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.

Abstract Cholecystokinin (CCK) is an essential modulator for neuroplasticity in sensory and emotional domains. Here, we investigated the role of CCK in motor learning using a single pellet reaching task in mice. Mice with a knockout of cck gene (CCK -/- ) or blockade of CCK-B receptor (CCKBR) showed defective motor learning ability; the success rate of retrieving reward remained at the baseline level compared to the wildtype mice with significantly increased success rate. We observed no long-term potentiation (LTP) upon high-frequency stimulation (HFS) in the motor cortex of CCK -/- mice, indicating a possible association between motor learning deficiency and neuronal plasticity in the motor cortex. In vivo calcium imaging demonstrated that the deficiency of CCK signalling disrupted the refinement of population neuronal activity in the motor cortex during motor skill training. Anatomical tracing revealed direct projections from CCK-expressing neurons in the rhinal cortex to the motor cortex. Inactivating the CCK neurons in the rhinal cortex using chemogenetic methods significantly suppressed motor learning, and intraperitoneal application of CCK4, a tetrapeptide CCK agonist, rescued the motor learning deficits of CCK -/- mice. In summary, our results suggest that CCK, which could be provided from the rhinal cortex, enables neuroplasticity in the motor cortex leading to motor skill learning.

We investigated whether visuoauditory association can be artificially implanted in rodents and then retrieved in a behaviorally relevant context. Rats were trained to approach the left or right hole of a behavioral apparatus to retrieve a reward depending on the side of electrical stimulation of the auditory cortex (EAC) they received and mice were fear-conditioned to EAC. Next, an irrelevant visual stimulus (VS) was repeatedly paired with EAC in the presence of cholecystokinin (CCK) or with activation of terminals of entorhinal CCK neurons in the auditory cortex. In subsequent behavioral testing with VS, rats approached the hole associated with reward availability and mice showed a freezing response to the VS. A CCK antagonist blocked the establishment of visuoauditory association, whereas a CCK agonist rescued the deficit of association. Our findings provide a scientific foundation for "memory implantation" and indicate that CCK is the switching chemical for formation of visuoauditory association.

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.

Abstract Although the neural circuitry underlying fear memory formation is important in fear-related mental disorders, it is incompletely understood. Here, we utilized trace fear conditioning to study the formation of trace fear memory. We identified the entorhinal cortex (EC) as a critical component of sensory signaling to the amygdala. Moreover, we used the loss of function and rescue experiments to demonstrate that release of the neuropeptide cholecystokinin (CCK) from the EC is required for trace fear memory formation. We discovered that CCK-positive neurons extend from the EC to the lateral nuclei of the amygdala (LA), and inhibition of CCK-dependent signaling in the EC prevented long-term potentiation of sensory signals to the LA and formation of trace fear memory. Altogether, we suggest a model where sensory stimuli trigger the release of CCK from EC neurons, which potentiates sensory signals to the LA, ultimately influencing neural plasticity and trace fear memory formation.

In [1], in Fig. 2 of the original version of the editorial, the relationship between the impact on gross domestic product (GDP) and the severity of these casualties is plotted for different events. As the SARS data used in the editorial were from, as well as related to China, it was labeled "China, SARS," under the data point. Since the information on disease naming has been provided by the World Health Organization, it is more appropriate to label the data point as "SARS in China" in Fig. 2.

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.