Abstract Vigilance states – waking, slow-wave sleep (SWS) and paradoxical sleep, are thought to be controlled by several cortical and subcortical neuromodulatory circuits, among which the serotonergic (5-HT) system plays an important role. Recently, serotonergic psychedelics have attracted attention as potent antidepressants. While they are known to induce profound changes in subjective experience, the immediate and delayed effects of psychedelics on classical signatures of sleep-wake states remain under-investigated. To address this, we performed chronic electrophysiological recordings in the cortex of freely moving adult male mice following an injection of a short-acting psychedelic 5-methoxy-N,N-dimethyltryptamine (5-MeO-DMT). The most noticeable effect of 5-MeO-DMT administration was the suppression of paradoxical sleep and an acute induction of a mixed state of vigilance, characterised instead by prominent SWS-like slow waves on the EEG and LFP in awake, moving animals. We posit that the occurrence of this state in mice, which we refer to as “paradoxical wakefulness”, may be a rodent equivalent of the altered state of consciousness induced by psychedelics in humans.

Abstract Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) are chemogenetic tools for remote control of targeted cell populations using chemical actuators that bind to modified receptors. Despite the popularity of DREADDs in neuroscience and sleep research, potential effects of the DREADD actuator clozapine-N-oxide (CNO) on sleep have never been systematically tested. Here we show that intraperitoneal injections of commonly used CNO doses (1, 5, and 10 mg/kg) alter sleep in wild-type male laboratory mice. Using electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG) to analyse sleep, we found a dose-dependent suppression of rapid eye-movement (REM) sleep, changes in EEG spectral power during non-REM (NREM) sleep, and altered sleep architecture in a pattern previously reported for clozapine. Effects of CNO on sleep could arise from back-metabolism to clozapine or binding to endogenous neurotransmitter receptors. Interestingly, we found that the novel DREADD actuator, compound 21 (C21, 3 mg/kg), similarly modulates sleep despite a lack of back-metabolism to clozapine. Our results demonstrate that both CNO and C21 can modulate sleep of mice not expressing DREADD receptors. This implies that back-metabolism to clozapine is not the sole mechanism underlying side effects of chemogenetic actuators. Therefore, any chemogenetic experiment should include a DREADD-free control group injected with the same CNO, C21 or newly developed actuator. We suggest that electrophysiological sleep assessment could serve as a sensitive tool to test the biological inertness of novel chemogenetic actuators.

Synapse-to-nucleus signaling regulates activity-dependent synaptic plasticity underlying memory by linking N-methyl-D-aspartate (NMDA) glutamate receptors (GluN) to gene transcription mediated by the transcription factor cAMP-response element binding protein (CREB), but the underlying gene programs mediating potentiation at excitatory synapses are unknown. Here, we analyzed genome-wide chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) datasets of mouse and human CREB and the synaptonuclear factor CREB-regulated transcription coactivator1 (CRTC1) to identify relevant target genes and biological pathways coupling neuronal activity to synaptic function/plasticity. Our analyses indicate that CRTC1 specifically couples neuronal activity with synaptic plasticity by binding to conserved promoters of CREB target genes comprising inducible transcription factors (including c-fos, Crem, Npas4 and Nr4a1-3), and neuronal excitability and plasticity genes, including Ntrk2, Homer1, Dlg4 (PSD-95) and the NMDA receptor subunit Grin1 (GluN1). CRTC1/CREB target genes were highly enriched in gene ontology (GO) nuclear terms, including several members of the CREB family, and transcriptional modulators and repressors. Interestingly, GO enrichment and protein-protein interaction (PPI) network analyses revealed that genes mediating synapse-to-nucleus signaling (including most known synaptonuclear factors and direct interacting modulators) are collectively regulated by CREB/CRTC1, and that protein kinase C (PKC) is a key interactor of the CRTC1/14-3-3 complex at synapses. In agreement with these in silico analyses, we show that CRTC1 regulates synaptic activity-dependent phosphorylation and synaptic recruitment of GluN1 mediated by PKC in hippocampal neurons, and that PKC activation reverses NMDA receptor-mediated currents and long-term potentiation (LTP) deficits caused by CRTC1 silencing in the hippocampus. Consistent with genomics and functional data, morphological and behavioral analyses show crucial roles of CRTC1 on dendritic spine structure, plasticity, and hippocampal-dependent associative memory. Our results support a model in which neuronal activity and synaptic inputs are integrated in the nucleus through conserved CREB/CRTC1-regulated transcriptional programs sustaining global synapse-to-nucleus signaling pathways impacting on synaptic plasticity and memory.