Hippocampal organotypic slice cultures maintained 10–20 days in vitro express a high level of the polysialylated embryonic form of neural cell adhesion molecule (NCAM) (PSA–NCAM). Treatment of the cultures with endoneuraminidase-N selectively removed polysialic acid (PSA) from NCAM and completely prevented induction of long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) without affecting cellular or synaptic parameters. Similarly, slices prepared from transgenic mice lacking the NCAM gene exhibited a decaying LTP. No inhibition of N-methyl-D-aspartic acid receptor–dependent synaptic responses was detected. Washout of the enzyme resulted in reexpression of PSA immunoreactivity which correlated with a complete recovery of LTP and LTD. This reexpression was blocked by TTX and low calcium and enhanced by bicuculline. Taken together, these results indicate that neuronal activity regulates the expression of PSA–NCAM at the synapse and that this expression is required for the induction of synaptic plasticity.

The contributions of two subclasses of excitatory amino acid transmitter receptors to the induction and expression of long-term potentiation (LTP) were analyzed in hippocampal slices. The quisqualate/kainate receptor antagonist DNQX (6,7-dinitroquinoxaline-2,3-dione) blocked 85% of the evoked field potential, leaving a small response that was sensitive to D-AP5 (D-2-amino-5-phosphonopentanoate), an N -methyl-D-aspartate (NMDA) receptor blocker. This residual D-AP5-sensitive response was of comparable size in control and previously potentiated inputs. High-frequency stimulation in the presence of DNQX did not result in the development of robust LTP. Washout of the drug, however, revealed the potentiation effect. Thus NMDA-mediated responses can induce, but are not greatly affected by, LTP; non-NMDA receptors, conversely, mediate responses that are not needed to elicit LTP but that are required for its expression.

BackgroundExcitatory synapses in the CNS are highly dynamic structures that can show activity-dependent remodeling and stabilization in response to learning and memory. Synapses are enveloped with intricate processes of astrocytes known as perisynaptic astrocytic processes (PAPs). PAPs are motile structures displaying rapid actin-dependent movements and are characterized by Ca2+ elevations in response to neuronal activity. Despite a debated implication in synaptic plasticity, the role of both Ca2+ events in astrocytes and PAP morphological dynamics remain unclear.ResultsIn the hippocampus, we found that PAPs show extensive structural plasticity that is regulated by synaptic activity through astrocytic metabotropic glutamate receptors and intracellular calcium signaling. Synaptic activation that induces long-term potentiation caused a transient PAP motility increase leading to an enhanced astrocytic coverage of the synapse. Selective activation of calcium signals in individual PAPs using exogenous metabotropic receptor expression and two-photon uncaging reproduced these effects and enhanced spine stability. In vivo imaging in the somatosensory cortex of adult mice revealed that increased neuronal activity through whisker stimulation similarly elevates PAP movement. This in vivo PAP motility correlated with spine coverage and was predictive of spine stability.ConclusionsThis study identifies a novel bidirectional interaction between synapses and astrocytes, in which synaptic activity and synaptic potentiation regulate PAP structural plasticity, which in turn determines the fate of the synapse. This mechanism may represent an important contribution of astrocytes to learning and memory processes.

Recent observations demonstrate that anesthetics rapidly impair synaptogenesis during neuronal circuitry development. Whether these effects are lasting and depend on the developmental stage at which these drugs are administered remains, however, to be explored.Wistar rats received propofol anesthesia at defined developmental stages during early postnatal life. The acute and long-term effects of these treatments on neuronal cytoarchitecture were evaluated by Neurolucida and confocal microscopy analysis after iontophoretic injections of Lucifer Yellow into layer 5 pyramidal neurons in the medial prefrontal cortex. Quantitative electron microscopy was applied to investigate synapse density.Layer 5 pyramidal neurons of the medial prefrontal cortex displayed intense dendritic growth and spinogenesis during the first postnatal month. Exposure of rat pups to propofol at postnatal days 5 and 10 significantly decreased dendritic spine density, whereas this drug induced a significant increase in spine density when administered at postnatal days 15, 20, or 30. Quantitative electron microscopy revealed that the propofol-induced increase in spine density was accompanied by a significant increase in the number of synapses. Importantly, the propofol-induced modifications in dendritic spine densities persisted up to postnatal day 90.These new results demonstrate that propofol anesthesia can rapidly induce significant changes in dendritic spine density and that these effects are developmental stage-dependent, persist into adulthood, and are accompanied by alterations in synapse number. These data suggest that anesthesia in the early postnatal period might permanently impair circuit assembly in the developing brain.

Schizophrenia is a severely debilitating neurodevelopmental disorder. Establishing a causal link between circuit dysfunction and particular behavioural traits relevant to schizophrenia is crucial to shed new light on the mechanisms underlying the pathology. Here we studied an animal model of the 22q11 deletion syndrome, which is the highest genetic risk to develop the pathology. We report a desynchronization of hippocampal neuronal assemblies that resulted from parvalbumin interneuron hypoexcitability. Rescuing parvalbumin interneuron excitability with pharmacological or chemogenetic approaches is sufficient to restore wild type-like network dynamics and behaviour during adulthood. In conclusion, our data provide mechanistic insights underlying network dysfunction relevant to schizophrenia and demonstrate the potential of reverse engineering in fostering new therapeutic strategies to alleviate the burden of neurodevelopmental disorders.