Autism spectrum disorders (ASDs) comprise a range of disorders that share a core of neurobehavioural deficits characterized by widespread abnormalities in social interactions, deficits in communication as well as restricted interests and repetitive behaviours. The neurological basis and circuitry mechanisms underlying these abnormal behaviours are poorly understood. SHANK3 is a postsynaptic protein, whose disruption at the genetic level is thought to be responsible for the development of 22q13 deletion syndrome (Phelan–McDermid syndrome) and other non-syndromic ASDs. Here we show that mice with Shank3 gene deletions exhibit self-injurious repetitive grooming and deficits in social interaction. Cellular, electrophysiological and biochemical analyses uncovered defects at striatal synapses and cortico-striatal circuits in Shank3 mutant mice. Our findings demonstrate a critical role for SHANK3 in the normal development of neuronal connectivity and establish causality between a disruption in the Shank3 gene and the genesis of autistic-like behaviours in mice. Genomic studies have identified numerous candidate genes for autism spectrum disorders, many of which encode synaptic proteins. One of the most promising is Shank3, which codes for a key post-synaptic density protein at glutamatergic synapses. Peça et al. show that mice with Shank3 deletions display several features of autism, including social deficits, as well as abnormal striatal synapses and cortico-striatal circuitry. The findings demonstrate a crucial role for Shank3 in neuronal connectivity and provide a mechanism for its possible function in autistic-like behaviours.

Perceptual decisions involve distributed cortical activity. Does information flow sequentially from one cortical area to another, or do networks of interconnected areas contribute at the same time? Here we delineate when and how activity in specific areas drives a whisker-based decision in mice. A short-term memory component temporally separated tactile “sensation” and “action” (licking). Using optogenetic inhibition (spatial resolution, 2 mm; temporal resolution, 100 ms), we surveyed the neocortex for regions driving behavior during specific behavioral epochs. Barrel cortex was critical for sensation. During the short-term memory, unilateral inhibition of anterior lateral motor cortex biased responses to the ipsilateral side. Consistently, barrel cortex showed stimulus-specific activity during sensation, whereas motor cortex showed choice-specific preparatory activity and movement-related activity, consistent with roles in motor planning and movement. These results suggest serial information flow from sensory to motor areas during perceptual decision making.

Modern genetic approaches are powerful in providing access to diverse cell types in the brain and facilitating the study of their function. Here, we report a large set of driver and reporter transgenic mouse lines, including 23 new driver lines targeting a variety of cortical and subcortical cell populations and 26 new reporter lines expressing an array of molecular tools. In particular, we describe the TIGRE2.0 transgenic platform and introduce Cre-dependent reporter lines that enable optical physiology, optogenetics, and sparse labeling of genetically defined cell populations. TIGRE2.0 reporters broke the barrier in transgene expression level of single-copy targeted-insertion transgenesis in a wide range of neuronal types, along with additional advantage of a simplified breeding strategy compared to our first-generation TIGRE lines. These novel transgenic lines greatly expand the repertoire of high-precision genetic tools available to effectively identify, monitor, and manipulate distinct cell types in the mouse brain.

A collection of functionally characterized BAC transgenic mouse lines in which the channelrhodopsin-2 H134R variant is specifically and stably expressed in GABAergic, cholinergic, serotonergic or parvalbumin-positive neurons is reported. Optogenetic methods have emerged as powerful tools for dissecting neural circuit connectivity, function and dysfunction. We used a bacterial artificial chromosome (BAC) transgenic strategy to express the H134R variant of channelrhodopsin-2, ChR2(H134R), under the control of cell type–specific promoter elements. We performed an extensive functional characterization of the newly established VGAT-ChR2(H134R)-EYFP, ChAT-ChR2(H134R)-EYFP, Tph2-ChR2(H134R)-EYFP and Pvalb(H134R)-ChR2-EYFP BAC transgenic mouse lines and demonstrate the utility of these lines for precisely controlling action-potential firing of GABAergic, cholinergic, serotonergic and parvalbumin-expressing neuron subsets using blue light. This resource of cell type–specific ChR2(H134R) mouse lines will facilitate the precise mapping of neuronal connectivity and the dissection of the neural basis of behavior.

The development of the living acute brain slice preparation for analyzing synaptic function roughly a half century ago was a pivotal achievement that greatly influenced the landscape of modern neuroscience. Indeed, many neuroscientists regard brain slices as the gold-standard model system for detailed cellular, molecular, and circuitry level analysis and perturbation of neuronal function. A critical limitation of this model system is the difficulty in preparing slices from adult and aging animals, and over the past several decades few substantial methodological improvements have emerged to facilitate patch clamp analysis in the mature adult stage. In this chapter we describe a robust and practical protocol for preparing brain slices from mature adult mice that are suitable for patch clamp analysis. This method reduces swelling and damage in superficial layers of the slices and improves the success rate for targeted patch clamp recordings, including recordings from fluorescently labeled populations in slices derived from transgenic mice. This adult brain slice method is suitable for diverse experimental applications, including both monitoring and manipulating neuronal activity with genetically encoded calcium indicators and optogenetic actuators, respectively. We describe the application of this adult brain slice platform and associated methods for screening kinetic properties of Channelrhodopsin (ChR) variants expressed in genetically defined neuronal subtypes.

