Summary Prevailing theories of offline memory consolidation posit that the pattern of neurons activated during a salient sensory experience will be faithfully reactivated, thereby stabilizing the entire pattern 1-3 . However, sensory-evoked patterns are not stable, but instead drift across repeated experiences 4-7 . To investigate potential roles of reactivations in the stabilization and/or drift of sensory representations, we imaged calcium activity of thousands of excitatory neurons in mouse lateral visual cortex. Presentation of a stimulus resulted in transient, stimulus-specific reactivations during the following minute. These reactivations depended on local circuit activity, as they were abolished by local silencing during the preceding stimulus. Contrary to prevailing theories, reactivations systemically differed from previous patterns evoked by the stimulus. Instead, they were more similar to future patterns evoked by the stimulus, thereby predicting representational drift. In particular, neurons that participated more or less in early reactivations than in stimulus response patterns subsequently increased or decreased their future stimulus responses, respectively. The rate and content of these reactivations was sufficient to accurately predict future changes in stimulus responses and, surprisingly, the decreasing similarity of responses to distinct stimuli. Thus, activity patterns during sensory cortical reactivations may guide the drift in sensory responses to improve sensory discrimination 8 .

Recent success in identifying gene regulatory elements in the context of recombinant adeno-associated virus vectors have enabled cell type-restricted gene expression. However, within the cerebral cortex these tools are presently limited to broad classes of neurons. To overcome this limitation, we developed a strategy that led to the identification of multiple novel enhancers to target functionally distinct neuronal subtypes. By investigating the regulatory landscape of the disease gene Scn1a, we identified enhancers that target the breadth of its expression, including two that are selective for parvalbumin and vasoactive intestinal peptide cortical interneurons. Demonstrating the functional utility of these elements, we found that the PV-specific enhancer allowed for the selective targeting and manipulation of these neurons across species, from mice to humans. Finally, we demonstrate that our selection method is generalizable to other genes and characterize four additional PV-specific enhancers with exquisite specificity for distinct regions of the brain. Altogether, these viral tools can be used for cell-type specific circuit manipulation and hold considerable promise for use in therapeutic interventions.

Abstract The mammalian brain is composed of many brain structures, each with its own ontogenetic and developmental history. Transcriptionally-based cell type taxonomies reveal cell type composition and similarity relationships within and across brain structures. We sampled over 2.4 million brain cells across 18 locations in the common marmoset, a New World monkey primed for genetic engineering, and used single-nucleus RNA sequencing to examine global gene expression patterns of cell types within and across brain structures. Our results indicate that there is generally a high degree of transcriptional similarity between GABAergic and glutamatergic neurons found in the same brain structure, and there are generally few shared molecular features between neurons that utilize the same neurotransmitter but reside in different brain structures. We also show that in many cases the transcriptional identities of cells are intrinsically retained from their birthplaces, even when they migrate beyond their cephalic compartments. Thus, the adult transcriptomic identity of most neuronal types appears to be shaped much more by their developmental identity than by their primary neurotransmitter signaling repertoire. Using quantitative mapping of single molecule FISH (smFISH) for markers for GABAergic interneurons, we found that the similar types (e.g. PVALB + interneurons) have distinct biodistributions in the striatum and neocortex. Interneuron types follow medio-lateral gradients in striatum but form complex distributions across the neocortex that are not described by simple gradients. Lateral prefrontal areas in marmoset are distinguished by high relative proportions of VIP + neurons. We further used cell-type-specific enhancer driven AAV-GFP to visualize the morphology of molecularly-resolved interneuron classes in neocortex and striatum, including the previously discovered novel primate-specific TAC3+ striatal interneurons. Our comprehensive analyses highlight how lineage and functional class contribute to the transcriptional identity and biodistribution of primate brain cell types. One-Sentence Summary Adult primate neurons are imprinted by their region of origin, more so than by their functional identity.

Summary In Alzheimer’s disease (AD), a multitude of genetic risk factors and early biomarkers are known. Nevertheless, the causal factors responsible for initiating cognitive decline in AD remain controversial. Toxic plaques and tangles correlate with progressive neuropathology, yet disruptions in circuit activity emerge before their deposition in AD models and patients. Parvalbumin (PV) interneurons are potential candidates for dysregulating cortical excitability, as they display altered AP firing before neighboring excitatory neurons in prodromal AD. Here we report a novel mechanism responsible for PV hypoexcitability in young adult familial AD mice. We found that biophysical modulation of K + channels, but not changes in mRNA expression, are responsible for dampened excitability. These K + conductances could efficiently regulate near-threshold AP firing, resulting in gamma-frequency specific network hyperexcitability. Our findings suggest that posttranslational modulation of ion channels can reshape cortical network activity prior to changes in their gene expression in early AD.

