Abstract Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) are a popular chemogenetic technology for manipulation of neuronal activity in uninstrumented awake animals with potential for precision medicine-based clinical theranostics. DREADD ligands developed to date are not appropriate for such translational applications. The prototypical DREADD agonist clozapine N-oxide (CNO) lacks brain entry and converts to clozapine. The second-generation DREADD agonist, Compound 21 (C21), was developed to overcome these limitations. We found that C21 has low brain penetrance, weak affinity, and low in vivo DREADD occupancy. To address these drawbacks, we developed two new DREADD agonists, JHU37152 and JHU37160, and the first dedicated positron emission tomography (PET) DREADD radiotracer, [ 18 F]JHU37107. JHU37152 and JHU37160 exhibit high in vivo DREADD potency. [ 18 F]JHU37107 combined with PET allows for DREADD detection in locally-targeted neurons and at their long-range projections, enabling for the first time, noninvasive and longitudinal neuronal projection mapping and potential for neurotheranostic applications.

Behavioral flexibility and timely reactions to salient stimuli are essential for survival. The subcortical thalamic-basolateral amygdala (BLA) pathway serves as a shortcut for salient stimuli ensuring rapid processing. Here, we show that BLA neuronal and thalamic axonal activity mirror the defensive behavior evoked by an innate visual threat as well as an auditory learned threat. Importantly, perturbing this pathway compromises defensive responses to both forms of threats, in that animals fail to switch from exploratory to defensive behavior. Despite the shared pathway between the two forms of threat processing, we observed noticeable differences. Blocking beta-adrenergic receptors impair the defensive response to the innate but not the learned threats. This reduced defensive response, surprisingly, is reflected in the suppression of the activity exclusively in the BLA, as the thalamic input response remains intact. Our side-by-side examination highlights the similarities and differences between innate and learned threat-processing, thus providing new fundamental insights.

The dominant models of learning and memory, such as Hebbian plasticity, propose that experiences are transformed into memories through input-specific synaptic plasticity at the time of learning. However, synaptic plasticity is neither strictly input specific nor restricted to the time of its induction. The impact of such forms of non-Hebbian plasticity on memory has been difficult to test, hence poorly understood. Here, we demonstrate that synaptic manipulations can deviate from the Hebbian model of learning, yet produce a lasting memory. First, we established an associative conditioning protocol where optogenetic stimulation of sensory thalamic input to the amygdala was paired with a footshock, but no detectable memory was formed. However, when the same input was potentiated minutes before or after, or even 24 hours later, the associative experience was converted to a lasting memory. Importantly, potentiating an independent input to the amygdala minutes but not 24 hours after the pairing produced a lasting memory. Thus, our findings suggest that the process of transformation of a transient experience into a memory is neither restricted to the time of the experience nor to the synapses triggered by it; instead, it can be influenced by past and future events.

Abstract Viral transsynaptic labeling has become indispensable for investigating the functional connectivity of neural circuits. Adeno-associated virus serotype 1 (AAV1) allows for anterograde transneuronal labeling and manipulation of postsynaptic neurons. However, it is limited to delivering an AAV1 expressing a recombinase which relies on using transgenic animals or genetic access to postsynaptic neurons. We reasoned that a strong expression level could overcome this limitation. To this end, we used a self-complementary AAV1 (scAAV1) under a strong promoter (CAG). We demonstrated the anterograde transneuronal efficiency of scAAV1 by delivering a fluorescent marker in mouse retina-superior colliculus and thalamic-amygdala pathways in a recombinase-independent manner. In addition to investigating neuronal connectivity, scAAV1.CAG may be suitable for functional manipulation and imaging.

ABSTRACT Background Huntington’s disease (HD) is a fatal neurodegenerative disorder characterized by progressive motor dysfunction and loss of medium spiny neurons (MSNs) in dorsal striatum. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) sustains functionality and integrity of MSNs, and thus reduced BDNF signaling is integral to the disease. Mutations in BDNF receptor SorCS2 were recently identified in HD patients. Our study investigates the role of SorCS2 in MSNs biology and in HD progression. Methods We derived a double transgenic line by crossbreeding SorCS2 deficient (KO) mice with the HD mouse model R6/1. Subsequently, we characterized the SorCS2 KO; R6/1 line by a set of behavioral and biochemical studies to evaluate phenotypes related to HD. Moreover, in combination with electrophysiology and super resolution microscopy techniques, we addressed the molecular mechanism by which SorCS2 controls synaptic activity in MSNs neurons. Results We show that SorCS2 is expressed in MSNs with reduced levels in R6/1 HD model, and that SorCS2 deficiency exacerbates the disease progression in R6/1 mice. Furthermore, we find that SorCS2 binds TrkB and the NMDA receptor subunit GluN2B, which is required to control neurotransmission in corticostriatal synapses. While BDNF stimulates SorCS2-TrkB complex formation to enable TrkB signaling, it disengages SorCS2 from GluN2B, leading to enrichment of the subunit at postsynaptic densities. Consequently, long-term potentiation (LTP) is abolished in SorCS2 deficient mice, despite increased striatal TrkB and unaltered BDNF expression. However, the addition of exogenous BDNF rescues the phenotype. Finally, GluN2B, but not GluN2A, currents are also severely impaired in the SorCS2 KO mice. Conclusions We formulate a novel molecular mechanism by which SorCS2 acts as a molecular switch. SorCS2 targets TrkB and GluN2B into postsynaptic densities to enable BDNF signaling and NMDAR dependent neurotransmission in the dorsal striatum. Remarkably, the binding between SorCS2 and TrkB or GluN2B, respectively, is mutually exclusive and controlled by BDNF. This mechanism provides an explanation why deficient SorCS2 signaling severely aggravates HD progression in mice. Moreover, we provide evidence that this finding might represent a general mechanism of SorCS2 signaling found in other brain areas, thus increasing its relevance for other neurological and psychiatric impairments.