Plasticity of the nervous system is dependent on mechanisms that regulate the strength of synaptic transmission. Excitatory synapses in the brain undergo long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD), cellular models of learning and memory. Protein phosphorylation is required for the induction of many forms of synaptic plasticity, including LTP and LTD. However, the critical kinase substrates that mediate plasticity have not been identified. We previously reported that phosphorylation of the GluR1 subunit of AMPA receptors, which mediate rapid excitatory transmission in the brain, is modulated during LTP and LTD. To test if GluR1 phosphorylation is necessary for plasticity and learning and memory, we generated mice with knockin mutations in the GluR1 phosphorylation sites. The phosphomutant mice show deficits in LTD and LTP and have memory defects in spatial learning tasks. These results demonstrate that phosphorylation of GluR1 is critical for LTD and LTP expression and the retention of memories.

Brief bath application of N-methyl-D-aspartate (NMDA) to hippocampal slices produces long-term synaptic depression (LTD) in CA1 that is (1) sensitive to postnatal age, (2) saturable, (3) induced postsynaptically, (4) reversible, and (5) not associated with a change in paired pulse facilitation. Chemically induced LTD (Chem-LTD) and homosynaptic LTD are mutually occluding, suggesting a common expression mechanism. Using phosphorylation site–specific antibodies, we found that induction of chem-LTD produces a persistent dephosphorylation of the GluR1 subunit of AMPA receptors at serine 845, a cAMP-dependent protein kinase (PKA) substrate, but not at serine 831, a substrate of protein kinase C (PKC) and calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). These results suggest that dephosphorylation of AMPA receptors is an expression mechanism for LTD and indicate an unexpected role of PKA in the postsynaptic modulation of excitatory synaptic transmission.

Modulation of postsynaptic AMPA receptors in the brain by phosphorylation may play a role in the expression of synaptic plasticity at central excitatory synapses. It is known from biochemical studies that GluR1 AMPA receptor subunits can be phosphorylated within their C terminal by cAMP-dependent protein kinase A (PKA), which is colocalized with the phosphatase calcineurin (i.e., phosphatase 2B). We have examined the effect of PKA and calcineurin on the time course, peak open probability ( P O,PEAK ), and single-channel properties of glutamateevoked responses for neuronal AMPA receptors and homomeric GluR1(flip) receptors recorded in outside-out patches. Inclusion of purified catalytic subunit Cα-PKA in the pipette solution increased neuronal AMPA receptor P O,PEAK (0.92) compared with recordings made with calcineurin included in the pipette ( P O,PEAK 0.39). Similarly, Cα-PKA increased P O,PEAK for recombinant GluR1 receptors (0.78) compared with patches excised from cells cotransfected with a cDNA encoding the PKA peptide inhibitor PKI ( P O,PEAK 0.50) or patches with calcineurin included in the pipette ( P O,PEAK 0.42). Neither PKA nor calcineurin altered the amplitude of single-channel subconductance levels, weighted mean unitary current, mean channel open period, burst length, or macroscopic response waveform for recombinant GluR1 receptors. Substitution of an amino acid at the PKA phosphorylation site (S845A) on GluR1 eliminated the PKA-induced increase in P O,PEAK , whereas the mutation of a Ca 2+ ,calmodulin-dependent kinase II and PKC phosphorylation site (S831A) was without effect. These results suggest that AMPA receptor peak response open probability can be increased by PKA through phosphorylation of GluR1 Ser845.

