background image

Chemogenetic silencing reveals presynaptic G

i/o

 protein-mediated 

inhibition of synchronized activity in the developing hippocampus 

in vivo 

Jürgen Graf 

1,4

, Arash Samiee 

2,4

, Tom Flossmann 

1,3

, Knut Holthoff 

1,5

 and Knut Kirmse 

2,5

 

1

  Department of Neurology, Jena University Hospital, 07747 Jena, Germany 

2

  Department of Neurophysiology, Institute of Physiology, University of Würzburg, 97070 

Würzburg, Germany

 

3

  Institute of Physiology I, Jena University Hospital, 07743 Jena, Germany

 

These authors contributed equally. 

Senior authors 

  Correspondence to: 

knut.kirmse@uni-wuerzburg.de

 

10 

 

Abbreviated title:

 Presynaptic G

i/o

 constrains synchronized activity 

11 

  Number of Pages – 46 

12 

  Number of Figures – 7 

13 

  Number of Extended Data items – 1 

14 

  Number of words in Abstract – 225 

15 

  Number of words in Introduction – 518 

16 

  Number of words in Discussion – 1,159 

17 

Conflict of interest statement: 

18 

The authors declare no competing financial interests. 

19 

Acknowledgments: 

20 

This work was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research 

21 

Foundation – Research Grants: KI 1816/6-1 #442107075, KI 1816/7-1 #448069679 to K.K.; 

22 

HO 2156/5-1  #442107075, HO 2156/6-1  #448069679  to K.H.;  Research Unit 3004:  KI 

23 

1816/5-1 #432559020, KI 1816/9-1 #415914819 to K.K.; Major Research Instrumentation: 

24 

INST 93/1103-1 FUGG #502670664 to K.K.) and the Thüringer Aufbaubank (2017 FGI 0020 

25 

to K.H.). We thank Ina Ingrisch and Maria Oppmann for excellent technical assistance. 

26 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

Abstract 

27 

The development of neuronal  circuits  is  an activity-dependent process.  Research aimed at 

28 

deciphering the learning rules governing these developmental refinements is increasingly 

29 

utilizing  a class of chemogenetic tools  that employ G

i/o

  protein signaling (G

i

-DREADDs) for 

30 

neuronal silencing. However, their mechanisms of action and inhibitory efficacy in immature 

31 

neurons with incompletely developed G

i/o

 signaling are poorly understood. Here, we analyze 

32 

the impact of G

i/o

 signaling on cellular and network excitability in the neonatal hippocampus by 

33 

expressing the G

i

-DREADD hM4Di in telencephalic glutamatergic neurons of neonatal mice of 

34 

both sexes. Using acousto-optic two-photon Ca

2+

 imaging, we report that activation of hM4Di 

35 

leads to a complete arrest of spontaneous synchronized activity  in CA1 

in vitro

36 

Electrophysiological analyses demonstrate that hM4Di-mediated silencing is not accounted for 

37 

by changes in intrinsic excitability of CA1 pyramidal cells (PCs). Instead, activation of hM4Di 

38 

robustly restrains synaptic glutamate release by the first postnatal week, effectively reducing 

39 

recurrent excitation in CA1. 

In vivo

, inhibition through hM4Di potently suppresses early sharp 

40 

waves (eSPWs) and discontinuous oscillatory network activity in CA1 of head-fixed mice before 

41 

eye opening. In summary, hM4Di dampens glutamatergic neurotransmission through a 

42 

presynaptic mechanism sufficient to terminate  spontaneous  synchronized  activity in the 

43 

neonatal CA1. Our findings  have implications for designing and interpreting experiments 

44 

utilizing G

i

-DREADDs in immature neurons and further point to a potential role of G

i/o

-dependent 

45 

endogenous neuromodulators in activity-dependent hippocampal development. 

46 

 

 

47 

Keywords:

  development, presynaptic inhibition, DREADD, chemogenetics, 

in vivo

  

48 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

Significance Statement 

49 

Recent  advances  in understanding how early activity shapes developing brain circuits 

50 

increasingly  rely  on  G

i/o

-dependent inhibitory chemogenetic tools (G

i

-DREADDs). However, 

51 

their single-cellular mechanisms and efficacy in neurons with immature G

i/o

  signaling are 

52 

elusive. To close this gap, we analyzed the impact of the G

i

-DREADD hM4Di in the neonatal 

53 

murine hippocampus. We report that hM4Di does not mediate hyperpolarization or shunting but 

54 

rather acts as a potent presynaptic silencer of glutamatergic neurotransmission in  CA1 

55 

pyramidal cells. Presynaptic inhibition of excitation suffices to arrest spontaneous synchronized 

56 

network activity 

in vitro

  and 

in vivo

. Our findings provide novel insights into the generative 

57 

mechanisms of spontaneous synchronized activity and bear relevance for applying 

58 

chemogenetic silencing at early stages of brain development. 

 

59 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

Introduction 

60 

The immature rodent hippocampus displays spontaneous synchronized  activity prior to the 

61 

developmental onset of spatial memory and environmental exploration. In CA1 during the first 

62 

and second postnatal week, activity is characterized by intermittent network bursts that 

63 

alternate with periods of low activity.  Network bursts are driven by input from the sensory 

64 

periphery (Mohns and Blumberg, 2010; Valeeva et al., 2019; Chen et al., 2023; Gainutdinov et 

65 

al., 2023; Kostka and Hanganu-Opatz, 2023), but they can also be internally generated within 

66 

the entorhinal-hippocampal formation (Ben-Ari et al., 1989; Leinekugel et al., 2002; Graf et al., 

67 

2021). By co-activating large numbers of neurons (Dard et al., 2022; Graf et al., 2022), network 

68 

bursts  were proposed to inform nascent CA1 circuits  about  the  fundamental statistical 

69 

properties of the external (environment) and internal (body) world, thereby preparing them for 

70 

later cognitive and sensory demands (for review see Cossart and Khazipov, 2022; Kirmse and 

71 

Zhang, 2022)

72 

To elucidate the learning rules underlying activity-dependent refinements in brain development, 

73 

research is increasingly utilizing chemogenetic strategies, as they allow neuronal activity to be 

74 

manipulated in a temporally controlled and cell type-specific manner (Donato et al., 2017; Wong 

75 

et al., 2018; Murata and Colonnese, 2020; Leighton et al., 2021; Maldonado et al., 2021; Chen 

76 

et al., 2023; Kostka and Hanganu-Opatz, 2023; Leprince et al., 2023). The most widely used 

77 

inhibitory chemogenetic actuator is hM4Di, which is based on the human muscarinic M4 

78 

receptor employing G

i/o

 signaling for neuronal silencing (Armbruster et al., 2007). In mature 

79 

neurons, endogenous neuromodulators activating G

i/o

 signaling reduce excitability by multiple 

80 

mechanisms. In somatodendritic compartments, G

i/o

  mediates hyperpolarization due to 

81 

activation of G-protein-coupled inwardly rectifying K

+

  (GIRK/Kir3)  channels  (Reuveny et al., 

82 

1994) and inhibition of Ca

v

1 channels involved in dendritic spike generation (Perez-Garci et al., 

83 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

2006; Perez-Garci et al., 2013). In addition, G

i/o

-

βγ

  dimers  inhibit evoked and spontaneous 

84 

vesicle release by interacting with SNARE proteins and Ca

v

2 channels in presynaptic terminals 

85 

(Herlitze et al., 1996; Sakaba and Neher, 2003; Zurawski et al., 2019; Alten et al., 2022). In a 

86 

manner analogous to that  of endogenous  G

i/o

-protein-coupled receptors, G

i

-DREADDs are 

87 

known to effectively  silence neuronal activity via both hyperpolarization and suppression of 

88 

neurotransmitter release in the adult brain (Stachniak et al., 2014; Vardy et al., 2015). This, 

89 

however, might fundamentally differ from the situation in the neonatal neocortex and 

90 

hippocampus, when GIRK channel expression is low (Chen et al., 1997; Ehrengruber et al., 

91 

1997; Bony et al., 2013) and the G

i/o

-dependent hyperpolarization (Luhmann and Prince, 1991; 

92 

Nurse and Lacaille, 1999; Verheugen et al., 1999) and inhibition of voltage-gated Ca

2+

 channels 

93 

(Gaiarsa et al., 1995) are not yet operative. 

94 

Here, we address this issue by analyzing the single-neuron mechanisms and circuit-level 

95 

efficacy  of hM4Di-mediated G

i/o

-dependent silencing in the hippocampal CA1 region of 

96 

developing mice 

in vitro

 and 

in vivo

. We focus on the first and second postnatal weeks, when 

97 

network activity comprises intermittent bursts that are generated in a relatively all-or-none 

98 

manner  (Prida and Sanchez-Andres, 1999;  Flossmann et al., 2019), rendering inhibition 

99 

particularly challenging. We demonstrate that the activation of hM4Di-induced G

i/o

 signaling can 

100 

arrest spontaneous neuronal synchrony through  the  presynaptic  silencing  of glutamatergic 

101 

neurotransmission. 

102 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

Results

 

103 

G

i/o

 protein-mediated silencing of synchronized network activity in vitro 

104 

To examine the efficacy of G

i/o

 protein-coupled chemogenetic silencing during development, 

105 

we conditionally expressed hM4Di in telencephalic glutamatergic neurons from embryonic 

106 

stages onward (

Emx1

IREScre

::hM4Di

LSL

 or 

hM4Di

Emx1

 mice) (Gorski et al., 2002; Zhu et al., 2016; 

107 

Graf et al., 2021).  Of note, both CA1 pyramidal cells (PCs) and the vast majority of 

108 

glutamatergic synapses in CA1 are derived from the 

Emx1

 lineage (Sando et al., 2017; Leprince 

109 

et al., 2023). We first used three-dimensional acousto-optic two-photon Ca

2+

 imaging in CA1 

110 

stratum pyramidale

 of acute brain slices to quantify network activity at single-cell resolution at 

111 

postnatal days (P) 2–5 (

Fig. 1

A-B). Under control conditions, spontaneous activity in CA1 PCs 

112 

consisted of discrete network events, known as giant depolarizing potentials (GDPs) (Ben-Ari 

113 

et al., 1989),  that  alternated with  extended periods of low activity (

Fig. 1

C). Activation of 

114 

hM4Di

Emx1

  by the DREADD agonist C21 (1 µM) led to a profound reduction in the mean 

115 

frequency of somatic Ca

2+

 transients (CaTs) from 1.4 

±

 0.4 min

-1

 to 0.0 

±

 0.0 min

-1

 (n = 5 slices; 

116 

Fig. 1

B-E). To control for potential DREADD-independent effects of C21, we repeated these 

117 

experiments in wild-type (WT) mice lacking 

hM4Di

Emx1

 (n = 6 slices; 

Fig. 1

D-E). Generalized 

118 

linear mixed-effects modeling (GLMM) revealed a significant interaction term, indicating that 

119 

C21 effects in slices obtained from 

hM4Di

Emx1

 mice were larger than in those from WT neonates 

120 

(genotype × treatment: P = 3.5 

×

 10

-6

; for detailed statistics, see Extended Data 

Table 1-1

). 

