Abstract Although the etiology of major depressive disorder remains poorly understood, impairment of gamma oscillations recently emerged as a potential biomarker for major depression. The olfactory bulb (OB) is a major source of brain wide gamma oscillations and bulbectomy is an animal model for depression. Here we demonstrate that chemogenetic suppression of OB neuronal activity or temporally suppressing the OB to pyriform cortex synaptic transmission decreased gamma oscillation power in multiple brain areas associated with depression-like behaviors. To assess the hypothesized link between depression and diffuse depression of gamma oscillations, we employed gamma phase-dependent closed loop neuromodulation of cortical areas, paced by the native OB output. This procedure alleviated depressive-like behaviors in animals and suggests that restoring gamma oscillations may improve depression in humans. One Sentence Summary Role of limbic gamma oscillations in depression

Abstract Emotional arousal is thought to enhance the consolidation of associated memories by activating the basolateral amygdala (BLA) and its projections to memory-storing regions 1–4 . Although the importance of both rapid eye movement (REM) and non-REM (NREM) sleep-state specific BLA activity for emotional memory processing has been proposed 5–9 , how and when the BLA interacts with other brain regions to enhance memory consolidation remains unclear 10 . Here, by adding emotional information to a perceptual recognition task that relies on top-down inputs from frontal to sensory cortices, we demonstrated that the BLA not only associates emotional information with perceptual information, but also enhances the retention of associated perceptual memory through BLA-frontal projections. Electrophysiological recordings revealed that emotional association increases the reactivation of coordinated activity across the BLA-frontal-sensory region during NREM sleep, but not during REM sleep. Notably, this inter-regional coordinated reactivation during NREM sleep was entrained to the BLA high-frequency oscillations in the emotional condition, suggesting that the BLA triggers inter-regional interaction. Optogenetic silencing of BLA terminals in the frontal cortex during NREM sleep, but not REM sleep, disrupted the enhanced retention of the perceptual memory, but not the association itself or the emotional component of associative memory. Our results indicate that the inter-regional coordination through the BLA-cortical inputs during NREM sleep is causally required for memory enhancement by emotional arousal.

The IR-mediated neuronal activation (IRNA) technology allows stimulation of neurons in the brain that heterologously-express members of the insect chemosensory IR repertoire in response to their cognate ligands. In the current protocol, a ligand against the complex consisting of IR84a and IR8a subunits, phenylacetic acid (PhAc), is locally injected into a brain region, because of a low efficiency of PhAc for the delivery into the brain across the blood-brain barrier. To circumvent this invasive injection, here we developed a strategy for activation of target neurons in the brain through peripheral administration with a precursor of PhAc, methyl ester of PhAc (PhAcM), which is efficiently transferred into the brain and converted to the mature ligand by endogenous esterase activities. Peripheral administration of with PhAcM activated IR84a/IR8a-expressing neurons in the locus coeruleus of mice and increased the release of neurotransmitters in their nerve terminal regions. (S)-2-phenylpropionic acid ((S)-PhPr) was newly identified as a ligand for IR84a/IR8a, and peripheral administration with the methyl ester of PhPr with the S-configuration [(S)-PhPrM] caused similar effects on the target neurons. In addition, cell-type specific expression of IR84a/IR8a complex in the striatum of rats was unilaterally induced with a viral vector based on the Cre-loxP system. Peripheral administration with PhAcM or (S)-PhPrM stimulated the neurotransmitter release in the ipsilateral terminal regions of the vector-injected striatum, and PhAcM administration resulted in rotational behavior. Finally, we demonstrated that the metabolites of the peripherally administered-radiolabeled (S)-PhPrM accumulated in the IR84a/IR8a-expressing region in the striatum of the vector-injected rats. These results demonstrate that the systemic IRNA technique provides a powerful strategy for remote manipulation of diverse types of target neurons in the mammalian central nervous system.

