by choroid plexus is transferred to supporting cells of the V-SVZ and rostral migratory stream. Deletion of Otx2 in choroid plexus affects neuroblast migration and reduces the number of olfactory bulb newborn neurons. Adult neurogenesis was also decreased by expressing secreted single-chain antibodies to sequester OTX2 in the cerebrospinal fluid, demonstrating the importance of non-cell autonomous OTX2. We show that OTX2 activity modifies extracellular matrix components and signaling molecules produced by supporting astrocytes. Thus, we reveal a multi-level and non-cell autonomous role of a homeoprotein and reinforce the choroid plexus and astrocytes as key niche compartments affecting adult neurogenesis. Significance Statement Cerebrospinal fluid, local vasculature and non-neurogenic astrocytes are niche compartments that provide a microenvironment for regulating adult mouse neurogenesis. We show that OTX2 homeoprotein secreted by choroid plexus into the cerebrospinal fluid is transferred into non-neurogenic astrocytes of the ventricular-subventricular zone and rostral migratory stream where it regulates extracellular matrix and signaling factors. This non-cell-autonomous activity impacts the number of newborn neurons that integrate the olfactory bulb. Thus, we reveal a multi-level role for OTX2 and reinforce the choroid plexus as a key niche compartment affecting adult neurogenesis.

Abstract Elevated amyloid precursor protein (APP) expression in the choroid plexus suggests an important role for extracellular APP metabolites in cerebrospinal fluid. Despite widespread App brain expression, we hypothesized that specifically targeting choroid plexus expression could alter animal physiology. Through various genetic and viral approaches in the adult mouse, we show that choroid plexus APP levels significantly impacted proliferation in both subventricular zone and hippocampus dentate gyrus neurogenic niches. Given the role of Aβ peptides in Alzheimer disease pathogenesis, we also tested whether favoring the production of Aβ in choroid plexus could negatively affect niche functions. After AAV5-mediated long-term expression of human mutated APP specifically in the choroid plexus of adult wild type mice, we observe reduced niche proliferation, behavioral defects in reversal learning, and deficits in hippocampal long-term potentiation. Our findings highlight the unique role played by the choroid plexus in regulating brain function, and suggest that targeting APP in choroid plexus may provide a means to improve hippocampus function and alleviate disease-related burdens.

Abstract Choroid plexus secretes cerebrospinal fluid important for brain development and homeostasis. The OTX2 homeoprotein is critical for choroid plexus development and remains highly expressed in adult choroid plexus. Through RNA sequencing analyses of constitutive and conditional knockdown adult mouse models, we reveal putative roles for OTX2 in choroid plexus function, including cell signaling and adhesion, and show that it regulates the expression of factors secreted into cerebrospinal fluid, notably transthyretin. We show that Otx2 expression impacts choroid plexus immune and stress responses, and also affects splicing which leads to changes in mRNA isoforms of proteins implicated in oxidative stress response and DNA repair. Through mass spectrometry analysis of OTX2 protein partners in the choroid plexus, and in known non-cell autonomous target regions such as visual cortex and ventricular-subventricular zone, we identified putative targets involved in cell adhesion, chromatin structure and RNA processing. Thus, OTX2 retains important roles in choroid plexus function and brain homeostasis throughout life.

