It is unclear how binding of antidepressant drugs to their targets gives rise to the clinical antidepressant effect. We discovered that the transmembrane domain of tyrosine kinase receptor 2 (TRKB), the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) receptor that promotes neuronal plasticity and antidepressant responses, has a cholesterol-sensing function that mediates synaptic effects of cholesterol. We then found that both typical and fast-acting antidepressants directly bind to TRKB, thereby facilitating synaptic localization of TRKB and its activation by BDNF. Extensive computational approaches including atomistic molecular dynamics simulations revealed a binding site at the transmembrane region of TRKB dimers. Mutation of the TRKB antidepressant-binding motif impaired cellular, behavioral, and plasticity-promoting responses to antidepressants in vitro and in vivo. We suggest that binding to TRKB and allosteric facilitation of BDNF signaling is the common mechanism for antidepressant action, which may explain why typical antidepressants act slowly and how molecular effects of antidepressants are translated into clinical mood recovery.

Major depressive disorder (MDD) affects approximately 10% of the population globally. Approximately 20% to 30% of patients with MDD do not sufficiently respond to standard treatment. Therefore, there is a need to develop more effective treatment strategies.To investigate whether the efficacy of cognitive behavioral therapy (CBT) for the treatment of MDD can be enhanced by concurrent transcranial direct current stimulation (tDCS).The double-blind, placebo-controlled randomized clinical trial PsychotherapyPlus was conducted at 6 university hospitals across Germany. Enrollment took place between June 2, 2016, and March 10, 2020; follow-up was completed August 27, 2020. Adults aged 20 to 65 years with a single or recurrent depressive episode were eligible. They were either not receiving medication or were receiving a stable regimen of antidepressant medication (selective serotonin reuptake inhibitor and/or mirtazapine). A total of 148 women and men underwent randomization: 53 individuals were assigned to CBT alone (group 0), 48 to CBT plus tDCS (group 1), and 47 to CBT plus sham-tDCS (group 2).Participants attended a 6-week group intervention comprising 12 sessions of CBT. If assigned, tDCS was applied simultaneously. Active tDCS included stimulation with an intensity of 2 mA for 30 minutes (anode over F3, cathode over F4).The primary outcome was the change in Montgomery-Åsberg Depression Rating Scale (MADRS) score from baseline to posttreatment in the intention-to-treat sample. Scores of 0 to 6 indicate no depression; 7 to 19, mild depression; 20 to 34, moderate depression; and 34 and higher, severe depression.A total of 148 patients (89 women, 59 men; mean [SD] age, 41.1 [13.7] years; MADRS score at baseline, 23.0 [6.4]) were randomized. Of these, 126 patients (mean [SD] age, 41.5 [14.0] years; MADRS score at baseline, 23.0 [6.3]) completed the study. In each of the intervention groups, intervention was able to reduce MADRS scores by a mean of 6.5 points (95% CI, 3.82-9.14 points). The Cohen d value was -0.90 (95% CI, -1.43 to -0.50), indicating a significant effect over time. However, there was no significant effect of group and no significant interaction of group × time, indicating the estimated additive effects were not statistically significant. There were no severe adverse events throughout the whole trial, and there were no significant differences of self-reported adverse effects during and after stimulation between groups 1 and 2.Based on MADRS score changes, this trial did not indicate superior efficacy of tDCS-enhanced CBT compared with 2 CBT control conditions. The study confirmed that concurrent group CBT and tDCS is safe and feasible. However, additional research on mechanisms of neuromodulation to complement CBT and other behavioral interventions is needed.ClinicalTrials.gov Identifier: NCT02633449.

Abstract It is unclear how binding of antidepressant drugs to their targets gives rise to the clinical antidepressant effect. We discovered that the transmembrane domain of TRKB, the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) receptor that promotes neuronal plasticity and antidepressant responses, has a cholesterol-sensing function that mediates synaptic effects of cholesterol. We then found that both typical and fast-acting antidepressants directly bind to TRKB, thereby facilitating synaptic localization of TRKB and its activation by BDNF. Extensive computational approaches including atomistic molecular dynamics simulations revealed a binding site at the transmembrane region of TRKB dimers. Mutation of the TRKB antidepressant-binding motif impaired cellular, behavioral and plasticity-promoting responses to antidepressants in vitro and in vivo . We suggest that binding to TRKB and the allosteric facilitation of BDNF signaling is the common mechanism for antidepressant action, which proposes a framework for how molecular effects of antidepressants are translated into clinical mood recovery.