121 

Post-hoc

 testing confirmed that the suppression of neuronal activity by C21 was restricted to 

122 

hM4Di

Emx1

 mice, whereas C21 was ineffective in WT pups (

hM4Di

Emx1

: P = 3.2 

×

 10

-3

, WT: P = 

123 

0.16, simple contrasts; 

Fig. 1

E). Likewise, at the network level, C21-induced inhibition 

124 

abolished GDPs in slices from 

hM4Di

Emx1

 but not from WT neonates (

Fig. 1

F). Collectively, 

125 

these data demonstrate  effective network silencing  through hM4Di

Emx1

  and  identify  G

i/o

 

126 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

signaling as a potential inhibitory actuator of synchronized network activity in the developing 

127 

hippocampus 

in vitro

128 

 

129 

hM4Di

Emx1

-mediated silencing is not accounted for by changes in intrinsic excitability 

130 

G

i/o

 protein-coupled chemogenetic actuators are commonly used tools for neuronal silencing in 

131 

the adult, as they can reduce spike rates through hyperpolarization  and shunting,  causing 

132 

subtractive and divisive inhibition (Roth, 2016). However, these mechanisms may be less 

133 

effective in the neonatal brain, as the coupling of somatodendritic GIRK channels to G

i/o

 

134 

signaling is absent or weak during the perinatal period (Fukuda et al., 1993; Chen et al., 1997; 

135 

Nurse and Lacaille, 1999; Bony et al., 2013). We therefore set out to examine the mechanism(s) 

136 

of hM4Di

Emx1

-dependent inhibition in the neonatal hippocampus by performing somatic current-

137 

clamp recordings. At P2–5, we found that bath-application of C21 (1 µM) did not significantly 

138 

affect the resting membrane potential (RMP) of CA1 PCs in either 

hM4Di

Emx1

  or  WT mice 

139 

(

Fig. 2

A-B) (GLMM; for detailed statistics, see Extended Data 

Table 1-1

). We noticed a minor 

140 

temporal drift in membrane resistance (R

m

) during these prolonged recordings. However, this 

141 

time-dependent change was independent of genotype (interaction: P = 0.30; 

Fig. 2

A and 2C), 

142 

indicating that hM4Di

Emx1

 activation left R

m

 unaffected. We further explored potential effects of 

143 

hM4Di

Emx1

 activation on intrinsic excitability during the second postnatal week (

Fig. 2

D), when 

144 

active and passive membrane properties are considerably more mature but burst-like network 

145 

activity is still prominent 

in vivo

 (Graf et al., 2022). We found that, at P8–12, both RMP and R

m

 

146 

were unaltered by bath-application of C21 (

Fig. 2

E-F). In summary, activation of hM4Di

Emx1

 did 

147 

not induce detectable hyperpolarization or shunting in CA1 PCs before eye opening. 

148 

We next sought to extend these findings by examining the input-output relationship and 

149 

characteristics of action-potential (AP) firing in CA1 PCs through current-clamp recordings in 

150 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

slices from 

hM4Di

Emx1

 and WT mice at P2–5 (

Fig. 3

A-C). In each recorded PC, we applied three 

151 

series of depolarizing step-current injections in the absence and presence of C21 (1 µM). 

152 

Immediately prior to each experiment, the RMP was biased to 

70 mV by somatic current 

153 

injection so as to exclude any contribution of differences in RMP on the analyzed properties. 

154 

We found that the maximum instantaneous firing rates of CA1 PCs were unaffected by C21 in 

155 

slices from both 

hM4Di

Emx1

 and WT mice (

Fig. 3

D; for detailed statistics, see Extended Data 

156 

Table 1-1

). During these experiments, maximum mean firing rates (per 500-ms-long current 

157 

step) showed a minor decline over time, which, however, did not significantly differ between 

158 

hM4Di

Emx1

  and WT mice (interaction: P = 0.052; 

Fig. 3

E).  In either genotype, C21 lacked 

159 

significant effects on AP thresholds (

Fig. 3

F) or rheobase currents (

Fig. 3

G). We then repeated 

160 

these experiments during the second postnatal week (

Fig. 3

H-J). As compared to neurons of 

161 

the first postnatal week, CA1 PCs recorded at P8–12 exhibited substantially higher maximum 

162 

instantaneous (

Fig. 3

K) and mean (

Fig. 3

L) firing rates, more negative AP thresholds (

Fig. 3

M) 

163 

and higher rheobase currents (

Fig. 3

N), implying that membrane properties had undergone a 

164 

considerable maturation within the period investigated here. In line with our data obtained at 

165 

P2–5, however, GLMM indicated that none of the analyzed quantities was significantly affected 

166 

by C21 (

Fig. 3

K-N and Extended Data 

Table 1-1

). 

167 

Taken together, our data indicate that the observed hM4Di

Emx1

-mediated silencing of network 

168 

activity in the neonatal hippocampus (

Fig. 1

) is unlikely to result from changes in intrinsic 

169 

excitability of CA1 PCs and, thus, point to an alternative mechanism. 

170 

 

171 

hM4Di

Emx1

  activation potently suppresses synaptic glutamate release by  the first 

172 

postnatal week 

173 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

Presynaptic G

i/o

 signaling is functional already at early developmental stages (Fukuda et al., 

174 

1993; Safiulina et al., 2005; Kirmse et al., 2008). Moreover, suppression of vesicular release 

175 

was previously identified as a major mechanism of G

i/o

-based chemogenetic actuators in the 

176 

adult brain (Stachniak et al., 2014;  Vardy et al., 2015). We therefore investigated whether 

177 

inhibition of synaptic transmission underlies the hM4Di

Emx1

-mediated silencing at the network 

178 

level. To this end, we first recorded miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) in the 

179 

presence of blockers of voltage-gated Na

+

  channels (tetrodotoxin, 0.5 µM) and GABA

A

 

180 

receptors (gabazine, 10 µM) (

Fig. 4

A). Of note, most neurons providing glutamatergic input to 

181 

CA1 are derived from the 

Emx1

 lineage (Sando et al., 2017; Graf et al., 2021; Leprince et al., 

182 

2023). We found that, in CA1 PCs recorded from 

hM4Di

Emx1

 mice at P2–5, C21 (1 µM) reduced 

183 

the frequency of mEPSCs from 0.13 

±

 0.03 min

1

 to 0.05 

±

 0.01 min

1

 (

Fig. 4

B). Conversely, 

184 

mEPSC frequency was unaffected in WT neurons, thereby excluding the possibility that hM4Di-

185 

independent actions of C21 could underlie the effect (interaction: P = 3.5 

×

 10

4

hM4Di

Emx1

: P 

186 

= 1.1 

×

 10

3

, WT: P = 0.14, simple contrasts; 

Fig. 4

B and Extended Data 

Table 1-1

). In addition, 

187 

median mEPSC amplitudes, a measure of quantal size, remained unaltered after wash-in of 

188 

C21 in either genotype (

Fig. 4

C), pointing to a presynaptic site of action of hM4Di

Emx1

. Again, 

189 

we extended these investigations to the second postnatal week (

Fig. 4

D). At P8–12, akin to the 

190 

above observations, C21 reduced mEPSC frequencies by about 50% selectively in 

hM4Di

Emx1

 

191 

mice (

Fig. 4

E), without decreasing median mEPSC amplitudes (interaction: P = 0.056; 

Fig. 4

F). 

192 

Collectively, our data suggest that activation of hM4Di

Emx1

 leads to inhibition of vesicle release 

193 

at glutamatergic synapses impinging on CA1 PCs,  which  in turn can  explain  the observed 

194 

suppression of synchronized network activity. 

195 

To corroborate this conclusion, we next examined to what  extent G

i/o

  signaling controls 

196 

glutamate release at Schaffer collateral synapses, which provide a major excitatory drive to 

197 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

10 

CA1. To this end, EPSCs evoked by electrical stimulation of afferents in 

stratum radiatum

 

198 

(eEPSCs) were recorded from CA1 PCs of 

hM4Di

Emx1

 mice in the presence of gabazine (10 µM) 

199 

(

Fig. 5

A).  At P2–5, bath-application of C21 (1 µM) was found to massively decrease mean 

200 

eEPSC amplitudes from 34.1 

±

 8.5 pA to 1.7 

±

 1.3 pA (

Fig. 5

B). This was associated with an 

201 

increase in eEPSC failure rate from 25 

±

 6% to 92 

±

 4% (

Fig. 5

C), supporting the conclusion 

202 

that the effect is presynaptic in origin. In these experiments, paired-pulse stimulation frequently 

203 

induced long-latency polysynaptic bursts of EPSCs, reflecting network disinhibition due to the 

204 

blockade of GABA

A

 receptors (arrows in 

Fig. 5

A). We therefore considered the possibility that 

205 

these  EPSC  bursts 

per se

  could change synaptic strength, i.e. independently  of C21. To 

206 

address this point, we performed an additional set of experiments, in which vehicle was applied 

207 

instead of C21 (

Fig. 5

A). We found that both mean amplitudes (

Fig. 5

B) and failure rates 

208 

(

Fig. 5

C) of eEPSCs were stable over time. For each parameter analyzed, GLMM revealed a 

209 

significant interaction between treatment and dataset (eEPSC  amplitude: P = 5.3 

×

  10

9

210 

eEPSC  failure rate: P = 2.9 

×

  10

7

), and 

post-hoc

  tests confirmed that the suppression of 

211 

eEPSCs was specific to C21 (

Fig. 5

B-C; for detailed statistics, see Extended Data 

Table 1-1

). 

212 

Likewise, at P8–12, activation of hM4Di

Emx1

  by bath-application of C21 profoundly  reduced 

213 

mean eEPSC amplitudes and increased eEPSC failure rates, both of which were not observed 

214 

when vehicle was applied instead of C21 (

Fig. 5

D-F). Taken together, these data demonstrate 

215 

that activation of G

i/o

  signaling through hM4Di

Emx1 

potently suppresses synaptic glutamate 

216 

release at Schaffer collateral synapses on CA1 PCs by the first postnatal week. 

217 

 

218 

Presynaptic G

i/o

 signaling is an actuator of immature hippocampal network dynamics in 

219 

vivo 

220 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

11 

Our data obtained so far indicate that the hM4Di

Emx1

-mediated inhibition of synaptic glutamate 

221 

release alone suffices to virtually abolish GDPs in acute slices and therefore point to 

222 

presynaptic G

i/o

 signaling as an actuator of neuronal synchrony in the developing hippocampus. 

223 

However, the 

in vivo

 relevance of these findings remains unclear. We therefore performed local 

224 

field potential (LFP) recordings in 

stratum radiatum

 of CA1 in head-fixed mice. Experiments 

225 

were conducted under nitrous oxide anesthesia at P3–5. At this developmental stage, CA1 PCs 

226 

are incapable of sustaining persistent firing activity but instead generate intermittent population 

227 

bursts reminiscent of GDPs in slices (Leinekugel et al., 2002; Dard et al., 2022; Graf et al., 

228 

2022). In accordance with previous studies, LFP activity at P3–5 was discontinuous and 

229 

dominated by early sharp waves (eSPWs; 

Fig. 6

A-B) (Valeeva et al., 2019; Gainutdinov et al., 

230 

2023). Less consistently, we also detected short-lasting LFP oscillations in the theta-to-beta 

231 

frequency range in several of the analyzed mice (

Fig. 6

A) (Graf et al., 2021). For quantification 

232 

of hM4Di

Emx1

 effects, we computed the LFP bandpower (8–40 Hz) in non-overlapping 5-min-

233 

long intervals and normalized it to the bandpower of the technical noise (see Methods for 

234 

details). In 

hM4Di

Emx1

 mice, a single dose of systemically applied C21 (3 mg/kg s.c.) reduced 

235 

the normalized bandpower to approximately noise levels, implying  an almost complete 

236 

suppression of LFP activity (

Fig. 6

C-D). This effect set in within minutes,  confirming  the 

237 

favorable bioavailability of C21 when administered through subcutaneous injection in neonatal 

238 

mice (Thompson et al., 2018; Jendryka et al., 2019; Kostka and Hanganu-Opatz, 2023). The 

239 

suppression of LFP activity lasted for at least two hours (

Fig. 6

C) and was strictly dependent 

240 

on activation of hM4Di

Emx1

, since no decrease in normalized bandpower was observed upon 

241 

application of either vehicle in 

hM4Di

Emx1

 pups or C21 in WT mice at 30–60 min 

post

 injection 

242 

(interaction: P = 2.5 

×

 10

9

). Likewise, eSPWs were virtually abolished after injection of C21 in 

243 

hM4Di

Emx1

 mice (control: 2.1 

±

 0.3 min

1

, C21: 0.0 

±

 0.0 min

1

Fig. 6

B and 6E; for detailed 

244 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

12 

statistics, see Extended Data 

Table 1-1

).  While the normalized bandpower in WT mice 

245 

remained unaffected, C21 reduced eSPW rates, although to a lesser extent than in 

hM4Di

Emx1

 

246 

pups. 

247 

We finally asked whether hM4Di

Emx1

-induced  presynaptic inhibition of synaptic glutamate 

248 

release can effectively silence network activity at P10–12. By this time, discrete eSPW events 

249 

had been largely replaced by more complex, mostly discontinuous,  oscillatory LFP activity 

250 

patterns  in the theta-beta  range  (

Fig. 7

A), reflecting a profound developmental  increase in 

251 

synaptic inputs to CA1. In 

hM4Di

Emx1

  mice, subcutaneous injection of C21 reduced the 

252 

normalized bandpower by approximately one order of magnitude, with little recovery during the 

253 

subsequent two-hour recording period (

Fig. 7

A and 7C). Maximum suppression was already 

254 

present 15 min after injection. Conversely, no apparent changes in normalized bandpower were 

255 

evident upon application of either vehicle in 

hM4Di

Emx1

 pups or C21 in WT mice (

Fig. 7

B-C). 