Abstract The primary motor cortex (M1) is essential for voluntary fine-motor control and is functionally conserved across mammals 1 . Here, using high-throughput transcriptomic and epigenomic profiling of more than 450,000 single nuclei in humans, marmoset monkeys and mice, we demonstrate a broadly conserved cellular makeup of this region, with similarities that mirror evolutionary distance and are consistent between the transcriptome and epigenome. The core conserved molecular identities of neuronal and non-neuronal cell types allow us to generate a cross-species consensus classification of cell types, and to infer conserved properties of cell types across species. Despite the overall conservation, however, many species-dependent specializations are apparent, including differences in cell-type proportions, gene expression, DNA methylation and chromatin state. Few cell-type marker genes are conserved across species, revealing a short list of candidate genes and regulatory mechanisms that are responsible for conserved features of homologous cell types, such as the GABAergic chandelier cells. This consensus transcriptomic classification allows us to use patch–seq (a combination of whole-cell patch-clamp recordings, RNA sequencing and morphological characterization) to identify corticospinal Betz cells from layer 5 in non-human primates and humans, and to characterize their highly specialized physiology and anatomy. These findings highlight the robust molecular underpinnings of cell-type diversity in M1 across mammals, and point to the genes and regulatory pathways responsible for the functional identity of cell types and their species-specific adaptations.

Understanding the diversity of cell types in the brain has been an enduring challenge and requires detailed characterization of individual neurons in multiple dimensions. To systematically profile morpho-electric properties of mammalian neurons, we established a single-cell characterization pipeline using standardized patch-clamp recordings in brain slices and biocytin-based neuronal reconstructions. We built a publicly accessible online database, the Allen Cell Types Database, to display these datasets. Intrinsic physiological properties were measured from 1,938 neurons from the adult laboratory mouse visual cortex, morphological properties were measured from 461 reconstructed neurons, and 452 neurons had both measurements available. Quantitative features were used to classify neurons into distinct types using unsupervised methods. We established a taxonomy of morphologically and electrophysiologically defined cell types for this region of the cortex, with 17 electrophysiological types, 38 morphological types and 46 morpho-electric types. There was good correspondence with previously defined transcriptomic cell types and subclasses using the same transgenic mouse lines. Gouwens et al. established a morpho-electrical taxonomy of cell types for the mouse visual cortex via unsupervised clustering analysis of multiple quantitative features from 1,938 neurons available online at the Allen Cell Types Database.

Neurons are frequently classified into distinct types on the basis of structural, physiological, or genetic attributes. To better constrain the definition of neuronal cell types, we characterized the transcriptomes and intrinsic physiological properties of over 4,200 mouse visual cortical GABAergic interneurons and reconstructed the local morphologies of 517 of those neurons. We find that most transcriptomic types (t-types) occupy specific laminar positions within visual cortex, and, for most types, the cells mapping to a t-type exhibit consistent electrophysiological and morphological properties. These properties display both discrete and continuous variation among t-types. Through multimodal integrated analysis, we define 28 met-types that have congruent morphological, electrophysiological, and transcriptomic properties and robust mutual predictability. We identify layer-specific axon innervation pattern as a defining feature distinguishing different met-types. These met-types represent a unified definition of cortical GABAergic interneuron types, providing a systematic framework to capture existing knowledge and bridge future analyses across different modalities.

This protocol is a practical guide to the N-methyl-D-glucamine (NMDG) protective recovery method of brain slice preparation. Numerous recent studies have validated the utility of this method for enhancing neuronal preservation and overall brain slice viability. The implementation of this technique by early adopters has facilitated detailed investigations into brain function using diverse experimental applications and spanning a wide range of animal ages, brain regions, and cell types. Steps are outlined for carrying out the protective recovery brain slice technique using an optimized NMDG artificial cerebrospinal fluid (aCSF) media formulation and enhanced procedure to reliably obtain healthy brain slices for patch clamp electrophysiology. With this updated approach, a substantial improvement is observed in the speed and reliability of gigaohm seal formation during targeted patch clamp recording experiments while maintaining excellent neuronal preservation, thereby facilitating challenging experimental applications. Representative results are provided from multi-neuron patch clamp recording experiments to assay synaptic connectivity in neocortical brain slices prepared from young adult transgenic mice and mature adult human neurosurgical specimens. Furthermore, the optimized NMDG protective recovery method of brain slicing is compatible with both juvenile and adult animals, thus resolving a limitation of the original methodology. In summary, a single media formulation and brain slicing procedure can be implemented across various species and ages to achieve excellent viability and tissue preservation.