NMDA receptors require both L-glutamate and the coagonist glycine for efficient channel activation. The glycine binding site of these heteromeric receptor proteins is formed by regions of the NMDAR1 (NR1) subunit that display sequence similarity to bacterial amino acid binding proteins. Here, we demonstrate that the glutamate binding site is located on the homologous regions of the NR2B subunit. Mutation of residues within the N-terminal domain and the loop region between membrane segments M3 and M4 significantly reduced the efficacy of glutamate, but not glycine, in channel gating. Some of the mutations also decreased inhibition by the glutamate antagonists, D-AP5 and R-CPP. Homology-based molecular modeling of the glutamate and glycine binding domains indicates that the NR2 and NR1 subunits use similar residues to ligate the agonists' α-aminocarboxylic acid groups, whereas differences in side chain interactions and size of aromatic residues determine ligand selectivity.

Abstract Transcranical direct current stimulation (tDCS) is a treatment known to ameliorate various neurological conditions and enhance memory and cognition in humans. tDCS has gained traction for its potential therapeutic value; however, little is known about its mechanism of action. Using a transgenic mouse expressing G-CaMP7 in astrocytes and a subpopulation of excitatory neurons, we find that tDCS induces large-amplitude astrocytic Ca 2+ surges across the entire cortex with no obvious changes in the local field potential. Moreover, sensory evoked cortical responses are enhanced after tDCS. These enhancements are dependent on the alpha-1 adrenergic receptor and are not observed in IP 3 R2 (inositol trisphosphate receptor type 2) knockout mice, in which astrocytic Ca 2+ surges are absent. Together, we propose that tDCS changes the metaplasticity of the cortex through astrocytic Ca 2+ /IP 3 signalling.

Summary The adult brain can flexibly adapt behaviors to specific life-stage demands. For example, while sexually naïve male mice are aggressive to the conspecific young, they start to provide caregiving to infants around the time when their own young are expected. How such behavioral plasticity is implemented at the level of neural connections remains poorly understood. Using viral-genetic approaches, here we establish hypothalamic oxytocin neurons as key regulators of parental caregiving behaviors of male mice. We then used rabies virus-mediated unbiased screen to identify excitatory neural connections originating from the lateral hypothalamus to the oxytocin neurons to be drastically strengthened when male mice become fathers. These connections are functionally relevant, as their activation suppresses pup-directed aggression in virgin males. These results demonstrate the life-stage associated, long-distance, and cell-type-specific plasticity of neural connections in the hypothalamus, the brain region classically assumed to be hard-wired. Highlight – OT is indispensable for parental caregiving behavior of male mice – Activation of OT neurons triggers paternal caregiving behavior in otherwise infanticidal sexually-naïve male mice partly via OT ligand – Unbiased rabies virus-mediated screening reveals enhanced connectivity originated from excitatory LHA neurons to OT neurons in fathers. – This structural plasticity can support behavioral plasticity

Abstract Improved understanding of the mechanisms involved in neurodegenerative disease has been hampered by the lack of robust cellular models that faithfully replicate in vivo features. Here, we present a refined protocol for generating age-dependent, well-developed and synaptically active rat Purkinje neurons, responsive to paracrine factors and supporting a 3D cell network. Our model provides high experimental flexibility, high-throughput screening capabilities and reliability to elucidate Purkinje neuron function, communication and neurodegenerative mechanisms.

Summary When processing current sensory inputs, animals refer to related past experiences. Current information is then incorporated into the related neural network to update previously stored memories. However, the neuronal mechanism underlying the impact of memories of prior experiences on current learning is not well understood. Here, we found that a cellular ensemble in the posterior parietal cortex (PPC) that is activated during past experience mediates an interaction between past and current information to update memory through a PPC-anterior cingulate cortex circuit in mice. Moreover, optogenetic silencing of the PPC ensemble immediately after retrieval dissociated the interaction without affecting individual memories stored in the hippocampus and amygdala. Thus, a specific subpopulation of PPC cells represents past information and instructs downstream brain regions to update previous memories.

Abstract GPR85 is a member of the G protein-coupled receptor and is a super-conserved receptor expressed in the brain sub-family (SREB) with GPR27 and GPR173. These three receptors are “orphan receptors”; however, their endogenous ligands have not been identified. SREB has garnered the interest of many scientists because it is expressed in the central nervous system and is evolutionarily conserved. In particular, brain mass is reported to be increased and learning and memory are improved in GPR85 knockout mice (Matsumoto et al., 2008). In this study, we characterized newly synthesized compounds using a GPR85-Gsα fusion protein and the [ 35 S]GTPγS binding assay and identified novel GPR85 inverse-agonists with IC 50 values of approximately 1 µM. To analyze the neurochemical character of the compounds and investigate the physiological significance of GPR85, we used cerebellar Purkinje cells expressing GPR85 and an electrophysiological technique. Based on the results, the inverse-agonist compound for GPR85 modulated potassium channel opening. Together with the results of previous gene analysis of GPR85, we expect that the development of the GPR85 ligand will provide new insights into a few types of neurological disorders.

Abstract Studying blood microcirculation is vital for gaining insights into vascular diseases. Acute administration of fluorescent tracers is currently used for deep tissue blood flow imaging. This is invasive, and the plasma fluorescence decreases within an hour of administration. We report a novel approach for the longitudinal study of vasculature. Using a single systemic administration of viral vectors, we express fluorescent secretory albumin-fusion proteins in the liver to label the blood in mice. All segments of the vasculature in brain and peripheral tissue are observable by two-photon microscopy within two weeks of vector administration. This approach allows for observation of circulation without the need for repeated administration for several months. We demonstrate the chronic assessment of vascular functions at micro-and mesoscopic scales. This genetic plasma labeling approach represents a versatile and cost-effective method for the chronic investigation of vasculature functions across the body in health and disease.

Abstract Physical exercise is known to be beneficial for various brain functions. However, the mechanisms behind the positive effects of exercise on the brain remain to be elucidated. Here we show that passive head motion in hypertensive rats, which reproduces the mechanical accelerations generated in their heads during moderate-velocity treadmill running, decreases the expression of angiotensin II type 1 receptor (AT1R) in astrocytes in the rostral ventrolateral medulla (RVLM), thereby lowering blood pressure. Passive head motion generates interstitial fluid movement that is estimated to exert shear stress with an average magnitude of <1 Pa on the cells in the rat medulla. Fluid shear stress of a sub-Pa magnitude decreases AT1R expression in cultured astrocytes. In hypertensive rats, inhibition of interstitial fluid movement following hydrogel introduction to the RVLM eliminates the antihypertensive effects of passive head motion and treadmill running. Furthermore, vertically oscillating chair riding by hypertensive adult humans, which reproduces the mechanical accelerations generated in their heads during light jogging or fast walking, lowers their blood pressure. Our findings indicate that moderate mechanical intervention can have antihypertensive effects by modulating the function of RVLM astrocytes through interstitial fluid shear stress. We anticipate that mechanical regulation is responsible for a variety of the positive effects of physical exercise on human health, particularly those related to brain functions.