Summary

 The hypothalamic neuropeptide oxytocin (OT), which controls childbirth and lactation, receives increasing attention for its effects on social behaviors, but how it reaches central brain regions is still unclear. Here we gained by recombinant viruses selective genetic access to hypothalamic OT neurons to study their connectivity and control their activity by optogenetic means. We found axons of hypothalamic OT neurons in the majority of forebrain regions, including the central amygdala (CeA), a structure critically involved in OT-mediated fear suppression. In vitro, exposure to blue light of channelrhodopsin-2-expressing OT axons activated a local GABAergic circuit that inhibited neurons in the output region of the CeA. Remarkably, in vivo, local blue-light-induced endogenous OT release robustly decreased freezing responses in fear-conditioned rats. Our results thus show widespread central projections of hypothalamic OT neurons and demonstrate that OT release from local axonal endings can specifically control region-associated behaviors.

Abstract Oxytocinergic actions within the hippocampal CA2 are important for neuromodulation, memory processing and social recognition. However, the source of the OTergic innervation, the cellular targets expressing the OT receptors (OTRs) and whether the PVN‐to‐CA2 OTergic system is altered during heart failure (HF), a condition recently associated with cognitive and mood decline, remains unknown. Using immunohistochemistry along with retrograde monosynaptic tracing, RNAscope and a novel OTR‐Cre rat line, we show that the PVN (but not the supraoptic nucleus) is an important source of OTergic innervation to the CA2. These OTergic fibers were found in many instances in close apposition to OTR expressing cells within the CA2. Interestingly, while only a small proportion of neurons were found to express OTRs (~15%), this expression was much more abundant in CA2 astrocytes (~40%), an even higher proportion that was recently reported for astrocytes in the central amygdala. Using an established ischemic rat heart failure (HF) model, we found that HF resulted in robust changes in the PVN‐to‐CA2 OTergic system, both at the source and target levels. Within the PVN, we found an increased OT immunoreactivity, along with a diminished OTR expression in PVN neurons. Within the CA2 of HF rats, we observed a blunted OTergic innervation, along with a diminished OTR expression, which appeared to be restricted to CA2 astrocytes. Taken together, our studies highlight astrocytes as key cellular targets mediating OTergic PVN inputs to the CA2 hippocampal region. Moreover, they provide the first evidence for an altered PVN‐to‐CA2 OTergic system in HF rats, which could potentially contribute to previously reported cognitive and mood impairments in this animal model.

Abstract The hypothalamic neuropeptide, oxytocin (OT), exerts prominent analgesic effects via central and peripheral action. Here we discovered a novel subset of OT neurons whose projections preferentially terminate on OT receptor (OTR)-expressing neurons in the ventrolateral periaqueductal gray (vlPAG). Using a newly generated line of transgenic rats (OTR-IRES-Cre), we determined that most of the vlPAG OTR expressing cells being targeted by OT projections are GABAergic in nature. Both optogenetically-evoked axonal OT release in the vlPAG as well as chemogenetic activation of OTR vlPAG neurons results in a long-lasting overall increase of vlPAG neuronal activity. This then leads to an indirect suppression of sensory neuron activity in the spinal cord and strong analgesia. Finally, we describe a novel OT→vlPAG→spinal cord circuit that seems critical for analgesia in the context of both inflammatory and neuropathic pain. Highlights - We generated a new transgenic knock-in rat line (OTR-IRES-Cre) - A distinct parvOT neuronal population projects to vlPAG but not the SON or spinal cord - OT excites vlPAG OTR neurons which indirectly inhibit SC WDR neurons - This novel parvOT→vlPAG→SC pathway alleviates nociception but not the affective component of pain

Abstract Oxytocinergic actions within the hippocampal CA2 are important for neuromodulation, memory processing and social recognition. However, the source of the OTergic innervation, the cellular targets expressing the OT receptors (OTRs) and whether the PVN-to-CA2 OTergic system is altered during heart failure (HF), a condition recently associated with cognitive and mood decline, remains unknown. Using immunohistochemistry along with retrograde monosynaptic tracing, RNAscope and a novel OTR-Cre rat line, we show that the PVN (but not the supraoptic nucleus) is an important source of OTergic innervation to the CA2. These OTergic fibers were found in many instances in close apposition to OTR expressing cells within the CA2. Interestingly, while only a small proportion of neurons were found to express OTRs (∼15%), this expression was much more abundant in CA2 astrocytes (∼40%), an even higher proportion that was recently reported for astrocytes in the central amygdala. Using an established ischemic rat heart failure (HF) model, we found that HF resulted in robust changes in the PVN-to-CA2 OTergic system, both at the source and target levels. Within the PVN, we found an increased OT immunoreactivity, along with a diminished OTR expression in PVN neurons. Within the CA2 of HF rats, we observed a blunted OTergic innervation, along with a diminished OTR expression, which appeared to be restricted to CA2 astrocytes. Taken together, our studies highlight astrocytes as key cellular targets mediating OTergic PVN inputs to the CA2 hippocampal region. Moreover, provides the first evidence for an altered PVN-to-CA2 OTergic system in HF rats, which could potentially contribute to previously reported cognitive and mood impairments in this animal model.

