Sleep-wake cycles at mouse synapses Analysis of the transcriptome, proteome, and phosphoproteome at synapses in the mouse brain during daily sleep-wake cycles reveals large dynamic changes (see the Perspective by Cirelli and Tononi). Noya et al. found that almost 70% of transcripts showed changes in abundance during daily circadian cycles. Transcripts and proteins associated with synaptic signaling accumulated before the active phase (dusk for these nocturnal animals), whereas messenger RNAs and protein associated with metabolism and translation accumulated before the resting phase. Brüning et al. found that half of the 2000 synaptic phosphoproteins quantified showed changes with daily activity-rest cycles. Sleep deprivation abolished nearly all (98%) of these phosphorylation cycles at synapses. Science , this issue p. eaav2642 , p. eaav3617 ; see also p. 189

Abstract Homeostatic synaptic depression (HSD) in excitatory neurons is a cell autonomous mechanism which protects excitatory neurons from over-excitation as a consequence of chronic increases in network activity. In this process, excitatory synapses are weakened and eventually eliminated, as evidenced by a reduction in synaptic AMPA receptor expression and dendritic spine loss. Originally considered a global, cell-wide mechanism, local forms of regulation, such as the local control of mRNA translation in dendrites, are being increasingly recognized in HSD. Yet, identification of excitatory proteins whose local regulation is required for HSD is still limited. Here, we show that Proline-rich protein 7/Transmembrane Adapter Protein 3 (Prr7) downregulation in dendrites of rat hippocampal neurons is necessary for HSD induced by chronic increase in network activity resulting from a blockade of inhibitory synaptic transmission by picrotoxin (PTX). We further identify two activity-regulated miRNAs, miR-329-3p and miR-495-3p, which inhibit Prr7 mRNA translation and are required for HSD. Moreover, we found that Prr7 knockdown reduces expression of the synaptic scaffolding protein SPAR, which is rescued by pharmacological inhibition of CDK5, indicating a role of Prr7 protein in the maintenance of excitatory synapses via protection of SPAR from degradation. Together, our findings highlight a novel HSD mechanism in which chronic activity leads to miR-329 and miR-495-mediated local Prr7 reduction upstream of the CDK5-SPAR pathway.

Abstract Neural circuit development in the human cortex is considerably prolonged in comparison to non-human primates, a trait that contributes to the remarkable cognitive capacity of modern humans. Here, we explore the regulatory role of non-coding RNAs, which dramatically expanded during brain evolution, in synapse development of human-induced pluripotent stem-cell derived neurons. Inhibition of a human-specific microRNA, miR-1229-3p, results in accelerated formation of excitatory synapses and enhanced synaptic transmission. Mechanistically, miR-1229-3p controls mitochondrial homeostasis by targeting important regulators of mitochondrial autophagy and fission, such as Pink1. Stimulation of mitochondrial metabolism rescues decreased calcium buffering in miR-1229-3p depleted neurons. Our findings reveal an important function of human-specific miR-1229-3p in developmental timing of human synaptogenesis and generally implicate non-coding RNAs in the control of human connectivity and cognition. One-Sentence Summary A human-specific microRNA slows down the formation and maturation of neuronal synapses by reducing mitochondrial metabolism and renewal.

Homeostatic synaptic plasticity (HSP) is a fundamental neuronal mechanism that allows networks to compensate for prolonged changes in activity by adjusting synaptic strength. This process is crucial for maintaining stable brain function and has been implicated in memory consolidation during sleep. While scaling of both excitatory and inhibitory synapses plays an important role during homeostatic synaptic plasticity, molecules coordinating both of these processes are unknown. In this study, we investigate the role of miR-218-5p as a regulator of inhibitory and excitatory synapses in the context of picrotoxin (PTX)-induced homeostatic synaptic downscaling (HSD) in rat hippocampal neurons. Using enrichment analysis of miRNA-binding sites in differentially expressed genes changing upon PTX-induced HSD, we bioinformatically predicted and experimentally validated increased miR-218-5p activity upon PTX-treatment in the process compartment. By monitoring synapse structure in vitro with confocal microscopy, we demonstrate that inhibiting miR-218-5p activity exerts a dual effect during HSD: it prevents the downscaling of excitatory synapses and dendritic spines, while at the same time blocking inhibitory synapse upscaling. Furthermore, we identify the Neuroligin2 interacting molecule Mdga1 as a crucial target of miR-218-5p in the context of homeostatic upscaling of inhibitory synapses. By performing long-term electroencephalographic (EEG) recordings, we further revealed that local inhibition of miR-218-5p in the somatosensory cortex reduced local slow-wave activity (SWA) during non-rapid-eye-movement (NREM) sleep. In summary, this study uncovers miR-218-5p as a key player in coordinating inhibitory and excitatory synapses during homeostatic plasticity and sleep. Our findings contribute to a deeper understanding of how neural circuits maintain stability in the face of activity-induced perturbations, with potential implications for both physiological and pathological conditions.

Abstract Microglia interact with neurons to facilitate synapse plasticity; however, signal transducers between microglia and neuron remain unknown. Here, using in vitro organotypic hippocampal slice cultures and transient MCAO in genetically-engineered mice in vivo , we report that at 24 h post-ischemia microglia release BDNF to downregulate glutamatergic and GABAergic synapses within the peri-infarct area. Analysis of the CA1 hippocampal formation in vitro shows that proBDNF and mBDNF downregulate glutamatergic dendritic spines and gephyrin scaffold stability through p75 NTR and TrkB receptors respectively. Post-MCAO, we report that in the peri- infarct area and in the corresponding contralateral hemisphere similar neuroplasticity occur through microglia activation and gephyrin phosphorylation at Ser268, Ser270 in vivo . Targeted deletion of the Bdnf gene in microglia or Gphn S268A/S270A (phospho-null) point-mutations protect against ischemic brain damage, neuroinflamation and synapse downregulation normally seen post-MCAO. Collectively, we report that gephyrin phosphorylation and microglia derived BDNF faciliate synapse plasticity after transient ischemia.

Abstract Synaptic scaling is a form of homeostatic plasticity which allows neurons to adjust their action potential firing rate in response to chronic alterations in neural activity. Synaptic scaling requires profound changes in gene expression, but the relative contribution of local and cell-wide mechanisms is controversial. Here we performed a comprehensive multi-omics characterization of the somatic and process compartments of primary rat hippocampal neurons during synaptic scaling. Thereby, we uncovered both highly compartment-specific and correlated changes in the neuronal transcriptome and proteome. Whereas downregulation of crucial regulators of neuronal excitability occurred primarily in the somatic compartment, structural components of excitatory postsynapses were mostly downregulated in processes. Motif analysis further suggests an important role for trans-acting post-transcriptional regulators, including RNA-binding proteins and microRNAs, in the local regulation of the corresponding mRNAs. Altogether, our study indicates that compartmentalized gene expression changes are widespread in synaptic scaling and might co-exist with neuron-wide mechanisms to allow synaptic computation and homeostasis.