A transmembrane aspartyl protease termed β-site APP cleavage enzyme 1 (BACE1) that cleaves the amyloid-β precursor protein (APP), which is abundant in neurons, is required for the generation of amyloid-β (Aβ) peptides implicated in the pathogenesis of Alzheimer's disease (AD). We now demonstrate that BACE1, enriched in neurons of the CNS, is a major determinant that predisposes the brain to Aβ amyloidogenesis. The physiologically high levels of BACE1 activity coupled with low levels of BACE2 and α-secretase anti-amyloidogenic activities in neurons is a major contributor to the accumulation of Aβ in the CNS, whereas other organs are spared. Significantly, deletion of BACE1 in APPswe;PS1 Δ E9 mice prevents both Aβ deposition and age-associated cognitive abnormalities that occur in this model of Aβ amyloidosis. Moreover, Aβ deposits are sensitive to BACE1 dosage and can be efficiently cleared from the CNS when BACE1 is silenced. However, BACE1 null mice manifest alterations in hippocampal synaptic plasticity as well as in performance on tests of cognition and emotion. Importantly, memory deficits but not emotional alterations in BACE1 – / – mice are prevented by coexpressing APPswe;PS1 Δ E9 transgenes, indicating that other potential substrates of BACE1 may affect neural circuits related to emotion. Our results establish BACE1 and APP processing pathways as critical for cognitive, emotional, and synaptic functions, and future studies should be alert to potential mechanism-based side effects that may occur with BACE1 inhibitors designed to ameliorate Aβ amyloidosis in AD.

Mice subjected to an aberrant daily light cycle that still maintain the circadian timing system are shown to exhibit increased depression-like behaviours and disruptions in synaptic plasticity and cognitive function. Disruption of the body's circadian clock by exposure to irregular light cycles can affect sleep–wake patterns and cause sleep deprivation, both of which are often associated with mood alterations and cognitive disruptions. This study in mice shows that irregular light schedules can directly affect mood and cognitive function, independent of sleep and circadian rhythms. The aberrant light effects are dependent on melanopsin-containing retinal ganglion cells, and administration of antidepressant drugs restores learning ability, suggesting that the depressive effect precedes learning impairment. The daily solar cycle allows organisms to synchronize their circadian rhythms and sleep–wake cycles to the correct temporal niche1. Changes in day-length, shift-work, and transmeridian travel lead to mood alterations and cognitive function deficits2. Sleep deprivation and circadian disruption underlie mood and cognitive disorders associated with irregular light schedules2. Whether irregular light schedules directly affect mood and cognitive functions in the context of normal sleep and circadian rhythms remains unclear. Here we show, using an aberrant light cycle that neither changes the amount and architecture of sleep nor causes changes in the circadian timing system, that light directly regulates mood-related behaviours and cognitive functions in mice. Animals exposed to the aberrant light cycle maintain daily corticosterone rhythms, but the overall levels of corticosterone are increased. Despite normal circadian and sleep structures, these animals show increased depression-like behaviours and impaired hippocampal long-term potentiation and learning. Administration of the antidepressant drugs fluoxetine or desipramine restores learning in mice exposed to the aberrant light cycle, suggesting that the mood deficit precedes the learning impairments. To determine the retinal circuits underlying this impairment of mood and learning, we examined the behavioural consequences of this light cycle in animals that lack intrinsically photosensitive retinal ganglion cells. In these animals, the aberrant light cycle does not impair mood and learning, despite the presence of the conventional retinal ganglion cells and the ability of these animals to detect light for image formation. These findings demonstrate the ability of light to influence cognitive and mood functions directly through intrinsically photosensitive retinal ganglion cells.

Near coincidental pre- and postsynaptic action potentials induce associative long-term potentiation (LTP) or long-term depression (LTD), depending on the order of their timing. Here, we show that in visual cortex the rules of this spike-timing-dependent plasticity are not rigid, but shaped by neuromodulator receptors coupled to adenylyl cyclase (AC) and phospholipase C (PLC) signaling cascades. Activation of the AC and PLC cascades results in phosphorylation of postsynaptic glutamate receptors at sites that serve as specific “tags” for LTP and LTD. As a consequence, the outcome (i.e., whether LTP or LTD) of a given pattern of pre- and postsynaptic firing depends not only on the order of the timing, but also on the relative activation of neuromodulator receptors coupled to AC and PLC. These findings indicate that cholinergic and adrenergic neuromodulation associated with the behavioral state of the animal can control the gating and the polarity of cortical plasticity.