256 

Accordingly, GLMM revealed a significant interaction term (dataset 

×

 treatment: P = 2.1 

×

 10

12

), 

257 

and 

post-hoc

 testing confirmed that the suppression of neuronal activity by C21 was restricted 

258 

to 

hM4Di

Emx1

  mice  (

Fig. 7

C; for detailed statistics, see Extended Data 

Table 1-1

). Taken 

259 

together, our data demonstrate that hM4Di

Emx1

-induced  synaptic  suppression  of glutamate 

260 

release  can impose powerful inhibition on synchronized network activity in the developing 

261 

hippocampus before eye opening. 

 

262 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

13 

Discussion 

263 

Generative mechanisms of network bursts in the developing CA1 

264 

Network bursts in the developing hippocampus are generated in a relatively all-or-none manner 

265 

(Prida and Sanchez-Andres, 1999; Gainutdinov et al., 2023). Theoretical work suggests that 

266 

this behavior arises from a transient, unstable network state evoked  by  supra-threshold 

267 

excitatory input, leading to a profound amplification of neuronal firing rates  (Rahmati et al., 

268 

2017). To further characterize the generative mechanisms underlying synchronized activity, we 

269 

here employed a transgenic approach (

hM4Di

Emx1

 mice) (Gorski et al., 2002; Zhu et al., 2016) 

270 

to  target the entire population of 

Emx1

-lineage cells from  embryonic stages  onwards. We 

271 

examined the effect of hM4Di

Emx1

 activation 

in vitro

 and found that it abolishes GDPs at P2–5 

272 

(

Fig. 1

). Likewise, a single systemic injection of the DREADD agonist C21 completely blocked 

273 

eSPWs as observed in 

in vivo

 LFP recordings from neonatal 

hM4Di

Emx1

 mice (

Fig. 6

). Thus, 

274 

glutamatergic neurons of the 

Emx1

-lineage  contribute most to the transient instability 

275 

underlying the supra-threshold amplification of firing rates during network bursts in CA1. This 

276 

further  implies  that neither GDPs 

in vitro

  nor eSPWs 

in vivo

  are  sustained by depolarizing 

277 

GABAergic (

Emx1

) neurons alone, despite their partially excitatory action (Flossmann et al., 

278 

2019; Murata and Colonnese, 2020; Graf et al., 2021). In addition, our data are fully compatible 

279 

with the previous conclusion that somatosensory feedback, in the form of eSPWs, is relayed to 

280 

CA1 via 

Emx1

+

  glutamatergic projections from the entorhinal cortex (Valeeva et al., 2019; 

281 

Leprince et al., 2023), whereas  glutamatergic input from 

Emx1

  sources, such as from the 

282 

ventral midline thalamus (Leprince et al., 2023), modulates rather than sustains synchronized 

283 

activity in developing CA1. Similar considerations apply to the second postnatal week, when 

284 

short-lasting events (i.e., eSPWs) had been largely replaced by discontinuous oscillatory LFP 

285 

activity (

Fig. 7

), consistent with the single-cellular dynamics of network activity in developing 

286 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

14 

CA1 

in vivo

 (Graf et al., 2022). In methodological terms, our data demonstrate that transgenic 

287 

expression of hM4Di enables effective suppression of spontaneous synchronized  activity 

288 

already shortly after birth, positioning it as a valuable and non-invasive alternative to viral 

289 

transfection or 

in utero

 electroporation for developmental studies (Zhu et al., 2016)

290 

 

291 

Cellular mechanism and efficacy of hM4Di

Emx1

 in neonatal CA1 neurons 

292 

G

i

-DREADDs including hM4Di are normally localized to both neuronal cell bodies and axons 

293 

(Mahler et al., 2014). Accordingly, in the adult brain, G

i

-DREADD-based neuronal  silencing 

294 

results from the combined effects of (i)  hyperpolarization and increased membrane 

295 

conductance in somatodendritic domains and the (ii)  suppression of vesicle release from 

296 

presynaptic terminals (Armbruster et al., 2007; Stachniak et al., 2014; Vardy et al., 2015). We 

297 

here examined the efficacy of hM4Di

Emx1

-mediated silencing in immature hippocampal neurons 

298 

during the neonatal period, when  GIRK channel expression is low (Chen et al., 1997; 

299 

Ehrengruber et al., 1997)  and endogenous G

i/o

-protein-coupled receptors are ineffective in 

300 

mediating hyperpolarization in CA1 neurons (Nurse and Lacaille, 1999; Verheugen et al., 1999)

301 

Unlike what is observed in adult neurons, we discovered that activation of hM4Di

Emx1

 did not 

302 

induce hyperpolarization or shunting (

Fig. 2

), thereby leaving evoked  AP firing in  somatic 

303 

current-clamp recordings unaffected (

Fig. 3

). Conversely, activation of hM4Di

Emx1

  effectively 

304 

suppressed glutamatergic neurotransmission, resembling previous observations in adult 

305 

neurons. This synaptic silencing is likely of presynaptic origin, since hM4Di

Emx1

  caused a 

306 

selective reduction in the frequency, but not amplitude, of mEPSCs (

Fig. 4

) as well as a 

307 

substantial increase in the failure rate of eEPSCs (

Fig. 5

). The observed dichotomy supposedly 

308 

reflects differences in the signaling cascades engaged by G

i/o

-

βγ dimers, which, in presynaptic 

309 

terminals, inhibit evoked and spontaneous (miniature) release chiefly by interacting with 

310 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

15 

SNARE proteins and P/Q- and N-type Ca

2+

 channels (Herlitze et al., 1996; Zurawski et al., 

311 

2019; Alten et al., 2022), as opposed to activating GIRK channels in somata and dendrites. We 

312 

found that activating G

i/o

 signaling via hM4Di

Emx1

 caused an almost complete suppression of 

313 

glutamatergic synaptic responses evoked in 

stratum radiatum

  (i.e., putative  Schaffer 

314 

collaterals) (

Fig. 5

B), indicating that presynaptic silencing is highly efficacious by P2–5. The 

315 

exclusively presynaptic effect is in line with previous studies showing that G

i/o

 signaling matures 

316 

earlier at pre- compared to postsynaptic sites to inhibit neurotransmitter release by the time of 

317 

birth (Gaiarsa et al., 1995; Caillard et al., 1998; Nurse and Lacaille, 1999). It is important to 

318 

consider that over timescales longer than those addressed in this study, G

i/o

-dependent 

319 

actuators are anticipated to exert additional influence on canonical cAMP-protein kinase A 

320 

pathways. These pathways have previously been implicated in, for instance, the synaptic 

321 

incorporation of AMPA receptors (Esteban et al., 2003), postsynaptic long-term potentiation 

322 

(Yasuda et al., 2003), presynaptic long-term plasticity (Sakaba and Neher, 2003; Atwood et al., 

323 

2014;  Shahoha et al., 2022), synapse formation (Liang et al., 2021)  as well as neuronal 

324 

migration and neurite growth (Bony et al., 2013). Taken together, we demonstrate that hM4Di 

325 

can  serve  as  a valuable presynaptic silencer in mice shortly after birth. Our findings hold 

326 

potential significance for experiments utilizing  hM4Di, other G

i

-DREADDs such as KORD 

327 

(Vardy et al., 2015) or likewise G

i/o

-dependent optogenetic actuators (Mahn et al., 2021) for 

328 

neuronal inhibition at early developmental stages. 

329 

 

330 

Presynaptic G

i/o

 signaling as an actuator of developing hippocampal network dynamics

 

331 

Our analyses lead us to hypothesize that, prior to eye opening, hippocampal network activity is 

332 

under tight control of G

i/o

 signaling acting on presynaptic terminals of glutamatergic excitatory 

333 

neurons.  In the  theoretical  framework mentioned above,  a reduction in  quantal content of 

334 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

16 

evoked  glutamate  release raises  the network’s amplification threshold, which effectively 

335 

renders network burst generation less likely (Flossmann et al., 2019). During the neonatal 

336 

period, GABA

B

R-mediated postsynaptic signaling is not yet functional (Nurse and Lacaille, 

337 

1999; Verheugen et al., 1999), and the chloride extrusion capacity of immature neurons is low 

338 

(Spoljaric et al., 2017). Therefore, G

i/o

-dependent presynaptic silencing could act as a powerful 

339 

inhibitory constraint on CA1 activity – at developmental stages when postsynaptic GABAergic 

340 

inhibition is weak (for review see Kirmse and Zhang, 2022). Currently, a major open question 

341 

relates to the identity and dynamics of endogenous transmitters mediating presynaptic silencing 

342 

through G

i/o

 pathways. Earlier studies identified GABA and adenosine (acting via GABA

B

 and 

343 

adenosine A1 receptors, respectively) as candidates released by local neurons and/or glial cells 

344 

(Gaiarsa et al., 1995;  Nurse and Lacaille, 1999;  Safiulina et al., 2005). Beyond that, 

345 

neuromodulatory projections from subcortical nuclei could target terminals for the presynaptic 

346 

silencing of excitation. While it is increasingly understood how G

i/o

-dependent neuromodulators, 

347 

such as acetylcholine, dopamine, noradrenaline, and serotonin, shape mnemonic functions 

348 

through the control of synaptic signaling and plasticity in the adult CA1 (Palacios-Filardo and 

349 

Mellor, 2019), their developmental emergence and functions are mostly unclear.  A better 

350 

understanding of G

i/o

-dependent presynaptic silencing is clinically relevant, as many therapeutic 

351 

and recreational drugs modulating G

i/o

 pathways can interfere with brain development during 

352 

pregnancy, thereby potentially causing long-lasting cognitive impairments in the offspring (Silva 

353 

et al., 2013; Fazeli et al., 2017). Exploring whether presynaptic G

i/o

-targeting neuromodulation 

354 

could serve as a  brain state-dependent  gating  mechanism  for neuronal dynamics  in  the 

355 

developing hippocampus therefore presents an interesting avenue for research. 

 

356 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

17 

Author Contributions

 

357 

Conceptualization, K.K., K.H., J.G.; Methodology, J.G., T.F., K.K.; Formal Analysis, A.S., J.G., 

358 

K.K.; Investigation, A.S., J.G., K.K.; Writing – Original Draft, K.K., J.G., A.S., K.H.; Writing – 

359 

Review & Editing, K.K., J.G., K.H., A.S., T.F.; Supervision, K.K., K.H.; Funding Acquisition, K.K., 

360 

K.H.  

 

361 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

18 

References 

362 

Alten B, Guzikowski NJ, Zurawski Z, Hamm HE, Kavalali ET (2022) Presynaptic mechanisms 

363 

underlying GABA(B)-receptor-mediated inhibition of spontaneous neurotransmitter 

364 

release. Cell Rep 38:110255. 

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.110255

. 

365 

Armbruster BN, Li X, Pausch MH, Herlitze S, Roth BL (2007) Evolving the lock to fit the key to 

366 

create a family of G protein-coupled receptors potently activated by an inert ligand. 

367 

Proc Natl Acad Sci U S A 104:5163-5168. 

https://doi.org/10.1073/pnas.0700293104

. 

368 

Atwood BK, Lovinger DM, Mathur BN (2014) Presynaptic long-term depression mediated by 

369 

Gi/o-coupled receptors. Trends Neurosci 37:663-673. 

370 

https://doi.org/10.1016/j.tins.2014.07.010

. 

371 

Ben-Ari Y, Cherubini E, Corradetti R, Gaiarsa JL (1989) Giant synaptic potentials in immature 

372 

rat CA3 hippocampal neurones. J Physiol 416:303-325. 

373 

https://doi.org/10.1113/jphysiol.1989.sp017762

. 

374 

Bony G, Szczurkowska J, Tamagno I, Shelly M, Contestabile A, Cancedda L (2013) Non-

375 

hyperpolarizing GABAB receptor activation regulates neuronal migration and neurite 

376 

growth and specification by cAMP/LKB1. Nat Commun 4:1800. 

377 

https://doi.org/10.1038/ncomms2820

. 

378 

Caillard O, McLean HA, Ben-Ari Y, Gaiarsa JL (1998) Ontogenesis of presynaptic GABAB 

379 

receptor-mediated inhibition in the CA3 region of the rat hippocampus. J Neurophysiol 

380 

79:1341-1348. 

https://doi.org/10.1152/jn.1998.79.3.1341

. 

