Abstract The formation and retention of hippocampus-dependent memories is impacted by neurogenesis, a process that involves the production of new neurons in the dentate gyrus of the hippocampus. Recent studies demonstrate that increasing neurogenesis after memory formation induces forgetting of previously acquired memories. Neurogenesis-induced forgetting was originally demonstrated in mice, but a recent report suggests that the same effect may be absent in rats. Although a general species difference is possible, other potential explanations for these incongruent findings are that memories which are more strongly reinforced become resilient to forgetting or that perhaps only certain types of memories are affected. Here, we investigated whether neurogenesis-induced forgetting occurs in rats using several hippocampal dependent tasks including contextual fear conditioning (CFC), the Morris Water Task (MWT), and touchscreen paired associates learning (PAL). Neurogenesis was increased following training using voluntary exercise for 4 weeks before recall of the previous memory was assessed. We show that voluntary running causes forgetting of context fear memories in a neurogenesis-dependent manner, and that neurogenesis-induced forgetting is present in rats across behavioral tasks despite differences in complexity or reliance on spatial, context, or object memories. In addition, we asked whether stronger memories are less susceptible to forgetting by varying the strength of training. Even with a very strong training protocol in the CFC task, we still observed enhanced forgetting related to increased neurogenesis. These results suggest that forgetting due to neurogenesis is a conserved mechanism that aids in the clearance of memories. Significance Statement Recent evidence indicates that hippocampal neurogenesis mediates forgetting of older memories and enhances encoding of new memories free of proactive interference. This evidence comes from multiple rodent species, behavioral tasks, and methods of increasing neurogenesis. However, a recent paper by (Kodali et al. 2016) found that voluntary exercise-induced neurogenesis did not cause forgetting in the Morris Water Task in rats. The results call into question whether the phenomenon is a conserved function of neurogenesis across species. In the present study, we show that voluntary running causes robust forgetting in rats in a neurogenesis-dependent manner and that the effect is present across three different behavioral tasks, confirming the existence of the phenomenon in rats and adding to the growing evidence that forgetting is a conserved function of hippocampal neurogenesis.

Summary Intraspecies social interactions are integral for survival and maintenance of society among all mammalian species. Yet, our understanding of the neural systems and mechanisms involved in the establishment of social connectedness are limited. Since their initial discovery as regulators of sleep/wakefulness and appetite in the brain, the hypocretin/orexin neurons have also been shown to play an essential role in modulating energy homeostasis, motivated and emotional behavior. These neurons are located exclusively in the hypothalamus which, regulates complex and goal-directed behaviors. The hypothalamus also plays an important role in the modulation of social behavior by encoding internal states. However, our understanding of the role of hypocretin neurons in social behavior is currently limited. To address this knowledge gap, we performed a combination of fiber photometry and machine learning based behavioral analysis in female and male mice expressing GCaMP6s in hypocretin neurons. We then applied optogenetic and pharmacological inhibition of hypocretin neuron signaling to determine the necessity of the hcrt neuron population for social behavior. Our results indicate that hypocretin neurons exhibit a robust increase in activity in response to social interaction in both female and male mice. We show here for the first time a social discrimination signal that is encoded differentially by hcrt neurons based on the nature of the social encounter. The intensity of the hcrt neuron activity predicts the subsequent duration of social interaction. The optogenetic inhibition of hypocretin neuron activity during social behavior leads to a reduction in the amount of time mice are engaged in social interaction in males but not in females. Blocking hcrt1 (orexin 1) receptors similarly reduces social interaction in males only. Reduced hcrt1 receptor signaling results in increased activity in the insular cortex and reduced activity in the VTA after social interaction in male mice. Together, these data implicate the lateral hypothalamus hypocretin neurons as a sexually dimorphic key regulator within the larger network of neural systems involved in social behavior. Our findings carry significant implications for the treatment of neuropsychiatric diseases characterized by social dysfunction, particularly considering the varying prevalence observed across different sexes.

ABSTRACT Memory storage and retrieval are shaped by past experiences. Prior learning and memory episodes have numerous impacts on brain structure from micro to macroscale. Previous experience with specific forms of learning increases the efficiency of future learning. It is less clear whether such practice effects on one type of memory might also have transferable effects to other forms of memory. Different forms of learning and memory rely on different brain-wide networks but there are many points of overlap in these networks. Enhanced structural or functional connectivity caused by one type of learning may be transferable to another type of learning due to overlap in underlying memory networks. Here, we investigated the impact of prior chronic spatial training on the task-specific functional connectivity related to subsequent contextual fear memory recall in mice. Our results show that mice exposed to prior spatial training exhibited decreased brain-wide activation compared to control mice during the retrieval of a context fear memory. With respect to functional connectivity, we observed changes in several network measures notably an increase in global efficiency. Interestingly, we also observed an increase in network resilience based on simulated targeted node deletion. Overall, this study suggests that chronic learning has transferable effects on the functional connectivity networks of other types of learning and memory. The generalized enhancements in network efficiency and resilience suggest that learning itself may protect brain networks against deterioration.

Abstract Adult hippocampal neurogenesis has been demonstrated to affect learning and memory in numerous ways. Several studies have now demonstrated that increased neurogenesis can induce forgetting of memories acquired prior to the manipulation of neurogenesis and, as a result of this forgetting can also facilitate new learning. However, the mechanisms mediating neurogenesis-induced forgetting are not well understood. Here, we used a subregion-based analysis of the immediate early gene c-Fos as well as in vivo fiber photometry to determine changes in activity corresponding with neurogenesis induced forgetting. We found that increasing neurogenesis led to reduced CA1 activity during context memory retrieval. We also demonstrate here that perineuronal net expression in areas CA1 is bidirectionally altered by the levels or activity of adult generated neurons in the dentate gyrus. These results suggest that neurogenesis may induce forgetting by disrupting perineuronal nets in CA1 which may otherwise protect memories from degradation.

