Abstract Substance use disorders (SUDs) are seen as a continuum ranging from goal‐directed and hedonic drug use to loss of control over drug intake with aversive consequences for mental and physical health and social functioning. The main goals of our interdisciplinary German collaborative research centre on Losing and Regaining Control over Drug Intake (ReCoDe) are (i) to study triggers (drug cues, stressors, drug priming) and modifying factors (age, gender, physical activity, cognitive functions, childhood adversity, social factors, such as loneliness and social contact/interaction) that longitudinally modulate the trajectories of losing and regaining control over drug consumption under real‐life conditions. (ii) To study underlying behavioural, cognitive and neurobiological mechanisms of disease trajectories and drug‐related behaviours and (iii) to provide non‐invasive mechanism‐based interventions. These goals are achieved by: (A) using innovative mHealth (mobile health) tools to longitudinally monitor the effects of triggers and modifying factors on drug consumption patterns in real life in a cohort of 900 patients with alcohol use disorder. This approach will be complemented by animal models of addiction with 24/7 automated behavioural monitoring across an entire disease trajectory; i.e. from a naïve state to a drug‐taking state to an addiction or resilience‐like state. (B) The identification and, if applicable, computational modelling of key molecular, neurobiological and psychological mechanisms (e.g., reduced cognitive flexibility) mediating the effects of such triggers and modifying factors on disease trajectories. (C) Developing and testing non‐invasive interventions (e.g., Just‐In‐Time‐Adaptive‐Interventions (JITAIs), various non‐invasive brain stimulations (NIBS), individualized physical activity) that specifically target the underlying mechanisms for regaining control over drug intake. Here, we will report on the most important results of the first funding period and outline our future research strategy.

Abstract The long-term stabilization of memory traces or engram involves the rapid formation of cortical engrams during encoding that mature functionally over time guided by the activity of the hippocampus. The molecular mechanisms that regulate this process remain largely unknown. Here, we found that hippocampal DNA methylation converts short-lasting into long-lasting memories by promoting systems consolidation and the stabilization of cortical engrams.

Age-related cognitive decline preferentially targets long-lasting episodic memories that require intact hippocampal function. Memory traces (or engrams) are believed to be encoded within the neurons activated during learning (neuronal ensembles), and recalled by reactivation of the same population. However, whether engram reactivation dictates memory performance in late life is not known. Here, we labelled neuronal ensembles formed during object location recognition learning in the dentate gyrus, and analyzed the reactivation of this population by long-term memory recall in young adult, cognitively impaired- and unimpaired-aged mice. We found that reactivation of memory-encoding neuronal ensembles at long-term memory recall was disrupted in impaired- but not unimpaired-aged mice. Furthermore, we showed that the memory performance in the aged population correlated with the degree of engram reactivation at long-term memory recall. Overall, our data implicates recall-induced engram reactivation as a prediction factor of memory performance throughout aging. Moreover, our findings suggest impairments in neuronal ensemble stabilization and/or reactivation as an underlying mechanism in age-dependent cognitive decline.

Aging is associated with the progressive decay of cognitive function. Hippocampus-dependent processes, such as the formation of spatial memory, are particularly vulnerable to aging. Currently, the molecular mechanisms responsible for age-dependent cognitive decline are largely unknown. Here, we investigated the expression and function of the growth arrest DNA damage gamma (Gadd45γ) during aging and cognition. We report that Gadd45γ expression is increased in the hippocampus of aged humans and that Gadd45γ overexpression in the young adult mouse hippocampus compromises cognition. Moreover, Gadd45γ overexpression in hippocampal neurons disrupted CREB signaling and the expression of well-established activity-regulated genes. This work shows that Gadd45γ expression is tightly controlled in the hippocampus and its disruption may be a mechanism contributing to age-related cognitive impairments observed in humans.

