Circadian (daily) rhythms are present in almost all plants and animals. In mammals, a brain clock located in the hypothalamic suprachiasmatic nucleus maintains synchrony between environmental light/dark cycles and physiology and behavior. Over the past 100 y, especially with the advent of electric lighting, modern society has resulted in a round-the-clock lifestyle, in which natural connections between rest/activity cycles and environmental light/dark cycles have been degraded or even broken. Instances in which rapid changes to sleep patterns are necessary, such as transmeridian air travel, demonstrate negative effects of acute circadian disruption on physiology and behavior. However, the ramifications of chronic disruption of the circadian clock for mental and physical health are not yet fully understood. By housing mice in 20-h light/dark cycles, incongruous with their endogenous ∼24-h circadian period, we were able to model the effects of chronic circadian disruption noninvasively. Housing in these conditions results in accelerated weight gain and obesity, as well as changes in metabolic hormones. In the brain, circadian-disrupted mice exhibit a loss of dendritic length and decreased complexity of neurons in the prelimbic prefrontal cortex, a brain region important in executive function and emotional control. Disrupted animals show decreases in cognitive flexibility and changes in emotionality consistent with the changes seen in neural architecture. How our findings translate to humans living and working in chronic circadian disruption is unknown, but we believe that this model can provide a foundation to understand how environmental disruption of circadian rhythms impacts the brain, behavior, and physiology.

The prefrontal cortex (PFC), a key brain region controlling cognition and emotion, is strongly influenced by stress. While chronic stress often produces detrimental effects on these measures, acute stress has been shown to enhance learning and memory, predominantly through the action of corticosteroid stress hormones. We used a combination of electrophysiological, biochemical, and behavioral approaches in an effort to identify the cellular targets of acute stress. We found that behavioral stressors in vivo cause a long-lasting potentiation of NMDAR- and AMPAR-mediated synaptic currents via glucocorticoid receptors (GRs) selectively in PFC pyramidal neurons. This effect is accompanied by increased surface expression of NMDAR and AMPAR subunits in acutely stressed animals. Furthermore, behavioral tests indicate that working memory, a key function relying on recurrent excitation within networks of PFC neurons, is enhanced by acute stress via a GR-dependent mechanism. These results have identified a form of long-term potentiation of synaptic transmission induced by natural stimuli in vivo, providing a potential molecular and cellular mechanism for the beneficial effects of acute stress on cognitive processes subserved by PFC.

The mechanisms subserving the ability of glucocorticoid signaling within the medial prefrontal cortex (mPFC) to terminate stress-induced activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis are not well understood. We report that antagonism of the cannabinoid CB(1) receptor locally within the mPFC prolonged corticosterone secretion following cessation of stress in rats. Mice lacking the CB(1) receptor exhibited a similar prolonged response to stress. Exposure of rats to stress produced an elevation in the endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol within the mPFC that was reversed by pretreatment with the glucocorticoid receptor antagonist RU-486 (20 mg/kg). Electron microscopic and electrophysiological data demonstrated the presence of CB(1) receptors in inhibitory-type terminals impinging upon principal neurons within layer V of the prelimbic region of the mPFC. Bath application of corticosterone (100 nm) to prefrontal cortical slices suppressed GABA release onto principal neurons in layer V of the prelimbic region, when examined 1 h later, which was prevented by application of a CB(1) receptor antagonist. Collectively, these data demonstrate that the ability of stress-induced glucocorticoid signaling within mPFC to terminate HPA axis activity is mediated by a local recruitment of endocannabinoid signaling. Endocannabinoid activation of CB(1) receptors decreases GABA release within the mPFC, likely increasing the outflow of the principal neurons of the prelimbic region to contribute to termination of the stress response. These data support a model in which endocannabinoid signaling links glucocorticoid receptor engagement to activation of corticolimbic relays that inhibit corticosterone secretion.

Obesity is a major public health problem affecting overall physical and emotional well-being. Despite compelling data suggesting an association between obesity and cognitive dysfunction, this phenomenon has received relatively little attention. Neuroimaging studies in obese humans report reduced size of brain regions involved in cognition, but few studies have investigated the cellular processes underlying cognitive decline in obesity or the influence of obesity on cognition in the absence of obesity-related illnesses. Here, a rat model of diet-induced obesity was used to explore changes in brain regions important for cognition. Obese rats showed deficits on cognitive tasks requiring the prefrontal and perirhinal cortex. Cognitive deficits were accompanied by decreased dendritic spine density and synaptic marker expression in both brain regions. Microglial morphology was also changed in the prefrontal cortex. Detrimental changes in the prefrontal cortex and perirhinal cortex occurred before metabolic syndrome or diabetes, suggesting that these brain regions may be particularly vulnerable to early stage obesity.

ABSTRACT Circadian regulation of autonomic reflex pathways pairs physiological function with the daily light cycle. The brainstem nucleus of the solitary tract (NTS) is a key candidate for rhythmic control of the autonomic nervous system. Here we investigated circadian regulation of NTS neurotransmission and synaptic throughput using patch-clamp electrophysiology in brainstem slices from mice. We found that spontaneous quantal glutamate release on to NTS neurons showed strong circadian rhythmicity, with the highest rate of release during the light phase and the lowest in the dark, that were sufficient to drive day / night differences in constitutive postsynaptic action potential firing. In contrast, afferent-evoked action potential throughput was enhanced during the dark and diminished in the light. Afferent-driven synchronous release pathways showed a similar decrease in release probability that did not explain the enhanced synaptic throughput during the night. However, analysis of postsynaptic membrane properties revealed diurnal changes in conductance; which, when coupled with the circadian changes in glutamate release pathways, tuned synaptic throughput between the light and dark phases. These coordinated pre- / postsynaptic changes encode nuanced control over synaptic performance and pair NTS action potential firing and vagal throughput with time of day.

