The axon initial segment (AIS) at the base of each nerve fibre, where clusters of sodium channels generate the action potential that then propagates along the axon, is a focus of much attention from neuroscientists working on the nature of neuronal excitability. As the source of a nerve impulse, it seems a logical point at which to regulate neural activity. Two papers in this issue confirm that the AIS is a source of intrinsic neuronal plasticity. Matthew Grubb and Juan Burrone show that electrical activity reversibly alters the position of the AIS in cultured hippocampal neurons. They suggest that the resulting increase in intrinsic excitability may fine-tune neuronal excitability during development, and point to potential targets for the control of epilepsy. Hiroshi Kuba, Yuki Oichi and Harunori Ohmori show that the size of the AIS increases in bird auditory neurons deprived of sound stimulation. Again intrinsic excitability increases, possibly contributing to the maintenance of the auditory pathway. Such neuronal plasticity may compensate some forms of hearing loss. A nerve cell sends signals to others through action potentials, which begin at the 'initial segment' of the neuron's axon. It is now shown that changes in electrical activity can alter the position of this initial segment in cultured rat hippocampal neurons. The resulting increase in intrinsic excitability — the tendency to fire action potentials — represents a new form of neuronal plasticity and could provide a new target in the control of epilepsy. In neurons, the axon initial segment (AIS) is a specialized region near the start of the axon that is the site of action potential initiation1,2,3,4,5,6. The precise location of the AIS varies across and within different neuronal types7,8, and has been linked to cells’ information-processing capabilities8; however, the factors determining AIS position in individual neurons remain unknown. Here we show that changes in electrical activity can alter the location of the AIS. In dissociated hippocampal cultures, chronic depolarization with high extracellular potassium moves multiple components of the AIS, including voltage-gated sodium channels, up to 17 μm away from the soma of excitatory neurons. This movement reverses when neurons are returned to non-depolarized conditions, and depends on the activation of T- and/or L-type voltage-gated calcium channels. The AIS also moved distally when we combined long-term LED (light-emitting diode) photostimulation with sparse neuronal expression of the light-activated cation channel channelrhodopsin-2; here, burst patterning of activity was successful where regular stimulation at the same frequency failed. Furthermore, changes in AIS position correlate with alterations in current thresholds for action potential spiking. Our results show that neurons can regulate the position of an entire subcellular structure according to their ongoing levels and patterns of electrical activity. This novel form of activity-dependent plasticity may fine-tune neuronal excitability during development.

COVID-19 is a disease with unique characteristics that include lung thrombosis1, frequent diarrhoea2, abnormal activation of the inflammatory response3 and rapid deterioration of lung function consistent with alveolar oedema4. The pathological substrate for these findings remains unknown. Here we show that the lungs of patients with COVID-19 contain infected pneumocytes with abnormal morphology and frequent multinucleation. The generation of these syncytia results from activation of the SARS-CoV-2 spike protein at the cell plasma membrane level. On the basis of these observations, we performed two high-content microscopy-based screenings with more than 3,000 approved drugs to search for inhibitors of spike-driven syncytia. We converged on the identification of 83 drugs that inhibited spike-mediated cell fusion, several of which belonged to defined pharmacological classes. We focused our attention on effective drugs that also protected against virus replication and associated cytopathicity. One of the most effective molecules was the antihelminthic drug niclosamide, which markedly blunted calcium oscillations and membrane conductance in spike-expressing cells by suppressing the activity of TMEM16F (also known as anoctamin 6), a calcium-activated ion channel and scramblase that is responsible for exposure of phosphatidylserine on the cell surface. These findings suggest a potential mechanism for COVID-19 disease pathogenesis and support the repurposing of niclosamide for therapy. Lungs from patients who died from COVID-19 show atypical fused cells, the formation of which is mediated by the SARS-CoV-2 spike protein, and drugs that inhibit TMEM16F can prevent spike-induced syncytia formation.

Abstract Dysregulated neuronal excitability is a hallmark of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). We sought to investigate how functional changes to the axon initial segment (AIS), the site of action potential generation, could impact neuronal excitability in a human iPSC model of ALS. We found that early (6-week) ALS-related TDP-43 G298S motor neurons showed an increase in the length of the AIS, relative to CRISPR-corrected controls. This was linked to neuronal hyperexcitability and increased spontaneous contractions of hiPSC-myofibers in compartmentalised neuromuscular co-cultures. In contrast late (10-week) TDP-43 G298S motor neurons showed reduced AIS length and hypoexcitability. At a molecular level aberrant expression of the AIS master scaffolding protein Ankyrin-G, and the AIS-specific voltage-gated ion channels SCN1A (Nav1.1) and SCN8A (Nav1.6) mirrored these dynamic changes in excitability. Finally, at all stages, TDP-43 G298S motor neurons showed compromised activity-dependent plasticity of the AIS, further contributing to abnormal excitability. Our results point toward the AIS as an important subcellular target driving changes to neuronal excitability in ALS.

