Functional activity of N -methyl- d -aspartate (NMDA) receptors requires both glutamate binding and the binding of an endogenous coagonist that has been presumed to be glycine, although d -serine is a more potent agonist. Localizations of d -serine and it biosynthetic enzyme serine racemase approximate the distribution of NMDA receptors more closely than glycine. We now show that selective degradation of d -serine with d -amino acid oxidase greatly attenuates NMDA receptor-mediated neurotransmission as assessed by using whole-cell patch–clamp recordings or indirectly by using biochemical assays of the sequelae of NMDA receptor-mediated calcium flux. The inhibitory effects of the enzyme are fully reversed by exogenously applied d -serine, which by itself did not potentiate NMDA receptor-mediated synaptic responses. Thus, d -serine is an endogenous modulator of the glycine site of NMDA receptors and fully occupies this site at some functional synapses.

The NMDA receptor is a key player in excitatory transmission and synaptic plasticity in the central nervous system. Its activation requires the binding of both glutamate and a coagonist like d-serine to its glycine site. As d-serine is released exclusively by astrocytes, we studied the physiological impact of the glial environment on NMDA receptor-dependent activity and plasticity. To this end, we took advantage of the changing astrocytic ensheathing of neurons occurring in the supraoptic nucleus during lactation. We provide direct evidence that in this hypothalamic structure the endogenous coagonist of NMDA receptors is d-serine and not glycine. Consequently, the degree of astrocytic coverage of neurons governs the level of glycine site occupancy on the NMDA receptor, thereby affecting their availability for activation and thus the activity dependence of long-term synaptic changes. Such a contribution of astrocytes to synaptic metaplasticity fuels the emerging concept that astrocytes are dynamic partners of brain signaling.

N-methyl-d-aspartate receptors (NMDARs) are located in neuronal cell membranes at synaptic and extrasynaptic locations, where they are believed to mediate distinct physiological and pathological processes. Activation of NMDARs requires glutamate and a coagonist whose nature and impact on NMDAR physiology remain elusive. We report that synaptic and extrasynaptic NMDARs are gated by different endogenous coagonists, d-serine and glycine, respectively. The regionalized availability of the coagonists matches the preferential affinity of synaptic NMDARs for d-serine and extrasynaptic NMDARs for glycine. Furthermore, glycine and d-serine inhibit NMDAR surface trafficking in a subunit-dependent manner, which is likely to influence NMDARs subcellular location. Taking advantage of this coagonist segregation, we demonstrate that long-term potentiation and NMDA-induced neurotoxicity rely on synaptic NMDARs only. Conversely, long-term depression requires both synaptic and extrasynaptic receptors. Our observations provide key insights into the operating mode of NMDARs, emphasizing functional distinctions between synaptic and extrasynaptic NMDARs in brain physiology.

High levels of D-serine occur in mammalian brain, where it appears to be an endogenous ligand of the glycine site of N-methyl-D-aspartate receptors. In glial cultures of rat cerebral cortex, D-serine is enriched in type II astrocytes and is released upon stimulation with agonists of non-N-methyl-D-aspartate glutamate receptors. The high levels of D-serine in discrete areas of rat brain imply the existence of a biosynthetic pathway. We have purified from rat brain a soluble enzyme that catalyzes the direct racemization of L-serine to D-serine. Purified serine racemase has a molecular mass of 37 kDa and requires pyridoxal 5'-phosphate for its activity. The enzyme is highly selective toward L-serine, failing to racemize any other amino acid tested. Properties such as pH optimum, Km values, and the requirement for pyridoxal phosphate resemble those of bacterial racemases, suggesting that the biosynthetic pathway for D-amino acids is conserved from bacteria to mammalian brain.

The gliotransmitter d -serine is released upon (S)-α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid/kainate and metabotropic glutamate receptor stimulation, but the mechanisms involved are unknown. Here, by using a highly sensitive bioassay to continuously monitor extracellular d -serine levels, we have investigated the pathways used in its release. We reveal that d -serine release is inhibited by removal of extracellular calcium and augmented by increasing extracellular calcium or after treatment with the Ca 2+ ionophore A23187. Furthermore, release of the amino acid is considerably reduced after depletion of thapsigargin-sensitive intracellular Ca 2+ stores or chelation of intracellular Ca 2+ with 1,2-bis(2-aminophenoxy)ethane- N , N , N ′, N ′-tetraacetate–acetoxymethyl ester. Interestingly, d -serine release also was markedly reduced by concanamycin A, a vacuolar-type H + -ATPase inhibitor, indicating a role for the vesicular proton gradient in the transmitter storage/release. In addition, agonist-evoked d -serine release was sensitive to tetanus neurotoxin. Finally, immunocytochemical and sucrose density gradient analysis revealed that a large fraction of d -serine colocalized with synaptobrevin/VAMP2, suggesting that it is stored in VAMP2-bearing vesicles. In summary, our study reveals the cellular mechanisms subserving d -serine release and highlights the importance of the glial cell exocytotic pathway in influencing CNS levels of extracellular d -serine.

