Abstract Maintaining the balance between excitation and inhibition is essential for the appropriate control of neuronal network activity. Sustained excitation-inhibition (E-I) balance relies on the orchestrated adjustment of synaptic strength, neuronal activity and network circuitry. While growing evidence indicates that extracellular matrix (ECM) of the brain is a crucial regulator of neuronal excitability and synaptic plasticity, it remains unclear whether and how ECM contributes to neuronal circuit stability. Here we demonstrate that the integrity of ECM supports the maintenance of E-I balance by retaining inhibitory connectivity. Depletion of ECM in mature neuronal networks preferentially decreases the density of inhibitory synapses and the size of individual inhibitory postsynaptic scaffolds. After ECM depletion, inhibitory synapse strength homeostatically increases via the reduction of presynaptic GABA B receptors. However, the inhibitory connectivity reduces to an extent that inhibitory synapse scaling is no longer efficient in controlling neuronal network activity. Our results indicate that the brain ECM preserves the balanced network state by stabilizing inhibitory synapses. Significance statement The question how the brain’s extracellular matrix (ECM) controls neuronal plasticity and network activity is key for an appropriate understanding of brain functioning. In this study, we demonstrate that ECM depletion much more strongly affects the integrity of inhibitory than excitatory synapses in vitro and in vivo. We revealed that by retaining inhibitory connectivity, ECM ensures the efficiency of inhibitory control over neuronal network activity. Our work significantly expands our current state of knowledge about the mechanisms of neuronal network activity regulation. Our findings are similarly relevant for researchers working on the physiological regulation of neuronal plasticity in vitro and in vivo and for researchers studying the remodeling of neuronal networks upon brain injury, where prominent ECM alterations occur.

Summary Stroke remains one of the leading causes of long-term disability worldwide, and the development of effective restorative therapies is hindered by an incomplete understanding of intrinsic brain recovery mechanisms. Here we explored how perineuronal nets (PNNs), the facet-like extracellular matrix layers surrounding fast-spiking interneurons, contribute to neurological recovery after focal cerebral ischemia in mice with and without induced stroke tolerance. Due to the insufficient resolution of conventional microscopy methods, the contribution of structural changes in PNNs to post stroke brain plasticity remained unknown. Using superresolution stimulated emission depletion (STED) and structured illumination (SR-SIM) microscopy, we revealed that PNN facets become larger and less dense in the post-acute stroke phase. These morphological alterations in PNNs are transient and correlate with the increased surface of contact between activated microglia and PNN-coated neurons. The transient loosening of PNNs after stroke allows for dynamic reorganization of GABAergic axonal terminals on inhibitory interneurons in the motor cortical layer 5. The coherent remodeling of PNNs and their perforating inhibitory synapses precedes the recovery of motor coordination after stroke and depends on the severity of the ischemic injury. Our data suggest a novel mechanism of motor cortical plasticity after stroke, and we propose that prolonging PNN loosening during the post-acute period can extend the opening neuroplasticity window into the chronic stroke phase. Highlights PNNs are degraded partially and transiently post-stroke Transient attenuation of PNNs correlates with GABAergic synapse remodeling Transient attenuation of PNNs precedes functional recovery post stroke Activated microglia preferentially contact PNN-coated neurons post stroke Graphical Abstract