After myelination, oligodendrocytes are able to survive without mitochondrial respiration, suggesting that they can switch to aerobic glycolysis and release lactate. In the central nervous system, the myelin sheath that insulates and protects the axon is produced by glial cells known as oligodendrocytes. A study of conditional mutant mice in which myelin-producing cells fail to assemble mitochondrial cytochrome c oxidase complex IV shows, surprisingly, that the oligodendrocytes continued to support myelination in the absence of mitochondrial respiration. They seem to be able to switch to lactate-producing aerobic glycolysis. And because myelinated axons can utilize lactate when energy-deprived, this may be an extra means by which the oligodendrocytes support functioning axons. Oligodendrocytes, the myelin-forming glial cells of the central nervous system, maintain long-term axonal integrity1,2,3. However, the underlying support mechanisms are not understood4. Here we identify a metabolic component of axon–glia interactions by generating conditional Cox10 (protoheme IX farnesyltransferase) mutant mice, in which oligodendrocytes and Schwann cells fail to assemble stable mitochondrial cytochrome c oxidase (COX, also known as mitochondrial complex IV). In the peripheral nervous system, Cox10 conditional mutants exhibit severe neuropathy with dysmyelination, abnormal Remak bundles, muscle atrophy and paralysis. Notably, perturbing mitochondrial respiration did not cause glial cell death. In the adult central nervous system, we found no signs of demyelination, axonal degeneration or secondary inflammation. Unlike cultured oligodendrocytes, which are sensitive to COX inhibitors5, post-myelination oligodendrocytes survive well in the absence of COX activity. More importantly, by in vivo magnetic resonance spectroscopy, brain lactate concentrations in mutants were increased compared with controls, but were detectable only in mice exposed to volatile anaesthetics. This indicates that aerobic glycolysis products derived from oligodendrocytes are rapidly metabolized within white matter tracts. Because myelinated axons can use lactate when energy-deprived6, our findings suggest a model in which axon–glia metabolic coupling serves a physiological function.

Reciprocal interactions between neurons and oligodendrocytes are not only crucial for myelination, but also for long-term survival of axons. Degeneration of axons occurs in several human myelin diseases, however the molecular mechanisms of axon-glia communication maintaining axon integrity are poorly understood. Here, we describe the signal-mediated transfer of exosomes from oligodendrocytes to neurons. These endosome-derived vesicles are secreted by oligodendrocytes and carry specific protein and RNA cargo. We show that activity-dependent release of the neurotransmitter glutamate triggers oligodendroglial exosome secretion mediated by Ca2+ entry through oligodendroglial NMDA and AMPA receptors. In turn, neurons internalize the released exosomes by endocytosis. Injection of oligodendroglia-derived exosomes into the mouse brain results in functional retrieval of exosome cargo in neurons. Supply of cultured neurons with oligodendroglial exosomes improves neuronal viability under conditions of cell stress. These findings indicate that oligodendroglial exosomes participate in a novel mode of bidirectional neuron-glia communication contributing to neuronal integrity.

Balanced control of neuronal activity is central in maintaining function and viability of neuronal circuits. The endocannabinoid system tightly controls neuronal excitability. Here, we show that endocannabinoids directly target hippocampal glutamatergic neurons to provide protection against acute epileptiform seizures in mice. Functional CB1 cannabinoid receptors are present on glutamatergic terminals of the hippocampal formation, colocalizing with vesicular glutamate transporter 1 (VGluT1). Conditional deletion of the CB1 gene either in cortical glutamatergic neurons or in forebrain GABAergic neurons, as well as virally induced deletion of the CB1 gene in the hippocampus, demonstrate that the presence of CB1 receptors in glutamatergic hippocampal neurons is both necessary and sufficient to provide substantial endogenous protection against kainic acid (KA)-induced seizures. The direct endocannabinoid-mediated control of hippocampal glutamatergic neurotransmission may constitute a promising therapeutic target for the treatment of disorders associated with excessive excitatory neuronal activity.

Conditional mutagenesis permits the cell type-specific analysis of gene functions in vivo. Here, we describe a mouse line that expresses Cre recombinase under control of regulatory sequences of NEX, a gene that encodes a neuronal basic helix-loop-helix (bHLH) protein. To mimic endogenous NEX expression in the dorsal telencephalon, the Cre recombinase gene was targeted into the NEX locus by homologous recombination in ES cells. The Cre expression pattern was analyzed following breeding into different lines of lacZ-indicator mice. Most prominent Cre activity was observed in neocortex and hippocampus, starting from around embryonic day 11.5. Within the dorsal telencephalon, Cre-mediated recombination marked pyramidal neurons and dentate gyrus mossy and granule cells, but was absent from proliferating neural precursors of the ventricular zone, interneurons, oligodendrocytes, and astrocytes. Additionally, we identified formerly unknown domains of NEX promoter activity in mid- and hindbrain. The NEX-Cre mouse will be a valuable tool for behavioral research and the conditional inactivation of target genes in pyramidal neurons of the dorsal telencephalon. genesis 44:611–621, 2006. © 2006 Wiley-Liss, Inc.

This study uses inducible ablation of NeuroD1 from adult neuronal stem cells/progenitors to show that this transcription factor is crucial for the survival and maturation of adult-born neurons in the hippocampus and olfactory bulb. The transcriptional program that controls adult neurogenesis is unknown. We generated mice with an inducible stem cell–specific deletion of Neurod1, resulting in substantially fewer newborn neurons in the hippocampus and olfactory bulb. Thus, Neurod1 is cell-intrinsically required for the survival and maturation of adult-born neurons.