Abstract Astrocytes control synaptic activity by modulating peri-synaptic concentrations of ion and neurotransmitters including dopamine and, as such, can be critically involved in the modulation of some aspect of mammalian behavior. Here we report that genetic mouse model with a reduced medial prefrontal cortex (mPFC) dopamine levels, arising from astrocyte-specific conditional deletion of vesicular monoamine transporter 2 (VMAT2; aVMTA2cKO mice) shows excessive grooming and anxiety-like behaviour. The VMAT2cKO mice also develop a synaptic pathology, expressed through increased relative AMPA vs. NMDA receptor currents in synapses of the dorsal striatum receiving inputs from the mPFC. Importantly, behavioural and synaptic phenotypes are prevented by reexpression of mPFC VMAT2, showing that the deficits are driven by mPFC astrocytes. By analysing human tissue samples, we found that VMAT2 is expressed in human mPFC astrocytes, corroborating the potential translational relevance of our observations in mice. Our study shows that impairments of the astrocytic-control of dopamine in the mPFC has a profound impact on circuit function and behaviours, which resemble symptoms of anxiety disorders and obsessive compulsive disorder (OCD).

The vagus nerve serves as an interoceptive relay between the body and the brain. Despite its well-established role in feeding behaviors, energy metabolism, and cognitive functions, the intricate functional processes linking the vagus nerve to the hippocampus and its contribution to learning and memory dynamics remain still elusive. Here, we investigated whether and how the gut-brain vagal axis contributes to hippocampal learning and memory processes at behavioral, functional, cellular, and molecular levels. Our results indicate that the integrity of the vagal axis is essential for long-term recognition memories, while sparing other forms of memory. In addition, by combing multi-scale approaches, our findings show that the gut-brain vagal tone exerts a permissive role in scaling intracellular signaling events, gene expressions, hippocampal dendritic spines density as well as functional long-term plasticities (LTD and LTP). These results highlight the critical role of the gut-brain vagal axis in maintaining the spontaneous and homeostatic functions of hippocampal ensembles and in regulating their learning and memory functions. In conclusion, our study provides comprehensive insights into the multifaceted involvement of the gut-brain vagal axis in shaping time-dependent hippocampal learning and memory dynamics. Understanding the mechanisms underlying this interoceptive body-brain neuronal communication may pave the way for novel therapeutic approaches in conditions associated with cognitive decline, including neurodegenerative disorders.

The vagus nerve serves as an interoceptive relay between the body and the brain. Despite its well-established role in feeding behaviors, energy metabolism, and cognitive functions, the intricate functional processes linking the vagus nerve to the hippocampus and its contribution to learning and memory dynamics remain still elusive. Here, we investigated whether and how the gut-brain vagal axis contributes to hippocampal learning and memory processes at behavioral, functional, cellular, and molecular levels. Our results indicate that the integrity of the vagal axis is essential for long-term recognition memories, while sparing other forms of memory. In addition, by combing multi-scale approaches, our findings show that the gut-brain vagal tone exerts a permissive role in scaling intracellular signaling events, gene expressions, hippocampal dendritic spines density as well as functional long-term plasticities (LTD and LTP). These results highlight the critical role of the gut-brain vagal axis in maintaining the spontaneous and homeostatic functions of hippocampal ensembles and in regulating their learning and memory functions. In conclusion, our study provides comprehensive insights into the multifaceted involvement of the gut-brain vagal axis in shaping time-dependent hippocampal learning and memory dynamics. Understanding the mechanisms underlying this interoceptive body-brain neuronal communication may pave the way for novel therapeutic approaches in conditions associated with cognitive decline, including neurodegenerative disorders.

Abstract The enteric nervous system (ENS) is a complex network of diverse molecularly defined classes of neurons embedded in the gastrointestinal wall and responsible for controlling the major functions of the gut. As in the central nervous system, the vast array of ENS neurons is interconnected by chemical synapses. Despite several studies reporting the expression of ionotropic glutamate receptors in the ENS, their roles in the gut remain elusive. Here, by using an array of immunohistochemistry, molecular profiling and functional assays, we uncover a new role for D-serine (D-Ser) and non-conventional GluN1-GluN3 N-methyl D-aspartate receptors (NMDARs) in regulating ENS functions. We demonstrate that D-Ser is produced by serine racemase (SR) expressed in enteric neurons. By using both in situ patch clamp recording and calcium imaging, we show that D-Ser alone acts as an excitatory neurotransmitter in the ENS independently of the conventional GluN1-GluN2 NMDARs. Instead, D-Ser directly gates the non-conventional GluN1-GluN3 NMDARs in enteric neurons from both mouse and guinea-pig. Pharmacological inhibition or potentiation of GluN1-GluN3 NMDARs had opposite effects on mouse colonic motor activities, while genetically driven loss of SR impairs gut transit and fluid content of pellet output. Our results demonstrate the existence of native GluN1-GluN3 NMDARs in enteric neurons and open new perspectives on the exploration of excitatory D-Ser receptors in gut function and diseases.