Years of intensive investigation have yielded a sophisticated understanding of long-term potentiation (LTP) induced in hippocampal area CA1 by high-frequency stimulation (HFS). These efforts have been motivated by the belief that similar synaptic modifications occur during memory formation, but it has never been shown that learning actually induces LTP in CA1. We found that one-trial inhibitory avoidance learning in rats produced the same changes in hippocampal glutamate receptors as induction of LTP with HFS and caused a spatially restricted increase in the amplitude of evoked synaptic transmission in CA1 in vivo. Because the learning-induced synaptic potentiation occluded HFS-induced LTP, we conclude that inhibitory avoidance training induces LTP in CA1.

We tested a theoretical prediction that patterns of excitatory input activity that consistently fail to activate target neurons sufficiently to induce synaptic potentiation will instead cause a specific synaptic depression. To realize this situation experimentally, the Schaffer collateral projection to area CA1 in rat hippocampal slices was stimulated electrically at frequencies ranging from 0.5 to 50 Hz. Nine hundred pulses at 1-3 Hz consistently yielded a depression of the CA1 population excitatory postsynaptic potential that persisted without signs of recovery for greater than 1 hr after cessation of the conditioning stimulation. This long-term depression was specific to the conditioned input, ruling out generalized changes in postsynaptic responsiveness or excitability. Three lines of evidence suggest that this effect is accounted for by a modification of synaptic effectiveness rather than damage to or fatigue of the stimulated inputs. First, the effect was dependent on the stimulation frequency; 900 pulses at 10 Hz caused no lasting change, and at 50 Hz a synaptic potentiation was usually observed. Second, the depressed synapses continued to support long-term potentiation in response to a high-frequency tetanus. Third, the effects of conditioning stimulation could be prevented by application of NMDA receptor antagonists. Thus, our data suggest that synaptic depression can be triggered by prolonged NMDA receptor activation that is below the threshold for inducing synaptic potentiation. We propose that this mechanism is important for the modifications of hippocampal response properties that underlie some forms of learning and memory.

Fragile X syndrome, the most common inherited form of human mental retardation, is caused by mutations of the Fmr1 gene that encodes the fragile X mental retardation protein (FMRP). Biochemical evidence indicates that FMRP binds a subset of mRNAs and acts as a regulator of translation. However, the consequences of FMRP loss on neuronal function in mammals remain unknown. Here we show that a form of protein synthesis-dependent synaptic plasticity, long-term depression triggered by activation of metabotropic glutamate receptors, is selectively enhanced in the hippocampus of mutant mice lacking FMRP. This finding indicates that FMRP plays an important functional role in regulating activity-dependent synaptic plasticity in the brain and suggests new therapeutic approaches for fragile X syndrome.

Maturation of the visual cortex is influenced by visual experience during an early postnatal period. The factors that regulate such a critical period remain unclear. We examined the maturation and plasticity of the visual cortex in transgenic mice in which the postnatal rise of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) was accelerated. In these mice, the maturation of GABAergic innervation and inhibition was accelerated. Furthermore, the age-dependent decline of cortical long-term potentiation induced by white matter stimulation, a form of synaptic plasticity sensitive to cortical inhibition, occurred earlier. Finally, transgenic mice showed a precocious development of visual acuity and an earlier termination of the critical period for ocular dominance plasticity. We propose that BDNF promotes the maturation of cortical inhibition during early postnatal life, thereby regulating the critical period for visual cortical plasticity.

Fragile X syndrome (FXS) is the most common form of heritable mental retardation and the leading identified cause of autism. FXS is caused by transcriptional silencing of the FMR1 gene that encodes the fragile X mental retardation protein (FMRP), but the pathogenesis of the disease is unknown. According to one proposal, many psychiatric and neurological symptoms of FXS result from unchecked activation of mGluR5, a metabotropic glutamate receptor. To test this idea we generated Fmr1 mutant mice with a 50% reduction in mGluR5 expression and studied a range of phenotypes with relevance to the human disorder. Our results demonstrate that mGluR5 contributes significantly to the pathogenesis of the disease, a finding that has significant therapeutic implications for fragile X and related developmental disorders.

Intracortical infusion of the " N -methyl-D-aspartate" (NMDA) receptor blocker D,L-2-amino-5-phosphonovaleric acid (APV) renders kitten striate cortex resistant to the effects of monocular deprivation. In addition, 1 week of continuous APV treatment (50 nanomoles per hour) produces a striking loss of orientation selectivity in area 17. These data support the hypothesis that crucial variables for the expression of activity-dependent synaptic modifications are a critical level of postsynaptic activation and calcium entry through ion channels linked to NMDA receptors.

A hippocampal pyramidal neuron receives more than 10(4) excitatory glutamatergic synapses. Many of these synapses contain the molecular machinery for messenger RNA translation, suggesting that the protein complement (and thus function) of each synapse can be regulated on the basis of activity. Here, local postsynaptic protein synthesis, triggered by synaptic activation of metabotropic glutamate receptors, was found to modify synaptic transmission within minutes.

Brief bath application of N-methyl-D-aspartate (NMDA) to hippocampal slices produces long-term synaptic depression (LTD) in CA1 that is (1) sensitive to postnatal age, (2) saturable, (3) induced postsynaptically, (4) reversible, and (5) not associated with a change in paired pulse facilitation. Chemically induced LTD (Chem-LTD) and homosynaptic LTD are mutually occluding, suggesting a common expression mechanism. Using phosphorylation site–specific antibodies, we found that induction of chem-LTD produces a persistent dephosphorylation of the GluR1 subunit of AMPA receptors at serine 845, a cAMP-dependent protein kinase (PKA) substrate, but not at serine 831, a substrate of protein kinase C (PKC) and calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). These results suggest that dephosphorylation of AMPA receptors is an expression mechanism for LTD and indicate an unexpected role of PKA in the postsynaptic modulation of excitatory synaptic transmission.