Fluctuating neurosteroid levels over the ovarian cycle modulate neuronal excitability through effects on GABA(A) receptors (GABA(A)Rs). The large increase in progesterone-derived neurosteroids during pregnancy and their precipitous decline at parturition may have considerable effects on GABA(A)Rs during pregnancy and postpartum. Here we show a significant decrease in tonic and phasic inhibitions in pregnant mice, mediated by a downregulation of GABA(A)R delta and gamma2 subunits, respectively, which rebounds immediately postpartum. Mice which do not exhibit GABA(A)R delta subunit regulation throughout pregnancy (Gabrd(+/-) and Gabrd(-/-)) exhibit depression-like and abnormal maternal behaviors, resulting in reduced pup survival. These abnormal postpartum behaviors were ameliorated in Gabrd(+/-) mice by a GABA(A)R delta-subunit-selective agonist, THIP. We suggest that Gabrd(+/-) and Gabrd(-/-) mice constitute a mouse model of postpartum depression that may be useful for evaluating potential therapeutic interventions.

The Rbfox family of RNA binding proteins mediate alternative splicing. Douglas Black and colleagues show that targeted deletion of the mouse Rbfox1 gene in the CNS alters splice isoforms of a subset of genes and is associated with neural hyperexcitability with spontaneous and drug-induced seizures. The Rbfox family of RNA binding proteins regulates alternative splicing of many important neuronal transcripts, but its role in neuronal physiology is not clear1. We show here that central nervous system–specific deletion of the gene encoding Rbfox1 results in heightened susceptibility to spontaneous and kainic acid–induced seizures. Electrophysiological recording revealed a corresponding increase in neuronal excitability in the dentate gyrus of the knockout mice. Whole-transcriptome analyses identified multiple splicing changes in the Rbfox1−/− brain with few changes in overall transcript abundance. These splicing changes alter proteins that mediate synaptic transmission and membrane excitation. Thus, Rbfox1 directs a genetic program required in the prevention of neuronal hyperexcitation and seizures. The Rbfox1 knockout mice provide a new model to study the post-transcriptional regulation of synaptic function.

Abstract Brexanolone (allopregnanolone), was recently approved by the FDA for the treatment of post-partum depression, demonstrating long-lasting antidepressant effects. Despite our understanding of the mechanism of action of neurosteroids as positive allosteric modulators (PAMs) of GABA a receptors, we still do not fully understand how allopregnanolone exerts these persistent antidepressant effects. Here, we demonstrate that allopregnanolone and similar synthetic neuroactive steroid analogs, SGE-516 (tool-compound) and zuranolone (SAGE-217, investigational-compound), are capable of modulating oscillatory states across species, which we propose may contribute to long-lasting changes in behavioral states. We identified a critical role for interneurons in generating oscillations in the basolateral amygdala (BLA) and a role for delta-containing GABA a Rs in mediating the ability of neurosteroids to modulate network and behavioral states. Actions of allopregnanolone in the BLA is sufficient to alter behavioral states and enhance BLA high-theta oscillations (6-12Hz) through delta-containing GABA a receptors, a mechanism distinct from other GABA a PAMs, such as benzodiazepines. Moreover, treatment with the allopregnanolone analog SGE-516 induces long-lasting protection from chronic stress-induced disruption of network states, which correlates with improved behavioral outcomes. Our findings demonstrate a novel molecular and cellular mechanism mediating the well-established anxiolytic and antidepressant effects of neuroactive steroids.

