Excessive, synaptically-driven synchronization of subthalamic nucleus (STN) neurons is widely thought to contribute to akinesia, bradykinesia, and rigidity in Parkinson's disease (PD). Electrophysiological, optogenetic, chemogenetic, genetic, 2-photon imaging, and pharmacological approaches revealed that the autonomous activity of STN neurons, which opposes synaptic synchronization, was downregulated in both toxin and genetic mouse models of PD. Loss of autonomous spiking was due to increased transmission of D2-striatal projection neurons, leading in the STN to elevated activation of NMDA receptors and generation of reactive oxygen species that promoted KATP channel opening. Chemogenetic restoration of autonomous firing in STN neurons reduced synaptic patterning and ameliorated Parkinsonian motor dysfunction, arguing that increasing autonomous STN activity is an effective therapeutic intervention in PD.

The subthalamic nucleus (STN) is traditionally thought to restrict movement. Lesion or prolonged STN inhibition increases movement vigor and propensity, while optogenetic excitation has opposing effects. Subthalamic and motor activity are also inversely correlated in movement disorders. However, most STN neurons typically exhibit movement-related increases in firing. To address this paradox, STN activity was recorded and manipulated in head-fixed mice at rest and during self-initiated and -paced treadmill locomotion. The majority of STN neurons (type 1) exhibited locomotion-dependent increases in activity, with half encoding the locomotor cycle. A minority of neurons exhibited dips in activity or were uncorrelated with movement. Brief optogenetic inhibition of the dorsolateral STN (where type 1 neurons are concentrated) slowed, dysregulated, and prematurely terminated locomotion. In Q175 Huntington's disease mice analogous locomotor deficits were specifically linked to abnormal type 1 hypoactivity. Together these data argue that movement-related increases in STN activity contribute to optimal locomotor performance.

The subthalamic nucleus (STN) is traditionally thought to restrict movement. Lesion or prolonged STN inhibition increases movement vigor and propensity, while optogenetic excitation has opposing effects. However, STN neurons often exhibit movement-related increases in firing. To address this paradox, STN activity was recorded and manipulated in head-fixed mice at rest and during self-initiated and self-paced treadmill locomotion. We found that (1) most STN neurons (type 1) exhibit locomotion-dependent increases in activity, with half firing preferentially during the propulsive phase of the contralateral locomotor cycle; (2) a minority of STN neurons exhibit dips in activity or are uncorrelated with movement; (3) brief optogenetic inhibition of the lateral STN (where type 1 neurons are concentrated) slows and prematurely terminates locomotion; and (4) in Q175 Huntington's disease mice, abnormally brief, low-velocity locomotion is associated with type 1 hypoactivity. Together, these data argue that movement-related increases in STN activity contribute to optimal locomotor performance.