There are many transgenic GFP reporter lines that allow the visualization of specific populations of cells. Using such lines for functional studies requires a method that transforms GFP into a molecule that enables genetic manipulation. We developed a method that exploits GFP for gene manipulation, Cre recombinase dependent on GFP (CRE-DOG), a split component system that uses GFP and its derivatives to directly induce Cre/loxP recombination. Using plasmid electroporation and AAV viral vectors, we delivered CRE-DOG to multiple GFP mouse lines, which led to effective recombination selectively in GFP-labeled cells. Furthermore, CRE-DOG enabled optogenetic control of these neurons. Beyond providing a new set of tools for manipulation of gene expression selectively in GFP(+) cells, we found that GFP can be used to reconstitute the activity of a protein not known to have a modular structure, suggesting that this strategy might be applicable to a wide range of proteins.

The cerebellum is a well-studied brain structure with diverse roles in motor learning, coordination, cognition, and autonomic regulation. Nonetheless, a complete inventory of cerebellar cell types is presently lacking. We used high-throughput transcriptional profiling to molecularly define cell types across individual lobules of the adult mouse cerebellum. Purkinje and granule neurons showed considerable regional specialization, with the greatest diversity occurring in the posterior lobules. For multiple types of cerebellar interneurons, the molecular variation within each type was more continuous, rather than discrete. For the unipolar brush cells (UBCs)—an interneuron population previously subdivided into two discrete populations—the continuous variation in gene expression was associated with a graded continuum of electrophysiological properties. Most surprisingly, we found that molecular layer interneurons (MLIs) were composed of two molecularly and functionally distinct types. Both show a continuum of morphological variation through the thickness of the molecular layer, but electrophysiological recordings revealed marked differences between the two types in spontaneous firing, excitability, and electrical coupling. Together, these findings provide the first comprehensive cellular atlas of the cerebellar cortex, and outline a methodological and conceptual framework for the integration of molecular, morphological, and physiological ontologies for defining brain cell types.

Abstract Circuitry of the cerebellar cortex is regionally and functionally specialized. Unipolar brush cells (UBCs), and Purkinje cell (PC) synapses made by axon collaterals in the granular layer, are both enriched in areas that control balance and eye-movement. Here we find a link between these specializations: PCs preferentially inhibit mGluR1-expressing UBCs that respond to mossy fiber inputs with long lasting increases in firing, but PCs do not inhibit mGluR1-lacking UBCs. PCs inhibit about 29% of mGluR1-expressing UBCs by activating GABA A receptors (GABA A Rs) and inhibit almost all mGluR1-expressing UBCs by activating GABA B Rs. PC to UBC synapses allow PC output to regulate the input layer of the cerebellar cortex in diverse ways. GABA A R-mediated feedback is fast, unreliable, noisy, and suited to linearizing input-output curves and decreasing gain. Slow GABA B R-mediated inhibition allows elevated PC activity to sharpen the input-output transformation of UBCs, and allows dynamic inhibitory feedback of mGluR1-expressing UBCs.

Abstract To understand how the cerebellar cortex transforms mossy fiber (MF) inputs into Purkinje cell (PC) outputs, it is vital to delineate the elements of this circuit. Candelabrum cells (CCs) are enigmatic interneurons of the cerebellar cortex that have been identified based on their morphology, but their electrophysiological properties, synaptic connections, and function remain unknown. Here we clarify these properties using electrophysiology, snRNA sequencing, in situ hybridization, and serial electron microscopy. We find that CCs are the most abundant PC layer interneuron. They are GABAergic, molecularly distinct, and present in all cerebellar lobules. Their high resistance renders CC firing highly sensitive to synaptic inputs. CCs are excited by MFs and granule cells, and strongly inhibited by PCs. CCs in turn inhibit molecular layer interneurons, which leads to PC disinhibition. Thus, inputs, outputs and local signals all converge onto CCs to allow them to assume a unique role in controlling cerebellar output.

GABAA receptors containing the δGABAA subunit (δGABAARs) are involved in many physiological and pathophysiological processes, such as sleep, pain, stress, anxiety-related behaviors, and postpartum depression. These extrasynaptically located, high affinity and slowly desensitizing receptors mediate tonic inhibition throughout the brain, including in granule cells (GCs) of the cerebellar input layer. However, the extent to which δGABAARs control the excitability of the cerebellar input layer and ultimately regulate behavior is unknown. We therefore deleted δGABAA subunits specifically from GCs and determined the behavioral consequences in mice. Deletion reduced tonic inhibition and increased input layer excitability, but remarkably, did not affect either locomotion or motor learning. Unexpectedly, δGABAA deletion heightened anxiety-like behaviors, and caused female-specific alterations in social and maternal behavior. Our findings establish that the cerebellar input layer is critical for regulating diverse behaviors that are relevant to psychiatric and neurodevelopmental disorders but were previously not associated with the cerebellum.