381 

Chen SC, Ehrhard P, Goldowitz D, Smeyne RJ (1997) Developmental expression of the GIRK 

382 

family of inward rectifying potassium channels: implications for abnormalities in the 

383 

weaver mutant mouse. Brain Res 778:251-264. 

https://doi.org/10.1016/s0006-

384 

8993(97)00896-2

. 

385 

Chen YN, Kostka JK, Bitzenhofer SH, Hanganu-Opatz IL (2023) Olfactory bulb activity shapes 

386 

the development of entorhinal-hippocampal coupling and associated cognitive abilities. 

387 

Curr Biol 33:4353-4366 e4355. 

https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.08.072

. 

388 

Cossart R, Khazipov R (2022) How development sculpts hippocampal circuits and function. 

389 

Physiol Rev 102:343-378. 

https://doi.org/10.1152/physrev.00044.2020

. 

390 

Dard RF, Leprince E, Denis J, Rao Balappa S, Suchkov D, Boyce R, Lopez C, Giorgi-Kurz M, 

391 

Szwagier T, Dumont T, Rouault H, Minlebaev M, Baude A, Cossart R, Picardo MA 

392 

(2022) The rapid developmental rise of somatic inhibition disengages hippocampal 

393 

dynamics from self-motion. Elife 11

https://doi.org/10.7554/eLife.78116

. 

394 

Donato F, Jacobsen RI, Moser MB, Moser EI (2017) Stellate cells drive maturation of the 

395 

entorhinal-hippocampal circuit. Science 355. 

https://doi.org/10.1126/science.aai8178

. 

396 

Ehrengruber MU, Doupnik CA, Xu Y, Garvey J, Jasek MC, Lester HA, Davidson N (1997) 

397 

Activation of heteromeric G protein-gated inward rectifier K+ channels overexpressed 

398 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

19 

by adenovirus gene transfer inhibits the excitability of hippocampal neurons. Proc Natl 

399 

Acad Sci U S A 94:7070-7075. 

https://doi.org/10.1073/pnas.94.13.7070

. 

400 

Esteban JA, Shi SH, Wilson C, Nuriya M, Huganir RL, Malinow R (2003) PKA phosphorylation 

401 

of AMPA receptor subunits controls synaptic trafficking underlying plasticity. Nat 

402 

Neurosci 6:136-143. 

https://doi.org/10.1038/nn997

. 

403 

Fazeli W, Zappettini S, Marguet SL, Grendel J, Esclapez M, Bernard C, Isbrandt D (2017) 

404 

Early-life exposure to caffeine affects the construction and activity of cortical networks 

405 

in mice. Exp Neurol 295:88-103. 

https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2017.05.013

. 

406 

Flossmann T, Kaas T, Rahmati V, Kiebel SJ, Witte OW, Holthoff K, Kirmse K (2019) 

407 

Somatostatin Interneurons Promote Neuronal Synchrony in the Neonatal 

408 

Hippocampus. Cell Rep 26:3173-3182. 

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.02.061

. 

409 

Fukuda A, Mody I, Prince DA (1993) Differential ontogenesis of presynaptic and postsynaptic 

410 

GABAB inhibition in rat somatosensory cortex. J Neurophysiol 70:448-452. 

411 

https://doi.org/10.1152/jn.1993.70.1.448

. 

412 

Gaiarsa JL, Tseeb V, Ben-Ari Y (1995) Postnatal development of pre- and postsynaptic 

413 

GABAB-mediated inhibitions in the CA3 hippocampal region of the rat. J Neurophysiol 

414 

73:246-255. 

https://doi.org/10.1152/jn.1995.73.1.246

. 

415 

Gainutdinov A, Shipkov D, Sintsov M, Fabrizi L, Nasretdinov A, Khazipov R, Valeeva G 

416 

(2023) Somatosensory-Evoked Early Sharp Waves in the Neonatal Rat Hippocampus. 

417 

Int J Mol Sci 24

https://doi.org/10.3390/ijms24108721

. 

418 

Gorski JA, Talley T, Qiu M, Puelles L, Rubenstein JL, Jones KR (2002) Cortical excitatory 

419 

neurons and glia, but not GABAergic neurons, are produced in the Emx1-expressing 

420 

lineage. J Neurosci 22:6309-6314. 

https://doi.org/20026564

. 

421 

Graf J, Rahmati V, Majoros M, Witte OW, Geis C, Kiebel SJ, Holthoff K, Kirmse K (2022) 

422 

Network instability dynamics drive a transient bursting period in the developing 

423 

hippocampus in vivo. Elife 11. 

https://doi.org/10.7554/eLife.82756

. 

424 

Graf J, Zhang C, Marguet SL, Herrmann T, Flossmann T, Hinsch R, Rahmati V, Guenther M, 

425 

Frahm C, Urbach A, Neves RM, Witte OW, Kiebel SJ, Isbrandt D, Hübner CA, Holthoff 

426 

K, Kirmse K (2021) A limited role of NKCC1 in telencephalic glutamatergic neurons for 

427 

developing hippocampal network dynamics and behavior. Proc Natl Acad Sci U S A 

428 

118. 

https://doi.org/10.1073/pnas.2014784118

. 

429 

Herlitze S, Garcia DE, Mackie K, Hille B, Scheuer T, Catterall WA (1996) Modulation of Ca2+ 

430 

channels by G-protein beta gamma subunits. Nature 380:258-262. 

431 

https://doi.org/10.1038/380258a0

. 

432 

Jendryka M, Palchaudhuri M, Ursu D, van der Veen B, Liss B, Katzel D, Nissen W, Pekcec A 

433 

(2019) Pharmacokinetic and pharmacodynamic actions of clozapine-N-oxide, 

434 

clozapine, and compound 21 in DREADD-based chemogenetics in mice. Sci Rep 

435 

9:4522. 

https://doi.org/10.1038/s41598-019-41088-2

. 

436 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

20 

Kirmse K, Zhang C (2022) Principles of GABAergic signaling in developing cortical network 

437 

dynamics. Cell Rep 38:110568. 

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110568

. 

438 

Kirmse K, Dvorzhak A, Grantyn R, Kirischuk S (2008) Developmental downregulation of 

439 

excitatory GABAergic transmission in neocortical layer I via presynaptic adenosine A(1) 

440 

receptors. Cereb Cortex 18:424-432. 

https://doi.org/10.1093/cercor/bhm077

. 

441 

Kostka JK, Hanganu-Opatz IL (2023) Olfactory-driven beta band entrainment of limbic 

442 

circuitry during neonatal development. J Physiol 601:3605-3630. 

443 

https://doi.org/10.1113/JP284401

. 

444 

Leighton AH, Cheyne JE, Houwen GJ, Maldonado PP, De Winter F, Levelt CN, Lohmann C 

445 

(2021) Somatostatin interneurons restrict cell recruitment to retinally driven 

446 

spontaneous activity in the developing cortex. Cell Rep 36:109316. 

447 

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109316

. 

448 

Leinekugel X, Khazipov R, Cannon R, Hirase H, Ben-Ari Y, Buzsaki G (2002) Correlated 

449 

bursts of activity in the neonatal hippocampus in vivo. Science 296:2049-2052. 

450 

https://doi.org/10.1126/science.1071111

. 

451 

Leprince E, Dard RF, Mortet S, Filippi C, Giorgi-Kurz M, Bourboulou R, Lenck-Santini PP, 

452 

Picardo MA, Bocchio M, Baude A, Cossart R (2023) Extrinsic control of the early 

453 

postnatal CA1 hippocampal circuits. Neuron 111:888-902 e888. 

454 

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.12.013

. 

455 

Liang J, Kruijssen DLH, Verschuuren ACJ, Voesenek BJB, Benavides FFW, Saez Gonzalez 

456 

M, Ruiter M, Wierenga CJ (2021) Axonal CB1 Receptors Mediate Inhibitory Bouton 

457 

Formation via cAMP Increase and PKA. J Neurosci 41:8279-8296. 

458 

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0851-21.2021

. 

459 

Luhmann HJ, Prince DA (1991) Postnatal maturation of the GABAergic system in rat 

460 

neocortex. J Neurophysiol 65:247-263. 

https://doi.org/10.1152/jn.1991.65.2.247

. 

461 

Mahler SV, Vazey EM, Beckley JT, Keistler CR, McGlinchey EM, Kaufling J, Wilson SP, 

462 

Deisseroth K, Woodward JJ, Aston-Jones G (2014) Designer receptors show role for 

463 

ventral pallidum input to ventral tegmental area in cocaine seeking. Nat Neurosci 

464 

17:577-585. 

https://doi.org/10.1038/nn.3664

. 

465 

Mahn M, Saraf-Sinik I, Patil P, Pulin M, Bitton E, Karalis N, Bruentgens F, Palgi S, Gat A, 

466 

Dine J, Wietek J, Davidi I, Levy R, Litvin A, Zhou F, Sauter K, Soba P, Schmitz D, Luthi 

467 

A, Rost BR, Wiegert JS, Yizhar O (2021) Efficient optogenetic silencing of 

468 

neurotransmitter release with a mosquito rhodopsin. Neuron 109:1621-1635 e1628. 

469 

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.03.013

. 

470 

Maldonado PP, Nuno-Perez A, Kirchner JH, Hammock E, Gjorgjieva J, Lohmann C (2021) 

471 

Oxytocin Shapes Spontaneous Activity Patterns in the Developing Visual Cortex by 

472 

Activating Somatostatin Interneurons. Curr Biol 31:322-333 e325. 

473 

https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.10.028

. 

474 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

21 

Mohns EJ, Blumberg MS (2010) Neocortical activation of the hippocampus during sleep in 

475 

infant rats. J Neurosci 30:3438-3449. 

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4832-

476 

09.2010

. 

477 

Murata Y, Colonnese MT (2020) GABAergic interneurons excite neonatal hippocampus in 

478 

vivo. Sci Adv 6:eaba1430. 

https://doi.org/10.1126/sciadv.aba1430

. 

479 

Nurse S, Lacaille JC (1999) Late maturation of GABA(B) synaptic transmission in area CA1 of 

480 

the rat hippocampus. Neuropharmacology 38:1733-1742. 

481 

https://doi.org/10.1016/s0028-3908(99)00122-7

. 

482 

Palacios-Filardo J, Mellor JR (2019) Neuromodulation of hippocampal long-term synaptic 

483 

plasticity. Curr Opin Neurobiol 54:37-43. 

https://doi.org/10.1016/j.conb.2018.08.009

. 

484 

Perez-Garci E, Larkum ME, Nevian T (2013) Inhibition of dendritic Ca2+ spikes by GABAB 

485 

receptors in cortical pyramidal neurons is mediated by a direct Gi/o-beta-subunit 

486 

interaction with Cav1 channels. J Physiol 591:1599-1612. 

487 

https://doi.org/10.1113/jphysiol.2012.245464

. 

488 

Perez-Garci E, Gassmann M, Bettler B, Larkum ME (2006) The GABAB1b isoform mediates 

489 

long-lasting inhibition of dendritic Ca2+ spikes in layer 5 somatosensory pyramidal 

490 

neurons. Neuron 50:603-616. 

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2006.04.019

. 

491 

Pnevmatikakis EA, Giovannucci A (2017) NoRMCorre: An online algorithm for piecewise rigid 

492 

motion correction of calcium imaging data. J Neurosci Methods 291:83-94. 

493 

https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2017.07.031

. 

494 

Prida LM, Sanchez-Andres JV (1999) Nonlinear frequency-dependent synchronization in the 

495 

developing hippocampus. J Neurophysiol 82:202-208. 

496 

https://doi.org/10.1152/jn.1999.82.1.202

. 

497 

Rahmati V, Kirmse K, Holthoff K, Kiebel SJ (2018) Ultra-fast accurate reconstruction of 

498 

spiking activity from calcium imaging data. J Neurophysiol 119:1863-1878. 

499 

https://doi.org/10.1152/jn.00934.2017

. 

500 

Rahmati V, Kirmse K, Holthoff K, Schwabe L, Kiebel SJ (2017) Developmental Emergence of 

501 

Sparse Coding: A Dynamic Systems Approach. Sci Rep 7:13015. 

502 

https://doi.org/10.1038/s41598-017-13468-z

. 

