Sleep debt accumulates during wakefulness, leading to increased slow wave activity (SWA) during sleep, an encephalographic marker for sleep need. The use-dependent demands of prior wakefulness increase sleep SWA locally. However, the circuitry and molecular identity of this "local sleep" remain unclear. Using pharmacology and optogenetic perturbations together with transcriptomics, we find that cortical brain-derived neurotrophic factor (BDNF) regulates SWA via the activation of tyrosine kinase B (TrkB) receptor and cAMP-response element-binding protein (CREB). We map BDNF/TrkB-induced sleep SWA to layer 5 (L5) pyramidal neurons of the cortex, independent of neuronal firing per se. Using mathematical modeling, we here propose a model of how BDNF's effects on synaptic strength can increase SWA in ways not achieved through increased firing alone. Proteomic analysis further reveals that TrkB activation enriches ubiquitin and proteasome subunits. Together, our study reveals that local SWA control is mediated by BDNF-TrkB-CREB signaling in L5 excitatory cortical neurons.

Homeostatic synaptic plasticity (HSP) is a fundamental neuronal mechanism that allows networks to compensate for prolonged changes in activity by adjusting synaptic strength. This process is crucial for maintaining stable brain function and has been implicated in memory consolidation during sleep. While scaling of both excitatory and inhibitory synapses plays an important role during homeostatic synaptic plasticity, molecules coordinating both of these processes are unknown. In this study, we investigate the role of miR-218-5p as a regulator of inhibitory and excitatory synapses in the context of picrotoxin (PTX)-induced homeostatic synaptic downscaling (HSD) in rat hippocampal neurons. Using enrichment analysis of miRNA-binding sites in differentially expressed genes changing upon PTX-induced HSD, we bioinformatically predicted and experimentally validated increased miR-218-5p activity upon PTX-treatment in the process compartment. By monitoring synapse structure in vitro with confocal microscopy, we demonstrate that inhibiting miR-218-5p activity exerts a dual effect during HSD: it prevents the downscaling of excitatory synapses and dendritic spines, while at the same time blocking inhibitory synapse upscaling. Furthermore, we identify the Neuroligin2 interacting molecule Mdga1 as a crucial target of miR-218-5p in the context of homeostatic upscaling of inhibitory synapses. By performing long-term electroencephalographic (EEG) recordings, we further revealed that local inhibition of miR-218-5p in the somatosensory cortex reduced local slow-wave activity (SWA) during non-rapid-eye-movement (NREM) sleep. In summary, this study uncovers miR-218-5p as a key player in coordinating inhibitory and excitatory synapses during homeostatic plasticity and sleep. Our findings contribute to a deeper understanding of how neural circuits maintain stability in the face of activity-induced perturbations, with potential implications for both physiological and pathological conditions.

Abstract Sleep/wake cycles intricately shape physiological activities including cognitive brain functions, yet the precise molecular orchestrators of sleep remain elusive. Notably, the clinical impact of benzodiazepine drugs underscores the pivotal role of GABAergic neurotransmission in sleep regulation. However, the specific contributions of distinct GABA A receptor subtypes and their principal scaffolding protein, gephyrin, in sleep dynamics remain unclear. The evolving role of synaptic phospho‐proteome alterations at excitatory and inhibitory synapses suggests a potential avenue for modulating gephyrin and, consequently, GABA A Rs for sleep through on‐demand kinase recruitment. Our study unveils the distinctive roles of two prevalent GABA A receptor subtypes, α1‐ and α2‐GABA A Rs, in influencing sleep duration and electrical sleep activity. Notably, the absence of α1‐GABA A Rs emerges as central in sleep regulation, manifesting significant alterations in both non‐rapid eye movement (NREM) and rapid eye movement (REM) sleep during dark or active phases, accompanied by altered electroencephalogram (EEG) patterns across various frequencies. Gephyrin proteomics analysis reveals sleep/wake‐dependent interactions with a repertoire of known and novel kinases. Crucially, we identify the regulation of gephyrin interaction with ERK1/2, and phosphorylations at serines 268 and 270 are dictated by sleep/wake cycles. Employing AAV‐eGFP‐gephyrin or its phospho‐null variant (S268A/S270A), we disrupt sleep either globally or locally to demonstrate gephyrin phosphorylation as a sleep regulator. In summary, our findings support the local cortical sleep hypothesis and we unveil a molecular mechanism operating at GABAergic synapses, providing critical insights into the intricate regulation of sleep.