Abstract Chronic stress is a major risk factor for psychiatric illnesses, including depression; however, the pathophysiological mechanisms whereby stress leads to mood disorders remain unclear. The recent FDA approval of antidepressants with novel mechanisms of action, like Zulresso®, a synthetic neuroactive steroid analog with molecular pharmacology similar to allopregnanolone, has spurred interest in new therapeutic targets and, potentially, novel pathophysiological mechanisms for depression. Allopregnanolone acts as a positive allosteric modulator of GABA A receptors (GABA A RS), acting preferentially at δ subunit-containing receptors (δ-GABA A RS). Accumulating clinical and preclinical evidence supports the antidepressant effects of exogenous administration of allopregnanolone and allopregnanolone analogs; however, the role of endogenous neurosteroids in the pathophysiology of depression remains unknown. Here, we examine whether altered neurosteroid signaling may contribute to behavioral deficits following chronic unpredictable stress (CUS) in mice. We first identified reductions in expression of δ-GABA A Rs, the predominant site of action of 5a-reduced neuroactive steroids, following CUS. Additionally, utilizing LC-MS/MS we discovered a decrease in levels of allopregnanolone in the BLA, but not plasma of mice following CUS, an indication of impaired neurosteroid synthesis. CRISPR knockdown the rate-limiting enzymes involved in allopregnanolone synthesis, 5α-reductase type 1 and 2, in the BLA mimicked the behavioral deficits associated with CUS in mice. Furthermore, overexpression expression of 5α-reductase type 1 and 2 in the BLA improved behavioral outcomes. Collectively, this suggests chronic stress impairs endogenous neurosteroid signaling in the BLA which is sufficient to induce behavioral deficits similar to those observed following CUS. Further, these studies suggest that the therapeutic efficacy of allopregnanolone-based treatments may be due to their ability to directly target the underlying pathophysiology of mood disorders. Therefore, targeting endogenous neurosteroidogenesis may offer a novel therapeutic strategy for the treatment of mood disorders.

Summary Epilepsy is often comorbid with psychiatric illnesses, including anxiety and depression. Despite the high incidence of psychiatric comorbidities in people with epilepsy, few studies address the underlying mechanisms. Stress can trigger both epilepsy and depression and significant accumulating evidence, from both human and animal studies, support that hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis dysfunction may contribute to the comorbidity of these two disorders 1 . Here we directly investigate the contribution of HPA axis dysfunction to epilepsy outcomes and psychiatric comorbidities. We generated a novel mouse model (KCC2/Crh mice) that lacks the K + /Cl - co-transporter, KCC2, in corticotropin-releasing hormone (CRH) neurons, which exhibit stress- and seizure-induced hyperactivation of the HPA axis. 2,3 Here we demonstrate that HPA axis dysfunction in KCC2/Crh mice is associated with increased vulnerability to behavioral deficits in chronically epileptic mice and more severe neuropathological features associated with chronic epilepsy (e.g. increased mossy fiber sprouting). Despite equivalent seizure burden, HPA axis dysfunction in these chronically epileptic mice increased the incidence of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Suppressing HPA axis hyperexcitability in this model using a pharmacological or chemogenetic approach decreased SUDEP incidence, supporting HPA axis dysfunction in SUDEP vulnerability. We also observed changes in neuroendocrine markers in individuals that died of SUDEP compared to people with epilepsy or individuals without a history of epilepsy. Together, these findings describe a novel, nongenetic mouse model of SUDEP which will benefit preclinical SUDEP research to gain a better understanding of the underlying pathological mechanisms contributing to SUDEP. HPA axis dysfunction increases vulnerability to psychiatric comorbidities in epilepsy and may be a risk factor for SUDEP.

Epilepsy is often comorbid with psychiatric illnesses, including anxiety and depression. Despite the high incidence of psychiatric comorbidities in people with epilepsy, few studies address the underlying mechanisms. Stress can trigger epilepsy and depression. Evidence from human and animal studies support that hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis dysfunction may contribute to both disorders as well as their comorbidity (Kanner, 2003). Here, we investigate if HPA axis dysfunction may influence epilepsy outcomes and psychiatric comorbidities. We generated a novel mouse model ( Kcc2 / Crh KO mice) lacking the K + /Cl - co-transporter, KCC2, in corticotropin-releasing hormone (CRH) neurons, which exhibit stress- and seizure-induced HPA axis hyperactivation (Melon et al., 2018). We used the Kcc2 / Crh KO mice to examine the impact on epilepsy outcomes, including seizure frequency/burden, comorbid behavioral deficits, and SUDEP risk. We found sex differences in HPA axis dysfunction's effect on chronically epileptic KCC2/Crh KO mice seizure burden, vulnerability to comorbid behavioral deficits, and SUDEP. Suppressing HPA axis hyperexcitability in this model using pharmacological or chemogenetic approaches decreased SUDEP incidence, suggesting that HPA axis dysfunction may contribute to SUDEP. Altered neuroendocrine markers were present in SUDEP cases compared to people with epilepsy or individuals without epilepsy. Together, these findings implicate HPA axis dysfunction in the pathophysiological mechanisms contributing to psychiatric comorbidities in epilepsy and SUDEP. Significance Statement Our work provides new insight into a potential novel pathophysiological mechanism contributing to psychiatric illnesses and SUDEP in epilepsy patients, implicating HPA axis dysfunction in negative outcomes associated with epilepsy. This study is the first to link HPA axis dysfunction to SUDEP risk. Chronically epileptic male mice with exaggerated HPA axis dysfunction had increased SUDEP incidence. The translational relevance of these findings is supported by neuroendocrine abnormalities observed in postmortem samples from individuals that died of SUDEP. These data suggest that neuroendocrine mechanisms should be further explored in psychiatric comorbidities in epilepsy and SUDEP risk. Further, neuroendocrine markers may be a biomarker for SUDEP risk.