503 

Reuveny E, Slesinger PA, Inglese J, Morales JM, Iniguez-Lluhi JA, Lefkowitz RJ, Bourne HR, 

504 

Jan YN, Jan LY (1994) Activation of the cloned muscarinic potassium channel by G 

505 

protein beta gamma subunits. Nature 370:143-146. 

https://doi.org/10.1038/370143a0

. 

506 

Roth BL (2016) DREADDs for Neuroscientists. Neuron 89:683-694. 

507 

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.01.040

. 

508 

Safiulina VF, Kasyanov AM, Giniatullin R, Cherubini E (2005) Adenosine down-regulates giant 

509 

depolarizing potentials in the developing rat hippocampus by exerting a negative 

510 

control on glutamatergic inputs. J Neurophysiol 94:2797-2804. 

511 

https://doi.org/10.1152/jn.00445.2005

. 

512 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

22 

Sakaba T, Neher E (2003) Direct modulation of synaptic vesicle priming by GABA(B) receptor 

513 

activation at a glutamatergic synapse. Nature 424:775-778. 

514 

https://doi.org/10.1038/nature01859

. 

515 

Sando R, Bushong E, Zhu Y, Huang M, Considine C, Phan S, Ju S, Uytiepo M, Ellisman M, 

516 

Maximov A (2017) Assembly of Excitatory Synapses in the Absence of Glutamatergic 

517 

Neurotransmission. Neuron 94:312-321 e313. 

518 

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.03.047

. 

519 

Shahoha M, Cohen R, Ben-Simon Y, Ashery U (2022) cAMP-Dependent Synaptic Plasticity at 

520 

the Hippocampal Mossy Fiber Terminal. Front Synaptic Neurosci 14:861215. 

521 

https://doi.org/10.3389/fnsyn.2022.861215

. 

522 

Silva CG, Metin C, Fazeli W, Machado NJ, Darmopil S, Launay PS, Ghestem A, Nesa MP, 

523 

Bassot E, Szabo E, Baqi Y, Muller CE, Tome AR, Ivanov A, Isbrandt D, Zilberter Y, 

524 

Cunha RA, Esclapez M, Bernard C (2013) Adenosine receptor antagonists including 

525 

caffeine alter fetal brain development in mice. Sci Transl Med 5:197ra104. 

526 

https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3006258

. 

527 

Spoljaric A, Seja P, Spoljaric I, Virtanen MA, Lindfors J, Uvarov P, Summanen M, Crow AK, 

528 

Hsueh B, Puskarjov M, Ruusuvuori E, Voipio J, Deisseroth K, Kaila K (2017) 

529 

Vasopressin excites interneurons to suppress hippocampal network activity across a 

530 

broad span of brain maturity at birth. Proc Natl Acad Sci U S A 114:E10819-E10828. 

531 

https://doi.org/10.1073/pnas.1717337114

. 

532 

Stachniak TJ, Ghosh A, Sternson SM (2014) Chemogenetic synaptic silencing of neural 

533 

circuits localizes a hypothalamus-->midbrain pathway for feeding behavior. Neuron 

534 

82:797-808. 

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2014.04.008

. 

535 

Thompson KJ, Khajehali E, Bradley SJ, Navarrete JS, Huang XP, Slocum S, Jin J, Liu J, 

536 

Xiong Y, Olsen RHJ, Diberto JF, Boyt KM, Pina MM, Pati D, Molloy C, Bundgaard C, 

537 

Sexton PM, Kash TL, Krashes MJ, Christopoulos A, Roth BL, Tobin AB (2018) 

538 

DREADD Agonist 21 Is an Effective Agonist for Muscarinic-Based DREADDs in Vitro 

539 

and in Vivo. ACS Pharmacol Transl Sci 1:61-72. 

540 

https://doi.org/10.1021/acsptsci.8b00012

. 

541 

Valeeva G, Janackova S, Nasretdinov A, Rychkova V, Makarov R, Holmes GL, Khazipov R, 

542 

Lenck-Santini PP (2019) Emergence of Coordinated Activity in the Developing 

543 

Entorhinal-Hippocampal Network. Cereb Cortex 29:906-920. 

544 

https://doi.org/10.1093/cercor/bhy309

. 

545 

Vardy E, Robinson JE, Li C, Olsen RHJ, DiBerto JF, Giguere PM, Sassano FM, Huang XP, 

546 

Zhu H, Urban DJ, White KL, Rittiner JE, Crowley NA, Pleil KE, Mazzone CM, Mosier 

547 

PD, Song J, Kash TL, Malanga CJ, Krashes MJ, Roth BL (2015) A New DREADD 

548 

Facilitates the Multiplexed Chemogenetic Interrogation of Behavior. Neuron 86:936-

549 

946. 

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2015.03.065

. 

550 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

23 

Verheugen JA, Fricker D, Miles R (1999) Noninvasive measurements of the membrane 

551 

potential and GABAergic action in hippocampal interneurons. J Neurosci 19:2546-

552 

2555. 

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.19-07-02546.1999

. 

553 

Wong FK, Bercsenyi K, Sreenivasan V, Portales A, Fernandez-Otero M, Marin O (2018) 

554 

Pyramidal cell regulation of interneuron survival sculpts cortical networks. Nature 

555 

557:668-673. 

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0139-6

. 

556 

Yasuda H, Barth AL, Stellwagen D, Malenka RC (2003) A developmental switch in the 

557 

signaling cascades for LTP induction. Nat Neurosci 6:15-16. 

558 

https://doi.org/10.1038/nn985

. 

559 

Zhu H, Aryal DK, Olsen RH, Urban DJ, Swearingen A, Forbes S, Roth BL, Hochgeschwender 

560 

U (2016) Cre-dependent DREADD (Designer Receptors Exclusively Activated by 

561 

Designer Drugs) mice. Genesis 54:439-446. 

https://doi.org/10.1002/dvg.22949

. 

562 

Zurawski Z, Thompson Gray AD, Brady LJ, Page B, Church E, Harris NA, Dohn MR, Yim YY, 

563 

Hyde K, Mortlock DP, Jones CK, Winder DG, Alford S, Hamm HE (2019) Disabling the 

564 

Gbetagamma-SNARE interaction disrupts GPCR-mediated presynaptic inhibition, 

565 

leading to physiological and behavioral phenotypes. Sci Signal 12. 

566 

https://doi.org/10.1126/scisignal.aat8595

. 

 

567 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

24 

Figures and Legends 

568 

Figure 1.

 

hM4Di

Emx1

 activation profoundly inhibits synchronized network activity in the neonatal 

570 

CA1 

in vitro

A,

  Experimental design. 

Top

: Three-dimensional (3D) Ca

2+

  imaging using an 

571 

acousto-optic deflection laser-scanning two-photon microscope (AOD-2P) was performed in 

572 

stratum pyramidale

  of CA1 in acute brain slices at P2–5. 

Bottom

: Imaged tiles (each 50 

×

 

573 

50 µm) in 3D space (sample as in 

B

). 

B,

 2P images (OGB1) of CA1 PCs (z-scored). 

C,

 Sample 

574 

traces (

∆𝐹𝐹 𝐹𝐹

0

(

𝑡𝑡

)

) of cells indicated in 

B

 before (

left

) and after (

right

) wash-in of C21 (1 µM). 

575 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

25 

The slice was obtained from an 

hM4Di

Emx1

  mouse. Note that GDPs (red arrows) were 

576 

completely abolished by C21. 

D,

 Sample rasterplots before (

left

) and after (

right

) wash-in of 

577 

C21 (1 µM) obtained from an 

hM4Di

Emx1

  (

top

) and a wild-type (WT, 

bottom

) mouse, 

578 

respectively. Each dot represents a CaT onset in an individual cell. 

E-F

, Mean CaT frequency 

579 

(

E

) and GDP frequency (

F

). Each open symbol represents a single slice. 

E-F

, Population data 

580 

(closed symbols) are presented as mean 

±

  SEM. 

∗∗

 P < 0.01, ns –  not significant  (simple 

581 

contrasts). For statistics, see Extended Data 

Table 1-1

. 

 

582 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

26 

Figure 2.

  Membrane potential and membrane resistance are unaffected by 

hM4Di

Emx1

 

584 

activation. 

A-C,

  Data obtained at P2–5. 

A,

  Sample current-clamp recordings (

𝐼𝐼

= 0

) of 

585 

membrane potential before (

left

) and after (

right

) wash-in of C21 (1 µM). Brief test pulses 

586 

(

10 pA) were used to estimate membrane resistance. 

B-C,

  Time-course of the change in 

587 

resting membrane potential (

RMP, 

B

) and membrane resistance (R

m

C

) before and during 

588 

application of C21 (1 µM). The dotted lines represent application onset. 

D–F,

 The same as in 

589 

A-C

, but at P8–12 (test pulses: 

20 pA). 

B-C

 and 

E-F,

 Population data (closed symbols) are 

590 

presented as mean 

±

 SEM. For statistics, see Extended Data 

Table 1-1

. 

 

591 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

27 

Figure 3.

  Activation of 

hM4Di

Emx1

  does not affect somatic intrinsic excitability. 

A-G,

  Data 

593 

obtained at P2–5. 

A,

 Sample current-clamp recordings in response to depolarizing current steps 

594 

(500 ms) before (

left

) and after (

right

) wash-in of C21 (1 µM). Insets show step current 

595 

amplitudes for the displayed traces (black traces correspond to maximum mean firing frequency 

596 

in control, medium gray traces to rheobase current and light gray traces to the highest sub-

597 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

28 

threshold current). Recordings were performed in the continuous presence of DNQX (10 µM), 

598 

APV (50 µM) and gabazine (10 µM). 

B-C,

 Input-output relationship for all cells recorded from 

599 

hM4Di

Emx1

 (

B

) and WT (

C

) mice, respectively. Population data are presented as mean 

±

 SEM.

 

600 

D–G,

 Maximum instantaneous firing frequency (

D

), maximum mean firing frequency (

E

), AP 

601 

threshold (

F

) and rheobase current (

G

). 

H-N,

 The same as in 

A-G

, but at P8–12. 

D-G

 and 

K-N

602 

Each open symbol represents a single cell. Population data (closed symbols) are presented as 

603 

mean 

±

 SEM. For statistics, see Extended Data 

Table 1-1

. 

 

604 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

29 

Figure 4.

 Activation of 

hM4Di

Emx1

 inhibits mEPSCs in CA1 PCs. 

A-C,

 Data obtained at P2–5. 

606 

A,

  Sample traces of mEPSCs in the absence (

left

) or presence (

right

) of C21 (1 µM). 

607 

Recordings were performed in the continuous presence of TTX (0.5 µM) and gabazine (10 µM). 

608 

Vertical ticks indicate detected events. 

B,

 C21 reduced mean mEPSC frequencies in PCs from 

609 

hM4Di

Emx1

, but not WT, mice.

 C,

 mEPSC amplitude distributions. Mean (solid lines) 

±

 SEM 

610 

(shaded areas). 

D-F,

 The same as in 

A-C

, but at P8–12. 

B

 and 

E,

 Each open symbol represents 

611 

a single cell. Population data (closed symbols) are presented as mean 

±

 SEM. 

∗∗∗

 P < 0.001, 

612 

∗∗

 P < 0.01, ns – not significant (simple contrasts). For statistics, see Extended Data 

Table 1-1

. 

 

613 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

30 

Figure 5.

 

hM4Di

Emx1

  activation suppresses evoked glutamate release at Schaffer collateral 

615 

synapses. 

A-C,

 Data obtained at P2–5. 

A,

 Sample EPSCs evoked by stimulation of Schaffer 

616 

collaterals in the absence (

top-left

) or presence (

top-right

) of C21 (1 µM). In a separate dataset 

617 

(

bottom

), vehicle (instead of C21) was applied to examine the temporal stability of  evoked 

618 

responses. Recordings were performed in the continuous presence of gabazine (10 µM). 

619 

Stimulus artefacts were clipped for clarity. Arrows indicate long-latency polysynaptic bursts of 

620 

EPSCs. Gray traces correspond to ten successive trials, black traces represent their means. 

621 

B-C,

 Mean amplitudes (

B

) and failure rates (

C

) of EPSCs evoked by the first pulse (eEPSC

1

). 

622 

D-F,

 The same as in 

A-C

, but at P8–12. 

B-C

 and 

E-F,

 Each open symbol represents a single 

623 

cell. Population data (closed symbols) are presented as mean 

±

 SEM. 

