Homeostatic synaptic plasticity (HSP) is a fundamental neuronal mechanism that allows networks to compensate for prolonged changes in activity by adjusting synaptic strength. This process is crucial for maintaining stable brain function and has been implicated in memory consolidation during sleep. While scaling of both excitatory and inhibitory synapses plays an important role during homeostatic synaptic plasticity, molecules coordinating both of these processes are unknown. In this study, we investigate the role of miR-218-5p as a regulator of inhibitory and excitatory synapses in the context of picrotoxin (PTX)-induced homeostatic synaptic downscaling (HSD) in rat hippocampal neurons. Using enrichment analysis of miRNA-binding sites in differentially expressed genes changing upon PTX-induced HSD, we bioinformatically predicted and experimentally validated increased miR-218-5p activity upon PTX-treatment in the process compartment. By monitoring synapse structure in vitro with confocal microscopy, we demonstrate that inhibiting miR-218-5p activity exerts a dual effect during HSD: it prevents the downscaling of excitatory synapses and dendritic spines, while at the same time blocking inhibitory synapse upscaling. Furthermore, we identify the Neuroligin2 interacting molecule Mdga1 as a crucial target of miR-218-5p in the context of homeostatic upscaling of inhibitory synapses. By performing long-term electroencephalographic (EEG) recordings, we further revealed that local inhibition of miR-218-5p in the somatosensory cortex reduced local slow-wave activity (SWA) during non-rapid-eye-movement (NREM) sleep. In summary, this study uncovers miR-218-5p as a key player in coordinating inhibitory and excitatory synapses during homeostatic plasticity and sleep. Our findings contribute to a deeper understanding of how neural circuits maintain stability in the face of activity-induced perturbations, with potential implications for both physiological and pathological conditions.

ABSTRACT Bipolar disorder (BD) is a chronic mood disorder characterized by alternating manic and depressive episodes, often in conjunction with cognitive deficits. Dysregulation of neuroplasticity and calcium homeostasis as a result of complex genetic environment interactions are frequently observed in BD patients, but the underlying molecular mechanisms are largely unknown. Here, we show that a BD-associated microRNA, miR-499-5p, regulates neuronal dendrite development and cognitive function by downregulating the BD risk gene CACNB2 . miR-499-5p expression is increased in peripheral blood of BD patients and healthy subjects at risk of developing the disorder due to a history of childhood maltreatment. This up-regulation is paralleled in the hippocampus of rats which underwent juvenile social isolation. Elevating miR-499-5p levels in rat hippocampal pyramidal neurons impairs dendritogenesis and reduces surface expression and activity of the voltage-gated L-type calcium channel Ca v 1.2. We further identified CACNB2 , which encodes a regulatory β-subunit of Ca v 1.2, as a direct target of miR-499-5p in neurons. CACNB2 downregulation is required for the miR-499-5p dependent impairment of dendritogenesis, suggesting that CACNB2 is an important downstream target of miR-499-5p in the regulation of neuroplasticity. Finally, elevating miR-499-5p in the hippocampus in vivo is sufficient to induce short-term memory impairments in rats haploinsufficient for the Ca v 1.2 pore forming subunit Cacna1c . Taken together, we propose that stress-induced upregulation of miR-499-5p contributes to dendritic impairments and deregulated calcium homeostasis in BD, with specific implications for the neurocognitive dysfunction frequently observed in BD patients.

The evolutionary increase in size and complexity of the primate neocortex is thought to underlie the higher cognitive abilities of humans. ARHGAP11B is a human-specific gene that, based on its expression pattern in fetal human neocortex and progenitor effects in embryonic mouse neocortex, has been proposed to have a key function in the evolutionary expansion of the neocortex. Here, we study the effects of ARHGAP11B expression in the developing neocortex of the gyrencephalic ferret. In contrast to its effects in mouse, ARHGAP11B markedly increases proliferative basal radial glia, a progenitor cell type thought to be instrumental for neocortical expansion, and results in extension of the neurogenic period and an increase in upper-layer neurons. As a consequence, the postnatal ferret neocortex exhibits an increased neuron density in the upper cortical layers and expands in the radial dimension. Thus, human-specific ARHGAP11B can elicit hallmarks of neocortical expansion in developing ferret neocortex.

Abstract The underlying physiological and molecular mechanisms of bipolar disorder (BD) remain largely unknown. Here, by using unbiased small RNA sequencing in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), we found that miR-708-5p, a microRNA that was previously associated with BD, is the most strongly upregulated microRNA in peripheral blood of both healthy human subjects with a high genetic or environmental predisposition to develop mood disorders (MDs). Furthermore, miR-708-5p is strongly upregulated in patients diagnosed with BD and has potential in conjunction with the previously identified miR-499-5p to differentiate BD patients from patients suffering from major depressive disorder (MDD) and healthy controls. miR-708 is also upregulated in the hippocampus of wild type juvenile rats that underwent social isolation, as well as in juvenile rats heterozygous for the BD risk gene Cacna1c . Furthermore, ectopic overexpression of miR-708-5p in the hippocampus of adult male mice leads to BD-associated endophenotypes, such as reduced behavioral despair, enhanced compulsivity, and short-term memory impairments. miR-708-5p directly targets Neuronatin (Nnat), an endoplasmic reticulum (ER) resident protein involved in calcium homeostasis. Restoring Nnat expression in the hippocampus of miR-708-5p overexpressing mice rescues BD-associated endophenotypes. In summary, we functionally link miR-708-5p dependent regulation of Nnat to BD, with potential implications for BD diagnosis and therapy.

Abstract The proper development and function of neuronal circuits relies on a tightly regulated balance between excitatory and inhibitory (E/I) synaptic transmission, and disrupting this balance can cause neurodevelopmental disorders, e.g. schizophrenia. microRNA-dependent gene regulation in pyramidal neurons is important for excitatory synaptic function and cognition, but its role in inhibitory interneurons is poorly understood. Here, we identify miR-138-5p as a regulator of short-term memory and inhibitory synaptic transmission in the hippocampus. Sponge-mediated miR-138-5p inactivation specifically in parvalbumin (PV)-expressing interneurons impairs spatial recognition memory and enhances GABAergic synaptic input onto pyramidal neurons. Cellular and behavioural phenotypes associated with miR-138-5p inactivation are paralleled by an upregulation of the schizophrenia-associated Erbb4 , which we validated as a direct miR-138-5p target gene. Our findings suggest that miR-138-5p is a critical regulator of PV interneuron function, with implications for cognition and schizophrenia. More generally, they provide evidence that microRNAs orchestrate neural circuit development by fine-tuning both excitatory and inhibitory synaptic transmission.