The requirement for transcription during long-lasting synaptic plasticity has raised the question of whether the cellular unit of synaptic plasticity is the soma and its nucleus or the synapse. To address this question, we cultured a single bifurcated Apylsia sensory neuron making synapses with two spatially separated motor neurons. By perfusing serotonin onto the synapses made onto one motor neuron, we found that a single axonal branch can undergo long-term branch-specific facilitation. This branch-specific facilitation depends on CREB-mediated transcription and involves the growth of new synaptic connections exclusively at the treated branch. Branch-specific long-term facilitation requires local protein synthesis in the presynaptic but not the postsynaptic cell. In fact, presynaptic sensory neuron axons deprived of their cell bodies are capable of protein synthesis, and this protein synthesis is stimulated 3-fold by exposure to serotonin.

Long-term facilitation of the sensory to motor synapse in Aplysia requires gene expression. While some transcription factors involved in long-term facilitation are phosphorylated by PKA, others lack PKA sites but contain MAP Kinase (MAPK) phosphorylation sites. We now show that MAPK translocates into the nucleus of the presynaptic but not the postsynaptic cell during 5-HT-induced long-term facilitation. The presynaptic nuclear translocation of MAPK is also triggered by elevations in intracellular cAMP. Injection of anti-MAPK antibodies or of MAPK Kinase inhibitors into the presynaptic cell blocks long-term facilitation, without affecting basal synaptic transmission or short-term facilitation. Thus, MAPK appears to be specifically recruited and necessary for the long-term form of facilitation. This mechanism for long-term plasticity may be quite general: cAMP also activated MAPK in mouse hippocampal neurons, suggesting that MAPK may play a role in hippocampal long-term potentiation.

In a culture system where a bifurcated Aplysia sensory neuron makes synapses with two motor neurons, repeated application of serotonin (5-HT) to one synapse produces a CREB-mediated, synapse-specific, long-term facilitation, which can be captured at the opposite synapse by a single pulse of 5-HT. Repeated pulses of 5-HT applied to the cell body of the sensory neuron produce a CREB-dependent, cell-wide facilitation, which, unlike synapse-specific facilitation, is not associated with growth and does not persist beyond 48 hr. Persistent facilitation and synapse-specific growth can be induced by a single pulse of 5-HT applied to a peripheral synapse. Thus, the short-term process initiated by a single pulse of 5-HT serves not only to produce transient facilitation, but also to mark and stabilize any synapse of the neuron for long-term facilitation by means of a covalent mark and rapamycin-sensitive local protein synthesis.

Abstract

 Synapse-specific facilitation requires rapamycin-dependent local protein synthesis at the activated synapse. In Aplysia, rapamycin-dependent local protein synthesis serves two functions: (1) it provides a component of the mark at the activated synapse and thereby confers synapse specificity and (2) it stabilizes the synaptic growth associated with long-term facilitation. Here we report that a neuron-specific isoform of cytoplasmic polyadenylation element binding protein (CPEB) regulates this synaptic protein synthesis in an activity-dependent manner. Aplysia CPEB protein is upregulated locally at activated synapses, and it is needed not for the initiation but for the stable maintenance of long-term facilitation. We suggest that Aplysia CPEB is one of the stabilizing components of the synaptic mark.

Abstract Adults and children afflicted with the 22q11.2 deletion syndrome (22q11.2DS) exhibit cognitive, social, and emotional impairments, and are at significantly heightened risk for schizophrenia (SCZ). The impact of this deletion on early human brain development, however, has remained unclear. Here we harness organoid models of the developing human cerebral cortex, cultivated from subjects with 22q11.2DS and SCZ, as well as unaffected control samples, to identify cell-type-specific developmental abnormalities arising from this genomic lesion. Leveraging single-cell RNA-sequencing in conjunction with experimental validation, we find that the loss of genes within the 22q11.2 locus leads to a delayed development of cortical neurons. This compromised development was reflected in an elevated proportion of actively proliferating neural progenitor cells, coupled with a decreased fraction of more mature neurons. Furthermore, we identify perturbed molecular imprints linked to neuronal maturation, observe the presence of sparser neurites, and note a blunted amplitude in glutamate-induced Ca2+ transients. The aberrant transcription program underlying impaired development contains molecular signatures significantly enriched in neuropsychiatric genetic liability. MicroRNA profiling and target gene investigation suggest that microRNA dysregulation may drive perturbations of genes governing the pace at which maturation unfolds. Using protein-protein interaction network analysis we define complementary effects stemming from additional genes residing within the deleted locus. Our study uncovers reproducible neurodevelopmental and molecular alterations due to 22q11.2 deletions. These findings have the potential to facilitate disease modeling and promote the pursuit of therapeutic interventions.

Summary The impact of long-term opioid exposure on the embryonic brain is crucial to healthcare due to the surging number of pregnant mothers with an opioid dependency. Current studies on the neuronal effects are limited due to human brain inaccessibility and cross-species differences among animal models. Here, we report a model to assess cell-type specific responses to acute and chronic fentanyl treatment, as well as fentanyl withdrawal, using human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived midbrain organoids. Single cell mRNA sequencing (25,510 single cells in total) results suggest that chronic fentanyl treatment arrests neuronal subtype specification during early midbrain development and alters the pathways associated with synaptic activities and neuron projection. Acute fentanyl treatment, however, increases dopamine release but does not induce significant changes in gene expressions of cell lineage development. To date, our study is the first unbiased examination of midbrain transcriptomics with synthetic opioid treatment at the single cell level.