Current knowledge about the molecular mechanisms of NMDA receptor (NMDAR)-independent long-term potentiation (LTP) in the hippocampus and its function for memory formation in the behaving animal is limited. NMDAR-independent LTP in the CA1 region is thought to require activity of postsynaptic L-type voltage-dependent Ca 2+ channels (Ca v 1.x), but the underlying channel isoform remains unknown. We evaluated the function of the Ca v 1.2 L-type Ca 2+ channel for spatial learning, synaptic plasticity, and triggering of learning-associated biochemical processes using a mouse line with an inactivation of the CACNA1C (Ca v 1.2) gene in the hippocampus and neocortex (Ca v 1.2 HCKO ). This model shows (1) a selective loss of protein synthesis-dependent NMDAR-independent Schaffer collateral/CA1 late-phase LTP (L-LTP), (2) a severe impairment of hippocampus-dependent spatial memory, and (3) decreased activation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway and reduced cAMP response element (CRE)-dependent transcription in CA1 pyramidal neurons. Our results provide strong evidence for a role of L-type Ca 2+ channel-dependent, NMDAR-independent hippocampal L-LTP in the formation of spatial memory in the behaving animal and for a function of the MAPK/CREB (CRE-binding protein) signaling cascade in linking Ca v 1.2 channel-mediated Ca 2+ influx to either process.

Central nervous system myelin is a multilayered membrane sheath generated by oligodendrocytes for rapid impulse propagation. However, the underlying mechanisms of myelin wrapping have remained unclear. Using an integrative approach of live imaging, electron microscopy, and genetics, we show that new myelin membranes are incorporated adjacent to the axon at the innermost tongue. Simultaneously, newly formed layers extend laterally, ultimately leading to the formation of a set of closely apposed paranodal loops. An elaborated system of cytoplasmic channels within the growing myelin sheath enables membrane trafficking to the leading edge. Most of these channels close with ongoing development but can be reopened in adults by experimentally raising phosphatidylinositol-(3,4,5)-triphosphate levels, which reinitiates myelin growth. Our model can explain assembly of myelin as a multilayered structure, abnormal myelin outfoldings in neurological disease, and plasticity of myelin biogenesis observed in adult life.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIzNTkyMzAxOTIzODhjMmU4MjAyZWFmYWRjZDEwMmQ4ZSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4ODM3MTg1fQ.pY6mYLPtu4j9Y2OCRZvRWNpUJ3T_9iTfG9FBWZW7fXRwEboVkMQ1kNQFBK3N59uMEncrDYP7Estccrj9cR8lGUDE9FUPl-KqTUCiSgiLlSEi3i3zLCygv-qVfOrq3SNYQVbvL09ybAQj4XWi_z5TC3c6BWyo6KzfSv4zh58s2AjkQP54g-fUZZuaOTANiChUCSdW1jpHPruDmODpkzihgC2_hetZOxyRBsCI3n1vGA7Vx0ZXzAFMJZZBNP88Pdc27D5_bZCG8YXBLzOTFBOsGeNWXiMwwX1JA-0q5y02FrYi3Qm52oXUuGcDLTu0TnaL-DtW14bgiPqTmA7sKujA2g(mp4, (13.26 MB) Download video

Understanding the control of myelin formation by oligodendrocytes is essential for treating demyelinating diseases. Neuregulin-1 (NRG1) type III, an EGF-like growth factor, is essential for myelination in the PNS. It is thus thought that NRG1/ErbB signaling also regulates CNS myelination, a view suggested by in vitro studies and the overexpression of dominant-negative ErbB receptors. To directly test this hypothesis, we generated a series of conditional null mutants that completely lack NRG1 beginning at different stages of neural development. Unexpectedly, these mice assemble normal amounts of myelin. In addition, double mutants lacking oligodendroglial ErbB3 and ErbB4 become myelinated in the absence of any stimulation by neuregulins. In contrast, a significant hypermyelination is achieved by transgenic overexpression of NRG1 type I or NRG1 type III. Thus, NRG1/ErbB signaling is markedly different between Schwann cells and oligodendrocytes that have evolved an NRG/ErbB-independent mechanism of myelination control.

In the developing nervous system, constitutive activation of the AKT/mTOR (mammalian target of rapamycin) pathway in myelinating glial cells is associated with hypermyelination of the brain, but is reportedly insufficient to drive myelination by Schwann cells. We have hypothesized that it requires additional mechanisms downstream of NRG1/ErbB signaling to trigger myelination in the peripheral nervous system. Here, we demonstrate that elevated levels of phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate (PIP3) have developmental effects on both oligodendrocytes and Schwann cells. By generating conditional mouse mutants, we found that Pten-deficient Schwann cells are enhanced in number and can sort and myelinate axons with calibers well below 1 μm. Unexpectedly, mutant glial cells also spirally enwrap C-fiber axons within Remak bundles and even collagen fibrils, which lack any membrane surface. Importantly, PIP3-dependent hypermyelination of central axons, which is observed when targeting Pten in oligodendrocytes, can also be induced after tamoxifen-mediated Cre recombination in adult mice. We conclude that it requires distinct PIP3 effector mechanisms to trigger axonal wrapping. That myelin synthesis is not restricted to early development but can occur later in life is relevant to developmental disorders and myelin disease.