In the mammalian nervous system, neuronal activity regulates the strength and number of synapses formed. The genetic program that coordinates this process is poorly understood. We show that myocyte enhancer factor 2 (MEF2) transcription factors suppressed excitatory synapse number in a neuronal activity- and calcineurin-dependent manner as hippocampal neurons formed synapses. In response to increased neuronal activity, calcium influx into neurons induced the activation of the calcium/calmodulin-regulated phosphatase calcineurin, which dephosphorylated and activated MEF2. When activated, MEF2 promoted the transcription of a set of genes, including arc and synGAP , that restrict synapse number. These findings define an activity-dependent transcriptional program that may control synapse number during development.

The rod outer segment phototransduction GAP (GTPase-accelerating protein) has been identified as RGS9, a member of the RGS family of Gα GAPs. RGS9 mRNA expression is specific for photoreceptor cells, and RGS9 protein colocalizes with other phototransduction components to photoreceptor outer segment membranes. The RGS domain of RGS9 accelerates GTP hydrolysis by the visual G protein transducin (Gαt), and this acceleration is enhanced by the γ subunit of the phototransduction effector cGMP phosphodiesterase (PDEγ). These unique properties of RGS9 match those of the rod outer segment GAP and implicate it as a key element in the recovery phase of visual transduction.

Abstract Use of addictive substances creates powerful drug-cue associations that often trigger relapse. Drug seeking is gated in the nucleus accumbens (NAc) by competing activation of D1 dopamine receptor-expressing medium spiny neurons (D1-MSNs) that promote, and D2 dopamine receptor-expressing neurons (D2-MSNs) that oppose, drug seeking. We show here that the ensemble of neurons in the NAc that induce the neuronal activity-regulated transcription factor, Neuronal PAS Domain Protein 4 (NPAS4), is required for cocaine-context associations. In addition, NPAS4 functions within NAc D2-MSNs to govern the activation balance of NAc D1-MSNs and D2-MSNs necessary for drug-context memories and cue-induced cocaine, but not sucrose, seeking. NPAS4 regulates drug-cue associations and preponderant D1-MSN activation by influencing a program of gene expression that blocks cocaine-induced potentiation of prefrontal cortical excitatory drive onto D2-MSNs. Together our findings reveal that NPAS4 is a key player governing NAc MSN cell-type activation balance and promoting drug-cue associations and relapse vulnerability.

Powerful associations that link drugs of abuse with cues in the drug-paired environment often serve as prepotent relapse triggers. Drug-associated contexts and cues activate ensembles of nucleus accumbens (NAc) neurons, including D1-class medium spiny neurons (MSNs) that typically promote, and D2-class MSNs that typically oppose, drug seeking. We found that in mice, cocaine conditioning upregulated transiently the activity-regulated transcription factor, Neuronal PAS Domain Protein 4 (NPAS4), in a small subset of NAc neurons. The NPAS4+ NAc ensemble was required for cocaine conditioned place preference. We also observed that NPAS4 functions within NAc D2-, but not D1-, MSNs to support cocaine-context associations and cue-induced cocaine, but not sucrose, seeking. Together, our data show that the NPAS4+ ensemble of NAc neurons is essential for cocaine-context associations in mice, and that NPAS4 itself functions in NAc D2-MSNs to support cocaine-context associations by suppressing drug-induced counteradaptations that oppose relapse-related behaviour.

ABSTRACT EphB1 is required for proper guidance of cortical axon projections during brain development, but how EphB1 regulates this process remains unclear. We show here that EphB 1 conditional knockout (cKO) in GABAergic cells ( Vgat -Cre or Dlx1/2 -Cre), but not in cortical excitatory neurons ( Emx1 -Cre), reproduced the cortical axon guidance defects observed in global EphB1 KO mice. Interestingly, in EphB1 cKO Vgat mice, the misguided axon bundles contained comingled striatal GABAergic and somatosensory cortical glutamatergic axons. In wildtype mice, somatosensory axons also co-fasciculated with striatal axons notably in the globus pallidus, suggesting that a subset of glutamatergic cortical axons normally follows long-range GABAergic axons to reach their targets. Surprisingly, the ectopic axons in EphB1 KO mice were juxtaposed to major blood vessels. However, conditional loss of EphB1 in endothelial cells (Tie2-Cre), or in mural and oligodendrocyte precursor cells (Cspg4-Cre) did not produce the axon guidance defects, suggesting that EphB1 in GABAergic neurons normally promotes avoidance of these ectopic axons from following the developing vasculature. Together, our data reveal a new role for EphB1 in GABAergic neurons to influence proper cortical glutamatergic axon guidance during brain development.

