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.

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 Neural population activity determines the timing of synaptic inputs, which arrive to dendrites, cell bodies and axon initial segments (AISs) of cortical neurons. Action potential initiation in the AIS (AIS-APs) is driven by input integration, and the phase preference of AIS-APs during network oscillations is characteristic to cell classes. Distal regions of cortical axons do not receive synaptic inputs, yet experimental induction protocols can trigger retroaxonal action potentials (RA-APs) in axons distal from the soma. We report spontaneously occurring RAAPs in human and rodent cortical interneurons that appear uncorrelated to inputs and population activity. Network linked triggering of AIS-APs versus input independent timing of RA-APs of the same interneurons result in disparate temporal contribution of a single cell to in vivo network operation through perisomatic and distal axonal firing. One-Sentence Summary Network linked triggering of AIS-APs versus input independent timing of RA-APs of the same interneurons result in disparate temporal contribution of a single cell to in vivo network operation.

Summary Summation of ionotropic receptor-mediated responses is critical in neuronal computation by shaping input-output characteristics of neurons. However, arithmetics of summation for metabotropic signals are not known. We characterized the combined ionotropic and metabotropic output of neocortical neurogliaform cells (NGFCs) using electrophysiological and anatomical methods. These experiments revealed that GABA receptors are activated up to 1.8 microns from release sites and confirmed coactivation of putative NGFCs in superficial cortical layers in vivo. Triple recordings from presynaptic NGFCs converging to a postsynaptic neuron revealed sublinear summation of ionotropic GABA A responses and linear summation of metabotropic GABA B responses. Based on a model combining distances of volume transmission from release sites and distributions of all NGFC axon terminals, we postulate that 2 to 3 NGFCs provide input to a point in the neuropil. We suggest that interactions of metabotropic GABAergic responses remain linear even if most superficial layer interneurons specialized to recruit GABA B receptors are simultaneously active.

The neocortex is disproportionately expanded in human compared to mouse, both in its total volume relative to subcortical structures and in the proportion occupied by supragranular layers that selectively make connections within the cortex and other telencephalic structures. Single-cell transcriptomic analyses of human and mouse cortex show an increased diversity of glutamatergic neuron types in supragranular cortex in human and pronounced gradients as a function of cortical depth. To probe the functional and anatomical correlates of this transcriptomic diversity, we describe a robust Patch-seq platform using neurosurgically-resected human tissues. We characterize the morphological and physiological properties of five transcriptomically defined human glutamatergic supragranular neuron types. Three of these types have properties that are specialized compared to the more homogeneous properties of transcriptomically defined homologous mouse neuron types. The two remaining supragranular neuron types, located exclusively in deep layer 3, do not have clear mouse homologues in supragranular cortex but are transcriptionally most similar to deep layer mouse intratelencephalic-projecting neuron types. Furthermore, we reveal the transcriptomic types in deep layer 3 that express high levels of non-phosphorylated heavy chain neurofilament protein that labels long-range neurons known to be selectively depleted in Alzheimer's disease. Together, these results demonstrate the power of transcriptomic cell type classification, provide a mechanistic underpinning for increased complexity of cortical function in human cortical evolution, and implicate discrete transcriptomic cell types as selectively vulnerable in disease.