Abstract Neuromodulators adapt sensory circuits to changes in the external world or the animal’s internal state and synapses are key control sites for such plasticity. Less clear is how neuromodulation alters the amount of information transmitted through the circuit. We investigated this question in the context of the diurnal regulation of visual processing in the retina of zebrafish, focusing on ribbon synapses of bipolar cells. We demonstrate that contrast-sensitivity peaks in the afternoon accompanied by a four-fold increase in the average Shannon information transmitted from an active zone. This increase reflects higher synaptic gain, lower spontaneous “noise” and reduced variability of evoked responses. Simultaneously, an increase in the probability of multivesicular events with larger information content increases the efficiency of transmission (bits per vesicle) by factors of 1.5-2.7. This study demonstrates the multiplicity of mechanisms by which a neuromodulator can adjust the synaptic transfer of sensory information.

Abstract The action potential and its all-or-none nature is fundamental to neural communication. Canonically the action potential is initiated once voltage-gated Na + channels are activated, and their rapid kinetics of activation and inactivation give rise to the action potential’s all-or-none nature. Here we show that cerebrospinal fluid contacting neurons (CSFcNs) surrounding the central canal of the mouse spinal cord employ a different strategy. Rather than using voltage-gated Na + channels to generate binary spikes, CSFcNs use two different types of voltage-gated Ca 2+ channel, enabling spikes of different amplitude. T-type Ca 2+ channels generate small amplitude spikes, whereas large amplitude spikes require high voltage-activated Cd 2+ sensitive Ca 2+ channels. We show that these different amplitude spikes signal input from different transmitter systems; purinergic inputs evoke smaller T-type dependent spikes while cholinergic inputs evoke large T-type independent spikes. Different synaptic inputs to CSFcNs can therefore be signalled by the spike amplitude.

The central nervous system (CNS) plays a key role in regulating metabolic functions, but conditions like obesity and diabetes can disrupt this balance. Within the CNS, the nucleus of the solitary tract (NTS) in the dorsal vagal complex (DVC) controls glucose metabolism and feeding behaviour. In rodents, the NTS senses insulin and communicates with the liver to regulate glucose production. Even short term exposure to a high fat diet (HFD) can lead to insulin resistance and impair NTS function. However, we still know little about which cells in the NTS are sensitive to insulin. Our study aimed to identify these insulin sensitive cells and understand how they affect glucose metabolism. We found that insulin receptors in astrocytes are crucial for the NTS ability to regulate glucose production in the liver. Insulin evokes the release of endozepines from astrocytes, and injecting endozepines into the NTS reduces glucose production. The effect of endozepines within the NTS is mimicked by GABAA antagonists and prevented by an agonist, suggesting that insulin prompts astrocytes to release endozepines, which then attenuate GABAA receptor activity, ultimately reducing glucose production in the liver. Our study is the first to show that insulin dependent release of endozepines from NTS astrocytes is fundamental to control blood glucose levels, providing valuable insights into the mechanisms underlying insulin function within this specific region of the CNS.

Sensory systems must reduce the transmission of redundant information to function efficiently. One strategy is to continuously adjust the sensitivity of neurons to suppress responses to common features of the input while enhancing responses to new ones. Here we image both the excitatory synaptic inputs and outputs of retinal ganglion cells to understand how such dynamic predictive coding is implemented in the analysis of spatial patterns. Synapses of bipolar cells become tuned to orientation through presynaptic inhibition generating lateral antagonism in the orientation domain. Individual ganglion cells receive excitatory synapses tuned to different orientations but feedforward inhibition generates a high-pass filter that only transmits the initial activation of these inputs, thereby removing redundancy. These results demonstrate how a dynamic predictive code can be implemented by circuit motifs common to many parts of the brain.

The mechanisms through which the brain encodes odour identity and maintains the stability of the resultant olfactory percept are not well understood. The combination of activated receptors is thought to encode identity (1, 2), while a cascade of mechanisms is thought to give rise to odour constancy (3). Yet some odours evoke different percepts at low and higher concentrations (4). Here we show that a change in odour percept corresponds to rapid and complete adaptation in a single olfactory receptor channel that is most sensitive to the odour. This concentration-dependent shift to fast adaptation is not a property of circuit interactions within the olfactory bulb, rather it arises from depolarisation block of olfactory receptor neurons within the nose. It therefore seems that mechanisms to promote odour constancy are unable to operate when rapid peripheral adaption has occurred. Furthermore, our data imply that odour identity relies on a sparse code, as perceptual constancy depends on the activity of only a few olfactory receptor channels.