SUMMARY Opioid receptors within the CNS regulate pain sensation and mood and are key targets for drugs of abuse. Within the adult rodent hippocampus (HPC), μ-opioid receptor agonists suppress inhibitory parvalbumin-expressing interneurons (PV-INs), thus disinhibiting the circuit. However, it is uncertain if this disinhibitory motif is conserved in other cortical regions, species, or across development. We observed that PV-IN mediated inhibition is robustly suppressed by opioids in HPC but not neocortex in mice and nonhuman primates, with spontaneous inhibitory tone in resected human tissue also following a consistent dichotomy. This hippocampal disinhibitory motif was established in early development when immature PV-INs and opioids already influence primordial network rhythmogenesis. Acute opioid-mediated modulation was partially occluded with morphine pretreatment, with implications for the effects of opioids on hippocampal network activity during circuit maturation as well as learning and memory. Together, these findings demonstrate that PV-INs exhibit a divergence in opioid sensitivity across brain regions that is remarkably conserved across evolution and highlights the underappreciated role of opioids acting through immature PV-INs in shaping hippocampal development.

ABSTRACT In the mammalian neocortex, inhibition is important for dynamically balancing excitation and shaping the response properties of cells and circuits. The various functions of inhibition are thought to be mediated by different inhibitory neuron types of which a large diversity exists in several species. Current understanding of the function and connectivity of distinct inhibitory neuron types has mainly derived from studies in transgenic mice. However, it is unknown whether knowledge gained from mouse studies applies to the primate, the model system closest to humans. The lack of viral tools to selectively access inhibitory neuron types has been a major impediment to studying their function in the primate. Here, we have thoroughly validated and characterized several recently-developed viral vectors designed to restrict transgene expression to GABAergic cells or their parvalbumin (PV) subtype, and identified two types that show high specificity and efficiency in marmoset V1. We show that in marmoset V1 AAV-h56D induces transgene expression in GABAergic cells with up to 91-94% specificity and 80% efficiency, depending on viral serotype and cortical layer. AAV-PHP.eB-S5E2 induces transgene expression in PV cells across all cortical layers with up to 98% specificity and 86-90% efficiency. Thus, these viral vectors represent promising tools for studying GABA and PV cell function and connectivity in the primate cortex.

Somatostatin interneurons are the earliest born population of inhibitory cells. They are crucial to support normal brain development and function; however, the mechanisms underlying their integration into nascent cortical circuitry are not well understood. In this study, we begin by demonstrating that the maturation of somatostatin interneurons is activity dependent. We then investigated the relationship between activity, alternative splicing and synapse formation within this population. Specifically, we discovered that the Nova family of RNA-binding proteins are activity-dependent and are essential for the maturation of somatostatin interneurons, as well as their afferent and efferent connectivity. Moreover, in somatostatin interneurons, Nova2 preferentially mediates the alternative splicing of genes required for axonal formation and synaptic function. Hence, our work demonstrates that the Nova family of proteins are centrally involved in coupling developmental neuronal activity to cortical circuit formation.

Connections from the ventral hippocampus (vHPC) to the prefrontal cortex (PFC) regulate cognition, emotion and memory. These functions are also tightly regulated by inhibitory networks in the PFC, whose disruption is thought to contribute to mental health disorders. However, relatively little is known about how the vHPC engages different populations of interneurons in the PFC. Here we use slice physiology and optogenetics to study vHPC-evoked feed-forward inhibition in the mouse PFC. We first show that cholecystokinin (CCK+), parvalbumin (PV+), and somatostatin (SOM+) interneurons are prominent in layer 5 (L5) of infralimbic PFC. We then show that vHPC inputs primarily activate CCK+ and PV+ interneurons, with weaker connections onto SOM+ interneurons. CCK+ interneurons make stronger synapses onto pyramidal tract (PT) cells over nearby intratelencephalic (IT) cells. However, CCK+ inputs undergo depolarization-induced suppression of inhibition (DSI) and CB1 receptor modulation only at IT cells. Moreover, vHPC-evoked feed-forward inhibition undergoes DSI only at IT cells, confirming a central role for CCK+ interneurons. Together, our findings show how vHPC directly engages multiple populations of inhibitory cells in deep layers of the infralimbic PFC, highlighting unexpected roles for both CCK+ interneurons and endocannabinoid modulation in hippocampal-prefrontal communication.

Primates and rodents, which descended from a common ancestor more than 90 million years ago, exhibit profound differences in behavior and cognitive capacity. Modifications, specializations, and innovations to brain cell types may have occurred along each lineage. We used Drop-seq to profile RNA expression in more than 184,000 individual telencephalic interneurons from humans, macaques, marmosets, and mice. Conserved interneuron types varied significantly in abundance and RNA expression between mice and primates, but varied much more modestly among primates. In adult primates, the expression patterns of dozens of genes exhibited spatial expression gradients among neocortical interneurons, suggesting that adult neocortical interneurons are imprinted by their local cortical context. In addition, we found that an interneuron type previously associated with the mouse hippocampus--the "ivy cell", which has neurogliaform characteristics--has become abundant across the neocortex of humans, macaques, and marmosets. The most striking innovation was subcortical: we identified an abundant striatal interneuron type in primates that had no molecularly homologous cell population in mouse striatum, cortex, thalamus, or hippocampus. These interneurons, which expressed a unique combination of transcription factors, receptors, and neuropeptides, including the neuropeptide TAC3, constituted almost 30% of striatal interneurons in marmosets and humans. Understanding how gene and cell-type attributes changed or persisted over the evolutionary divergence of primates and rodents will guide the choice of models for human brain disorders and mutations and help to identify the cellular substrates of expanded cognition in humans and other primates.