To sustain neurotransmission, synaptic vesicles and their associated proteins must be recycled locally at synapses. Synaptic vesicles are thought to be regenerated approximately 20 s after fusion by the assembly of clathrin scaffolds or in approximately 1 s by the reversal of fusion pores via ‘kiss-and-run’ endocytosis. Here we use optogenetics to stimulate cultured hippocampal neurons with a single stimulus, rapidly freeze them after fixed intervals and examine the ultrastructure using electron microscopy—‘flash-and-freeze’ electron microscopy. Docked vesicles fuse and collapse into the membrane within 30 ms of the stimulus. Compensatory endocytosis occurs within 50 to 100 ms at sites flanking the active zone. Invagination is blocked by inhibition of actin polymerization, and scission is blocked by inhibiting dynamin. Because intact synaptic vesicles are not recovered, this form of recycling is not compatible with kiss-and-run endocytosis; moreover, it is 200-fold faster than clathrin-mediated endocytosis. It is likely that ‘ultrafast endocytosis’ is specialized to restore the surface area of the membrane rapidly. Sustained neurotransmission requires recycling of synaptic vesicles, but the proposed mechanisms have been controversial; here a ‘flash-and-freeze’ method for electron microscopy reveals a new ultrafast form of endocytosis that is actin- and dynamin-dependent and occurs within 100 milliseconds of stimulation. Sustained neurotransmission requires recycling of synaptic vesicles but the proposed mechanisms — clathrin-mediated endocytosis and 'kiss-and-run' reversal of fusion — have been controversial. Now Erik Jorgensen and colleagues, using ultrafast, 'flash-and-freeze' electron microscopy, have identified a previously unknown actin- and dynamin-dependent mechanism of endocytosis, occurring within 100 milliseconds of stimulation in mouse hippocampal neurons. This is 200-times faster than the clathrin-mediated process, and morphological characteristics rule out the 'kiss-and-run' model. This work suggests that rapid internalization of membrane from the surface is the first step in endocytosis.

See Zekeridou and Lennon (doi: 10.1093/aww213 ) for a scientific commentary on this article . Anti- N -methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) encephalitis is a recently discovered autoimmune syndrome associated with psychosis, dyskinesias, and seizures. Little is known about the cerebrospinal fluid autoantibody repertoire. Antibodies against the NR1 subunit of the NMDAR are thought to be pathogenic; however, direct proof is lacking as previous experiments could not distinguish the contribution of further anti-neuronal antibodies. Using single cell cloning of full-length immunoglobulin heavy and light chain genes, we generated a panel of recombinant monoclonal NR1 antibodies from cerebrospinal fluid memory B cells and antibody secreting cells of NMDAR encephalitis patients. Cells typically carried somatically mutated immunoglobulin genes and had undergone class-switching to immunoglobulin G, clonally expanded cells carried identical somatic hypermutation patterns. A fraction of NR1 antibodies were non-mutated, thus resembling 'naturally occurring antibodies' and indicating that tolerance induction against NMDAR was incomplete and somatic hypermutation not essential for functional antibodies. However, only a small percentage of cerebrospinal fluid-derived antibodies reacted against NR1. Instead, nearly all further antibodies bound specifically to diverse brain-expressed epitopes including neuronal surfaces, suggesting that a broad repertoire of antibody-secreting cells enrich in the central nervous system during encephalitis. Our functional data using primary hippocampal neurons indicate that human cerebrospinal fluid-derived monoclonal NR1 antibodies alone are sufficient to cause neuronal surface receptor downregulation and subsequent impairment of NMDAR-mediated currents, thus providing ultimate proof of antibody pathogenicity. The observed formation of immunological memory might be relevant for clinical relapses. See Zekeridou and Lennon (doi: 10.1093/aww213 ) for a scientific commentary on this article . Antibodies against the NR1 subunit of the NMDA receptor are suspected to underlie anti-NMDA receptor encephalitis. Kreye et al. provide direct evidence by showing that monoclonal human NR1 antibodies are sufficient to downregulate synaptic NMDA receptors. They show too that patients harbour a much broader auto-antibody repertoire than previously thought.

Abstract Information is carried between brain regions through neurotransmitter release from axonal presynaptic terminals. Understanding the functional roles of defined neuronal projection pathways in cognitive and behavioral processes requires temporally precise manipulation of their activity in vivo . However, existing optogenetic tools have low efficacy and off-target effects when applied to presynaptic terminals, while chemogenetic tools are difficult to control in space and time. Here, we show that a targeting-enhanced mosquito homologue of the vertebrate encephalopsin (eOPN3) can effectively suppress synaptic transmission through the G i/o signaling pathway. Brief illumination of presynaptic terminals expressing eOPN3 triggers a lasting suppression of synaptic output that recovers spontaneously within minutes in vitro as well as in vivo . In freely moving mice, eOPN3-mediated suppression of dopaminergic nigrostriatal afferents leads to an ipsiversive rotational bias. We conclude that eOPN3 can be used to selectively suppress neurotransmitter release at synaptic terminals with high spatiotemporal precision, opening new avenues for functional interrogation of long-range neuronal circuits in vivo .