Abstract The prefrontal cortex (PFC) is heavily involved in cognitive and emotional processes, including working memory, cognition, stress responses, and fear associated behaviors. Many PFC-associated behaviors are time-of-day dependent, and disruption of daily rhythms negatively impacts these behavioral outputs, yet how the disruption of daily rhythms impacts the fundamental function of PFC neurons, and the mechanism(s) by which this occurs, remains unknown. Using a mouse model, we demonstrate that the activity and action potential dynamics of prelimbic PFC neurons are regulated by time-of-day in a sex specific manner. Further, we show that postsynaptic K + channels play a central role in mediating these rhythms, suggesting an intrinsic gating mechanism mediating information throughput. Finally, we demonstrate that environmental circadian desynchronization alters the intrinsic functioning of these neurons in part by increasing sensitivity GIRK channel activation. These key discoveries demonstrate daily rhythms contribute to the mechanisms underlying the essential physiology of PFC circuits, and provide potential mechanisms by which circadian disruption may impact the fundamental properties of neurons. Significance Statement Disruption of circadian rhythms, such as shift work and jet lag, are associated with negative physiological and behavioral outcomes, including changes in affective state, cognitive function, learning and memory. The prefrontal cortex (PFC) plays a critical role in these functions, yet how daily rhythms and desynchronization of these rhythms impact the physiology of neurons in the PFC is unknown. Here we demonstrate that daily rhythms impact the physiological function of PFC neurons in a sex-dependent manner, and that environmental circadian desynchronization alters PFC function irrespective of time-of-day. These findings provide not only a physiological context to the neural and behavioral changes associated with circadian desynchronization, but also highlight the importance of considering the temporal dimension in studies of neural circuits.

Aging is associated with reduced circadian (daily) rhythm amplitude in physiology and behavior, and decreased function of the prefrontal cortex (PFC). Similar effects are seen in younger mice experiencing circadian desynchrony (CD) caused by exposure to 20h light-dark cycles (T20). Given changes in PFC structure/function, underlying metabolic functioning of the PFC may also occur. We aimed to determine whether there are similarities in neurometabolism between Aged and CD mice. Using enzymatic amperometric biosensors, we recorded lactate concentration changes in the medial PFC in freely-behaving mice. Young mice displayed a circadian rhythm of lactate, which was severely blunted by CD, while Aging only changed the rhythm in constant conditions. We simultaneously probed the relationship between arousal state and PFC lactate rhythms, showing relationships between arousal state and lactate concentration, and documenting changes that occurred in CD and aging. Finally, using RT-qPCR, we found changes in genes related to metabolism and plasticity in both Aged and CD mice. Together, these data suggest both Aging and light cycle manipulation can disrupt mPFC neurometabolism.

Circadian clock dysfunction is a common symptom of aging and neurodegenerative diseases, though its impact on brain health is poorly understood. Astrocyte activation occurs in response to diverse insults, and plays a critical role in brain health and disease. We report that the core clock protein BMAL1 regulates astrogliosis in a synergistic manner via a cell-autonomous mechanism, and via a lesser non-cell-autonomous signal from neurons. Astrocyte-specific Bmal1 deletion induces astrocyte activation in vitro and in vivo, mediated in part by suppression of glutathione-s-transferase signaling. Functionally, loss of Bmal1 in astrocytes promotes neuronal death in vitro. Our results demonstrate that the core clock protein BMAL1 regulates astrocyte activation and function in vivo, elucidating a novel mechanism by which the circadian clock could influence many aspects of brain function and neurologic disease.

ABSTRACT Traumatic brain injury (TBI) is an established risk factor for developing neurodegenerative disease. However, how TBI leads from acute injury to chronic neurodegeneration is limited to post-mortem models. There is a lack of connections between in vitro and in vivo TBI models that can relate injury forces to both macroscale tissue damage and brain function at the cellular level. Needle-induced cavitation (NIC) is a technique that can produce small cavitation bubbles in soft tissues, which allows us to relate small strains and strain rates in living tissue to ensuing acute and chronic cell death, tissue damage, and tissue remodeling. Here, we applied NIC to mouse brain slices to create a new model of TBI with high spatial and temporal resolution. We specifically targeted the hippocampus, which is a brain region critical for learning and memory and an area in which injury causes cognitive pathologies in humans and rodent models. By combining NIC with patch-clamp electrophysiology, we demonstrate that NIC in the Cornu Ammonis (CA)3 region of the hippocampus dynamically alters synaptic release onto CA1 pyramidal neurons in a cannabinoid 1 receptor (CB1R)-dependent manner. Further, we show that NIC induces an increase in extracellular matrix proteins associated with neural repair that is mitigated by CB1R antagonism. Together, these data lay the groundwork for advanced approaches in understanding how TBI impacts neural function at the cellular level, and the development of treatments that promote neural repair in response to brain injury. SIGNIFICANCE Current models of mild TBI (mTBI) cannot relate injury forces to both macroscale tissue damage and brain function at the cellular level. We combine a microscale injury model in ex vivo brain slices while simultaneously recording glutamatergic inputs onto CA1 hippocampal pyramidal neurons. Post-injury examination of chronic tissue regeneration by astrocytes allow us to connect acute neuronal signaling responses to chronic fibrosis after TBI. These studies provide a new tool for understanding the physiological and molecular responses to TBI and lay the groundwork for future experiments unraveling the synaptic mechanisms that mediate these responses seconds, minutes, and days following injury.