Alzheimer’s disease (AD) is characterized by a progressive dysfunction of central neurons. Recent experimental evidence indicates that in the cortex, in addition to the silencing of a fraction of neurons, other neurons are hyperactive in amyloid-β (Aβ) plaque-enriched regions. However, it has remained unknown what comes first, neuronal silencing or hyperactivity, and what mechanisms might underlie the primary neuronal dysfunction. Here we examine the activity patterns of hippocampal CA1 neurons in a mouse model of AD in vivo using two-photon Ca 2+ imaging. We found that neuronal activity in the plaque-bearing CA1 region of older mice is profoundly altered. There was a marked increase in the fractions of both silent and hyperactive neurons, as previously also found in the cortex. Remarkably, in the hippocampus of young mice, we observed a selective increase in hyperactive neurons already before the formation of plaques, suggesting that soluble species of Aβ may underlie this impairment. Indeed, we found that acute treatment with the γ-secretase inhibitor LY-411575 reduces soluble Aβ levels and rescues the neuronal dysfunction. Furthermore, we demonstrate that direct application of soluble Aβ can induce neuronal hyperactivity in wild-type mice. Thus, our study identifies hippocampal hyperactivity as a very early functional impairment in AD transgenic mice and provides direct evidence that soluble Aβ is crucial for hippocampal hyperactivity.

A close view of the paraventricular thalamus The paraventricular thalamus is a relay station connecting brainstem and hypothalamic signals that represent internal states with the limbic forebrain that performs associative functions in emotional contexts. Zhu et al. found that paraventricular thalamic neurons represent multiple salient features of sensory stimuli, including reward, aversiveness, novelty, and surprise. The nucleus thus provides context-dependent salience encoding. The thalamus gates sensory information and contributes to the sleep-wake cycle through its interactions with the cerebral cortex. Ren et al. recorded from neurons in the paraventricular thalamus and observed that both population and single-neuron activity were tightly coupled with wakefulness. Science , this issue p. 423 , p. 429

Abstract Neurostimulant drugs or magnetic/electrical stimulation techniques can overcome attention deficits, but these drugs or techniques are weakly beneficial in boosting the learning capabilities of healthy subjects. Here, we report a stimulation technique, mid-infrared modulation (MIM), that delivers mid-infrared light energy through the opened skull or even non-invasively through a thinned intact skull and can activate brain neurons in vivo without introducing any exogeneous gene. Using c-Fos immunohistochemistry, in vivo single-cell electrophysiology and two-photon Ca 2+ imaging in mice, we demonstrate that MIM significantly induces firing activities of neurons in the targeted cortical area. Moreover, mice that receive MIM targeting to the auditory cortex during an auditory associative learning task exhibit a faster learning speed (~50% faster) than control mice. Together, this non-invasive, opsin-free MIM technique is demonstrated with potential for modulating neuronal activity.

Abstract The hypothalamic supramammillary nucleus (SuM) plays a key role in controlling wakefulness, but the downstream target regions participating in this control process remain unknown. Here, using circuit-specific fiber photometry and single-neuron electrophysiology together with electroencephalogram, electromyogram and behavioral recordings, we find approximately half of SuM neurons that project to the medial septum (MS) are wake-active. Optogenetic stimulation of axonal terminals of SuM-MS projection induces a rapid and reliable transition to wakefulness from NREM or REM sleep, and chemogenetic activation of SuM MS projecting neurons significantly increases wakefulness time and prolongs latency to sleep. Consistently, chemogenetically inhibiting these neurons significantly reduces wakefulness time and latency to sleep. Therefore, these results identify the MS as a functional downstream target of SuM and provide evidence for a causal role for this hypothalamic-septal projection in wakefulness control.