Adverse childhood experiences (ACEs) are associated with numerous detriments in health, including increased vulnerability to psychiatric illnesses. Early life stress (ELS) in rodents has been shown to effectively model several of the behavioral and endocrine impacts of ACEs and has been utilized to investigate the underlying mechanisms contributing to disease. However, the precise neural mechanisms responsible for mediating the impact of ELS on vulnerability to psychiatric illnesses remain largely unknown.

Abstract Patterned coordination of network activity in the basolateral amygdala (BLA) is important for fear expression. Neuromodulatory systems play an essential role in regulating changes between behavioral states, however the mechanisms underlying the neuromodulatory control of BLA circuits that mediates transitions between brain and behavioral states remain largely unknown. We examined the role of neuromodulation of parvalbumin (PV)-expressing interneurons in the BLA in coordinating network and behavioral states using combined chemogenetics, ex vivo patch clamp recordings, and in vivo and ex vivo local field potential recordings. We show that Gq signaling, whether by the designer receptor, hM3D, α1A adrenoreceptors, or 5-HT2a serotonergic receptors, induces a previously undescribed, highly stereotyped bursting pattern of activity in BLA PV interneurons that generates synchronous bursts of inhibitory postsynaptic currents and phasic firing in the BLA principal neurons. The Gq activation in PV interneurons induced a transition from tonic to phasic firing in the BLA PV neurons and principal neurons and suppressed BLA gamma oscillations in slices and suppressed BLA gamma and potentiated theta power in vivo . Gq activation in BLA PV interneurons also facilitated fear memory recall, consistent with previous reports of BLA gamma suppression and theta potentiation during conditioned fear expression. Thus, our data reveal a BLA parvalbumin neuron-specific Gq neuromodulatory mechanism that mediates the transition to a fear-associated network and behavioral state.

Abstract Neurosteroids have been implicated in the pathophysiology of post-traumatic stress disorder (PTSD). Allopregnanolone is reduced in subsets of individuals with PTSD and has been explored as a novel treatment strategy. Both direct trauma exposure and witnessed trauma are risk factors for PTSD; however, the role of neurosteroids in the behavioral outcomes of these unique experiences has not been explored. Here we investigate whether observational fear is associated with a reduced capacity for endogenous neurosteroidogenesis and the relationship with behavioral outcomes. We demonstrate that both mice directly subjected to the threat (foot shocks) and those witnessing the threat have decreased plasma levels of allopregnanolone. The expression of a key enzyme involved in endogenous neurosteroid synthesis, 5α-reductase type 2, is decreased in the basolateral amygdala (BLA), which is a major emotional processing hub implicated in PTSD. We demonstrate that knockdown of 5α-reductase type 2 exaggerates the behavioral expression of fear in response to witnessed trauma, whereas treatment with an exogenous, synthetic neuroactive steroid GABA A receptor PAM with molecular pharmacology similar to allopregnanolone (SGE-516 [tool compound]) decreases the behavioral response to observational fear. These data implicate impaired endogenous neurosteroidogenesis in the pathophysiology of threat exposure, both direct and witnessed. Further, these data suggest that treatment with exogenous 5α-reduced neurosteroids or targeting endogenous neurosteroidogenesis may be beneficial for the treatment of individuals with PTSD, whether resulting from direct or witnessed trauma.