Abstract SYNGAP1 is a Ras-GTPase activating protein highly enriched at excitatory synapses in the brain. De novo loss-of-function mutations in SYNGAP1 are a major cause of genetically defined neurodevelopmental disorders (NDD). These mutations are highly penetrant and cause SYNGAP1 -related intellectual disability (SRID), a NDD characterized by cognitive impairment, social deficits, early-onset seizures, and sleep disturbances (1-5). Studies in rodent neurons have shown that Syngap1 regulates developing excitatory synapse structure and function (6-11), and heterozygous Syngap1 knockout mice have deficits in synaptic plasticity, learning and memory, and have seizures (9, 12-14). However, how specific SYNGAP1 mutations found in humans lead to disease has not been investigated in vivo. To explore this, we utilized the CRISPR-Cas9 system to generate knock-in mouse models with two distinct known causal variants of SRID: one with a frameshift mutation leading to a premature stop codon, SYNGAP1; L813RfsX22, and a second with a single-nucleotide mutation in an intron that creates a cryptic splice acceptor site leading to premature stop codon, SYNGAP1; c.3583-9G>A . While reduction in Syngap1 mRNA varies from 30-50% depending on the specific mutation, both models show ∼50% reduction in Syngap1 protein, have deficits in synaptic plasticity, and recapitulate key features of SRID including hyperactivity and impaired working memory. These data suggest that half the amount of SYNGAP1 protein is key to the pathogenesis of SRID. These results provide a resource to study SRID and establish a framework for the development of therapeutic strategies for this disorder. Significance Statement SYNGAP1 is a protein enriched at excitatory synapses in the brain that is an important regulator of synapse structure and function. SYNGAP1 mutations cause SYNGAP1 -related intellectual disability (SRID), a neurodevelopmental disorder with cognitive impairment, social deficits, seizures, and sleep disturbances. To explore how SYNGAP1 mutations found in humans lead to disease, we generated the first knock-in mouse models with causal SRID variants: one with a frameshift mutation and a second with an intronic mutation that creates a cryptic splice acceptor site. Both models show decreased Syngap1 mRNA and Syngap1 protein and recapitulate key features of SRID including hyperactivity and impaired working memory. These results provide a resource to study SRID and establish a framework for the development of therapeutic strategies. Highlights Two mouse models with SYNGAP1 -related intellectual disability (SRID) mutations found in humans were generated: one with a frameshift mutation that results in a premature stop codon and the other with an intronic mutation resulting in a cryptic splice acceptor site and premature stop codon. Both SRID mouse models show 35∼50% reduction in mRNA and ∼50% reduction in Syngap1 protein. Both SRID mouse models display deficits in synaptic plasticity and behavioral phenotypes found in people. RNA-seq confirmed cryptic splice acceptor activity in one SRID mouse model and revealed broad transcriptional changes also identified in Syngap1 +/- mice. Novel SRID mouse models generated here provide a resource and establish a framework for development of future therapeutic intervention.

Plastic changes in the brain are primarily limited to early postnatal periods. Recovery of adult brain plasticity is critical for the effective development of therapies. A brief (1-2 week) duration of visual deprivation (dark exposure, DE) in adult mice can trigger functional plasticity of thalamocortical and intracortical circuits in the primary auditory cortex suggesting improved sound processing. We tested if DE enhances the ability of adult mice to detect sounds. We trained and continuously evaluated the behavioral performance of mice in control and DE conditions using automated home-cage training. Consistent with age-related peripheral hearing loss present in C57BL/6J mice, we observed decreased performance for high-frequency sounds with age, which was reduced by DE. In CBA mice with preserved peripheral hearing, we also found that DE enhanced auditory performance in low and mid frequencies over time compared to the control.