Demyelination is a common pathological feature in a wide range of diseases, characterized by the loss of myelin sheath and myelin-supporting oligodendrocytes. These losses lead to impaired axonal function, increased vulnerability of axons to damage, and result in significant brain atrophy and neuro-axonal degeneration. Multiple pathomolecular processes contribute to neuroinflammation, oligodendrocyte cell death, and progressive neuronal dysfunction. In this study, we use the cuprizone mouse model of demyelination to investigate long-term non-invasive gamma entrainment using sensory stimulation as a potential therapeutic intervention for promoting myelination and reducing neuroinflammation in male mice. Here, we show that multisensory gamma stimulation mitigates demyelination, promotes oligodendrogenesis, preserves functional integrity and synaptic plasticity, attenuates oligodendrocyte ferroptosis-induced cell death, and reduces brain inflammation. Thus, the protective effects of multisensory gamma stimulation on myelin and anti-neuroinflammatory properties support its potential as a therapeutic approach for demyelinating disorders.

Memory disruption in mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer's disease (AD) is poorly understood, particularly at early stages prior to neuronal or synaptic degeneration. In mouse models of AD, there are observed disruptions to sharp wave ripples (SWRs), hippocampal population events with a critical role in memory consolidation. However, the micro-circuitry underlying these disruptions are under-explored. We tested the hypothesis that a selective reduction in parvalbumin-expressing (PV) inhibitory interneuron activity underlies hyperactivity and SWR disruption. We employed the 5xFAD model of familial Alzheimer's disease crossed with mouse lines that selectively label excitatory pyramidal cells (PCs) and inhibitory PV cells. We observed a 33% increase in frequency, 58% increase in amplitude, and 8% decrease in duration of SWRs in acute slices from 3-month 5xFAD mice versus littermate controls. 5xFAD mice of the same age were impaired in a task of hippocampal-dependent memory. Concurrent with SWR recordings, we performed calcium imaging, cell-attached, and whole-cell recordings of PC and PV cells within the CA1 region. PCs in 5xFAD mice participated in enlarged ensembles, with similar spiking activity, and increased synaptic E/I ratio, suggesting a disinhibitory mechanism. In contrast, we observed a selective 46% spike rate reduction during SWRs in PV basket cells (PVBCs), whereas PV bistratified and PV axo-axonic cells were unimpaired. Excitatory synaptic drive to PVBCs was selectively reduced by 50%, resulting in decreased E/I ratio. Considering prior studies of intrinsic PV cell dysfunction in AD, these findings suggest synaptic and network mechanisms also play a prominent role.

Hippocampal sharp wave ripples (SWRs) represent irregularly occurring synchronous neuronal population events that are observed during phases of rest and slow wave sleep. SWR activity that follows learning involves sequential replay of training-associated neuronal assemblies and is critical for systems level memory consolidation. SWRs are initiated by CA2 or CA3 pyramidal cells and require initial excitation of CA1 pyramidal cells as well as subsequent participation of parvalbumin (PV) expressing fast spiking (FS) inhibitory interneurons. These interneurons are relatively unique in that they represent the major neuronal cell type known to be surrounded by perineuronal nets (PNNs), lattice like structures composed of a hyaluronin backbone that surround the cell soma and proximal dendrites. Though the function of the PNN is not completely understood, previous studies suggest it may serve to localize glutamatergic input to synaptic contacts and thus influence the activity of ensheathed cells. Noting that FS PV interneurons impact the activity of pyramidal cells thought to initiate SWRs, and that their activity is critical to ripple expression, we examine the effects of PNN integrity on SWR activity in the hippocampus. Extracellular recordings from the stratum radiatum of 490 micron horizontal murine hippocampal hemisections demonstrate SWRs that occur spontaneously in CA1. As compared to vehicle, pretreatment (120 min) of paired hemislices with hyaluronidase, which cleaves the hyaluronin backbone of the PNN, decreases PNN integrity and increases SWR frequency. Pretreatment with chondroitinase, which cleaves PNN side chains, also increases SWR frequency. Together, these data contribute to an emerging appreciation of extracellular matrix as a regulator of neuronal plasticity and suggest that one function of mature perineuronal nets could be to modulate the frequency of SWR events.

Drugs that target monoaminergic transmission represent a first-line treatment for major depression. Though a full understanding of the mechanisms that underlie antidepressant efficacy is lacking, evidence supports a role for enhanced excitatory transmission. This can occur through two non-mutually exclusive mechanisms. The first involves increased function of excitatory neurons through relatively direct mechanisms such as enhanced dendritic arborization. Another mechanism involves reduced inhibitory function, which occurs with the rapid antidepressant ketamine. Consistent with this, GABAergic interneuron-mediated cortical inhibition is linked to reduced gamma oscillatory power, a rhythm also diminished in depression. Remission of depressive symptoms correlates with restoration of gamma power. Due to strong excitatory input, reliable GABA release and fast firing, PV neurons represent critical pacemakers for synchronous oscillations. PV neurons also represent the predominant GABAergic population enveloped by perineuronal nets (PNNs), lattice-like structures that localize glutamatergic input. Disruption of PNNs enhances lateral diffusion of glutamate receptors, reduces PV excitability, and enhances gamma activity. Studies suggest that monoamine reuptake inhibitors reduce integrity of the PNN. Mechanisms by which these inhibitors reduce PNN integrity, however, remain largely unexplored. A better understanding of these issues might encourage development of therapeutics that best upregulate PNN modulating proteases. We observe that the serotonin/norepinephrine reuptake inhibitor venlafaxine reduces PNN integrity in murine brain. Moreover, venlafaxine treated mice (30 mg/kg/day) show an increase in carbachol-induced gamma power in hippocampal slices. Studies with mice deficient in matrix metalloproteinase-9 (MMP-9), a protease linked to PNN disruption in other settings, suggest that MMP-9 contributes to venlafaxine-enhanced gamma activity.

Summary Apolipoprotein E4 (APOE4) is the greatest known genetic risk factor for developing late- onset Alzheimer’s disease and its expression in microglia is associated with pro- inflammatory states. How the interaction of APOE4 microglia with neurons differs from microglia expressing the disease-neutral allele APOE3 is currently unknown. Here, we employ CRISPR-edited induced pluripotent stem cells (iPSCs) to dissect the impact of APOE4 in neuron-microglia communication. Our results reveal that APOE4 induces a distinct metabolic program in microglia that is marked by the accumulation of intracellular neutral lipid stores through impaired lipid catabolism. Importantly, this altered lipid-accumulated state shifts microglia away from homeostatic surveillance and renders APOE4 microglia weakly responsive to neuronal activity. By examining the transcriptional signatures of APOE3 versus APOE4 microglia before and after exposure to neuronal conditioned media, we further established that neuronal soluble cues differentially induce a lipogenic program in APOE4 microglia that exacerbates pro- inflammatory signals. Pharmacological blockade of lipogenesis in APOE4 microglia is sufficient to diminish intracellular lipid accumulation and restore microglial homeostasis. Remarkably, unlike APOE3 microglia that support neuronal network activity, co-culture of APOE4 microglia with neurons disrupts the coordinated activity of neuronal ensembles. We identified that through decreased uptake of extracellular fatty acids and lipoproteins, APOE4 microglia disrupts the net flux of lipids which results in decreased neuronal activity via the potentiation of the lipid-gated K + channel, GIRK3. These findings suggest that neurological diseases that exhibit abnormal neuronal network-level disturbances may in part be triggered by impairment in lipid homeostasis in non-neuronal cells, underscoring a novel therapeutic route to restore circuit function in the diseased brain. Abstract Figure