Abstract Information is transmitted between brain regions through the release of neurotransmitters from long-range projecting axons. Understanding how the activity of such long-range connections contributes to behavior requires efficient methods for reversibly manipulating their function. Chemogenetic and optogenetic tools, acting through endogenous G-protein-coupled receptor pathways, can be used to modulate synaptic transmission, but existing tools are limited in sensitivity, spatiotemporal precision or spectral multiplexing capabilities. Here we systematically evaluated multiple bistable opsins for optogenetic applications and found that the Platynereis dumerilii ciliary opsin ( Pd CO) is an efficient, versatile, light-activated bistable G-protein-coupled receptor that can suppress synaptic transmission in mammalian neurons with high temporal precision in vivo. Pd CO has useful biophysical properties that enable spectral multiplexing with other optogenetic actuators and reporters. We demonstrate that Pd CO can be used to conduct reversible loss-of-function experiments in long-range projections of behaving animals, thereby enabling detailed synapse-specific functional circuit mapping.

Abstract Information is transmitted between brain regions through the release of neurotransmitters from long-range projecting axons. Understanding how the activity of such long-range connections contributes to behavior requires efficient methods for reversibly manipulating their function. Chemogenetic and optogenetic tools, acting through endogenous G-protein coupled receptor (GPCRs) pathways, can be used to modulate synaptic transmission, but existing tools are limited in sensitivity, spatiotemporal precision, or spectral multiplexing capabilities. Here we systematically evaluated multiple bistable opsins for optogenetic applications and found that the Platynereis dumerilii ciliary opsin ( Pd CO) is an efficient, versatile, light-activated bistable GPCR that can suppress synaptic transmission in mammalian neurons with high temporal precision in-vivo . Pd CO has superior biophysical properties that enable spectral multiplexing with other optogenetic actuators and reporters. We demonstrate that Pd CO can be used to conduct reversible loss-of-function experiments in long-range projections of behaving animals, thereby enabling detailed synapse-specific functional circuit mapping.

Abstract Anti-IgLON5 disease is an autoimmunity/neurodegeneration overlap disorder in which autoantibodies (AABs) against the neuronal cell surface protein IgLON5 lead to profound brain dysfunction. Brains of patients show Tau pathology, neuroinflammation, and neurodegeneration in multiple brain regions. Through administering patient-derived α-IgLON5 AABs to mice and cultured neurons, we here deciphered the cellular mechanisms of Tau pathology and neurodegeneration in α-IgLON5 disease, highlighting a central role of neuronal activity modulation in the disease pathology. Pathogenic human α-IgLON5 AABs induced acute neuronal hyperactivity, which triggered Tau changes typically found early in Tau-related neurodegenerative diseases like Alzheimer’s disease (AD). α-IgLON5 AAB-induced Tau phosphorylation and somatodendritic resorting selectively occurred in key hippocampal connections, involving dentate gyrus granule cells, mossy fiber projections and commissural fiber tracts. These changes were accompanied by a Tau-specific neuroinflammatory response, involving the complement pathway, microglial MHC class II proteins, T cell receptors, and deregulation of synaptic activity and cell-cell interactions. These findings provide new insights into the origin of autoimmune-triggered α-IgLON5 disease pathology and highlight that, similar to recent reports in AD patients, neuronal hyperactivity may be a disease-overarching driver of Tau pathology.

Abstract Serotonin (5-HT) is one of the major neuromodulators present in the mammalian brain and has been shown to play a role in multiple physiological processes. The mechanisms by which 5-HT modulates cortical network activity, however, are not yet fully understood. We investigated the effects of 5-HT on slow oscillations (SOs), a synchronized cortical network activity universally present across species. SOs are observed during anesthesia and are considered to be the default cortical activity pattern. We discovered that (±)3,4-methylenedioxymethamphetamine (MDMA) and fenfluramine, two potent 5-HT releasers, inhibit SOs within the entorhinal cortex (EC) in anesthetized mice. Combining opto- and pharmacogenetic manipulations with in vitro electrophysiological recordings, we uncovered that somatostatin-expressing (Sst) interneurons activated by the 5-HT 2A receptor (5-HT 2A R) play an important role in the suppression of SOs. Since 5-HT 2A R signaling is involved in the etiology of different psychiatric disorders and mediates the psychological effects of many psychoactive serotonergic drugs, we propose that the newly discovered link between Sst interneurons and 5-HT will contribute to our understanding of these complex topics.

The subiculum is the gatekeeper between the hippocampus and cortical areas. Yet, the lack of a pyramidal cell-specific marker gene has made the analysis of the subicular area very difficult. Here we report that the vesicular-glutamate transporter 2 (VGLUT2) functions as a specific marker gene for subicular burst-firing neurons, and demonstrate that VGLUT2-Cre mice allow for Channelrhodopsin-2 (ChR2)-assisted connectivity analysis.

Binge eating commonly leads to overeating, but the exact mechanism is unclear. While it is known that experiencing flavor contributes to satiety, the interactions between flavor, feeding rate, and food intake remain unknown. Here, we demonstrate a novel feeding rate-dependent modulation of food intake by olfactory flavor representation in the anterior olfactory (piriform) cortex (aPC). We developed a liquid food delivery system that enables food consumption at different feeding rates. Using miniscopes for in vivo calcium imaging in freely foraging mice, we identified specific excitatory neuronal responses to food and water during slow feeding. Switching to binge feeding transformed these specific responses into unspecific global suppression of neuronal activity. In the gustatory cortex and the olfactory bulb, we observed similarities in flavor representation during binge and slow feeding. Food consumption was predicted by the degree of suppression of neuronal activity in the aPC during binge feeding, and food deprivation enhanced neuronal activity suppression. We confirmed the hypothesis that aPC suppression promotes food intake with closed-loop optogenetics experiments. Together, our results show that olfactory sensory representation in the aPC reciprocally interacts with consummatory behavior to enhance food intake.