ABSTRACT Perineuronal nets (PNNs) surrounding fast-spiking, parvalbumin (PV) inhibitory interneurons are vital for providing excitatory:inhibitory balance within cortical circuits, and this balance is impaired in disorders such as schizophrenia, autism spectrum disorder, and substance use disorders. These disorders are also associated with altered diurnal rhythms, yet few studies have examined the diurnal rhythms of PNNs or PV cells. We measured the intensity and number of PV cells and PNNs labeled with Wisteria floribunda agglutinin (WFA) in the rat prelimbic medial prefrontal cortex (mPFC) at Zeitgeber times (ZT) ZT0, 6, 12, and 18. We also measured the oxidative stress marker 8-oxo-deoxyguanosine (8-oxo-dG). Relative to ZT0, the intensities of PNN and PV staining were increased in the dark (active) phase compared with the light (inactive) phase. The intensity of 8-oxo-dG was decreased from ZT0 at all time points (ZT6,12,18), in both PV cells and non-PV cells. To examine corresponding changes in inhibitory and excitatory inputs, we measured GAD 65/67 and vGlut1 puncta apposed to PV cells with and without PNNs. Relative to ZT6, there were more excitatory puncta on PV cells surrounded by PNNs at ZT18, but no changes in PV cells devoid of PNNs. No changes in inhibitory puncta were observed. Whole-cell slice recordings in fast-spiking (PV) cells with PNNs showed an increased ratio of α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor:N-methyl-D-aspartate receptor (AMPA:NMDA) at ZT18 vs . ZT6. The number of PV cells and co-labeled PV/PNN cells containing the transcription factor orthodenticle homeobox 2 (OTX2), which maintains PNNs, showed a strong trend toward an increase from ZT6 to ZT18. These diurnal fluctuations in PNNs and PV cells are expected to alter cortical excitatory:inhibitory balance and provide new insights into treatment approaches for diseases impacted by imbalances in sleep and circadian rhythms.

Abstract The timing of critical periods of juvenile brain plasticity is driven by the maturation of parvalbumin interneurons in the neocortex, a process regulated in part by non-cell autonomous activity of the OTX2 homeoprotein transcription factor. However, the involvement of critical periods in olfactory paleocortex maturation is unknown. Here, we find that the adult mouse piriform cortex parvalbumin interneurons display particularly low maturation that increases in aged animals. Expression analysis of a large panel of genes reveals that an acute increase in piriform cortex OTX2 levels in young adult mice increases Pvalb expression as well as Adamts9 expression, resulting in increased extracellular perineuronal net levels, while reducing OTX2 transfer decreases Pvalb expression and increases Mmp9 expression, resulting in decreased perineuronal net levels. Reduction in OTX2 also stimulates odor-driven cFos activity in piriform cortex parvalbumin cells and disrupts olfactory-driven behavior. Our findings suggest plasticity in piriform cortex involves OTX2 activity on parvalbumin cells and lacks strictly defined critical periods.

Perineuronal net (PNN) accumulation around parvalbumin-expressing (PV) inhibitory interneurons marks the closure of critical periods of high plasticity, whereas PNN removal reinstates juvenile plasticity in the adult cortex. Using targeted chemogenetic in vivo approaches in the adult mouse visual cortex, we found that transient electrical silencing of PV interneurons, directly or through inhibition of local excitatory neurons, induced PNN regression. Conversely, excitation of either neuron types did not reduce the PNN. We also observed that chemogenetically inhibited PV interneurons exhibited reduced PNN compared to their untransduced neighbors, and confirmed that single PV interneurons express multiple genes enabling cell-autonomous control of their own PNN density. Our results indicate that PNNs are dynamically regulated in the adult by PV neurons acting as sensors of their local microcircuit activities. PNN regulation provides individual PV neurons with an activitydependent mechanism to control the local remodeling of adult cortical circuits.

Abstract The 6-OHDA mouse model recapitulates midbrain dopaminergic cell loss and associated motor deficits akin to those observed in Parkinson’s disease. Emerging evidence suggests that modulating interneurons in the primary motor cortex could offer a means to mitigate symptoms. In the cortex, perineuronal nets (PNNs), a specialized extracellular matrix structure generally present around fast-spiking parvalbumin interneurons, can modulate neural activity and circuit plasticity. We found that removing PNNs through unilateral or bilateral ChABC injection in the motor cortex temporarily altered motor behavior. Surprisingly, bilateral reduced motor cortex PNNs are observed two weeks after unilateral 6-OHDA midbrain lesions, whereas five weeks after lesion, PNNs return to control levels. Subsequent bilateral ChABC injections significantly improved motor function in 6-OHDA animals only when associated with motor stimulation involving enriched housing and daily motor training. Thus, PNN modulation in the motor cortex of a Parkinson’s disease model enables local circuits to adapt to the loss of dopaminergic inputs, resulting in improved motor behavior.