Rapid-eye movement (REM) sleep correlates with neuronal activity in the brainstem, basal forebrain and lateral hypothalamus. Lateral hypothalamus melanin-concentrating hormone (MCH)-expressing neurons are active during sleep, but their effects on REM sleep remain unclear. Using optogenetic tools in newly generated Tg(Pmch-cre) mice, we found that acute activation of MCH neurons (ChETA, SSFO) at the onset of REM sleep extended the duration of REM, but not non-REM, sleep episodes. In contrast, their acute silencing (eNpHR3.0, archaerhodopsin) reduced the frequency and amplitude of hippocampal theta rhythm without affecting REM sleep duration. In vitro activation of MCH neuron terminals induced GABAA-mediated inhibitory postsynaptic currents in wake-promoting histaminergic neurons of the tuberomammillary nucleus (TMN), and in vivo activation of MCH neuron terminals in TMN or medial septum also prolonged REM sleep episodes. Collectively, these results suggest that activation of MCH neurons maintains REM sleep, possibly through inhibition of arousal circuits in the mammalian brain.

Abstract A growing body of evidence implicates thalamo-cortical oscillations with the neuropathophysiology of schizophrenia (SZ) in both mice and humans. Yet, the precise mechanisms underlying sleep perturbations in SZ remain unclear. Here, we characterised the dynamics of thalamo-cortical networks across sleep-wake states in a mouse model carrying a mutation in the enzyme glutathione synthetase gene (Gclm-/-) associated with SZ in humans. We hypothesised that deficits in parvalbumin immunoreactive cells in the thalamic reticular nucleus (TRN) and the anterior cingulate cortex (ACC) - caused by oxidative stress - impact thalamocortical dynamics, thus affecting non-rapid eye movement (NREM) sleep and sleep homeostasis. Using polysomnographic recordings in mice, we showed that KO mice exhibited a fragmented sleep architecture, similar to SZ patients and altered sleep homeostasis responses revealed by an increase in NREM latency and slow wave activities during the recovery period (SR). Although NREM sleep spindle rate during spontaneous sleep was similar in Gclm-/- and Gcml +/+, KO mice lacked a proper homeostatic response during SR. Interestingly, using multisite electrophysiological recordings in freely-moving mice, we found that high order thalamic network dynamics showed increased synchronisation, that was exacerbated during the sleep recovery period subsequent to SD, possibly due to lower bursting activity in TRN-antero dorsal thalamus circuit in KO compared to WT littermates. Collectively, these findings provide a mechanism for SZ associated deficits of thalamo-cortical neuron dynamics and perturbations of sleep architecture.

Abstract Modelling stroke in animals remains a challenge for translational research, especially for the infraction of small subcortical arteries. Using combined fibre optics and photothrombosis technologies, we developed a novel model of optically-induced infarcts (Opto-STROKE). Combining our model with electrophysiological recordings in freely-behaving mice, we studied early and late consequent patho-physiological changes in the dynamics of sleep-wake circuits and cognitive performance. Here, focusing on inducing Opto-STROKE lesions in the intralaminar thalamus (IL), which in humans cause severe impairments of arousal, cognition, and affective symptoms, our model recapitulated important deficits on sleep disorders presented in humans including arousal instability, concurrent to an augmented slow-wave activity and a reduction gamma power bands during wakefulness. Moreover, during NREM sleep, spindle density was decreased and topographically shifted to frontal cortices when compared to control animals. Remarkably, gamma power and spindle density were correlated with decreased pain threshold and impaired prefrontal cortex-dependent working memory in Opto-STROKE mice relative to controls. Collectively, our combined method influences both anatomical and functional outcomes of the classical stroke procedures and offers new insights on the fundamental role of the media thalamus as a hub for the regulation of both sleep-wake architecture and cognition.

Theta phase modulates gamma amplitude during spatial navigation and rapid eye movement sleep (REMs). Although the REMs theta rhythm has been linked to spatial memory consolidation, the underlying mechanism remains unclear. We investigate dynamics of theta-gamma interactions across multiple frequency and temporal scales in simultaneous recordings from hippocampal CA3, CA1, subiculum, and cortical EEG. We show that theta phase significantly modulates three distinct gamma bands during REMs, dynamically. Interestingly, we further show that theta-gamma coupling swings between different hippocampal and cortical sites during REMs and tends to increase over a single REMs episode. Comparing to active wake, theta-gamma coupling during REMs is significantly increased for subicular and cortical, but not for CA3 and CA1, recordings. Finally, we show that optogenetic silencing of septohippocampal GABAergic projections significantly impedes both theta-gamma coupling and theta coherence, two neural mechanisms of working and long-term memory. We hypothesize that theta-gamma coupling provides a predominant mechanism for information processing within each brain region, while the switching of coupling activity between regions establishes a specific phase-space coding of information during memory processes and sleep.