Abstract Neuronal activity and gene expression in response to the loss of sleep can provide a window into the enigma of sleep function. Sleep loss is associated with brain differential gene expression, an increase in pyramidal cell mEPSC frequency and amplitude, and a characteristic rebound and resolution of slow wave sleep-slow wave activity (SWS-SWA). However, the molecular mechanism(s) mediating the sleep loss response are not well understood. We show that sleep-loss regulates MEF2C phosphorylation, a key mechanism regulating MEF2C transcriptional activity, and that MEF2C function in postnatal excitatory forebrain neurons is required for the biological events in response to sleep loss. These include altered gene expression, the increase and recovery of synaptic strength, and the rebound and resolution of SWS-SWA, which implicate MEF2C as an essential regulator of sleep function. One Sentence Summary MEF2C is critical to the response to sleep loss.

Abstract Chronic stress can produce reward system deficits ( i . e . anhedonia) and other common symptoms associated with depressive disorders, as well as neural circuit hypofunction in the medial prefrontal cortex (mPFC). However, the molecular mechanisms by which chronic stress promotes depressive-like behavior and hypofrontality remain unclear. We show here that the neuronal activity-regulated transcription factor, NPAS4, in the mPFC is regulated by chronic social defeat stress (CSDS), and it’s required in this brain region for CSDS-induced changes in sucrose preference and natural reward motivation. Interestingly, NPAS4 is not required for CSDS-induced social avoidance or anxiety-like behavior. We also find that mPFC NPAS4 is required for CSDS-induced reduction of pyramidal cell dendritic spine density, revealing a relationship between mPFC dendritic spine changes and anhedonia-like behavior, but not social avoidance behavior. Finally, transcriptomic analysis from the mPFC revealed that NPAS4 influences expression of numerous genes linked to glutamatergic synapses and ribosomal function, as well as many dysregulated genes observed in common neuropsychiatric disorders, including depression. Together our findings reveal an essential role for the activity-regulated transcription factor, NPAS4, in chronic stress-induced mPFC hypofunction and anhedonia.

Abstract BACKGROUND Chronic methamphetamine (METH) abuse is associated with the emergence of cognitive deficits and hypofrontality, a pathophysiological marker of many neuropsychiatric disorders that is produced by altered balance of local excitatory and inhibitory synaptic transmission. However, there is a dearth of information regarding the cellular and synaptic mechanisms underlying METH-induced cognitive deficits and associated hypofrontal states. METHODS Rats went through a METH sensitization regime or saline (SAL) consisting of 14 days of METH treatment (day 1 and 14, 1 mg/kg; days 2-13, 5 mg /kg) followed by 7-10 days of home cage abstinence. Temporal Order Memory and Working Memory tests, chemogenetic experiments as well as whole-cell patch recordings on prelimbic PFC ex vivo slices were performed during abstinence. RESULTS We find here that repeated METH administration in rats produces deficits in working memory and increases in inhibitory synaptic transmission onto pyramidal neurons in the prefrontal cortex (PFC). The increased PFC inhibition is detected by an increase in spontaneous and evoked inhibitory postsynaptic synaptic currents (IPSCs), an increase in GABAergic presynaptic function, and a shift in the excitatory-inhibitory balance onto PFC deep-layer pyramidal neurons. We find that pharmacological blockade of D1 dopamine receptor function reduces the METH-induced augmentation of IPSCs, suggesting a critical role for D1 dopamine signaling in METH-induced hypofrontality. In addition, chronic METH administration increases the intrinsic excitability of parvalbumin-positive interneurons, a key local interneuron population in PFC that controls inhibitory tone. Using a cell type-specific chemogenetic approach, we show that increasing PV+FSI activity in the PFC is necessary and sufficient to cause deficits in temporal order memory similar to those induced by METH. CONCLUSION Together, our findings reveal that chronic METH exposure increases PFC inhibitory tone through a D1 dopamine signaling-dependent potentiation of inhibitory synaptic transmission, and that reduction of PV+FSI activity can rescue METH-induced cognitive deficits, suggesting a potential therapeutic approach to treating cognitive symptoms in patients suffering from methamphetamine use disorder.