Abstract Long-term memory formation is supported by functional and structural changes of neuronal networks, which rely on de novo gene transcription and protein synthesis. The modulation of the neuronal transcriptome in response to learning depends on transcriptional and post-transcriptional mechanisms. DNA methylation writers and readers regulate the activity-dependent genomic program required for memory consolidation. The most abundant DNA methylation reader, the Methyl CpG binding domain protein 2 (MeCP2), has been shown to regulate alternative splicing, but whether it establishes splicing events important for memory consolidation has not been investigated. In this study, we identified the alternative splicing profile of the mouse hippocampus in basal conditions and after a spatial learning experience, and investigated the requirement of MeCP2 for these processes. We observed that spatial learning triggers a wide-range of alternative splicing events in transcripts associated with structural remodeling and that virus-mediated knockdown of MeCP2 impairs learning-dependent post-transcriptional responses of mature hippocampal neurons. Furthermore, we found that MeCP2 preferentially affected the splicing modalities intron retention and exon skipping and guided the alternative splicing of distinct set of genes in baseline conditions and after learning. Lastly, comparative analysis of the MeCP2-regulated transcriptome with the alternatively spliced mRNA pool, revealed that MeCP2 disruption alters the relative abundance of alternatively spliced isoforms without affecting the overall mRNA levels. Overall our findings reveal that adult hippocampal MeCP2 is required to finetune alternative splicing events in basal conditions, as well as in response to spatial learning. This study provides new insight into how MeCP2 regulates brain function, particularly cognitive abilities, and sheds light onto the pathophysiological mechanisms of Rett syndrome, that is characterized by intellectual disability and caused by mutations in the Mecp2 gene.

Abstract Epigenetic factors are well established players in memory formation. Specifically, DNA methylation is necessary for the formation of long-term memory in multiple brain regions including the hippocampus. Despite the demonstrated role for DNA methyltransferases (Dnmts) in memory formation, it is unclear whether individual Dnmts have unique or redundant functions in long-term memory formation. Furthermore, the downstream processes controlled by Dnmts during memory consolidation have not been investigated. In this study, we examined the requirement of the predominant Dnmt in the adult brain, Dnmt3a1, for hippocampus- dependent long-term memory formation. Using RNA-sequencing, we identified an activity- regulated Dnmt3a1-dependent genomic program in which several genes were functionally associated with functional and structural plasticity. Our data showed that Dnmt3a1, similarly to its isoform Dnmt3a2, plays a critical role in memory formation and identified Neuropilin 1 (Nrp1) as a downstream target of Dnmt3a1 in this process. Intriguingly, we found that Nrp1 expression is selectively regulated by and a specific downstream effector of Dnmt3a1, but not Dnmt3a2. Taken together, our study uncovered a Dnmt3a-isoform-specific mechanism in memory formation, identified a novel regulator of memory, and further highlighted the complex and highly regulated functions of distinct epigenetic regulators in brain function.

Long-term memories are believed to be encoded by unique transcriptional signatures in the brain. The expression of immediate early genes (IEG) promotes structural and molecular changes required for memory consolidation. Recent evidence has shown that the brain is equipped with mechanisms that not only promote, but actively constrict memory formation. However, it remains unknown whether IEG expression may play a role in memory suppression. Here we uncovered a novel function of the IEG neuronal PAS domain protein 4 (Npas4), as an inducible memory suppressor gene of highly salient aversive experiences. Using a contextual fear conditioning paradigm, we found that low stimulus salience leads to monophasic Npas4 expression, while highly salient learning induces a biphasic expression of Npas4 in the hippocampus. The later phase requires NMDA receptor activity and is independent of dopaminergic neurotransmission. Our in vivo pharmacological and genetic manipulation experiments suggested that the later phase of Npas4 expression restricts the consolidation of a fear memory and promote behavioral flexibility, by facilitating fear extinction and the contextual specificity of fear responses. Moreover, immunofluorescence and electrophysiological analysis revealed a concomitant increase in synaptic input from cholecystokinin (CCK)-expressing interneurons. Our results demonstrate how salient experiences evoke unique temporal patterns of IEG expression that fine-tune memory consolidation. Moreover, our study provides evidence for inducible gene expression associated with memory suppression as a possible mechanism to balance the consolidation of highly salient memories, and thereby to evade the formation of maladaptive behavior.