∗∗∗

 P < 0.001, 

∗∗

 P < 0.01, 

624 

ns – not significant (simple contrasts). For statistics, see Extended Data 

Table 1-1

. 

 

625 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

31 

Figure 6.

 Activation of 

hM4Di

Emx1

 effectively inhibits early sharp waves (eSPWs) in CA1 

in vivo

 

627 

at P3–5. 

A,

 Sample LFP recording and time-aligned spectrogram (4–40 Hz, window length: 1 s, 

628 

overlap 80%, color corresponds to z-score across frequency domain) from the dorsal CA1 of 

629 

an 

hM4Di

Emx1

 mouse before (

left

) and after (

right

) injection of C21 (3 mg/kg s.c.). Red arrows 

630 

indicate eSPWs. 

Bottom

, boxed regions at higher temporal resolution. 

B,

 The same as in 

A

 

631 

(

top

), but for a WT animal. 

C,

 Time-course of bandpower (8–40 Hz) normalized to the technical 

632 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

32 

noise (see Methods). Mean (solid lines) 

±

 SEM (shaded areas). Note the immediate effect of 

633 

C21 in 

hM4Di

Emx1

 animals, reducing the bandpower to the noise level (dashed line). 

C-D

, Y axis 

634 

is shown in log scale. 

D-E,

  Normalized bandpower (8–40 Hz) (

D

) and eSPW occurrence 

635 

frequency (

E

) for 

hM4Di

Emx1

 and WT animals before and after injection of C21 or vehicle. Each 

636 

open symbol represents a single animal. Population data (closed symbols) are presented as 

637 

mean 

±

 SEM. 

∗∗∗

 P < 0.001, 

∗∗

 P < 0.01, 

 P < 0.05, ns – not significant (simple contrasts). For 

638 

statistics, see Extended Data 

Table 1-1

. 

 

639 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

33 

Figure 7.

 Effective silencing of hippocampal network oscillations through 

hM4Di

Emx1

 activation 

641 

in CA1 

in vivo

 at P10–12. 

A,

 Sample LFP recording and time-aligned spectrogram (4–40 Hz, 

642 

window length: 1 s, overlap 80%, color corresponds to z-score across frequency domain) from 

643 

the dorsal CA1 of a 

hM4Di

Emx1

 mouse before (

left

) and after (

right

) wash-in of C21 (3 mg/kg 

644 

s.c.). 

Bottom

, boxed regions at higher temporal resolution. 

B,

 Same as in 

A

 (

top

), but for a WT 

645 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

34 

animal. 

C,

  Time course of bandpower (8–40 Hz) normalized to the technical noise (see 

646 

Methods) for control (30 min) and after C21 injection. Y axis is shown in log scale. Mean (solid 

647 

lines) 

±

 SEM (shaded areas). Note that the effect peaked about 15 min after C21 injection in 

648 

hM4Di

Emx1

 animals and recovered slowly. The red dashed line indicates the electrode noise 

649 

level. 

D,

 Normalized bandpower (8–40 Hz) for 

hM4Di

Emx1

 and WT animals before and after 

650 

injection of C21 or vehicle. Each open symbol represents a single animal. Population data 

651 

(closed symbols) are presented as mean 

±

  SEM. 

  P < 0.05, ns –  not significant  (simple 

652 

contrasts). For statistics, see Extended Data 

Table 1-1

.

653 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

35 

Extended Data 

654 

Table 1-1.

 Extended Data table supporting Figures 1–7: Descriptive and inductive statistics. GLMM, generalized linear mixed 

655 

model. 

∗∗∗

 P < 0.001, 

∗∗

 P < 0.01, 

 P < 0.05, ns – not significant. 

656 

 

 

658 

Parameter 

Source

F

P

Sign. Genotype

t

df

P

Sign.

hM4Di

Cont

5 slices

1.4 ± 0.4

min

-1

Model:

75.9

8.7E-07

***

hM4Di

hM4Di

C21

0.0 ± 0.0

min

-1

Genotype:

29.7

4.1E-04

***

Cont vs. C21: 4.0

9.0

3.2E-03

**

WT

Cont

6 slices

2.0 ± 0.4

min

-1

Condition:

143.4

7.8E-07

***

WT

WT

C21

1.4 ± 0.3

min

-1

Int.:

100.8

3.5E-06

***

Cont vs. C21: 1.5

9.0

1.6E-01

ns

hM4Di

Cont

5 slices

2.2 ± 0.7

min

-1

Model:

14.3

1.8E-02

*

hM4Di

hM4Di

C21

0.0 ± 0.0

min

-1

Genotype:

5.2

5.9E-02

ns

Cont vs. C21: 4.4

7.1

3.0E-03

**

WT

Cont

6 slices

2.7 ± 0.5

min

-1

Condition:

16.4

4.8E-03

**

WT

WT

C21

2.1 ± 0.3

min

-1

Int.:

6.2

4.2E-02

*

Cont vs. C21: 1.2

7.1

2.8E-01

ns

hM4Di

Cont

10 cells

-65.3 ± 1.8

mV

Model:

3.1

5.4E-02

ns

hM4Di

C21

-66.2 ± 1.7

mV

Genotype:

8.0

1.3E-02

NA

WT

Cont

7 cells

-59.0 ± 1.6

mV

Condition:

0.1

7.2E-01

NA

WT

C21

-58.6 ± 1.9

mV

Int.:

1.0

3.4E-01

NA

hM4Di

Cont

10 cells

649.8 ± 118.7

Model:

4.5

1.0E-02

*

hM4Di

C21

539.9 ± 84.8

Genotype:

0.2

6.5E-01

ns

WT

Cont

7 cells

602.2 ± 20.8

Condition:

10.5

2.9E-03

**

WT

C21

562.5 ± 38.1

Int.:

1.1

3.0E-01

ns

hM4Di

Cont

10 cells

-60.4 ± 2.1

mV

Model:

0.031

9.9E-01

ns

hM4Di

C21

-60.5 ± 2.5

mV

Genotype:

0.0

8.3E-01

NA

WT

Cont

9 cells

-61.1 ± 1.3

mV

Condition:

0.0

9.9E-01

NA

WT

C21

-61.0 ± 1.4

mV

Int.:

0.0

8.8E-01

NA

hM4Di

Cont

10 cells

276.4 ± 38.8

Model:

0.51

6.8E-01

ns

hM4Di

C21

268.0 ± 32.9

Genotype:

0.1

7.5E-01

NA

WT

Cont

9 cells

249.0 ± 22.8

Condition:

0.1

7.3E-01

NA

WT

C21

265.3 ± 37.1

Int.:

1.2

2.9E-01

NA

hM4Di

Cont

10 cells

43.0 ± 6.1

Hz

Model:

2.7

7.8E-02

ns

hM4Di

C21

43.5 ± 5.0

Hz

Genotype:

2.5

1.3E-01

NA

WT

Cont

7 cells

59.4 ± 3.8

Hz

Condition:

2.8

1.1E-01

NA

WT

C21

51.9 ± 6.6

Hz

Int.:

3.6

7.6E-02

NA

RMP

R

m

RMP

R

m

Max. inst. 

frequency

GDP frequency

6

2F

7

3D

4

2C

5

2E

2

1F

3

2B

± SEM

Fixed effects (GLMM)

Simple contrasts

1

1E

CaT frequency

# Figure

Genotype

(Dataset)

Condition

Biological 

replicate (n)

Mean

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

36 

Table 1-1

 (continued) 

659 

hM4Di

Cont

10 cells

14.0 ± 1.6

Hz

Model:

8.3

1.6E-03

**

hM4Di

C21

12.5 ± 1.3

Hz

Genotype:

0.0

9.8E-01

ns

WT

Cont

7 cells

15.2 ± 1.7

Hz

Condition:

22.9

2.8E-04

***

WT

C21

11.4 ± 1.7

Hz

Int.:

4.5

5.2E-02

ns

hM4Di

Cont

10 cells

-33.0 ± 0.6

mV

Model:

1.1

4.6E-01

ns

hM4Di

C21

-32.5 ± 0.8

mV

Genotype:

2.4

1.4E-01

NA

WT

Cont

7 cells

-29.4 ± 2.4

mV

Condition:

0.5

5.2E-01

NA

WT

C21

-29.0 ± 2.8

mV

Int.:

0.0

9.0E-01

NA

hM4Di

Cont

10 cells

51.0 ± 8.7

pA

Model:

0.89

4.7E-01

ns

hM4Di

C21

51.0 ± 7.2

pA

Genotype:

0.4

5.4E-01

NA

WT

Cont

7 cells

42.9 ± 2.9

pA

Condition:

1.5

2.5E-01

NA

WT

C21

47.1 ± 4.7

pA

Int.:

1.5

2.5E-01

NA

hM4Di

Cont

10 cells

116.2 ± 11.6

Hz

Model:

1.4

2.9E-01

ns

hM4Di

C21

110.7 ± 9.6

Hz

Genotype:

2.4

1.4E-01

NA

WT

Cont

9 cells

135.2 ± 9.7

Hz

Condition:

0.3

5.7E-01

NA

WT

C21

136.7 ± 11.3

Hz

Int.:

1.0

3.2E-01

NA

hM4Di

Cont

10 cells

31.5 ± 2.0

Hz

Model:

2.8

8.2E-02

ns

hM4Di

C21

30.8 ± 2.6

Hz

Genotype:

5.1

3.9E-02

NA

WT

Cont

9 cells

39.6 ± 2.1

Hz

Condition:

1.2

3.0E-01

NA

WT

C21

37.6 ± 3.0

Hz

Int.:

0.2

6.3E-01

NA

hM4Di

Cont

10 cells

-39.8 ± 2.1

mV

Model:

2.3

9.9E-02

ns

hM4Di

C21

-40.0 ± 2.1

mV

Genotype:

1.1

3.1E-01

NA

WT

Cont

9 cells

-42.1 ± 1.3

mV

Condition:

4.0

5.4E-02

NA

WT

C21

-43.1 ± 1.6

mV

Int.:

2.0

1.7E-01

NA

hM4Di

Cont

10 cells

94.0 ± 9.0

pA

Model:

0.93

4.5E-01

ns

hM4Di

C21

96.0 ± 8.3

pA

Genotype:

1.8

2.0E-01

NA

WT

Cont

9 cells

80.0 ± 8.8

pA

Condition:

0.0

9.7E-01

NA

WT

C21

77.8 ± 8.5

pA

Int.:

0.6

4.4E-01

NA

hM4Di

Cont

12 cells

0.13 ± 0.03

Hz

Model:

8.7

7.3E-04

***

hM4Di

hM4Di

C21

0.05 ± 0.01

Hz

Genotype:

2.8

1.1E-01

ns

Cont vs. C21: 3.9

18

1.1E-03

**

WT

Cont

8 cells

0.10 ± 0.01

Hz

Condition:

2.5

1.3E-01

ns

WT

WT

C21

0.16 ± 0.06

Hz

Int.:

19.3

3.5E-04

***

Cont vs. C21: -1.6

18

1.4E-01

ns

hM4Di

Cont

12 cells

21.8 ± 0.7

pA

Model:

1.7

2.1E-01

ns

hM4Di

C21

23.4 ± 1.8

pA

Genotype:

0.2

6.7E-01

NA

WT

Cont

8 cells

26.1 ± 3.5

pA

Condition:

1.2

2.9E-01

NA

WT

C21

21.2 ± 2.1

pA

Int.:

4.4

5.0E-02

NA

hM4Di

Cont

13 cells

0.31 ± 0.07

Hz

Model:

15.0

1.3E-05

***

hM4Di

hM4Di

C21

0.14 ± 0.02

Hz

Genotype:

1.1

3.0E-01

ns

Cont vs. C21: 4.5

21

1.7E-04

***

WT

Cont

10 cells

0.27 ± 0.05

Hz

Condition:

22.9

1.0E-04

***

WT

WT

C21

0.24 ± 0.03

Hz

Int.:

15.1

8.5E-04

***

Cont vs. C21: 0.59 21

5.6E-01

ns

3G

3K

3E

3F

3N

4B

3L

3M

4C

4E

AP threshold

Rheobase

Rheobase

Max. mean 

frequency

Max. inst. 

frequency

Max. mean 

frequency

AP threshold

mEPSC 

frequency

mEPSC 

amplitude

mEPSC 

frequency

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

37 

Table 1-1

 (continued) 

661 

hM4Di

Cont

13 cells

25.6 ± 1.5

pA

Model:

3.6

3.0E-02

*

hM4Di

C21

25.7 ± 2.1

pA

Genotype:

4.8

4.0E-02

*

WT

Cont

10 cells

22.8 ± 1.6

pA

Condition:

4.8

3.9E-02

*

WT

C21

19.1 ± 1.2

pA

Int.:

4.1

5.6E-02

ns

hM4Di

Cont

8 cells

34.1 ± 8.5

pA

Model:

70.0

1.4E-12

***

hM4Di

hM4Di

C21

1.7 ± 1.3

pA

Dataset:

12.9

1.3E-03

**

Cont vs. C21: 3.3

26

3.1E-03

**

hM4Di

Cont

7 cells

36.9 ± 8.6

pA

Condition:

111.7

6.6E-11

***

hM4Di

hM4Di

Veh.

