The experience-dependent decrease in stimulus detection thresholds that underly perceptual learning can be induced by repetitive exposure to a visual stimulus. Robust stimulus-selective potentiation of visual responses is induced in the primary mouse visual cortex by repetitive low frequency visual stimulation (LFVS). How the parameters of the repetitive visual stimulus impact the site and specificity of this experience-dependent plasticity is currently a subject of debate. Here we demonstrate that the stimulus selective response potentiation induced by repetitive low frequency (1 Hz) stimulation, which is typically limited to layer 4, shifts to superficial layers following manipulations that enhance plasticity in primary visual cortex. In contrast, repetitive high frequency (10 Hz) visual stimulation induces response potentiation that is expressed in layers 4 and 5/6, and generalizes to novel visual stimuli. Repetitive visual stimulation also induces changes in the magnitude and distribution of oscillatory activity in primary visual cortex, however changes in oscillatory power do not predict the locus or specificity of response potentiation. Instead we find that robust response potentiation is induced by visual stimulation that resets the phase of ongoing gamma oscillations. Furthermore, high frequency, but not low frequency, repetitive visual stimulation entrains oscillatory rhythms with enhanced sensitivity to phase reset, such that familiar and novel visual stimuli induce similar visual response potentiation.

Dark exposure (DE) followed by light reintroduction (LRx) reactivates robust synaptic plasticity in adult mouse V1, which allows recovery from amblyopia. Previously we showed that LRx-induced perisynaptic proteolysis of extracellular substrates by MMP9 mediates the enhanced plasticity in binocular adult mice (Murase et al., 2017). However, it is unknown if a visual system compromised by amblyopia could engage this pathway. Here we show that LRx to adult amblyopic mice induces perisynaptic MMP2/9 activity and degradation of ECM in the deprived and non-deprived V1. LRx restricted to the amblyopic eye induces equally robust MMP2/9 activity at thalamo-cortical synapses and ECM degradation in deprived V1. Two-photon live imaging demonstrates that the history of visual experience regulates MMP2/9 activity in V1, and that DE lowers the threshold for the proteinase activation. This homeostatic reduction of MMP2/9 activation threshold by DE enables the visual input from the amblyopic pathway to trigger robust perisynaptic proteolysis.

ABSTRACT Disinhibition is an obligatory initial step in the remodeling of cortical circuits by sensory experience. Our investigation on disinhibitory mechanisms in the classical model of ocular dominance plasticity uncovered an unexpected novel form of experience-dependent circuit plasticity. In layer 2/3 of mouse visual cortex monocular deprivation triggers a complete, “all-or-none”, elimination of connections from pyramidal cells onto nearby parvalbumin-positive interneurons (Pyr➔PV). This circuit plasticity is unique as it is transient, local and discrete. It lasts only one day, and it does not manifest as widespread changes in synaptic strength, rather, only about half of local connections are lost and the remaining ones are not affected in strength. Mechanistically, the deprivation-induced loss of Pyr➔PV is contingent on a reduction of the protein neuropentraxin2 (NPTX2). Functionally, the loss of Pyr➔PV is absolutely necessary for ODP. We surmise, therefore, that this “all-or-none” loss of local Pyr➔PV circuitry gates experience-dependent cortical plasticity.

Abstract Physical exercise is known to be beneficial for various brain functions. However, the mechanisms behind the positive effects of exercise on the brain remain to be elucidated. Here we show that passive head motion in hypertensive rats, which reproduces the mechanical accelerations generated in their heads during moderate-velocity treadmill running, decreases the expression of angiotensin II type 1 receptor (AT1R) in astrocytes in the rostral ventrolateral medulla (RVLM), thereby lowering blood pressure. Passive head motion generates interstitial fluid movement that is estimated to exert shear stress with an average magnitude of <1 Pa on the cells in the rat medulla. Fluid shear stress of a sub-Pa magnitude decreases AT1R expression in cultured astrocytes. In hypertensive rats, inhibition of interstitial fluid movement following hydrogel introduction to the RVLM eliminates the antihypertensive effects of passive head motion and treadmill running. Furthermore, vertically oscillating chair riding by hypertensive adult humans, which reproduces the mechanical accelerations generated in their heads during light jogging or fast walking, lowers their blood pressure. Our findings indicate that moderate mechanical intervention can have antihypertensive effects by modulating the function of RVLM astrocytes through interstitial fluid shear stress. We anticipate that mechanical regulation is responsible for a variety of the positive effects of physical exercise on human health, particularly those related to brain functions.