Abstract Adult neurogenesis has primarily been examined in two key regions in the mammalian brain, the subgranular zone of the hippocampus and the subventricular zone. The proliferation and integration of newly generated neurons has been observed widely in adult mammalian species including the human hippocampus. Recent high-profile studies have suggested however, that this process is considerably reduced in humans, occurring in children but declining rapidly and nearly completely in the adult brain. In comparison, rodent studies also show age-related decline but a greater degree of proliferation of new neurons in adult animals. Here, we examine whether differences in tissue fixation, rather than biological difference in human versus rodent studies might account for the diminished levels of neurogenesis sometimes observed in the human brain. To do so we analyzed neurogenesis in the hippocampus of rats that were either perfusion-fixed or the brains extracted and immersion-fixed at various post-mortem intervals. We observed an interaction between animal age and the time delay between death and tissue fixation. While similar levels of neurogenesis were observed in young rats regardless of fixation, older rats had significantly fewer labeled neurons when fixation was not immediate. Furthermore, the morphological detail of the labeled neurons was significantly reduced in the delayed fixation conditions at all ages. This study highlights critical concerns that must be considered when using post-mortem tissue to quantify adult neurogenesis.

Abstract Alzheimer’s Disease is a common and debilitating neurodegenerative disorder with no cure and few treatment options. Impaired metabolism in the retrosplenial cortex during prodromal stages of the disease has been proposed as a strong predictor of future cognitive impairments. The retrosplenial cortex is also one of the earliest brain regions to exhibit functional impairments in Alzheimer’s Disease. Therefore, understanding Alzheimer’s related deficits in the retrosplenial cortex may be critical in understanding the origins of cognitive impairment and could provide early treatment targets. Here, we investigated alterations in retrosplenial cortex structure and function in a mouse model of Alzheimer’s Disease. We identified a novel sex dependent early impairment in parvalbumin-interneuron activity which, is sufficient to induce cognitive impairments and, dysregulate functional connectivity of the retrosplenial cortex. Reversal of cognitive deficits by stimulation of parvalbumin interneurons in retrosplenial cortex suggests that this may serve as a promising novel therapeutic strategy.

Abstract Background Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) induces action potentials to induce plastic changes in the brain with increasing evidence for the therapeutic importance of brain-wide functional network effects of rTMS; however, the influence of sub-action potential threshold (low-intensity; LI-) rTMS on neuronal activity is largely unknown. Hypothesis We investigated whether LI-rTMS modulates neuronal activity and functional connectivity. We also specifically assessed modulation of parvalbumin interneuron activity. Methods We conducted a brain-wide analysis of c-Fos, a marker for neuronal activity, in mice that received LI-rTMS to visual cortex. Mice received single or multiple sessions of excitatory 10Hz LI-rTMS with custom rodent coils or were sham controls. We assessed changes to c-Fos positive cell densities and c-Fos/parvalbumin co-expression. Peak c-Fos expression corresponded with activity during rTMS. We also assessed functional connectivity changes using brain-wide c-Fos-based network analysis. Results LI-rTMS modulated c-Fos expression in cortical and subcortical regions. c-Fos density changes were most prevalent with acute stimulation, however chronic stimulation decreased parvalbumin interneuron activity, most prominently in the amygdala and striatum. LI-rTMS also increased anti-correlated functional connectivity, with the most prominent effects also in the amygdala and striatum following chronic stimulation. Conclusion LI-rTMS induces changes in c-Fos expression that suggest modulation of neuronal activity and functional connectivity throughout the brain. Our results suggest that LI-rTMS promotes anticorrelated functional connectivity, possibly due to decreased parvalbumin interneuron activation induced by chronic stimulation. These changes may underpin therapeutic rTMS effects, therefore modulation of subcortical activity supports rTMS for treatment of disorders involving subcortical dysregulation. Highlights - Low-intensity rTMS increases brain-wide anti-correlated functional connectivity - Acute excitatory LI-rTMS modulates cortical and subcortical neuronal activity - Decreased parvalbumin interneuron activity may promote anti-correlated activity - Striatum and amygdala show prominent modulation with LI-rTMS

Abstract Chronic childhood stress is a prominent risk factor for developing mood disorders, yet mechanisms underlying this association remain unclear. Serotonin (5-HT) plays a crucial role in neurodevelopment and vulnerability to mood disorders. Maintenance of optimal 5-HT levels during early postnatal development is critical for the maturation of brain circuits. Developmental stress can alter the serotonin system, leading to chronic behavioral deficits. Yet, our understanding of the long-term impact of early life stress (ELS) on serotonin connectivity remains incomplete. Using a mouse model of chronic developmental stress, we sought to determine how ELS impacts brain-wide serotonin activity and behavior in adulthood. We established that adult female and male mice exposed to ELS during the first postnatal week show heightened anxiety-like behavior. Using in vivo fiber photometry and c-fos dependent activity mapping, we found that ELS enhances susceptibility to acute stress by disrupting the brain-wide functional connectivity of the raphe nucleus and the activity of dorsal raphe serotonin neuron population, in conjunction with a profound increase in the orbitofrontal cortex (OFC) activity. We further identified that 5-HT release in the medial OFC during environmental challenge is disrupted in mice exposed to ELS. Optogenetic stimulation of 5-HT terminals in the mOFC elicited an anxiolytic effect in ELS mice in a sex-dependent manner. Our findings hold significant insight into the mechanisms underlying long-term brain connectivity deficits induced by ELS, with potential implications for developing targeted stimulation-based treatments for affective disorders that arise from early life adversities.