Closed-loop paradigms provide an effective approach for studying visual choice behaviour and attention in small animals. Different flying and walking paradigms have been developed to investigate behavioural and neuronal responses to competing stimuli in insects such as bees and flies. However, the variety of stimulus choices that can be presented over one experiment is often limited. Current choice paradigms are mostly constrained as single binary choice scenarios that are influenced by the linear structure of classical conditioning paradigms. Here, we present a novel behavioural choice paradigm that allows animals to explore a closed geometry of interconnected binary choices by repeatedly selecting among competing objects, thereby revealing stimulus preferences in an historical context. We used our novel paradigm to investigate visual flicker preferences in honeybees (Apis mellifera) and found significant preferences for 20-25 Hz flicker and avoidance of higher (50-100 Hz) and lower (2-4 Hz) flicker frequencies. Similar results were found when bees were presented with three simultaneous choices instead of two, and when they were given the chance to select previously rejected choices. Our results show that honeybees can discriminate among different flicker frequencies and that their visual preferences are persistent even under different experimental conditions. Interestingly, avoided stimuli were more attractive if they were novel, suggesting that novelty salience can override innate preferences. Our recursive virtual reality environment provides a new approach to studying visual discrimination and choice behaviour in animals.

Abstract Circular RNAs (circRNAs) comprise a novel class of regulatory RNAs that are abundant in the brain, particularly within synapses. They are highly stable, dynamically regulated, and display a range of functional roles, including as decoys for miRNAs and proteins and, in some cases, translation. Early work in animal models revealed an association between circRNAs and neurodegenerative and neuropsychiatric disorders; however, relatively few studies have shown a causal link between circRNA function and memory. To address this knowledge gap, we sequenced circRNAs in the synaptosome compartment of the medial prefrontal cortex of fear extinction trained male C57BL/6J mice and found 12837 circRNAs enriched at the synapse, including Cdr1as . Targeted knockdown of Cdr1as in the neural processes of the infralimbic prefrontal cortex of male C57BL/6J mice led to impaired fear extinction memory. Altogether, our findings highlight the importance of localised circRNA activity at the synapse for memory formation and suggest that circRNAs may have a more widespread effect on brain function than previously thought.

We have identified a member of the Growth arrest and DNA damage (Gadd45) family, Gadd45g, which is known to be involved in the regulation of DNA repair, as a key player in the formation of associative fear memory. Gadd45g regulates the temporal dynamics of learning-induced immediate early gene (IEG) expression in the prelimbic prefrontal cortex through its interaction with DNA double-strand break (DSB)-mediated changes in DNA methylation. Our findings suggest a two-hit model of experience-dependent IEG activity and learning that comprises 1) a first wave of IEG expression governed by DSBs followed by an increase in DNA methylation, and 2) a second wave of IEG expression associated with Gadd45g and active DNA demethylation at the same site, which is necessary for memory consolidation.

Epigenetic regulation of activity-induced gene expression involves multiple levels of molecular interaction, including histone and DNA modifications, as well as mechanisms of DNA repair. Here we demonstrate that the genome-wide deposition of Inhibitor of growth family member 1 (ING1), which is a central epigenetic regulatory protein, is dynamically regulated in response to activity in primary cortical neurons. ING1 knockdown leads to decreased expression of genes related to synaptic plasticity, including the regulatory subunit of calcineurin, Ppp3r1. In addition, ING1 binding at a site upstream of the transcription start site (TSS) of Ppp3r1 depends on yet another group of neuroepigenetic regulatory proteins, the Piwi-like family, which are also involved in DNA repair. These findings provide new insight into a novel mode of activity-induced gene expression, which involves the interaction between different epigenetic regulatory mechanisms traditionally associated with gene repression and DNA repair.

Here we report that the recently discovered mammalian DNA modification N6-methyl-2-deoxyadenosine (m6dA) is dynamically regulated in primary cortical neurons, and accumulates along promoters and coding sequences within the genome of activated prefrontal cortical neurons of adult C57/Bl6 mice in response to fear extinction learning. The deposition of m6dA is generally associated with increased genome-wide occupancy of the mammalian m6dA methyltransferase, N6amt1, and this correlates with fear extinction learning-induced gene expression. Of particular relevance for fear extinction memory, the accumulation of m6dA is associated with an active chromatin state and the recruitment of transcriptional machinery to the brain-derived neurotrophic factor (Bdnf) P4 promoter, which is required for Bdnf exon IV mRNA expression and for the extinction of conditioned fear. These results expand the scope of DNA modifications in the adult brain and highlight changes in m6dA as a novel neuroepigenetic mechanism associated with activity-induced gene expression and the formation of fear extinction memory.

