ABSTRACT Diverse subsets of cortical interneurons play a particularly important role in the stability of the neural circuits underlying cognitive and higher order brain functions, yet our understanding of how this diversity is generated is far from complete. We applied massively parallel single-cell RNA-seq to profile a developmental time course of interneuron development, measuring the transcriptomes of over 60,000 progenitors during their maturation in the ganglionic eminences and embryonic migration into the cortex. While diversity within mitotic progenitors is largely driven by cell cycle and differentiation state, we observed sparse eminence-specific transcription factor expression, which seeds the emergence of later cell diversity. Upon becoming postmitotic, cells from all eminences pass through one of three precursor states, one of which represents a cortical interneuron ground state. By integrating datasets across developmental timepoints, we identified transcriptomic heterogeneity in interneuron precursors representing the emergence of four cardinal classes (Pvalb, Sst, Id2 and Vip), which further separate into subtypes at different timepoints during development. Our analysis revealed that the ASD-associated transcription factor Mef2c discriminates early Pvalb-precursors in E13.5 cells, and removal of Mef2c confirms its essential role for Pvalb interneuron development. These findings shed new light on the molecular diversification of early inhibitory precursors, and suggest gene modules that may link developmental specification with the etiology of neuropsychiatric disorders.

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.

Sensory and cognitive functions are processed in discrete cortical areas and depend upon the integration of long range cortical and subcortical inputs. PV and SST inhibitory interneurons (cINs) gate these inputs and failure to do so properly is implicated in many neurodevelopmental disorders. The logic by which these interneuron populations are integrated into cortical circuits and how these vary across sensory versus associative cortical areas is unknown. To answer this question, we began by surveying the breadth of afferents impinging upon PV and SST cINs within distinct cortical areas. We found that presynaptic inputs to both cIN populations are similar and primarily dictated by their areal location. By contrast, the timing of when they receive these afferents is cell-type specific. In sensory regions, both SST and PV cINs initially receive thalamocortical first order inputs. While by adulthood PV cINs remain heavily skewed towards first order inputs, SST cINs receive an equal balance of first and higher order thalamic afferents. Remarkably, while perturbations to sensory experience affect PV cIN thalamocortical connectivity, SST cIN connectivity is disrupted in a model of fragile X syndrome (Fmr1 loss of function) but not a model of ASD (Shank3B loss of function). Altogether, these data provide a comprehensive map of cIN afferents within different functional cortical areas and reveal the region-specific logic by which PV and SST cIN circuits are established.

Abstract Higher order feedback projections to sensory cortical areas converge on layer 1 (L1), the primary site for integration of top-down information via the apical dendrites of pyramidal neurons and L1 GABAergic interneurons. Here, we investigated the contribution of early thalamic inputs onto L1 interneurons for the establishment of top-down inputs in the primary visual cortex. We find that bottom-up thalamic inputs predominate during early L1 development and preferentially target neurogliaform cells. We find that these projections are critical for the subsequent strengthening of feedback inputs from the anterior cingulate cortex. Enucleation or selective removal of thalamic afferents blocked this phenomenon. Notably, while early activation of anterior cingulate afferents resulted in a premature strengthening of these top-down inputs to neurogliaform cells, this was also dependent on thalamic inputs. Our results demonstrate that the proper establishment of top-down feedback inputs critically depends on bottom-up inputs from the thalamus during early postnatal development.

Abstract Mature neural networks synchronize and integrate spatiotemporal activity patterns to support cognition. Emergence of these activity patterns and functions is believed to be developmentally regulated, but the postnatal time course for neural networks to perform complex computations remains unknown. We investigate the progression of large-scale synaptic and cellular activity patterns across development using high spatiotemporal resolution in vivo electrophysiology in immature mice. We reveal that mature cortical processes emerge rapidly and simultaneously after a discrete but volatile transition period at the beginning of the second postnatal week of rodent development. The transition is characterized by relative neural quiescence, after which spatially distributed, temporally precise, and internally organized activity occurs. We demonstrate a similar developmental trajectory in humans, suggesting an evolutionarily conserved mechanism to transition network operation. We hypothesize that this transient quiescent period is a requisite for the subsequent emergence of coordinated cortical networks.

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 During brain development, neural circuits undergo major activity-dependent restructuring. Circuit wiring mainly occurs through synaptic strengthening following the Hebbian “fire together, wire together” precept. However, select connections, essential for circuit development, are transient. They are effectively connected early in development, but strongly diminish during maturation. The mechanisms by which transient connectivity recedes are unknown. To investigate this process, we characterize transient thalamocortical inputs, which depress onto somatostatin inhibitory interneurons during development, by employing optogenetics, chemogenetics, transcriptomics and CRISPR-based strategies in mice. We demonstrate that in contrast to typical activity-dependent mechanisms, transient thalamocortical connectivity onto somatostatin interneurons is non-canonical and involves metabotropic signaling. Specifically, metabotropic-mediated transcription, of guidance molecules in particular, supports the elimination of this connectivity. Remarkably, we found that this process impacts the development of normal exploratory behaviors of adult mice.

Given its ability to map chromatin accessibility with single base pair resolution, ATAC-seq has become a leading technology to probe the epigenomic landscape of single and aggregated cells. Understanding ATAC-seq data presents distinct analysis challenges, compared to RNA-seq technologies, because of the relative sparseness of the data produced and the interaction of complex noise with multiple chromatin structure scales. Methods commonly used to analyze chromatin accessibility datasets are adapted from algorithms designed to process different experimental technologies, disregarding the statistical and biological differences intrinsic to the ATAC-seq technology. Here, we present a Bayesian statistical approach, termed ChromA, to analyze ATAC-seq data. ChromA annotates the cellular epigenetic landscape by integrating information from replicates, producing a consensus de-noised annotation of chromatin accessibility. Our method can analyze single cell ATAC-seq data, improving cell type identification and correcting many of the biases generated by the sparse sampling inherent in single cell technologies. We validate ChromA on several biological systems, including mouse and human immune cells and find it effective at recovering accessible chromatin, establishing ChromA as a top preforming general platform for mapping the chromatin landscape in different cellular populations from diverse experimental designs.

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.

Motor neurons (MNs) innervating the digit muscles of the intrinsic hand and foot (IH and IF) control fine motor movements. Previous studies suggest that the IH and IF MN pools have a unique developmental history in comparison to limb MN pools. Consistent with having this unique development, we find that the IH and IF MN pools are labeled postnatally using a CRE knock-in mouse line of Atoh1, a developmentally expressed basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factor, while limb-innervating MN pools are not. Approximately 60% of the IH and IF MN pools are labeled and are a mixture of alpha and gamma-MNs. In addition, because Atoh1 is known developmentally to specify many cerebellar-projecting neurons, we tested the hypothesis that IH and IF MNs can send axon collaterals to the cerebellum as a mechanism of corollary discharge. Using intersectional genetic, viral labeling, and retrograde labeling strategies, we were unable to provide evidence in support of this idea. As a secondary finding of our viral labeling experiments, we report here that injection of both AAV and Lentiviruses in the periphery can cross the blood-brain barrier to infect Purkinje cells within the central nervous system. Altogether, though, we find that labeling of the IH and IF motor neurons using the Atoh1 CRE knock-in mouse suggests that IH and IF MNs have a unique developmental history and that this mouse strain might be a useful tool to target these specific sets of neurons allowing for functional studies of fine motor control.