Abstract The entorhinal cortex is involved in establishing enduring visuo-auditory associative memory in the neocortex. Here we explored the mechanisms underlying this synaptic plasticity related to projections from the visual and entorhinal cortices to the auditory cortex, using optogenetics of dual pathways. High-frequency laser stimulation (HFLS) of the visuo-auditory projection did not induce long-term potentiation (LTP). However, after pairing with sound stimulus, the visuo-auditory inputs were potentiated following either infusion of cholecystokinin (CCK) or HFLS of the entorhino-auditory CCK-expressing projection. Combining retrograde tracing and RNAscope in situ hybridization, we show that CCK expression is higher in entorhinal cortex neurons projecting to the auditory cortex than in those originating from the visual cortex. In the presence of CCK, potentiation in the neocortex occurred when the pre-synaptic input arrived 200 ms before post-synaptic firing, even after just five trials of pairing. Behaviorally, inhibition of CCK signaling blocked the generation of associative memory. Our results indicate that neocortical visuo-auditory association is formed through heterosynaptic plasticity, which depends on release of CCK in the neocortex mostly from entorhinal afferents.

Memory is stored in neural networks via changes in synaptic strength mediated in part by NMDA-dependent long-term potentiation (LTP). There is evidence that entorhinal cortex enables neocortical neuroplasticity through cholecystokinin (CCK)-containing neocortical projections. Here we show that a CCKB antagonist blocks high-frequency stimulation (HFS)-induced LTP in the auditory cortex, whereas local infusion of CCK induces LTP. CCK-/- mice lacked neocortical LTP and showed deficits in a cue-cue associative learning paradigm; administration of CCK rescued associative learning. HFS of CCK-containing entorhino-neocortical projection neurons in anesthetized mice enabled cue-cue associative learning. Furthermore, when one cue was pre-conditioned to footshock, the mouse showed a freezing response to the other cue, indicating that the mice had formed an association. HFS-induced neocortical LTP was completely blocked by either NMDA antagonist or CCK-BR antagonist, while application of either NMDA or CCK induced LTP after low-frequency stimulation (LFS). Moreover, in the presence of CCK LTP was still induced, even after blockade of NMDA receptors. Local application of NMDA induced CCK release in the neocortex. To identify how NMDA receptor switches LTP, a stimulation protocol of 25 pulse-pairs was adopted to replace HFS; NMDA-dependent LTP was induced with the inter-pulse intervals between 10 and 100 ms, but not with those of 5 and 200 ms. LTP-mediated plasticity was linked to localization of the NMDA receptor subunit NR2a on cortical CCK terminals originating in the entorhinal cortex. These novel findings suggest that presynaptic NMDA receptors on CCK terminals control the release of CCK, which enables neocortical LTP and formation of cue-cue associative memory.

Abstract The thalamocortical pathway exhibits neuroplasticity not only during the critical period but also in adulthood. Here, we aimed to investigate the modulation of age-dependent thalamocortical plasticity by cholecystokinin (CCK). Our findings revealed the expression of CCK in thalamocortical neurons, and high-frequency stimulation (HFS) of the thalamocortical pathway elicited the release of CCK in auditory cortex (ACx), as evidenced by CCK sensor. HFS of the medial geniculate body (MGB) induced thalamocortical long-term potentiation (LTP) in wildtype young adult mice. However, knockdown of Cck expression in MGB neurons or blockade of the CCK-B receptor (CCKBR) in ACx effectively abolished HFS-induced LTP. Notably, this LTP could not be elicited in both juvenile mice (week 3) and mice over 18 months old, due to the absence of CCKBR in juvenile mice and the inability of CCK to be released in aged mice. Remarkably, the administration of exogenous CCK into the auditory cortex of the aged mice restored this LTP, accompanied by a significant improvement in frequency discrimination. These findings suggest the potential of CCK as a therapeutic intervention for addressing neurodegenerative deficits associated with thalamocortical neuroplasticity.