Axons in the cerebral cortex receive synaptic input at the axon initial segment almost exclusively from gamma-aminobutyric acid-releasing (GABAergic) axo-axonic cells (AACs). The axon has the lowest threshold for action potential generation in neurons; thus, AACs are considered to be strategically placed inhibitory neurons controlling neuronal output. However, we found that AACs can depolarize pyramidal cells and can initiate stereotyped series of synaptic events in rat and human cortical networks because of a depolarized reversal potential for axonal relative to perisomatic GABAergic inputs. Excitation and signal propagation initiated by AACs is supported by the absence of the potassium chloride cotransporter 2 in the axon.

Microglia take control Changes in the activity of microglia, the primary immune cells of the central nervous system, are linked with major human diseases, including stroke, epilepsy, psychiatric disorders, and neurodegeneration. Cserép et al. identified a specialized morphofunctional communication site between microglial processes and neuronal cell bodies in the mouse and the human brain (see the Perspective by Nimmerjahn). These junctions are formed at specific areas of the neuronal somatic membranes and possess a distinctive nanoarchitecture and specialized molecular composition linked to mitochondrial signaling. The junctions appear to provide a major site for microglia-neuron communication and may help to mediate the neuroprotective effects of microglia after acute brain injury. Science , this issue p. 528 ; see also p. 510

We describe convergent evidence from transcriptomics, morphology, and physiology for a specialized GABAergic neuron subtype in human cortex. Using unbiased single-nucleus RNA sequencing, we identify ten GABAergic interneuron subtypes with combinatorial gene signatures in human cortical layer 1 and characterize a group of human interneurons with anatomical features never described in rodents, having large ‘rosehip’-like axonal boutons and compact arborization. These rosehip cells show an immunohistochemical profile (GAD1+CCK+, CNR1–SST–CALB2–PVALB–) matching a single transcriptomically defined cell type whose specific molecular marker signature is not seen in mouse cortex. Rosehip cells in layer 1 make homotypic gap junctions, predominantly target apical dendritic shafts of layer 3 pyramidal neurons, and inhibit backpropagating pyramidal action potentials in microdomains of the dendritic tuft. These cells are therefore positioned for potent local control of distal dendritic computation in cortical pyramidal neurons. The authors use single-nucleus RNA-seq to identify 10 GABAergic interneuron subtypes in human cortex layer 1. Molecular, morphological, and physiological evidence points to an emerging human cell type, the rosehip cell, not found in other species.

Abstract We describe convergent evidence from transcriptomics, morphology and physiology for a specialized GABAergic neuron subtype in human cortex. Using unbiased single nucleus RNA sequencing, we identify ten GABAergic interneuron subtypes with combinatorial gene signatures in human cortical layer 1 and characterize a novel group of human interneurons with anatomical features never described in rodents having large, “rosehip”-like axonal boutons and compact arborization. These rosehip cells show an immunohistochemical profile (GAD1/CCK-positive, CNR1/SST/CALB2/PVALB-negative) matching a single transcriptomically-defined cell type whose molecular signature is not seen in mouse cortex. Rosehip cells make homotypic gap junctions, predominantly target apical dendritic shafts of layer 3 pyramidal neurons and inhibit backpropagating pyramidal action potentials in microdomains of the dendritic tuft. These cells are therefore positioned for potent local control of distal dendritic computation in cortical pyramidal neurons.

Abstract Human cortical interneurons have been challenging to study due to high diversity and lack of mature brain tissue platforms and genetic targeting tools. We employed rapid GABAergic neuron viral labeling plus unbiased Patch-seq sampling in brain slices to define the signature morpho-electric properties of GABAergic neurons in the human neocortex. Viral targeting greatly facilitated sampling of the SST subclass, including primate specialized double bouquet cells which mapped to two SST transcriptomic types. Multimodal analysis uncovered an SST neuron type with properties inconsistent with original subclass assignment; we instead propose reclassification into PVALB subclass. Our findings provide novel insights about functional properties of human cortical GABAergic neuron subclasses and types and highlight the essential role of multimodal annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies. One Sentence Summary Viral genetic labeling of GABAergic neurons in human ex vivo brain slices paired with Patch-seq recording yields an in-depth functional annotation of human cortical interneuron subclasses and types and highlights the essential role of multimodal functional annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies.

