The N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor antagonist, ketamine, is commonly used as an anesthetic agent and has more recently gained attention as an antidepressant. Ketamine has been linked to increased stimulus-locked excitability, inhibition of interneurons, and modulation of intrinsic neuronal oscillations. However, the functional network mechanisms are still elusive. A better understanding of these anesthetic network effects may improve upon previous interpretations of seminal studies conducted under anesthesia and have widespread relevance for neuroscience with awake and anesthetized subjects as well as in medicine. Here, we investigated the effects of anesthetic doses of ketamine (15mg kg−1/h i.p.) on the network activity after pure tone stimulation within the auditory cortex of male Mongolian gerbils ( Meriones unguiculatus ). We used laminar current source density (CSD) analysis and subsequent layer-specific continuous wavelet analysis to investigate spatiotemporal response dynamics on cortical columnar processing in awake and ketamine-anesthetized animals. We found thalamocortical input processing within granular layers III/IV to be significantly increased under ketamine. This effect on early thalamocortical input processing was not due to changes in cross-trial phase coherence. Rather, the layer-dependent gain enhancement under ketamine was attributed to a broadband increase in amplitude reflecting an increase in recurrent excitation. The time-frequency analysis is further indicative of a prolonged period of stimulus-induced excitation possibly due to a reduced coupling of excitation and inhibition in granular input circuits—in line with the common hypothesis of cortical disinhibition via NMDA-mediated suppression of GABAergic interneurons.Statement of significance Ketamine is a common anesthetic agent and is known to alter excitability and neuronal synchronicity in the cortex. We reveal here that anesthetic doses of ketamine increase recurrent excitation of thalamic input in the granular layers of the auditory cortex of Mongolian gerbils. This leads to a layer-specific gain enhancement of the time-locked response to external stimuli. Analysis of tone-evoked amplitudes and cross-trial variability of cortical current sources and sinks indicate a mechanism of cortical disinhibition via NMDA-mediated suppression of GABAergic interneurons. Our findings might help to understand the functional mechanisms of the clinical effects of ketamine promoting the development of new therapeutic agents with lower side effects.

The primary auditory cortex (A1) is an essential node in the integrative brain network that encodes the behavioral relevance of acoustic stimuli, predictions, and auditory-guided decision making. Previous studies have revealed task-related information being present at both the single-unit and population activity. However, its realization with respect to the cortical microcircuitry is less well understood. In this study, we used chronic, laminar current source density (CSD) analysis from the A1 of behaving Mongolian gerbils (Meriones unguiculatus) in order to characterize layer-specific, spatiotemporal synaptic population activity. Animals were trained to first detect and subsequently to discriminate two pure tone frequencies in consecutive training phases in a Go/NoGo shuttle-box task. We demonstrate that not only sensory but also task- and choice-related information is represented in the mesoscopic neuronal population code distributed across cortical layers. Based on a single-trial analysis using generalized linear-mixed effect models (GLMM), we found infragranular layers to be involved in auditory-guided action initiation during tone detection. Supragranular layers, particularly, are involved in the coding of choice options during tone discrimination. Further, we found that the overall columnar synaptic network activity represents the accuracy of the opted choice. Our study thereby suggests a multiplexed representation of stimulus features in dependence of the task, action selection, and the behavioral options of the animal in preparation of correct choices. The findings expand our understanding of how individual layers contribute to the integrative circuit of the A1 in order to code task-relevant information and guide sensory-based decision making.