Abstract Prader-Willi syndrome (PWS) is a neurodevelopmental disorder characterized by hyperphagia, obesity, developmental delay and intellectual disability. Studies suggest dysfunctional signaling of the neuropeptide oxytocin as one of the key mechanisms in PWS, and administration of oxytocin via intranasal or systemic routes yielded promising results in both humans and mouse models. However, a detailed assessment of the oxytocin system in mouse models of PWS such as the Magel2-deficient Magel2 tm1 . Stw mouse, is lacking. In this study, we performed an automated counting of oxytocin cells in the entire paraventricular nucleus of the hypothalamus of Magel2 tm1 . Stw and wild-type control mice and found a significant reduction in the caudal part, which represents the parvocellular subdivision. In addition, based on the recent discovery that some astrocytes express the oxytocin receptor (OTR), we performed detailed analysis of astrocyte numbers and morphology in various brain regions, and assessed expression levels of the astrocyte marker GFAP, which was significantly decreased in the hypothalamus, but not other brain regions in Magel2 tm1 . Stw mice. Finally, we analyzed the number of OTR-expressing astrocytes in various brain regions and found a significant reduction in the nucleus accumbens of Magel2 tm1 . Stw mice, as well as a sex-specific difference in the lateral septum. This study suggests a role for caudal PVN OT neurons as well as OTR-expressing astrocytes in a mouse model of PWS, provides novel information about sex-specific expression of astrocytic OTRs, and presents several new brain regions containing OTR-expressing astrocytes in the mouse brain.

Oxytocin orchestrates social and emotional behaviors through modulation of neural circuits in brain structures such as the central amygdala (CeA). The long-standing dogma is that oxytocin signaling in the central nervous system occurs exclusively via direct actions on neurons. However, several findings over the last decades showed that astrocytes actively participate in the modulation of neuronal circuits. Here, we investigate the degree of astrocytes involvement in oxytocin functions. Using astrocyte specific gain and loss of function approaches, we demonstrate that CeA astrocytes not only directly respond to oxytocin, but are actually necessary for its effects on neuronal circuits and ultimately behavior. Our work identifies astrocytes as a crucial cellular substrate underlying the promotion of a positive emotional state by oxytocin. These results further corroborate that astrocytes are key regulators of neuronal circuits activity by responding to specific neuropeptidergic inputs, and opens up new perspectives to understand how neuromodulators gate brain functions.

Abstract Research has shown that oxytocin (OT) injection to periaqueductal gray (PAG) eases pain. We hypothesized that OT in PAG may eventually suppress the activity of pain perception neurons inside the spinal cord (SC), then block further aversion signals to the brain. Here, we confirmed that PAG receives OT-ergic axons from the paraventricular nucleus in rats. In PAG, optogenetically triggered axonal OT release evoked excitation in some neurons, and inhibition in others. Of these OT-excited neurons, active neurons alternated between one and the other as time passed, but the number of active neurons at each moment was continuously maintained at the same level at least for 300 s after laser beam stimulation. Further, OT release in PAG reduced pain-induced activity of SC neurons, whose effect reached maximum levels at approximately 220 s after the laser beam stimulation. Interestingly, in rats presented with pain but where OT release was not evoked, a similar time course of SC activity reduction was observed, but the magnitude of reduction was minor. Lastly, OT release in PAG raised the threshold of mechanical pain but not heat pain in inflammation model animals.

Abstract Aims Heart failure (HF) patients often suffer from cognitive decline, depression, and mood impairments, but the molecular signals and brain circuits underlying these effects remain elusive. The hypothalamic neuropeptide oxytocin (OT) is critically involved in the regulation of mood, and OTergic signaling in the central amygdala (CeA) is a key mechanism controlling emotional responses including anxiety-like behaviors. Based on this, we used in this study a well-established ischemic rat HF model and aimed to study alterations in the hypothalamus-to-CeA OTergic circuit. Methods and Results To study potential HF-induced changes in the hypothalamus-to-CeA OTertic circuit, we combined patch-clamp electrophysiology, immunohistochemical analysis, RNAScope assessment of OTR mRNA, brain region-specific stereotaxic injections of viral vectors and retrograde tracing, optogenetic stimulation and OT biosensors in the ischemic HF model. We found that most of OTergic innervation of the central amygdala (CeA) originated from the hypothalamic supraoptic nucleus (SON). While no differences in the numbers of SON to CeA OTergic neurons (or their OT content) was observed between sham and HF rats, we did observe a blunted content and release of OT from axonal terminals within the CeA. Moreover, we report downregulation of neuronal and astrocytic OT receptors, and impaired OTR-driven GABAergic synaptic activity within the CeA microcircuit of rats with HF. Conclusions Our study provides first evidence that HF rats display various perturbations in the hypothalamus-to-amygdala OTergic circuit, and lays the foundation for future translational studies targeting either the OT system or GABAergic amygdala GABA microcircuit to ameliorate depression or mood impairments in rats or patients with chronic HF.