Abstract The insular cortex (insula) is known to play a modulatory role in motivated behaviors including feeding and drinking. Previous studies have revealed that the anterior and posterior subregions of the insula have differential subcortical efferents and roles, yet the anatomical and functional heterogeneity among the cortical layers remains poorly understood. Here, we show that layer 5 of the mouse dysgranular insula has two distinct neuronal subpopulations along the entire anterior-posterior axis: the upper layer (L5a) population, expressing NECAB1, projects bilaterally to the lateral and capsular divisions of the central amygdala, and the deeper layer (L5b) population, expressing CTIP2, projects ipsilaterally to the parasubthalamic nucleus and the medial division of the central amygdala. Optogenetically activating L5a and L5b neuronal populations in thirsty mice led to suppressed and facilitated water spout licking, respectively, in a single-spout test. However, the opto-activation induced no avoidance against or preference for the spout paired with the opto-stimulation in a two-spout choice test, indicating no induction of emotional valences by the opto-activation per se. Our results suggest sublayer-specific bidirectional modulatory roles of insula layer 5 in the motivational aspect of appetitive behavior.

Summary Pulsatile release of the hormone oxytocin (OT) mediates uterine contraction during parturition and milk ejection during lactation 1–3 . These pulses are generated by unique activity patterns of the central neuroendocrine OT neurons located in the paraventricular and supraoptic hypothalamus. Classical studies have characterized putative OT neurons by in vivo extracellular recording techniques in rats and rabbits under anesthesia 1, 4–7 or awake 8–10 . Due to technical limitations, however, the identity of OT neurons in these previous studies was speculative based on their electrophysiological characteristics and axonal projection to the posterior pituitary, not on OT gene expression. To pinpoint OT neural activities among other hypothalamic neurons that project to the pituitary 11, 12 and make better use of cell-type-specific neuroscience toolkits 13 , a mouse model needs to be developed for studies of parturition and lactation. We herein introduce viral genetic approaches in mice to characterize the maternal activities of OT neurons by fiber photometry. During lactation, a sharp photometric peak of OT neurons appeared at approximately 520 s following simultaneous suckling stimuli from three pups. The amplitude of the peaks increased as the mother mice experienced lactation, irrespective of the age of the pups, suggesting the intrinsic plasticity of maternal OT neurons. Based on a mono-synaptic input map to OT neurons, we pharmacogenetically activated the inhibitory neurons in the bed nucleus of the stria terminalis and found suppression of the activities of OT neurons. Collectively, our study illuminates temporal dynamics in the maternal neural activities of OT neurons and identifies one of its modulatory circuits. Highlights - Pulsatile activities of genetically-defined OT neurons in mother mice were recorded in vivo . - The maternal experience-dependent plasticity of the OT neural activities was found. - Input-mapping of OT neurons in mother mice was performed by rabies-mediated trans-synaptic tracing. - Photometric peaks of OT neurons were suppressed by the activation of BST inhibitory neurons.

The thalamostriatal projections arising from the intralaminar thalamic nuclei (ILN) constitute the principal source of input information to specified subregions of the striatum, a key structure of the cortico-basal ganglia circuitry. However, the roles of primate ILN in cortico-basal ganglia circuit functions remain unclear. Here, we performed immunotoxin-induced selective targeting of two representative structures of the ILN, the parafascicular nucleus (Pf) and centre médian nucleus (CM) projecting to the caudate nucleus (Cd) and putamen (Pu), respectively, in common marmosets. Elimination of Pf-Cd neurons resulted in impaired reversal learning of a two-choice visual discrimination task, whereas removal of CM-Pu neurons disturbed the task acquisition. No marked impact of such manipulations was observed on either motor skill learning or spontaneous locomotor activity. Our findings reveal that the two thalamostriatal systems play distinct roles in the learning processes of external cue-dependent decision-making in nonhuman primates.

The ability to retrieve memory store in response to the environment is essential for animal behavioral adaptation. Norepinephrine (NE)-containing neurons in the brain play a key role in the modulation of synaptic plasticity underlying various processes of memory formation. However, the role of the central NE system in memory retrieval remains unclear. In this study we developed a neural chemogenetic activation strategy using insect olfactory Ionotropic Receptors (IRs), which we used it for selective stimulation of NE neurons in the locus coeruleus (LC) in transgenic mice. Ligand-induced activation of LC NE neurons resulted in enhancement of the retrieval process of conditioned taste aversion, which was mediated through at least partly adrenergic receptors in the amygdala. Pharmacological blockade of LC activity confirmed the facilitative role of these neurons in memory retrieval. Our findings indicate that the LC-amygdalar pathway is required and sufficient for enhancing the recall of taste associative memory.