The initiation and propagation of the action potential (AP) along an axon allows neurons to convey information rapidly and across distant sites. Although AP properties have typically been characterised at the soma and proximal axon, the propagation of APs towards distal axonal domains of mammalian neurons remains limited. We used Genetically Encoded Voltage Indicators (GEVIs) to image APs simultaneously at different locations along the long axons of dissociated hippocampal neurons with sub-millisecond temporal resolution. We found that APs became sharper and showed remarkable fidelity as they traveled towards distal axons, even during a high frequency train. Blocking voltage-gated potassium channels (K v ) with 4-AP resulted in an increase in AP width in all compartments, which was stronger at distal locations and exacerbated during AP trains. We conclude that the higher levels of Kv channel activity in distal axons serves to sustain AP fidelity, conveying a reliable digital signal to presynaptic boutons.

Abstract Excitatory synapses are typically described as single synaptic boutons (SSBs), where one presynaptic bouton contacts a single postsynaptic spine. Using serial section block face scanning electron microscopy, we found that this textbook definition of the synapse does not fully apply to the CA1 region of the hippocampus. Roughly half of all excitatory synapses in the stratum oriens involved multi-synaptic boutons (MSBs), where a single presynaptic bouton containing multiple active zones contacted many postsynaptic spines (from 2 to 7) on the basal dendrites of different cells. The fraction of MSBs increased during development (from P21 to P100) and decreased with distance from the soma. Curiously, synaptic properties such as active zone (AZ) or postsynaptic density (PSD) size exhibited less within-MSB variation when compared to neighbouring SSBs, features that were confirmed by super-resolution light microscopy. Computer simulations suggest that these properties favour synchronous activity in CA1 networks.

TDP-43 loss of function induces multiple splicing changes, including a cryptic exon in the amyotrophic lateral sclerosis and fronto-temporal lobar degeneration risk gene UNC13A, leading to nonsense-mediated decay of UNC13A transcripts and loss of protein. UNC13A is an active zone protein with an integral role in coordinating pre-synaptic function. Here, we show TDP-43 depletion induces a severe reduction in synaptic transmission, leading to an asynchronous pattern of network activity. We demonstrate that these deficits are largely driven by a single cryptic exon in UNC13A. Antisense oligonucleotides targeting the UNC13A cryptic exon robustly rescue UNC13A protein levels and restore normal synaptic function, providing a potential new therapeutic approach for ALS and other TDP-43-related disorders.

Abstract The functional heterogeneity of hippocampal CA3 pyramidal neurons has emerged as a key aspect of circuit function. Here, we explored the effects of long-term cholinergic activity on the functional heterogeneity of CA3 pyramidal neurons in organotypic slices. Application of agonists to either acetylcholine receptors (AChRs) generally, or muscarinic AChRs (mAChRs) specifically, induced robust increases in network activity in the low-gamma range. Prolonged AChR stimulation for 48 hrs uncovered a population of hyperadapting CA3 pyramidal neurons that typically fired a single, early action potential in response to current injection. Although these neurons were present in control networks, their proportions were dramatically increased following long-term cholinergic activity. Characterised by the presence of a strong M-current, the hyperadaptation phenotype was abolished by acute application of either M-channel antagonists or the re-application of AChR agonists. We conclude that long-term mAChR activation modulates the intrinsic excitability of a subset of CA3 pyramidal cells, uncovering a highly plastic cohort of neurons that are sensitive to chronic ACh modulation. Our findings provide evidence for the activity-dependent plasticity of functional heterogeneity in the hippocampus.

Cortical networks are composed of excitatory projection neurons and inhibitory interneurons. Finding the right balance between the two is important for controlling overall cortical excitation and network dynamics. However, it is unclear how the correct number of cortical interneurons (CIs) is established in the mammalian forebrain. CIs are generated in excess from basal forebrain progenitors and their final numbers are adjusted via an intrinsically determined program of apoptosis that takes place during an early postnatal window. Here, we provide evidence that the extent of CI apoptosis during this critical period is plastic, cell type specific and can be reduced in a cell autonomous manner by acute increases in neuronal activity. We propose that the physiological state of the emerging neural network controls the activity levels of local CIs to modulate their numbers in a homeostatic manner. Note: Equal contribution and authors for correspondence: Vassilis.Pachnis@crick.ac.uk and juan.burrone@kcl.ac.uk Note: Equal contribution and co-first authors: Myrto Denaxa and Guilherme Neves

1 Abstract Neurons across the visual system provide estimates of the visual features they encode. However, the reliability of those estimates can vary across the neuronal population. Here, we use information theory to provide a spatial map of how well neurons can distinguish ethologically-relevant visual stimuli across the entire larval zebrafish optic tectum, a brain region responsible for driving visually guided behaviour. We find that the ability of neurons to discriminate between stimuli is non-uniformly distributed across the tectum. Specifically, we show that information about local motion is preferentially encoded in the posterior tectum, whilst information about whole-field motion is preferentially encoded in the anterior tectum. This is achieved through two systematic changes along the anterior-posterior axis of the tectum: (i) a change in the number of neurons that discriminate between stimuli and (ii) a change in how well each neuron can discriminate between stimuli. By classifying neurons into distinct subtypes based on their response properties we uncovered a small group of neurons that are spatially localised to specific regions of the tectum and are able to discriminate between visual stimuli in a highly reliable manner. Our results highlight the importance of implementing information theoretic approaches to assess visual responses and provide a novel description of regional specialisation in the zebrafish optic tectum.