Summary

 Astrocytes respond to neuronal activity and were shown to be necessary for plasticity and memory. To test whether astrocytic activity is also sufficient to generate synaptic potentiation and enhance memory, we expressed the Gq-coupled receptor hM3Dq in CA1 astrocytes, allowing their activation by a designer drug. We discovered that astrocytic activation is not only necessary for synaptic plasticity, but also sufficient to induce NMDA-dependent de novo long-term potentiation in the hippocampus that persisted after astrocytic activation ceased. In vivo, astrocytic activation enhanced memory allocation; i.e., it increased neuronal activity in a task-specific way only when coupled with learning, but not in home-caged mice. Furthermore, astrocytic activation using either a chemogenetic or an optogenetic tool during acquisition resulted in memory recall enhancement on the following day. Conversely, directly increasing neuronal activity resulted in dramatic memory impairment. Our findings that astrocytes induce plasticity and enhance memory may have important clinical implications for cognitive augmentation treatments.

Abstract Vulnerability to emotional disorders including depression derives from interactions between genes and environment, especially during sensitive developmental periods. Across evolution, maternal care is a key source of environmental sensory signals to the developing brain, and a vast body of work has linked quantitative and qualitative aspects of maternal care to emotional outcome in children and animals. However, the fundamental properties of maternal signals, that promote advantageous vs pathological outcomes in the offspring, are unknown and have been a topic of intense study. We studied emotional outcomes of adolescent rats reared under routine or impoverished environments, and used mathematical approaches to analyze the nurturing behaviors of the dams. Unexpectedly, whereas the quantity and typical qualities of maternal care behaviors were indistinguishable in the two environments, their patterns and rhythms differed drastically and influenced emotional outcomes. Specifically, unpredictable, fragmented maternal care patterns translated into high-entropy rates of sensory signals to the offspring in the impoverished cages. During adolescence, these offspring had significant reductions in sucrose preference and in peer-play, two independent measures of the ability to experience pleasure. This adolescent anhedonia, often a harbinger of later depression, was not accompanied by measures of anxiety or helplessness. Dopaminergic pleasure circuits underlying anhedonia are engaged by predictable sequences of events, and predictable sensory signals during neonatal periods may be critical for their maturation. Conversely, unpredictability maternal-derived signals may disrupt these developmental processes, provoking anhedonia. In sum, high-entropy and fragmented patterns of maternal-derived sensory input to the developing brain predicts, and might promote, the development of anhedonia in rodents, with potential clinical implications.

Abstract Mitochondrial carrier homolog 2 (MTCH2) is a regulator of apoptosis, mitochondrial dynamics, and metabolism. Loss of MTCH2 results in mitochondrial fragmentation, an increase in whole-body energy utilization, and protection from diet-induced obesity. We now show using temporal metabolomics that MTCH2 deletion results in a high ATP demand, an oxidized environment, a high lipid/amino acid/carbohydrate metabolism, and in the decrease of many metabolites. Lipidomics analyses show a strategic adaptive decrease in membrane lipids and an increase in storage lipids in MTCH2 knockout cells. Importantly, all the metabolic changes in the MTCH2 knockout cells were rescued by MTCH2 re-expression. Interestingly, this imbalance in energy metabolism and reductive potential triggered by MTCH2-deletion inhibits adipocyte differentiation, an energy consuming reductive biosynthetic process. In summary, loss of MTCH2 results in an increase in energy demand that triggers a catabolic and oxidizing environment, which fails to fuel the anabolic processes during adipocyte differentiation.

Abstract Mitochondrial dynamics is critical to sustain normal mitochondrial function and is linked to the response of cells to stressful conditions. Fusion of the outer mitochondrial membrane (OMM) is regulated by mitofusin 1 (MFN1) and 2 (MFN2), yet the differential contribution of each of these proteins to this process is less understood. Mitochondrial carrier homolog 2 (MTCH2) was shown to compensate for MFN2’s loss, however its exact function in mitochondrial fusion remains poorly understood. Here we determined the mitochondrial fusion-interplay between MFN1, MFN2 and MTCH2 and demonstrate that MFN2 and MTCH2 play separate, but redundant, roles required for mitochondrial fusion. Loss of either MFN2 or MTCH2 elicits mitochondrial fragmentation that retains mitochondrial plasticity, while loss of both proteins completely impairs mitochondrial fusion. We also show that expression of an MFN2 mutant targeted to the endoplasmic reticulum (ER) is sufficient to restore mitochondrial elongation in MTCH2 KO cells and that this restoration depends on the synthesis of the pro-mitochondrial fusion lipid lysophosphatidic acid (LPA). Moreover, silencing of MFN2 or inhibition of de novo LPA synthesis, revealed the requirement of MTCH2 to sustain mitochondrial plasticity in response to stress. Thus, we unmask two cooperative mechanisms that sustain mitochondrial fusion: one in the OMM, dependent on MTCH2 and MFN1, and independent of MFN2; and a second mechanism in the ER that relies on MFN2 and LPA synthesis.