23.7 ± 4.0

pA

Int.:

72.6

5.3E-09

***

Cont vs. Veh.: 1.3

26

2.1E-01

ns

hM4Di

Cont

8 cells

0.25 ± 0.06

Model:

82.3

4.9E-09

***

hM4Di

hM4Di

C21

0.92 ± 0.04

Dataset:

15.9

1.5E-03

**

Cont vs. C21: -15.1 13

1.3E-09

***

hM4Di

Cont

7 cells

0.25 ± 0.07

Condition:

121.9

5.6E-08

***

hM4Di

hM4Di

Veh.

0.29 ± 0.08

Int.:

91.9

2.9E-07

***

Cont vs. Veh.: -0.99 13

3.4E-01

ns

hM4Di

Cont

9 cells

35.2 ± 7.0

pA

Model:

42.4

6.7E-11

***

hM4Di

hM4Di

C21

2.5 ± 1.7

pA

Dataset:

20.3

9.4E-05

***

Cont vs. C21: 4.0

30

3.5E-04

***

hM4Di

Cont

8 cells

38.2 ± 6.4

pA

Condition:

57.1

2.0E-08

***

hM4Di

hM4Di

Veh.

31.6 ± 4.7

pA

Int.:

43.4

2.7E-07

***

Cont vs. Veh.: 0.66 30

5.2E-01

ns

hM4Di

Cont

9 cells

0.22 ± 0.06

Model:

77.6

9.0E-10

***

hM4Di

hM4Di

C21

0.91 ± 0.05

Dataset:

65.2

7.7E-07

***

Cont vs. C21: -12.2 15

3.4E-09

***

hM4Di

Cont

8 cells

0.14 ± 0.04

Condition:

71.5

4.3E-07

***

hM4Di

hM4Di

Veh.

0.15 ± 0.03

Int.:

68.9

5.4E-07

***

Cont vs. Veh.: -0.11 15

9.2E-01

ns

hM4Di

Cont

5 animals

5.4 ± 0.9

Model:

27.6

3.2E-09

***

hM4Di

hM4Di

C21

0.9 ± 0.0

Dataset:

10.9

4.4E-04

***

Cont vs. C21: 3.2

24

3.6E-03

**

WT

Cont

5 animals

8.9 ± 5.2

Condition:

15.3

6.6E-04

***

WT

WT

C21

9.8 ± 5.7

Int.:

50.6

2.5E-09

***

Cont vs. C21: -0.57 24

5.8E-01

ns

hM4Di

Cont

5 animals

12.1 ± 2.5

hM4Di

hM4Di

Veh.

20.6 ± 6.0

Cont vs. Veh.: -2.3

24

3.4E-02

*

hM4Di

Cont

5 animals

2.1 ± 0.3

min

-1

Model:

14.5

1.4E-06

***

hM4Di

hM4Di

C21

0.0 ± 0.0

min

-1

Dataset:

8.5

1.6E-03

**

Cont vs. C21: 6.7

24

5.9E-07

***

WT

Cont

5 animals

2.3 ± 0.4

min

-1

Condition:

21.3

1.1E-04

***

WT

WT

C21

1.4 ± 0.4

min

-1

Int.:

17.1

2.4E-05

***

Cont vs. C21: 2.8

24

1.0E-02

**

hM4Di

Cont

5 animals

2.1 ± 0.1

hM4Di

hM4Di

Veh.

2.5 ± 0.2

Cont vs. Veh.: -1.54 24

1.4E-01

ns

hM4Di

Cont

5 animals

39.8 ± 7.8

Model:

60.9

7.6E-13

***

hM4Di

hM4Di

C21

2.5 ± 0.6

Dataset:

14.8

6.5E-05

***

Cont vs. C21: 2.6

24

1.4E-02

*

WT

Cont

5 animals

57.6 ± 20.4

Condition:

73.4

9.1E-09

***

WT

WT

C21

61.9 ± 22.0

Int.:

100.7

2.1E-12

***

Cont vs. C21: -0.20 24

8.4E-01

ns

hM4Di

Cont

5 animals

185.2 ± 69.1

hM4Di

hM4Di

Veh.

267.1 ± 116.9

Cont vs. Veh.: -1.3

24

2.1E-01

ns

4F

5B

5F

6D

5C

5E

6E

7D

Normalized 

bandpower (8-

40Hz)

eSPW  

occurrence

eEPSC

1

 failure 

rate

mEPSC 

amplitude

eEPSC

amplitude

eEPSC

amplitude

eEPSC

1

 failure 

rate

Normalized 

bandpower (8-

40Hz)

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

38 

Materials and Methods 

663 

Key Resources Table 

664 

Reagent type 

(species) or 

resource 

Designation 

Source or reference 

Identifiers 

Strain (

Emx1

IREScre

Emx1-IRES-cre 

The Jackson Laboratory 

RRID: IMSR_JAX:005628 

Strain (

hM4Di

LSL

R26-LSL-hM4Di-

DREADD 

The Jackson Laboratory 

RRID: IMSR_JAX:026219 

Strain (WT) 

C57BL/6J 

The Jackson Laboratory 

RRID: IMSR_JAX:000664 

Software 

Matlab 

Mathworks 

RRID: SCR_001622 

Software 

Fiji 

PMID: 22743772 

RRID: SCR_002285 

Software 

pClamp (Clampfit) 

Molecular Devices 

RRID: SCR_011323 

Software 

Mini Analysis Program 

Synaptosoft 

RRID: SCR_002184 

Software 

OriginPro 

OriginLab 

RRID: SCR_014212 

Software 

IBM SPSS Statistics 

IBM 

RRID: SCR_016479 

Software 

Patchmaster 

HEKA Elektronik 

RRID: SCR_000034 

 

 

665 

Animals 

666 

All animal procedures were performed with approval of the local governments  (Thüringer 

667 

Landesamt für Verbraucherschutz, reference no.: 02-012/16;  Regierung  von Unterfranken, 

668 

Arbeitsbereich Tierschutz) and complied with European Union norms (Directive 2010/63/EU). 

669 

Animals were housed in standard cages with 

ad libitum

 access to food and water. 

Emx1

IREScre

 

670 

(#005628) and 

hM4Di

LSL

 (#026219) mice were originally obtained from The Jackson Laboratory 

671 

and maintained on a C57BL/6J background. Double heterozygous offspring (referred to as 

672 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

39 

hM4Di

Emx1

 mice

) was used for experiments. C57BL/6J mice served as WT controls. Mice of 

673 

either sex were used. 

674 

 

675 

Preparation of acute brain slices 

676 

Animals were decapitated under deep isoflurane anesthesia. The brain was quickly removed 

677 

and transferred into ice-cold saline containing (in mM): 125 NaCl, 4 KCl, 10 glucose, 1.25 

678 

NaH

2

PO

4

, 25 NaHCO

3

, 0.5 CaCl

2

, and 2.5 or 6 MgCl

2

, gassed with carbogen (5% CO

2

, 95% 

679 

O

2

; pH 7.4). Horizontal brain slices (350 µm) were cut on a vibratome and stored for at least 

680 

1 h before their use at room temperature in artificial cerebrospinal fluid (ACSF) containing (in 

681 

mM): 125 NaCl, 4 KCl, 10 glucose, 1.25 NaH

2

PO

4

, 25 NaHCO

3

, 2 CaCl

2

, and 1 MgCl

2

, gassed 

682 

with carbogen (pH 7.4). For recordings, slices were transferred into a submerged-type recording 

683 

chamber on the microscope stage. All experiments were performed at ~32 °C. 

684 

  

685 

Two-photon Ca

2+

 imaging in vitro 

686 

For single-cell Ca

2+

 imaging, cells were loaded with the membrane-permeable Ca

2+

 indicator 

687 

Oregon Green 488 BAPTA-1 AM (OGB1) using multi-cell bolus-loading in 

stratum pyramidale

 

688 

of hippocampal CA1. Imaging was performed using an acousto-optic deflection (AOD) two-

689 

photon  laser-scanning microscope operated by the software MES  (Femto3D ATLAS, 

690 

Femtonics). Fluorescence excitation at 800 nm was provided by a tunable Ti:Sapphire laser 

691 

(Chameleon Ultra II, Coherent) using a 20×/1.0 NA water immersion objective (XLUMPLFLN 

692 

20XW, Olympus). Emission light was detected by photomultiplier tubes (16 bit, H11706P-40, 

693 

Hamamatsu) above and below the sample. In the upper detection pathway, emission light was 

694 

separated from excitation light using a primary dichroic mirror (700 nm), short-

pass filtered with 

695 

an IR  blocker (700 nm) and further band-pass filtered (520/60 nm). In the lower detection 

696 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

40 

pathway,  an  oil immersion condenser  was used. Excitation light was blocked using an IR 

697 

blocker (700 nm). The emission light was then passed through a dichroic mirror (565 nm) and 

698 

band-pass filtered (520/60 nm). Signals from both photomultiplier tubes were summed up by a 

699 

signal combiner and digitized. To record the activity of neurons from various z-depths within the 

700 

brain slice, chessboard scanning was used, in which square scanning regions (50

×

50 pixels at 

701 

a resolution of 1 µm/pixel) were defined at various xyz-positions. Sampling rate depended on 

702 

the number of scanning regions and ranged from about 40 to 62 Hz. Spontaneous activity was 

703 

recorded for 8 min before and after wash-in of C21. 

704 

  

705 

Patch-clamp recordings in vitro 

706 

Electrophysiological signals were acquired using a HEKA EPC 10 amplifier, a built

-in 16-bit 

707 

AD/DA board and the software Patchmaster (HEKA Elektronik). Signals were low-

pass filtered 

708 

at 2.9 kHz and sampled at 20 kHz. For whole-cell current-clamp recordings, glass pipettes (3–

709 

5 MΩ) were filled with solution containing (in mM): 

12 KCl, 123 K-gluconate, 5 NaCl, 0.2 EGTA, 

710 

10 HEPES, 1.8 Mg-ATP, 0.3 Na-GTP, 0.1 spermine, 10 phosphocreatine (pH 7.3). Ionotropic 

711 

glutamate and GABA receptor antagonists (10 µM DNQX, 50 µM APV, 10 µM gabazine) were 

712 

added to the ACSF to eliminate recurrent excitation and to minimize synaptic noise. Resting 

713 

membrane potential was measured for a total of 10 min at zero current. Once per 20 s, a test 

714 

pulse (duration: 500 ms; amplitude: 

10 pA at P2–5, 

20 pA at P8–12) was applied to estimate 

715 

membrane resistance. C21  (1 µM)  was applied after 2 min  of control recording. AP firing 

716 

characteristics were measured by applying a series of step currents (each 500 ms) of variable 

717 

amplitude  (P2–5:  from  0  to 120 pA  in increments of 10 pA; P8–12:  from  0  to 240 pA  in 

718 

increments of 20 pA). Three series were recorded in each condition, both control and C21. 

