Background Ketamine has emerged as one of the most promising therapies for treatment-resistant depression. However, inter-individual variability in response to ketamine is still not well understood and it is unclear how ketamine’s molecular mechanisms connect to its neural and behavioral effects. Methods We conducted a double-blind placebo-controlled study in which 40 healthy participants received acute ketamine (initial bolus 0.23 mg/kg, continuous infusion 0.58 mg/kg/hour). We quantified resting-state functional connectivity via data-driven global brain connectivity, related it to individual ketamine-induced symptom variation, and compared it to cortical gene expression targets. Results We found that: i) both the neural and behavioral effects of acute ketamine are multi-dimensional, reflecting robust inter-individual variability; ii) ketamine’s data-driven principal neural gradient effect matched somatostatin (SST) and parvalbumin (PVALB) cortical gene expression patterns in humans, implicating the role of SST and PVALB interneurons in ketamine’s acute effects; and iii) behavioral data-driven individual symptom variation mapped onto distinct neural gradients of ketamine, which were resolvable at the single-subject level. Conclusions Collectively, these findings support the possibility for developing individually precise pharmacological biomarkers for treatment selection in psychiatry. Funding This study was supported by NIH grants DP5OD012109-01 (A.A.), 1U01MH121766 (A.A.), R01MH112746 (J.D.M.), 5R01MH112189 (A.A.), 5R01MH108590 (A.A.), NIAAA grant 2P50AA012870-11 (A.A.); NSF NeuroNex grant 2015276 (J.D.M.); Brain and Behavior Research Foundation Young Investigator Award (A.A.); SFARI Pilot Award (J.D.M., A.A.); Heffter Research Institute (Grant No. 1–190420); Swiss Neuromatrix Foundation (Grant No. 2016–0111m Grant No. 2015 – 010); Swiss National Science Foundation under the frame-work of Neuron Cofund (Grant No. 01EW1908), Usona Institute (2015 – 2056).

Abstract Galanin is a neuropeptide, which is critically involved in homeostatic processes like controlling arousal, sleep, and regulation of stress. This extensive range of functions aligns with implications of galanin in diverse pathologies, including anxiety disorders, depression, and epilepsy. Here we investigated the regulatory function of galanin on whole-brain activity in larval zebrafish using wide-field Ca 2+ imaging. Combining this with genetic perturbations of galanin signaling and pharmacologically increasing neuronal activity, we are able to probe actions of galanin across the entire brain. Our findings demonstrate that under unperturbed conditions and during epileptic seizures, galanin exerts a sedative influence on the brain, primarily through the galanin receptor 1a ( galr1a ). However, exposure to acute stressors like pentylenetetrazole (PTZ) compromises galanin’s sedative effects, leading to overactivation of the brain and increased seizure occurrence. Interestingly, galanin’s impact on seizures appears to be bidirectional, as it can both decrease seizure severity and increase seizure occurrence, potentially through different galanin receptor subtypes. This nuanced interplay between galanin and various physiological processes underscores its significance in modulating stress-related pathways and suggests its potential implications for neurological disorders such as epilepsy. Taken together, our data sheds light on a multifaceted role of galanin, where galanin regulates whole-brain activity but also shapes acute responses to stress.

Abstract In the central nervous system of vertebrates, glutamate serves as the primary excitatory neurotransmitter. However, in the retina, glutamate released from photoreceptors causes hyperpolarization in postsynaptic ON-bipolar cells through a glutamate-gated chloride current, which seems paradoxical. Our research reveals that this current is modulated by two excitatory glutamate transporters, EAAT5b and EAAT7. These transporters are located at the dendritic tips of ON-bipolar cells and interact with all four types of cone photoreceptors. The absence of these transporters leads to a decrease in ON-bipolar cell responses, with eaat5b mutants being more severely affected than eaat5b/eaat7 double mutants, which also exhibit altered response kinetics. Biophysical investigations establish that EAAT7 is an active glutamate transporter with a predominant anion conductance. Our study is the first to demonstrate the direct involvement of postsynaptic glutamate transporters in inhibitory direct synaptic transmission at a central nervous system synapse.

ABSTRACT Astroglial excitatory amino acid transporter 2 (EAAT2, GLT-1, SLC1A2) regulates the duration and extent of neuronal excitation by removing glutamate from the synaptic cleft. Hence, an impairment in EAAT2 function could lead to an imbalanced neural network excitability. Here, we investigated the functional alterations of neuronal and astroglial networks associated with the loss of function in the astroglia predominant eaat2a gene in zebrafish. We observed that eaat2a -/- mutant zebrafish larvae display recurrent spontaneous and light-induced seizures in neurons and astroglia, which coincide with an abrupt increase in extracellular glutamate levels. In stark contrast to this hyperexcitability, basal neuronal and astroglial activity was surprisingly reduced in eaat2a -/- mutant animals, which manifested in decreased overall locomotion. Our results reveal an essential and mechanistic contribution of EAAT2a in balancing brain excitability, and its direct link to epileptic seizures.

This chapter offers a comprehensive overview of our current understanding of the neural mechanisms underlying the effects of psychedelic drugs, with a primary focus on human neuroimaging studies. Whenever possible, we explore the neurobiological mechanisms that may underly acute and subacute adverse effects and describe hypotheses on how these results may inform on the pathophysiology of psychiatric illnesses. We delve into the general effects of psychedelics on EEG, fMRI, and PET measurements, drawing insights from experiments that have assessed their acute biological mechanisms. Additionally, we review the relatively limited literature exploring pre- to postdrug changes. Throughout this chapter, we explore the prevailing models of psychedelic drug actions, including the Cortico-Striato-Thalamo-Cortical (CSTC) feedback loop model, the entropic brain hypothesis, the REBUS principle (an extension of predictive brain theories), and the claustrum hypothesis. Finally, we delve into the neural correlates of distinct features of the psychedelic experience, encompassing visual effects, social and emotional impacts, and the phenomenon of ego dissolution. We offer speculations on how our current understanding of acute drug effects might relate to the rarely occurring long-term adverse effects. It is important to note that due to the scarcity of data, these speculations remain tentative.