Abstract The suprachiasmatic nucleus (SCN) is a master circadian pacemaker known to integrate light intensity and seasonal information with peripheral tissues to coordinate daily rhythms of physiology and behavior. However, the contribution of food information to the regulation of the SCN network remains controversial. Here, we identified the effect induced by time-restricted feeding (TRF) at dawn, but not at another time widow, inducing a robust and long-term shift in locomotor behavior and increased wakefulness. Comparing the oscillations of intracellular Ca 2+ signals in the SCN GABAergic neurons of freely moving mice, before and after TRF, revealed significant activation of these neurons in dawn-TRF mice. Moreover, RNA-seq profiling in the dawn TRF-induced behavioral changes identified altered expressed genes involved in regulating extracellular exosome, ion transporters, and ECM-receptor interaction, but not core clock genes. Furthermore, injection in the SCN of insulin-like growth factor (IGF2) inhibitor Chromeceptin, targeting the most upregulated gene in extracellular exosome, abolished the after effect induced by ZT0-4 TRF. Finally, GABAergic-neuron-specific disruption of the potassium-chloride cotransporter Kcc2 intensified the dawn TRF-induced after effect, indicating that Kcc2 encodes food intake derived signals that control SCN clock entrainment. Thus, our study functionally links SCN GABAergic neuron activity and central clock entrainment regulation to both hunger- and food-response-related behaviors in mice.

Abstract Ultrasonic hearing is exploited for hunting and navigation as in echolocation by microbats and bottleneck dolphins, and for social communication like ultrasonic vocalization by mice and rats. However, the molecular and cellular basis for ultrasonic hearing is not known yet. Here we show that knockout of the mechanosensitive ion channel PIEZO2 in cochlea disrupts the ultrasonic hearing but not the low-frequency hearing in mice, as shown by audiometry and acoustically-associative freezing behavior. Deletion of Piezo2 in the outer hair cells specifically abolishes the associative learning of the mice upon hearing the ultrasonic frequency. Ex vivo cochlear Ca 2+ imaging revealed that the ultrasonic transduction requires both PIEZO2 and the hair-cell mechanotransduction channel. Together, our study demonstrates that the outer hair cells are the effector cells with PIEZO2 as an essential molecule for ultrasonic hearing in mice. Significance Statement Some animals have evolved an incredible ability for vocalizing and hearing ultrasonic frequencies that is inaudible for humans (> 20 kHz). For many years, it has been considered that animals hear ultrasonic frequencies with their cochlear hair cells, using the identical set of mechanotransduction molecules in the hair bundles for hearing audible frequencies. Here, we show that the mice lacking the mechanosensitive ion channel PIEZO2 hardly hear ultrasonic frequencies, while can still be sensitive to audible frequencies. Thus, animals may use a partially different mechanism for sensing physiological ultrasound.

Abstract Previous studies based on layer specificity suggest that ascending signals from the thalamus to sensory neocortex preserve spatially organized information, but it remains unknown whether sensory information descending from sensory neocortex to thalamus also maintains such spatial organization pattern. By focusing on projection specificity, we mapped tone response properties of two groups of cortical neurons in the primary auditory cortex (A1), based on the relationship between their specific connections to other regions and their function in ascending (thalamocortical recipient, TR neurons) or descending (corticothalamic, CT neurons) auditory information. A clear tonotopic gradient was observed among TR, but not CT neurons. Additionally, CT neurons exhibited markedly higher heterogeneity in their frequency tuning and had broader bandwidth than TR neurons. These results reveal that the information flow descending from A1 to thalamus via CT neurons does not arrange tonotopically, suggesting that the descending information flow possibly contributes to higher-order feedback processing of diverse auditory inputs.

Abstract Stimulating collagen production in skin helps to enhance vitality while decelerating aging- associated processes in skin tissue. However, current approaches to enhancing collagen production are commonly limited by accompanying pain and trauma. Here, we report that mid-infrared modulation (MIMO) at an intensity of 70 mW/cm 2 promotes collagen production in human or mouse skin in vivo without generating excessive heat. We found that protein levels of the collagen- degrading endopeptidase, MMP-1, were decreased in the skin of mice following MIMO treatment, whereas the collagen synthesis-related factors, TGF-β, HSP47, and HSP70, were all increased. In addition, MIMO stimulated collagen secretion in human dermal fibroblasts in vitro. This work demonstrates that MIMO is an effective, non-invasive, and painless intervention for in vivo enhancement of collagen production in the skin. One Sentence Summary Mid-infrared modulation promotes collagen production