Abstract Neocortical layer 1 (L1) is a site of convergence between pyramidal neuron dendrites and feedback axons where local inhibitory signaling can profoundly shape cortical processing. Evolutionary expansion of human neocortex is marked by distinctive pyramidal neuron types with extensive branching in L1, but whether L1 interneurons are similarly diverse is underexplored. Using patch-seq recordings from human neurosurgically resected tissues, we identified four transcriptomically defined subclasses, unique subtypes within those subclasses and additional types with no mouse L1 homologue. Compared with mouse, human subclasses were more strongly distinct from each other across all modalities. Accompanied by higher neuron density and more variable cell sizes compared with mouse, these findings suggest L1 is an evolutionary hotspot, reflecting the increasing demands of regulating the expanding human neocortical circuit. One Sentence Summary Using transcriptomics and morpho-electric analyses, we describe innovations in human neocortical layer 1 interneurons.

Human-specific cognitive abilities depend on information processing in the cerebral cortex, where neurons are significantly larger and sparser compared to rodents. We found that, in synaptically-connected layer 2/3 pyramidal cells (L2/3 PCs), soma-to-soma signal propagation delay is similar in humans and rodents. Thus, to compensate for the increase in neurons size, membrane potential changes must propagate faster in human axons and/or dendrites. Dual somato-dendritic and somato-axonal patch recordings show that action potentials (APs) propagation speed is similar in human and rat axons, but the forward propagation of the EPSPs and the back-propagating APs are ~ 26 and 47% faster in human dendrites respectively. Faithful biophysical models of human and rat L2/3 PCs, combined with pharmacological manipulations of membrane properties, showed both the larger diameter of the apical dendrite and the larger conductance load imposed by the basal tree in human, combined with differences in cable properties, underlie the accelerated signal propagation in human cortical circuits.

ABSTRACT Patch clamp recording of neurons is a labor-intensive and time-consuming procedure. We have developed a tool that fully automatically performs electrophysiological recordings in label-free tissue slices. The automation covers the detection of cells in label-free images, calibration of the micropipette movement, approach to the cell with the pipette, formation of the whole-cell configuration, and recording. The cell detection is based on deep learning. The model was trained on a new image database of neurons in unlabeled brain tissue slices. The pipette tip detection and approaching phase use image analysis techniques for precise movements. High-quality measurements were performed on hundreds of human and rodent neurons. We also demonstrate that further molecular and anatomical analysis can be performed on the recorded cells. The software has a diary module that automatically logs patch clamp events. Our tool can multiply the number of daily measurements to help brain research. ONE SENTENCE SUMMARY Novel deep learning and image analysis algorithms for automated patch clamp systems to reliably measure neurons in human and rodent brain slices.

Abstract The basic excitatory neurons of the cerebral cortex, the pyramidal cells, are the most important signal integrators for the local circuit. They have quite characteristic morphological and electrophysiological properties that are known to be largely constant with age in the young and adult cortex. However, the brain undergoes several dynamic changes throughout life, such as in the phases of early development and cognitive decline in the aging brain. We set out to search for intrinsic cellular changes in supragranular pyramidal cells across a broad age range: from birth to 85 years of age and we found differences in several biophysical properties between defined age groups. During the first year of life, subthreshold and suprathreshold electrophysiological properties changed in a way that shows that pyramidal cells become less excitable with maturation, but also become temporarily more precise. According to our findings, the morphological features of the three-dimensional reconstructions from different life stages showed consistent morphological properties and systematic dendritic spine analysis of an infantile and an old pyramidal cell showed clear significant differences in the distribution of spine shapes. Overall, the changes that occur during development and aging may have lasting effects on the properties of pyramidal cells in the cerebral cortex. Understanding these changes is important to unravel the complex mechanisms underlying brain development, cognition and age-related neurodegenerative diseases.

Microglia are the main immune cells in the brain with emerging roles in brain homeostasis and neurological diseases, while mechanisms underlying microglia-neuron communication remain elusive. Here, we identify a novel site of interaction between neuronal cell bodies and microglial processes in mouse and human brain. Somatic microglia-neuron junctions possess specialized nanoarchitecture optimized for purinergic signaling. Activity of neuronal mitochondria is linked with microglial junction formation, which is rapidly induced in response to neuronal activation and blocked by inhibition of P2Y12-receptors (P2Y12R). Brain injury-induced changes at somatic junctions trigger P2Y12R-dependent microglial neuroprotection, regulating neuronal calcium load and functional connectivity. Collectively, our results suggest that microglial processes at these junctions are in ideal position to monitor and protect neuronal functions in both the healthy and injured brain.