Abstract Post-traumatic stress disorder impedes pubertal development and disrupts pulsatile LH secretion in humans and rodents. The posterodorsal sub-nucleus of the medial amygdala (MePD) is an upstream modulator of the hypothalamic gonadotropin-releasing hormone (GnRH) pulse generator, pubertal timing, as well as emotional processing and anxiety. Psychosocial stress exposure alters neuronal activity within the MePD increasing the expression of Urocortin3 (Ucn3) and its receptor corticotropin-releasing factor type-2 receptor (CRFR2) while enhancing the inhibitory output from the MePD to key hypothalamic reproductive centres. We test the hypothesis that psychosocial stress, processed by the MePD, is relayed to the hypothalamic GnRH pulse generator to delay puberty in female mice. We exposed C57Bl6/J female mice to the predator odor, 2,4,5-Trimethylthiazole (TMT), during pubertal transition and examined the effect on pubertal timing, pre-pubertal LH pulses and anxiety-like behaviour. Subsequently, we virally infected Ucn3-cre-tdTomato female mice with stimulatory DREADDs targeting MePD Ucn3 neurons and determined the effect on pubertal timing and pre-pubertal LH pulse frequency. Exposure to TMT during pubertal development delayed puberty, suppressed pre-pubertal LH pulsatility and enhanced anxiety-like behaviour, while activation of MePD Ucn3 neurons reduced LH pulse frequency and delayed puberty. Early psychosocial stress exposure decreases GnRH pulse generator frequency delaying puberty while inducing anxiety-behaviour in female mice, an effect potentially involving Ucn3 neurons in the MePD.

Abstract Kisspeptin neurons in the arcuate nucleus of the hypothalamus generate GnRH pulses, and act as critical initiators of functional gonadotrophin secretion, and reproductive competency. However, kisspeptin in other brain regions, most notably the posterodorsal subnucleus of the medial amygdala (MePD), plays a significant modulatory role over the hypothalamic kisspeptin population; our recent studies using optogenetics have shown that low frequency light stimulation of MePD kisspeptin results in increased LH pulse frequency. Nonetheless, the neurochemical pathways that underpin this regulatory function remain unknown. To study this, we have utilised an optofluid technology, precisely combining optogenetic stimulation with pharmacological receptor antagonism, to investigate the neurotransmission involved in this circuitry. We have shown that functional neurotransmission of both GABA A and glutamate is a requirement for effective modulation of the GnRH pulse generator by amygdala kisspeptin neurons.

Kisspeptin within the arcuate nucleus of the hypothalamus is a critical neuropeptide in the regulation of reproduction. Together with neurokinin and dynorphin A, arcuate kisspeptin provides the oscillatory activity that drives the pulsatile secretion of GnRH, and therefore LH pulses, and is believed to be a central component of the GnRH pulse generator. It is well established that the amygdala also exerts an influence over gonadotrophic hormone secretion and reproductive physiology. The discovery of kisspeptin and its receptor within the posterodorsal medial amygdala (MePD), and our recent finding showing that intra-MePD administration of kisspeptin or a kisspeptin receptor antagonist results in increased LH secretion and decreased LH pulse frequency, respectively, suggests an important role for amygdala kisspeptin signalling in the regulation of the GnRH pulse generator. To further investigate the function of amygdala kisspeptin, the present study used an optogenetic approach to selectively stimulate MePD kisspeptin neurones and examine the effect on pulsatile LH secretion. MePD kisspeptin neurones in conscious Kiss1-CRE mice were virally infected to express a channelrhodopsin protein and selectively stimulated by light via a chronically implanted fibre optic cannula. Continuous stimulation using 5 Hz resulted in an increased LH pulse frequency, which was not observed at the lower stimulation frequencies of 0.5 and 2 Hz. In wild-type animals, continuous stimulation at 5 Hz did not affect LH pulse frequency. These results demonstrate that selective activation of MePD Kiss1 neurons can modulate hypothalamic GnRH pulse generator frequency.

Fertility critically depends on the gonadotropin-releasing hormone (GnRH) pulse generator, a neural construct comprised of hypothalamic neurons co-expressing kisspeptin, neurokoinin-B and dynorphin that drives the pulsatile release of GnRH. How this neural network generates and controls the appropriate ultradian frequency essential for gametogenesis and ovulation is unknown. Here, we present a mathematical model of the GnRH pulse generator with theoretical evidence and in vivo experimental data showing that robust pulsatile release of luteinizing hormone, a proxy for GnRH, emerges abruptly as we increase the basal activity of the neuronal network using continuous low frequency optogenetic stimulation of the neural construct. Further increases in basal activity markedly increase pulse frequency. Model predictions that such behaviors are concomitant of non-linear positive and negative feedback interactions mediated through neurokinin-B and dynorphin signaling respectively are confirmed neuropharmacologically. Our mathematical model sheds light on the long-elusive GnRH pulse generator offering new horizons for fertility regulation.

Abstract Pulsatile GnRH release is essential for normal reproductive function. Kisspeptin secreting neurons found in the arcuate nucleus, known as KNDy neurons for co-expressing neurokinin B, and dynorphin, drive pulsatile GnRH release. Furthermore, gonadal steroids regulate GnRH pulsatile dynamics across the ovarian cycle by altering KNDy neurons’ signalling properties. However, the precise mechanism of regulation remains mostly unknown. To better understand these mechanisms we start by perturbing the KNDy system at different stages of the estrous cycle using optogenetics. We find that optogenetic stimulation of KNDy neurons stimulates pulsatile GnRH/LH secretion in estrous mice but inhibits it in diestrous mice. These in-vivo results in combination with mathematical modelling suggest that the transition between estrus and diestrus is underpinned by well-orchestrated changes in neuropeptide signalling and in the excitability of the KNDy population controlled via glutamate signalling. Guided by model predictions, we show that blocking glutamate signalling in diestrous animals inhibits LH pulses, and that optic stimulation of the KNDy population mitigates this inhibition. In estrous mice, disruption of glutamate signalling inhibits pulses generated via sustained low-frequency optic stimulation of the KNDy population, supporting the idea that the level of network excitability is critical for pulse generation. Our results reconcile previous puzzling findings regarding the estradiol-dependent effect that several neuromodulators have on the GnRH pulse generator dynamics. Therefore, we anticipate our model to be a cornerstone for a more quantitative understanding of the pathways via which gonadal steroids regulate GnRH pulse generator dynamics. Finally, our results could inform useful repurposing of drugs targeting the glutamate system in reproductive therapy.