719 

Immediately prior to the first series in each condition, the membrane potential was biased to 

720 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

41 

70 mV. For recording mEPSCs, whole-cell voltage-clamp measurements were performed at 

721 

a holding potential of 

70 mV. Recording pipettes were filled with solution containing (in mM): 

722 

145 KCl, 5 NaCl, 0.2 EGTA, 10 HEPES, 1.8 Mg-ATP, 0.3 Na-GTP (pH 7.25). Tetrodotoxin (TTX, 

723 

0.5 µM) and gabazine (10 µM) were added to the ASCF to block voltage-gated Na

+

 channels 

724 

and  GABA

A

  receptors, respectively.  For recording eEPSCs,  whole-cell voltage-clamp 

725 

measurements were performed at a  holding potential  of 

70  mV.  Schaffer collaterals  were 

726 

electrically stimulated using an ACSF-filled glass pipette placed in 

stratum radiatum

 (resistance 

727 

about 1 

)  and  a Model 2100 isolated pulse stimulator (A-M  Systems). After finding a 

728 

stimulation site, cells were allowed to recover for five minutes before the start of recording. Per 

729 

condition, each cell was stimulated 30 times 

in

 a paired-pulse manner (20 Hz) at an inter-trial 

730 

interval of 10 s. Recording pipettes were filled with solution containing (in mM): 12 KCl, 123 K-

731 

gluconate, 5 NaCl, 0.2 EGTA, 10 HEPES, 1.8 Mg-ATP, 0.3 Na-GTP, 0.1 spermine, 10 

732 

phosphocreatine (pH 7.3). Gabazine (10 µM) was added to the ASCF to isolate eEPSCs. Only 

733 

recordings  with  an  access  resistance  below  30  MΩ  were  accepted.  Series  resistance 

734 

compensation was not applied. 

735 

 

736 

Surgical preparation, anesthesia and animal monitoring for in vivo LFP recordings 

737 

For analgesia, a subcutaneous injection of 200 mg/kg metamizol (Novacen) was administered 

738 

30 minutes prior to the start of the preparation. Animals were then placed onto a warm platform 

739 

and anesthetized with isoflurane (3.5% for 

induction, 1–2% for maintenance) in pure oxygen 

740 

(flow rate: 1 l/min). The skin overlying the skull was disinfected and locally infiltrated with 2% 

741 

lidocaine (s.c.) for local analgesia. Scalp and periosteum were removed, and a custom-made 

742 

plastic chamber wit

h a central borehole (Ø 3 mm) was fixed on the skull using cyanoacrylate 

743 

glue (UHU) (P3–5: 3.5 mm rostral from lambda and 1.5 mm lateral from midline; P10–12: 3.5 

744 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

42 

mm rostral from lambda and 2 mm lateral from midline). A subcutaneous catheter was placed 

745 

at the lateral abdomen to allow for an acute injection of C21 (3 mM dissolved in 0.9% NaCl) 

746 

and vehicle, respectively. To this end, a small tube (outer diameter: 0.61 mm, inner diameter: 

747 

0.28 mm, length: 70 mm), prefilled with 0.9% NaCl solution (volume: 4 µl) was inserted with a 

748 

guiding canula (19G) and fixed using cyanoacrylate glue. For the hippocampal window 

749 

preparation (Graf et al., 2021), the plastic chamber was tightly connected to a preparation stage 

750 

and subsequently perfused with warm artificial cerebrospinal fluid (ACSF) containing (in mM): 

751 

125 NaCl, 4 KCl, 25 NaHCO

3

, 1.25 NaH

2

PO

4

, 2 CaCl

2

, 1 MgCl

2

 and 10 glucose (pH 7.4, 35–

752 

36°C). A circular hole was drilled into the skull using a tissue punch (outer diameter 2.7 mm). 

753 

The underlying cortical tissue and parts of corpus callosum were carefully removed by 

754 

aspiration using a vacuum supply and a blunt 27G or 30G needle. Care was taken not to 

755 

damage alveus fibers. As soon as bleeding stopped, the animal was transferred to the 

756 

microscope stage. 

757 

During 

in vivo

 recordings, body temperature was continuously monitored and maintained at 

758 

close to physiological values (36–37°C) by means of a heating pad and a temperature sensor 

759 

placed below the animal. Spontaneous respiration was monitored using a differential pressure 

760 

amplifier (Spirometer Pod and PowerLab 4/35, ADInstruments). Isoflurane was discontinued 

761 

after completion of the surgical preparation and gradually  substituted with the analgesic-

762 

sedative nitrous oxide (up to the fixed final N

2

O/O

2

 ratio of 3:1, flow rate: 1 l/min). Experiments 

763 

commenced 

60 min after withdrawal of isoflurane. At the end of 

the experiment, the animal was 

764 

decapitated under deep isoflurane anesthesia. 

765 

  

766 

In vivo LFP recordings 

767 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

43 

The recording chamber was continuously perfused with warm ACSF (as above). A tungsten 

768 

microelectrode (Tunglass-

1, 0.8 MΩ impedance, Kation Scientific) was lowered just above the 

769 

hippocampal formation. ACSF was then removed and the hippocampal window was filled up 

770 

with agar (1.5%, in 0.9 mM NaCl) and covered with a custom-made cover glass that allowed 

771 

positioning of the electrode. As soon as the agar solidified, the chamber was reperfused with 

772 

ACSF. Before inserting the electrode into the brain, an LFP reference signal was recorded for 

773 

5 minutes to  estimate  the  noise picked up by the electrode  (technical noise). Next, the 

774 

microelectrode was slowly advanced into 

stratum radiatum

  (200–250 µm below the 

775 

hippocampal surface). The final electrode depth was determined when the recorded eSPWs 

776 

showed a polarity reversal. Electrophysiological signals were acquired and band-pass-

filtered 

777 

at 3–3,000 Hz using an EXT-

02F/2 amplifier (npi electronic), a 16

-bit AD/DA board (PowerLab 

778 

4/35, ADInstruments) and the software LabChart 8 (ADInstruments). Signals were sampled at 

779 

20 kHz. After recording spontaneous activity for 30 min, C21 was injected (s.c.) via the catheter 

780 

at a concentration of 3 mg/kg. NaCl (0.9%) served as the vehicle control. The LFP recording 

781 

continued for at least 2 hours after injection of C21. 

782 

 

783 

Analysis and quantification 

784 

Two-photon Ca

2+

 imaging in vitro 

785 

Image stacks were registered using NoRMCorre (Pnevmatikakis and Giovannucci, 2017). Time 

786 

periods with residual z-drift were visually identified and considered as missing values in all 

787 

subsequent analyses. Regions of interest (ROIs) corresponding to the somata of putative CA1 

788 

PCs were manually selected (Fiji). Subsequent analyses were performed using custom scripts 

789 

in Matlab.  For each cell, the time-course of fluorescence 

𝐹𝐹

(

𝑡𝑡

)

  was  obtained by framewise 

790 

averaging across all pixels belonging to its ROI. Baseline fluorescence 

𝐹𝐹

0

(

𝑡𝑡

)

 was computed by 

791 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

44 

oversmoothing 

𝐹𝐹

(

𝑡𝑡

)

  using a second-order Savitzky-Golay algorithm  (window length, 1,500 

792 

frames). Fluorescence signals were then expressed as relative changes from baseline levels, 

793 

i.e. 

∆𝐹𝐹 𝐹𝐹

0

(

𝑡𝑡

)

.  Ca

2+

  transients (CaTs) were detected from 

∆𝐹𝐹 𝐹𝐹

0

(

𝑡𝑡

)

  traces  using  UFARSA 

794 

(Rahmati et al., 2018).  Network events were operationally defined as GDPs  by following a 

795 

previous approach (Flossmann et al., 2019): (1) CaTs were classified as GDP-related if they 

796 

fell into a 500-ms-long time interval during which the fraction of active cells (i.e., cells 

with ≥1 

797 

detected CaT) 

was ≥20%. (2) Neighboring GDP

-related CaTs were assigned to the same GDP 

798 

if both shared a 500-ms-

long time interval during which the fraction of active cells was ≥20%, 

799 

otherwise to separate GDPs. 

800 

  

801 

Electrophysiological recordings in vitro 

802 

Resting membrane potential was determined as the median of the recorded voltage 

𝑉𝑉

𝑚𝑚

(

𝑡𝑡

)

 (at 

803 

zero current) in consecutive 20-s intervals. Membrane resistance was estimated under current-

804 

clamp conditions from the steady-state voltage change evoked by 500-ms-long hyperpolarizing 

805 

test pulses (

10 pA at P2–5, 

20 pA at P8–12, applied at 20-s intervals). For AP detection, we 

806 

computed the first derivative of 

𝑉𝑉

𝑚𝑚

(

𝑡𝑡

)

 and smoothed it using a second-order Savitzky-Golay 

807 

algorithm (window: 5 samples), yielding 

𝑉𝑉̇

𝑚𝑚

,

𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠ℎ𝑒𝑒𝑒𝑒

(

𝑡𝑡

)

. Time points at which 

𝑉𝑉̇

𝑚𝑚

,

𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠ℎ𝑒𝑒𝑒𝑒

(

𝑡𝑡

)

 

808 

crossed a threshold of 20 V/s were considered as AP onsets. The value of 

𝑉𝑉

𝑚𝑚

(

𝑡𝑡

)

 corresponding 

809 

to the onset of the first AP evoked at the lowest amplitude of injected current was defined as 

810 

AP threshold. The maximum mean AP frequency was computed as the maximum number of 

811 

evoked APs per current step divided by step duration. The maximum instantaneous AP 

812 

frequency was determined as the inverse of the minimum interval between two successive 

813 

evoked APs. Rheobase was estimated as the minimum amplitude of injected current that gave 

814 

rise to at least one AP. The quantities were computed separately for each of the three series of 

815 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

45 

current injections per condition. For statistics, we computed the mean across the three series, 

816 

except for rheobase in which case the median was used. Analyses were performed using 

817 

custom scripts in Matlab. mEPSCs were detected using Minianalysis 6.0 (Synaptosoft). Events 

818 

were visually selected and semi-automatically detected based on an  amplitude and area 

819 

criterion. eEPSCs were analyzed using Clampfit 11.2 (pClamp 11.2, Molecular Devices). 

820 

eEPSCs were visually classified as failures and successes, respectively. To correct for a minor 

821 

contamination of eEPSCs by the late decay of the stimulation artefact, eEPSC amplitudes were 

822 

computed by subtracting the mean amplitude of failures from raw eEPSC amplitudes. 

823 

 

824 

In vivo LFP recordings 

825 

The LFP was analyzed using custom-written Matlab scripts. Artefacts and noise peaks were 

826 

removed  semi-automatically. The LFP signal was downsampled to 500 Hz  and baseline-

827 

corrected using a median filter (window length: 1 s). As an unbiased approach to quantify the 

828 

input to CA1, we calculated the Welch’s power spectral density estimate (window length: 6 s, 

829 

window overlap: 20%) for a 30-min window during control and at 30–60 min after C21 injection. 

830 

The LFP reference signal was used for normalization. At P3–5, eSPWs were detected based 

831 

on amplitude (larger than 

0.05 mV) and an increase in bandpower (15–30 Hz). Continuous 

832 

spectrograms were computed using the toolbox chronux (version 2.12, 

http://chronux.org/

833 

(window length: 1 s, number of tapers: 3, window overlap: 80%; frequency range: 3–100 Hz, 

834 

resulting in a datapoint every 0.2 s). 

835 

 

836 

Statistical analysis 

837 

Statistical analyses were performed using Matlab (2021b), OriginPro (2020) and IBM SPSS 

838 

Statistics (28). Population data are reported as mean ± standard error of the mean (SEM), 

839 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint 

2024.02.02.578550v1.full-html.html
background image

46 

unless stated otherwise. Biological replicates (n) are given in Results and Extended Data 

Table 

840 

1-1

. For significance testing, multi-group data were fitted with generalized linear mixed models 

841 

(GLMM). The probability distribution of the dependent variable was specified as normal (with 

842 

identity link) or gamma (with log link) based on 

a-priori

 considerations and the visual evaluation 

843 

of the goodness of fit. We defined ‘genotype’ (or ‘dataset’), ‘condition’ and their interaction as 

844 

fixed effects factors. We used ‘condition’ to identify repeated observations on the same subject 

845 

and ‘subject’ as random effects.  If the corrected (overall)  model was non-significant, fixed 

846 

effects were not further evaluated. If the corrected (overall) model and the interaction term were 

847 

significant,  we  additionally  computed  the simple contrasts  (P values adjusted for multiple 

848 

comparisons using the Holm-Bonferroni method). In the figures, significance indicators refer to 

849 

the P values of simple contrasts. P values (two-tailed tests) lower than 0.05 were considered 

850 

statistically significant. Detailed statistical information is provided in Extended Data 

Table 1-1

. 

851 

.

CC-BY-NC-ND 4.0 International license

available under a

(which was not certified by peer review) is the author/funder, who has granted bioRxiv a license to display the preprint in perpetuity. It is made 

The copyright holder for this preprint

this version posted February 2, 2024. 

https://doi.org/10.1101/2024.02.02.578550

doi: 

bioRxiv preprint