Pharmacological treatment of psychiatric disorders remains challenging in clinical, pharmacological, and scientific practice. Even if many different substances are established for treating different psychiatric conditions, subgroups of patients show only small or no response to the treatment. The neuroinflammatory hypothesis of the genesis of psychiatric disorders might explain underlying mechanisms in these non-responders. For that reason, recent research focus on neuroinflammatory processes and oxidative stress as possible causes of psychiatric disorders. G-protein coupled receptors (GPCRs) form the biggest superfamily of membrane-bound receptors and are already well known as pharmacological targets in various diseases. The G-protein coupled receptor 55 (GPR55), a receptor considered part of the endocannabinoid system, reveals promising modulation of neuroinflammatory and oxidative processes. Different agonists and antagonists reduce pro-inflammatory cytokine release, enhance the synthesis of anti-inflammatory mediators, and protect cells from oxidative damage. For this reason, GPR55 ligands might be promising compounds in treating subgroups of patients suffering from psychiatric disorders related to neuroinflammation or oxidative stress. New approaches in drug design might lead to new compounds targeting different pathomechanisms of those disorders in just one molecule.

Abstract Plasticity is the mechanistic basis of development, aging, learning and memory, both in healthy and pathological brains. Structural plasticity is rarely accounted for in computational network models, due to a lack of insight into the underlying neuronal mechanisms and processes. Little is known about how the rewiring of networks is dynamically regulated. To inform such models, we characterized the time course of neural activity, the expression of synaptic proteins, and neural morphology employing an in vivo optogenetic mouse model. We stimulated pyramidal neurons in the anterior cingulate cortex of mice and harvested their brains at 1.5 h, 24 h, and 48 h after stimulation. Stimulus-induced cortical hyperactivity persisted up to 1.5 h and decayed to baseline after 24 h, indicated by c-Fos expression. The synaptic proteins VGLUT1 and PSD-95, in contrast, were upregulated at 24 h and downregulated at 48 h, respectively. Spine density and spine head volume were also increased at 24 h and decreased at 48 h. This specific sequence of events reflects a continuous joint evolution of activity and connectivity that is characteristic of the model of homeostatic structural plasticity. Our computer simulations thus corroborate the observed empirical evidence from our animal experiments.

Abstract Depression is associated with dysregulated circadian rhythms, but the role of intrinsic clocks in mood-controlling brain regions remains poorly understood. We found increased circadian negative loop and decreased positive clock regulators expression in the medial prefrontal cortex (mPFC) of a mouse model of depression, and a subsequent clock countermodulation by the rapid antidepressant ketamine. Selective Bmal1 KO in CaMK2a excitatory neurons revealed that the functional mPFC clock is an essential factor for the development of a depression-like phenotype and ketamine effects. Per2 silencing in mPFC produced antidepressant-like effects, while REV-ERB agonism enhanced the depression-like phenotype and suppressed ketamine action. Pharmacological potentiation of clock positive modulator ROR elicited antidepressant-like effects, upregulating plasticity protein Homer1a, synaptic AMPA receptors expression and plasticity-related slow wave activity specifically in the mPFC. Our data demonstrate a critical role for mPFC molecular clock in regulating depression-like behavior and the therapeutic potential of clock pharmacological manipulations influencing glutamatergic-dependent plasticity.

Chronic inflammation is driven by proinflammatory cytokines such as interleukin 6 (IL-6), tumor necrosis factor-α (TNF-α), and chemokines, such as c-c motif chemokine ligand 2 (CCL2), CCL3, C-X-C motif chemokine ligand 2 (CXCL2), and CXCL10. Inflammatory processes of the central nervous system (CNS) play an important role in the pathogenesis of various neurological and psychiatric disorders like Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and depression. Therefore, identifying novel anti-inflammatory drugs may be beneficial for treating disorders with a neuroinflammatory background. The G-protein-coupled receptor 55 (GPR55) gained interest due to its role in inflammatory processes and possible involvement in different disorders. This study aims to identify the anti-inflammatory effects of the coumarin-based compound KIT C, acting as an antagonist with inverse agonistic activity at GPR55, in lipopolysaccharide (LPS)-stimulated BV2 microglial cells in comparison to the commercial GPR55 agonist O-1602 and antagonist ML-193. All compounds significantly suppressed IL-6, TNF-α, CCL2, CCL3, CXCL2, and CXCL10 expression and release in LPS-treated BV2 microglial cells. The anti-inflammatory effects of the compounds are partially explained by modulation of the phosphorylation of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK), p42/44 MAPK (ERK 1/2), protein kinase C (PKC) pathways, and the transcription factor nuclear factor (NF)-κB, respectively. Due to its potent anti-inflammatory properties, KIT C is a promising compound for further research and potential use in inflammatory-related disorders.