Abstract Learning from experience depends at least in part on changes in neuronal connections. We present the largest map of connectivity to date between cortical neurons of a defined type (L2/3 pyramidal cells), which was enabled by automated analysis of serial section electron microscopy images with improved handling of image defects. We used the map to identify constraints on the learning algorithms employed by the cortex. Previous cortical studies modeled a continuum of synapse sizes (Arellano et al. 2007) by a log-normal distribution (Loewenstein, Kuras, and Rumpel 2011; de Vivo et al. 2017; Santuy et al. 2018). A continuum is consistent with most neural network models of learning, in which synaptic strength is a continuously graded analog variable. Here we show that synapse size, when restricted to synapses between L2/3 pyramidal cells, is well-modeled by the sum of a binary variable and an analog variable drawn from a log-normal distribution. Two synapses sharing the same presynaptic and postsynaptic cells are known to be correlated in size (Sorra and Harris 1993; Koester and Johnston 2005; Bartol et al. 2015; Kasthuri et al. 2015; Dvorkin and Ziv 2016; Bloss et al. 2018; Motta et al. 2019). We show that the binary variables of the two synapses are highly correlated, while the analog variables are not. Binary variation could be the outcome of a Hebbian or other synaptic plasticity rule depending on activity signals that are relatively uniform across neuronal arbors, while analog variation may be dominated by other influences. We discuss the implications for the stability-plasticity dilemma.

Summary We present a semi-automated reconstruction of L2/3 mouse primary visual cortex from 3 million cubic microns of electron microscopic images, including pyramidal and inhibitory neurons, astrocytes, microglia, oligodendrocytes and precursors, pericytes, vasculature, mitochondria, and synapses. Visual responses of a subset of pyramidal cells are included. The data are being made publicly available, along with tools for programmatic and 3D interactive access. The density of synaptic inputs onto inhibitory neurons varies across cell classes and compartments. We uncover a compartment-specific correlation between mitochondrial coverage and synapse density. Frequencies of connectivity motifs in the graph of pyramidal cells are predicted quite accurately from node degrees using the configuration model of random graphs. Cells receiving more connections from nearby cells exhibit stronger and more reliable visual responses. These example findings illustrate the resource’s utility for relating structure and function of cortical circuits as well as for neuronal cell biology.

ABSTRACT Long COVID or post-acute sequelae of SARS-CoV-2 (PASC) is a clinical syndrome featuring diverse symptoms that can persist for months after acute SARS-CoV-2 infection. The etiologies are unknown but may include persistent inflammation, unresolved tissue damage, or delayed clearance of viral protein or RNA. Attempts to classify subsets of PASC by symptoms alone have been unsuccessful. To molecularly define PASC, we evaluated the serum proteome in longitudinal samples from 55 PASC individuals with symptoms lasting ≥60 days after onset of acute infection and compared this to symptomatically recovered SARS-CoV-2 infected and uninfected individuals. We identified subsets of PASC with distinct signatures of persistent inflammation. Type II interferon signaling and canonical NF-κB signaling (particularly associated with TNF), were the most differentially enriched pathways. These findings help to resolve the heterogeneity of PASC, identify patients with molecular evidence of persistent inflammation, and highlight dominant pathways that may have diagnostic or therapeutic relevance. One Sentence Summary Serum proteome profiling identifies subsets of long COVID patients with evidence of persistent inflammation including key immune signaling pathways that may be amenable to therapeutic intervention.

SARS-CoV-2 has infected over 200 million and caused more than 4 million deaths to date. Most individuals (>80%) have mild symptoms and recover in the outpatient setting, but detailed studies of immune responses have focused primarily on moderate to severe COVID-19. We deeply profiled the longitudinal immune response in individuals with mild COVID-19 beginning with early time points post-infection (1-15 days) and proceeding through convalescence to >100 days after symptom onset. We correlated data from single cell analyses of peripheral blood cells, serum proteomics, virus-specific cellular and humoral immune responses, and clinical metadata. Acute infection was characterized by vigorous coordinated innate and adaptive immune activation that differed in character by age (young vs. old). We then characterized signals associated with recovery and convalescence to define and validate a new signature of inflammatory cytokines, gene expression, and chromatin accessibility that persists in individuals with post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection (PASC).

The activity and connectivity of inhibitory cells has a profound impact on the operation of neuronal networks. While the average connectivity of many inhibitory cell types has been characterized, we still lack an understanding of how individual interneurons distribute their synapses onto their targets and how heterogeneous the inhibition is onto different individual excitatory neurons. Here, we use large-scale volumetric electron microscopy (EM) and functional imaging to address this question for chandelier cells in layer 2/3 of mouse visual cortex. Using dense morphological reconstructions from EM, we mapped the complete chandelier input onto 153 pyramidal neurons. We find that the number of input synapses is highly variable across the population, but the variability is correlated with structural features of the target neuron: soma depth, soma size, and the number of perisomatic synapses received. Functionally, we found that chandelier cell activity in vivo was highly correlated and tracks pupil diameter, a proxy for arousal state. We propose that chandelier cells provide a global signal whose strength is individually adjusted for each target neuron. This approach, combining comprehensive structural analysis with functional recordings of identified cell types, will be a powerful tool to uncover the wiring rules across the diversity of cortical cell types.

Abstract: The naive T cell compartment undergoes multiple changes across age that associate with altered susceptibility to infection and autoimmunity. In addition to the acquisition of naive-like memory T cell subsets, mouse studies describe substantial molecular reprogramming of the naive compartment in adults compared with adolescents. However, these alterations are not well delineated in human aging. Using a new trimodal single cell technology (TEA-seq), we discovered that the composition and transcriptional and epigenetic programming of the naive T cell compartment in children (11-13 yrs) is distinct from that of older adults (55-65 yrs). Naive CD4 T cells, previously considered relatively resistant to aging, exhibited far more pronounced molecular reprogramming than naive CD8 T cells, in which alterations are preferentially driven by shifts in naive-like memory subsets. These data reveal the complex nature of the naive T cell compartment that may contribute to differential immune responses across the spectrum of human age. One Sentence Summary: The naive CD8 and CD4 T cell compartments in humans are heterogeneous and impacted differently with age, in which naive CD8 T cell subsets dramatically shift in composition and true naive CD4 T cells display significant molecular re-programming.