Microdeletions of the MEF2C gene are linked to a syndromic form of autism termed MEF2C haploinsufficiency syndrome (MCHS). Here, we show that MCHS-associated missense mutations cluster in the conserved DNA binding domain and disrupt MEF2C DNA binding. DNA binding-deficient global Mef2c heterozygous mice (Mef2c-Het) display numerous MCHS-like behaviors, including autism-related behaviors, as well as deficits in cortical excitatory synaptic transmission. We find that hundreds of genes are dysregulated in Mef2c-Het cortex, including significant enrichments of autism risk and excitatory neuron genes. In addition, we observe an enrichment of upregulated microglial genes, but not due to neuroinflammation in the Mef2c-Het cortex. Importantly, conditional Mef2c heterozygosity in forebrain excitatory neurons reproduces a subset of the Mef2c-Het phenotypes, while conditional Mef2c heterozygosity in microglia reproduces social deficits and repetitive behavior. Together our findings suggest that MEF2C regulates typical brain development and function through multiple cell types, including excitatory neuronal and neuroimmune populations.

Abstract Dysfunction of the peripheral auditory nerve (AN) contributes to dynamic changes throughout the central auditory system, resulting in abnormal auditory processing, including hypersensitivity. Altered sound sensitivity is frequently observed in autism spectrum disorder (ASD), suggesting that AN deficits and changes in auditory information processing may contribute to ASD-associated symptoms, including social communication deficits and hyperacusis. The MEF2C transcription factor is associated with risk for several neurodevelopmental disorders, and mutations or deletions of MEF2C produce a haploinsufficiency syndrome characterized by ASD, language and cognitive deficits. A mouse model of this syndromic ASD (i.e., Mef2c +/- or Mef2c -Het) recapitulates many of the MEF2C Haploinsufficiency syndrome-linked behaviors including communication deficits. We show here that Mef2c -Het mice exhibit functional impairment of the peripheral AN and a modest reduction in hearing sensitivity. We find that MEF2C is expressed during development in multiple AN and cochlear cell types, and in Mef2c -Het mice, we observe multiple cellular and molecular alterations associated with the AN, including abnormal myelination, neuronal degeneration, neuronal mitochondria dysfunction, and increased macrophage activation and cochlear inflammation. These results reveal the importance of MEF2C function in inner ear development and function and the engagement of immune cells and other non-neuronal cells, which suggests that microglia/macrophages and other non-neuronal cells might contribute, directly or indirectly, to AN dysfunction and ASD-related phenotypes. Finally, our study establishes a comprehensive approach for characterizing AN function at the physiological, cellular, and molecular levels in mice, which can be applied to animal models with a wide range of human auditory processing impairments. Significance Statement This is the first report of peripheral auditory nerve (AN) impairment in a mouse model of human MEF2C haploinsufficiency syndrome that has well-characterized ASD related behaviors including communication deficits, hyperactivity, repetitive behavior, and social deficits. We identify multiple underlying cellular, sub-cellular, and molecular abnormalities that may contribute to peripheral AN impairment. Our findings also highlight the important roles of immune cells (e.g., cochlear macrophages) and other non-neuronal elements (e.g., glial cells and cells in the stria vascularis) in auditory impairment in ASD. The methodological significance of the study is the establishment of a comprehensive approach for evaluating peripheral AN function and impact of peripheral AN deficits with minimal hearing loss.