The RNA modification N6-methyladenosine (m6A) is critically involved in the regulation of gene activity underlying experience-dependent plasticity, and is necessary for the functional interplay between RNA and RNA binding proteins (RBPs) in the nucleus. However, the complete repertoire of m6A-modified RNA interacting RBPs in the synaptic compartment, and whether they are involved in fear extinction, have yet to be revealed. Using RNA immunoprecipitation followed by mass spectrometry, we discovered 12 novel, synapse-specific, learning-induced m6A readers in the medial prefrontal cortex of male C57/B6 mice. m6A RNA-sequencing also revealed a unique population of learning-related m6A-modified RNAs at the synapse, which includes a variant of the long non-coding RNA (lncRNA) metastasis associated lung adenocarcinoma transcript 1 (Malat1). m6A-modified Malat1 binds to a subset of novel m6A readers, including cytoplasmic FMR1 interacting protein 2 (CYFIP2) and dihydropyrimidase-related protein 2 (DPYSL2) and a cell-type-specific, state-dependent, and synapse-specific reduction in m6A-modified Malat1 disrupts the interaction between Malat1 and DPYSL2 and impairs fear extinction. The consolidation of fear-extinction memory therefore relies on an interaction between m6A-modified Malat1 and select RBPs in the synaptic compartment.

Abstract The conformational state of DNA fine-tunes the transcriptional rate and abundance of RNA. Here we report that DNA G-quadruplex (G4-DNA) accumulates in neurons in an experience-dependent manner, and that this is required for the transient silencing and activation of genes that are critically involved in learning and memory. In addition, site-specific resolution of G4-DNA by dCas9-mediated deposition of the helicase DHX36 impairs fear extinction memory. Dynamic DNA structure states therefore represent a key molecular mechanism underlying memory consolidation. One-Sentence Summary G4-DNA is a molecular switch that enables the temporal regulation of the gene expression underlying the formation of fear extinction memory.

The Piwi pathway is a conserved gene regulatory mechanism comprised of Piwi-like proteins and Piwi-interacting RNAs, which modulates gene expression via RNA interference and epigenetic mechanisms. The mammalian Piwi pathway has been defined by its role in transposon control during spermatogenesis, and despite an increasing number of studies demonstrating its expression in the nervous system, relatively little is known about its function in neurons or potential contribution to gene regulation in the brain. We have discovered that all three Piwi-like genes are expressed in several regions of the mouse brain, and that simultaneous knockdown of Piwil1 and Piwil2 in the adult mouse hippocampus enhances contextual fear memory without affecting generalised anxiety. Our results implicate the Piwi pathway in control of plasticity-related gene expression in the adult mammalian brain.

ABSTRACT Long-noncoding RNA (lncRNA) comprise a new class of genes that have been assigned key roles in development and disease. Many lncRNAs are specifically transcribed in the brain where they regulate the expression of protein-coding genes that underpin neuronal function; however, their role in learning and memory remains largely unexplored. We used RNA Capture-Seq to identify a large population of lncRNAs that are expressed in the infralimbic cortex of adult male mice in response to fear-related learning, with 14.5% of these annotated in the GENCODE database as lncRNAs with no known function. We combined these data with cell-type-specific ATAC-seq on neurons that had been selectively activated by fear-extinction learning, and revealed 434 lncRNAs derived from enhancer regions in the vicinity of protein-coding genes. In particular, we discovered an experience-induced lncRNA called ADRAM that acts as both a scaffold and a combinatorial guide to recruit the brain-enriched chaperone protein 14-3-3 to the promoter of the memory-associated immediate early gene Nr4a2. This leads to the expulsion of histone deactylases 3 and 4, and the recruitment of the histone acetyltransferase creb binding protein, which drives learning-induced Nr4a2 expression. Knockdown of ADRAM disrupts this interaction, blocks the expression of Nr4a2, and ultimately impairs the formation of fear-extinction memory. This study expands the lexicon of experience-dependent lncRNA activity in the brain, highlights enhancer-derived RNAs (eRNAs) as key players in the epigenetic regulation of gene expression associated with fear extinction, and suggests eRNAs, such as ADRAM, may constitute viable targets in developing novel treatments for fear-related anxiety disorders.

RNA modification has recently emerged as an important mechanism underlying gene diversity linked to behavioral regulation. The conversion of adenosine to inosine by the ADAR family of enzymes is a particularly important RNA modification as it impacts the physiological readout of protein-coding genes. However, not all variants of ADAR appear to act solely on RNA. ADAR1 binds directly to DNA when it is in a non-canonical, left handed, Z conformation, but little is known about the functional relevance of this interaction. Here we report that ADAR1 binds to Z-DNA in an activity-dependent manner and that fear extinction learning leads to increased ADAR1 occupancy at DNA repetitive elements, with targets adopting a Z-DNA structure at sites of ADAR1 recruitment. Knockdown of ADAR1 leads to an inability to modify a previously acquired memory trace and this is associated with a concomitant change in DNA structure and a decrease in RNA editing. These findings suggest a novel mechanism of learning-induced gene regulation whereby ADAR1 physically interacts with Z-DNA in order to mediate its effect on RNA, and both are required for memory flexibility following fear extinction learning.